天津地區(qū)光伏與電采暖負荷接入對電網(wǎng)日負荷曲線影響分析

張宇澤 王繼鎖 何亞樵

摘? 要：在分析了天津地區(qū)光伏出力特性與電采暖負荷需求特性的基礎上，研究了天津地區(qū)光伏與電采暖負荷接入對電網(wǎng)日負荷曲線的影響。研究表明天津地區(qū)光伏出力特性與商業(yè)負荷特性的耦合程度最好，商業(yè)負荷集中的地區(qū)最能夠消納光伏出力;而工業(yè)負荷特性與電采暖負荷需求特性較匹配，電采暖負荷接入工業(yè)集中地區(qū)可降低地區(qū)電網(wǎng)峰谷差。研究結(jié)果為天津地區(qū)供電企業(yè)預測電網(wǎng)負荷需求，指導電網(wǎng)規(guī)劃建設提供技術支撐。

關鍵詞：光伏;電采暖負荷;負荷特性;負荷曲線

中圖分類號：TM715 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0050-03

Abstract： Based on the analysis of photovoltaic output characteristics and electric heating load demand characteristics in Tianjin， the influence of photovoltaic and electric heating load on daily load curve of power grid in Tianjin is searched. The results show that the coupling degree of photovoltaic output characteristics and urban commercial load characteristics is the best， and the area with concentrated commercial load can most absorb photovoltaic power generation; while the industrial load characteristics match with the electric heating load demand characteristics， the peak valley difference of regional power grid can be reduced when the electric heating load is connected to the industrial concentrated area. The research results provide technical support for power supply enterprises in Tianjin to forecast the load demand of power grid and guide the planning and construction of power grid.

Keywords： photovoltaic; electric heating load; load characteristic; load curve

隨著電能替代、清潔替代工程不斷推進，光伏與電采暖負荷接入已成為電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢。光伏出力主要受光照、溫度等因素影響[1]，白天有光照時發(fā)電，夜間無出力。電采暖負荷需求集中在冬季供暖期，負荷特性主要取決于居民用戶的熱需求。光伏與電采暖負荷的接入均會對電網(wǎng)日負荷特性和日負荷曲線產(chǎn)生影響，可能改變?nèi)肇摵汕€的峰谷時段和峰谷差?，F(xiàn)有文獻的研究方向集中在光伏或電采暖負荷接入后的電網(wǎng)負荷預測方法[2-6]，對光伏與電采暖負荷接入后的電網(wǎng)日負荷曲線研究較少。

基于此，本文首先分析了天津地區(qū)常規(guī)電力負荷特性、天津地區(qū)光伏出力特性和電采暖負荷需求特性。在此基礎上，研究了天津地區(qū)光伏與電采暖負荷接入對電網(wǎng)日負荷曲線的影響。為天津地區(qū)供電企業(yè)預測電網(wǎng)負荷需求，指導電網(wǎng)規(guī)劃建設，促進光伏電源消納和電采暖負荷推廣提供技術支撐。

1 天津地區(qū)常規(guī)電力負荷特性

天津地區(qū)常規(guī)電力負荷主要包含居民負荷、商業(yè)負荷和工業(yè)負荷三種類型，均存在自身固有特性[7]。

一年四季中居民日負荷特性大致相同，一天中出現(xiàn)三個負荷峰值，即早上6：00出現(xiàn)第一個小峰值，中午11：00出現(xiàn)第二個峰值，晚上20：00出現(xiàn)一天當中最大的峰值。受夏季和冬季溫度的影響，夏、冬季節(jié)居民負荷平均水平高于春、秋季節(jié)。

四季中商業(yè)日負荷特性也大致相同，呈現(xiàn)“梯形”形狀，負荷峰值數(shù)值差別不大。冬季夜晚溫度低，居民出行較少，商業(yè)負荷在晚上20：00之后迅速降低;夏季傍晚溫度適宜，居民夜晚活動較多，商業(yè)負荷在約23：00后出現(xiàn)降低;春、秋季節(jié)則位于夏、冬季節(jié)之間。

