利用蓄熱式電采暖提高電網風電接納能力的研究

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(1.國網新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000；2. 國網新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100)

0 引 言

隨著新型能源發電技術的飛速發展，越來越多的大型風電場并網運行。因風能資源的不穩定性，風電場出力波動較大，大規模風電接入電網后，對電網的穩態頻率和電壓偏移產生較大影響。風電作為不穩定電源，無法參與到電網的頻率調節，風電接入后將影響到系統備用容量水平、傳統發電廠的發電效率以及系統運行的可靠性。冬季風電大發時，為保證系統安全穩定運行，有時需要采取棄風措施，限制風電出力。

在中國西北部分地區，地理環境特殊，冬季嚴寒時間較長，每年有6個月的供暖時間，電網內的大型電廠均為熱電廠，承擔著供熱與供電雙重任務[1]。冬季供暖期間，發電機組的發電出力受供熱影響而降低，系統備用容量減少，而大量風電的接入又對系統備用容量的需求有所提高，這將是限制電網風電接納能力的一個重要因素。電能的特點是易傳輸不易存儲，熱能的特點是易存儲不易傳輸，熱力系統的時間常數遠大于電力系統，對電供熱系統功率的短期調整不會明顯影響供熱效果[2]。基于蓄熱式電采暖負荷的特性和風電出力特性，結合電網運行實際，對利用蓄熱式電采暖提高電網冬季風電接納能力進行分析研究，具有重要的實際意義。

1 蓄熱式電采暖提高電網風電接納能力的必要條件

蓄熱式電采暖負荷的應用受到電網的電采暖負荷承載能力限制，而電網的風電接納能力與地區風電出力的時空特性密切相關。只有電網中各片區電采暖負荷承載能力大于供熱負荷時，利用蓄熱式電采暖提高風電接納能力的研究才有實際價值[3]。

在研究蓄熱式電采暖提高電網風電接納能力時，首先需根據人口數量、供熱面積、供熱量指標、環境溫度等因素分片區對地區供熱負荷進行評估，分片區對電網的電采暖負荷承載能力進行分析，綜合考慮地區電網中風電出力的時空特性和并網點分布情況。

2 電網電采暖負荷承載能力分析

對電網的電采暖負荷的承載能力進行分析時，為保證分析結果的準確性，按照電網運行條件和不同地域的負荷特性，需要分片區對冬季供暖期間電網輸、變電設備的裕度與承載能力進行分析。分析過程中，需要綜合考慮電網穩定運行要求，各電壓等級的線路、主變壓器負載能力、下一年網架變化、新設備接入情況等，在保證供電能力的同時保證電網方式調整的靈活性，按輸電線路額定功率的70%、主變壓器額定容量的70%考慮設備接帶負荷的能力。評估步驟如下。

(1)確定具備接帶蓄熱式電采暖負荷能力的變壓器。對各個變電站的平均負荷率和最大負載率做一個統計分析，基于分析結果，綜合考慮220 kV設備和110 kV設備的負載能力，剔除重載主變壓器和重載線路接帶的主變壓器，確定具有一定容量裕度，具備接帶蓄熱式電采暖能力的變壓器。

(2)確定變壓器的典型日負荷曲線。選取變壓器的典型日負荷曲線有兩個條件：①典型日負荷曲線走勢與大多數日負荷曲線走勢一致；②盡量選取負荷大的日期作為典型日。

(3)利用區間函數計算變壓器的裕度容量。將變壓器的典型日負荷曲線等分成24各區間(1個小時一個點)，根據變壓器的整點負荷統計結果，計算單個變壓器在不同時刻的裕度容量，計算公式如下。

Rn=0.7λSN-1.05max(Pn-Pn-1)

(1)

式中，Rn為變壓器在n時刻的裕度容量；λ為功率因數；SN為變壓器的額定容量；Pn為n時刻的負荷值(整點負荷值)。

(4)全網電采暖負荷承載能力分析。將電網中不同片區內所有接帶電采暖負荷的變壓器不同時刻的裕度容量線形疊加，既可算出該片區在不同時間段的電采暖負荷承載能力。將各片區的電采暖負荷容量裕度分時疊加，就得到了整個電網在不同時間段的電采暖負荷承載能力。

3 風電出力的時空特性分布分析

風速變化的隨機性造成風電出力的可信度低，風電的出力表現出較強的不確定性。根據概率數理統計原理，通過大量的數理統計，引入概率統計理論原理，利用現有風電場實際運行數據，結合電網接納風力發電場的同時性，確定每個風電場在不同時段的發電出力波動的范圍，為不同時段電網接納風電的能力提供依據。具體分析步驟如下。

(1)根據歷史數據，對不同區域的風電場在冬季供暖期間的不同時刻的出力情況進行統計分析。將風電場的出力情況按整點進行統計，縱向分析，選取供暖期間每日n時刻的風電場出力，以風電場裝機容量的20%為區間，出現概率最大的區間的功率值取平均值作為該時間段(n-1時刻到n時刻)的出力。

(2)對不同風電場在不同時刻的出力情況進行線形疊加，得到風電場匯集站和系統的聯絡線的功率曲線即整個電網的風電出力曲線時空分布特性。

(3)根據整個電網風電出力曲線的時空分布特性，分析風電的反調峰特性和風電場出力的同時率。

4 蓄熱式電采暖對風電接納能力的影響分析

4.1 電網接納風電的能力分析

由于風電出力具有較大的波動性和反調峰特性，電網必須有足夠的調峰容量來確保大規模風電接入后的電力平衡和電網穩定。電網接納風電的能力需綜合考慮系統調峰容量和風電場的反調峰特性，當有多個風電場并網時，還需要考慮風電場出力的同時率[4]。電網正常運行時，系統的調峰容量如式2所示。