工業(yè)負荷一般在早上8：00迅速達到峰值，中午休息時會降低一部分，下午15：00恢復峰值狀態(tài)，晚飯時間負荷降低，并保持至次日早上8：00。四季中工業(yè)負荷日曲線峰谷差區(qū)別較小。

2 天津地區(qū)光伏接入對電網(wǎng)日負荷曲線影響

2.1 天津地區(qū)光伏出力特性

天津地區(qū)各區(qū)域的氣象因素，尤其是光照強度與溫度差別不大，光伏出力特性基本一致。大部分地區(qū)年日照時數(shù)在2200～3000h范圍內(nèi)，年輻射總量在5016～5852MJ/m2，屬三類光資源地區(qū)。光伏電站設備年利用小時數(shù)略高于全國平均水平。

以某光伏電站典型日出力曲線（如圖1）為例進行分析，天津地區(qū)光伏日出力曲線呈現(xiàn)“一峰”特性，一般中午11：00～14：00為出力高峰期，18：00～次日6：00基本無出力。

各月出力曲線規(guī)律基本一致。春季光伏出力最大;夏季雖然光照強度最高，但氣溫升高導致光伏發(fā)電效率下降，因此出力小于春季;秋季的陰雨和霧霾天氣對輻照度有影響，光伏出力小于夏季;冬季光伏出力最低。

2.2 天津地區(qū)光伏接入對電網(wǎng)日負荷曲線影響

電網(wǎng)對于光伏出力的消納能力受多種因素制約，其中電網(wǎng)負荷特性與光伏出力特性的匹配程度是較為重要的一方面。若負荷特性與光伏出力特性較匹配，則光伏的接入可有效降低電網(wǎng)凈負荷曲線的峰谷差。凈負荷指電網(wǎng)實際用電負荷與光伏出力的差值，即該區(qū)域接入光伏后的網(wǎng)供負荷。若凈負荷為負值則說明光伏出力沒有被完全消納。

分析光伏出力與居民負荷的耦合特性，往往在上午9：00至下午16：00這一時間段會出現(xiàn)光伏出力不能被居民負荷完全消納的情況。且四季中都會出現(xiàn)該情況，其中春季最明顯，秋、夏、冬季次之。四季日負荷曲線峰谷差區(qū)別較小。

分析光伏出力與商業(yè)負荷的耦合特性，冬、夏季節(jié)光伏出力可以被商業(yè)負荷完全消納，僅有春、秋季節(jié)可能出現(xiàn)上午11：00至下午15：00這一時間段光伏出力不能被商業(yè)負荷完全消納的情況。四季日負荷曲線峰谷差以春季為最大。

分析光伏出力與工業(yè)負荷的耦合特性，往往在上午7：00至9：00和上午11：00至下午15：00這兩個時間段會出現(xiàn)光伏出力不能被工業(yè)負荷完全消納的情況。其中在7：00至9：00時間段，只有冬季光伏出力可被工業(yè)負荷完全消納;在11：00至下午15：00時間段，春、秋季光伏出力均不能被工業(yè)負荷完全消納。四季日負荷曲線峰谷差以秋季為最大。

通過以上分析可知，天津地區(qū)光伏出力特性與商業(yè)負荷的耦合程度最好，其主要原因是城市中大型商場一般在上午9：00～10：00間開始營業(yè)，這一特征與光伏典型日出力特性較為相似，商業(yè)負荷在中午時段的較高負荷水平實現(xiàn)了對光伏出力的更好消納。

3 天津地區(qū)電采暖負荷接入對電網(wǎng)日負荷曲線影響

3.1 天津地區(qū)電采暖負荷需求特性

電采暖負荷需求特性主要取決于居民用戶的供暖需求，即熱需求。用戶熱需求指為了維持舒適的室內(nèi)溫度，單位時間需要向室內(nèi)輸入的熱量。與當?shù)貧夂驐l件、建筑特性和用戶用能習慣因素有關。其中氣候條件主要包括室外溫度、風速和日照等，建筑特性主要包括建筑的功能類型、建筑的形狀、圍護結(jié)構(gòu)的熱性能等[8]，用戶用能習慣因素主要包括消費理念、生活方式等。例如部分經(jīng)濟狀況相對較差的村莊，雖已拆除燃煤取暖設備，但居民燃燒秸稈取暖、做飯的現(xiàn)象仍然存在，冬季采暖期針對電采暖用戶實行的峰谷電價政策能夠顯著激勵居民自主選擇在晚間用電低谷時段開啟蓄熱取暖設備儲存熱能，在白天用電高峰時段關閉設備釋放熱能，實現(xiàn)“低谷儲能，全天供熱”。上班族家庭在白天工作時段的采暖用電負荷需求較小，用電負荷高峰集中在下班回家之后的時間;而家中有老人的用戶全天均有供暖需求。通過建立建筑熱平衡模型，如式（1），可得到用戶的熱需求特性曲線：

QT=Q1+Q2-Q3-Q4? ? ? ? ? （1）

式中：QT為建筑溫升耗熱量，W;Q1為采暖設備散熱量，W;Q2為內(nèi)熱源（照明、炊事、人體等）散熱量，W;Q3為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量，W;Q4為門窗滲透耗熱量，W。

以某區(qū)域典型日電采暖負荷曲線（如圖2）為例進行分析，天津地區(qū)電采暖負荷高峰出現(xiàn)在晚上20：00，這是因為夜晚時室外溫度較低，用戶熱需求較大，導致電采暖設備啟動較頻繁，開動功率較大。20：00之后大部分用戶進入晚間休息時間，降低了電采暖設備功率或關閉了電采暖設備，用電負荷逐漸下降。白天電采暖設備的用電負荷最低，這是因為白天氣溫相對較高，不需要很大的功率來維持室內(nèi)溫度，且上班族用戶家中無人，不需要取暖。中午12：00后，氣溫逐步降低，電采暖用電負荷又會逐步上升。

3.2 天津地區(qū)電采暖負荷接入對電網(wǎng)日負荷曲線影響

居民負荷集中地區(qū)接入電采暖負荷后，負荷曲線出現(xiàn)了峰上加峰的情況，即居民負荷高峰時刻同樣是電采暖設備的負荷高峰時刻，居民負荷的變化趨勢和電采暖負荷的變化趨勢相似。

商業(yè)負荷集中地區(qū)接入電采暖負荷后，負荷曲線呈現(xiàn)不完全匹配的情況，即商業(yè)負荷和電采暖負荷的高峰部分相互重合，也會造成峰上加峰的情況，但變化趨勢有所不同。

工業(yè)負荷的變化趨勢和電采暖負荷的變化趨勢基本呈現(xiàn)互補的情況，可有效地平滑負荷曲線，使工業(yè)集中地區(qū)的電網(wǎng)負荷峰谷差減小。

4 結(jié)束語

本文首先分析了天津地區(qū)常規(guī)電力負荷，包括居民負荷、商業(yè)負荷和工業(yè)負荷三種類型負荷的特性。

分別分析了天津地區(qū)光伏出力特性和電采暖負荷需求特性，其中光伏日出力曲線呈現(xiàn)“一峰”特性，中午11：00～14：00為出力高峰時期，18：00～次日6：00基本無出力;而電采暖負荷曲線峰值出現(xiàn)在晚上20：00，之后用電負荷逐步下降，次日中午12：00后又逐步上升。在此基礎上，研究了天津地區(qū)光伏與電采暖負荷接入對電網(wǎng)日負荷曲線的影響。研究表明天津地區(qū)光伏出力特性與商業(yè)負荷特性的耦合程度最好，商業(yè)負荷集中的地區(qū)最能夠消納光伏出力;而工業(yè)負荷特性與電采暖負荷需求特性較匹配，電采暖負荷接入工業(yè)集中地區(qū)可有效降低地區(qū)電網(wǎng)負荷峰谷差。

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