(2)

其中，Gm為發電機組額定容量；Pm為發電廠鍋爐直供熱負荷的等效用電負荷；Pi為電網中的可中斷負荷；PL為全網用電負荷，其中包括保證常規供熱鍋爐運行的負荷。

結合風電場的實際運行參數和電網運行實際，將電網低谷負荷時風電出力達到裝機容量85%的概率定義為風電的反調峰率[5]，那么電網接納風電的能力可表示為

Gwind=Rres/(λ·φ)

(3)

其中，λ表示多個風電場的同時率；φ表示風電的反調峰率。

將式(2)代入式(3)可得電網接納風電的能力如式(4)所示。

(4)

由式(4)可以得出，當系統的調峰容量一定時，風電的反調峰率與同時率的乘積越小，電網可接納的風電越多。而風電場的反調峰率和同時率受當地的氣候特點、地形地貌、風機類型、風況等多種不可控因素的影響[6]，地區電網的并網風電反調峰率和同時率通常根據實際運行數據得到，屬于不可控參數，那么提高電網的風電接納能力重要途徑就是提高系統的調峰容量[7]。

4.2 蓄熱式電采暖對風電接納能力的影響

在冬季供暖期間，電網中的常規供熱負荷包括兩種形式，一種是熱電廠的直供熱負荷，另一種是保證供熱公司的鍋爐設備正常運行的用電負荷。由于熱能的特點是易于存儲不易于傳輸，不論是熱電廠的直供熱負荷還是常規供熱方式，在熱能傳輸工程中的大量損耗都無法避免，這種損耗會隨著供熱半徑的增大而增大。

電采暖主要有兩種應用形式：電暖氣和電鍋爐。蓄熱式電采暖主要是在電采暖系統中引入了儲熱設備，提高供熱系統的時間常數。

采用蓄熱式電采暖后，對系統的調峰容量的影響主要表現在3個方面。

(1)減輕了發電廠中的鍋爐直供熱負荷的壓力，鍋爐容量可全部用于發電；

(2)供熱系統的時間常數通常有數小時，而蓄熱的引入增加了供熱系統的時間常數，能夠實現日調節，因此蓄熱式電采暖負荷可以歸類為可中斷負荷；

王志榮：書，就是著書立說。不是要求大家簡單的寫書，而是要從寫的角度來策劃、設計、安排我們的工作；老干部工作做好了，然后再把它整理成書。

(3)電網用電負荷會有所增加，但增量小于蓄熱式電采暖負荷量。采用蓄熱式電采暖前，電網總負荷等于保證常規供熱鍋爐運行的負荷與其他負荷的和；采用蓄熱式電采暖后，電網總負荷等于蓄熱式電采暖負荷與其他負荷的和，那么采用蓄熱式電采暖后電網負荷的增量實際上是蓄熱式電采暖負荷減去保證常規供熱鍋爐運行的負荷，必然小于蓄熱式電采暖負荷。

采用蓄熱式電采暖后，用ΔPi表示電網中可中斷負荷的增量，其數值等于蓄熱式電采暖負荷；用ΔPL表示電網總負荷的增量，其數值小于蓄熱式電采暖負荷。那么采用蓄熱式電采暖后電網的風電接納能力可以表示為式(5)。

(5)

那么采用蓄熱式電采暖后電網接納風電增量為

(6)

其中，ΔPi>ΔPL，故Gadd>0。

5 實例分析

以新疆中部某風資源豐富的地區為例，該地區共有A區、B區、C區、D區、E區5個行政區域，每個行政區有一個火電廠，冬季供暖期間火電廠均需承擔供熱任務，風電主要從E區接入電網。地區的供熱量指標為27.71 W/m2，通過該地區的供熱量指標和供熱面積即可算出冬季供熱負荷。各區的供熱面積、供熱負荷、電采暖負荷承載能力及火電裝機容量如表1所示。

表1 發電及供熱負荷

由表1可以看出每個行政區的電采暖負荷承載能力均大于供熱負荷，該地區電網具備接帶電采暖負荷的基本條件。冬季供暖期間，各火電廠按最小方式考慮，發電廠直供熱負荷的等效用電負荷為發電機組額定容量的15%，那么冬季供暖期間各發電廠的發電出力情況如表2所示。

表2 各發電廠的發電出力情況

由表2數據和式(1)～式(5)可以得出采用蓄熱式電采暖后地區電網的發電容量裕度和電網中可中斷負荷都有所增加，如圖1所示。

圖1 采用電采暖前、后發電裕度及可中斷負荷對比

經過對該地區風電的時空特性分析，該地區風電反調峰率0.63，風電同時率0.77，那么采用蓄熱式電采暖后系統調峰容量和接納風電的能力如圖2所示。

圖2 采用電采暖前、后風電接納能力對比

通過圖2可以看出，采用蓄熱式電采暖后，由于發電機組的容量裕度和電網中可中斷負荷均有所增加，系統的調峰容量由415 MW提高至913 MW，電網風電接納能力由855.49 MW提高至1 882.09 MW，利用蓄熱式電采暖可有效提高電網接納風電的能力。

6 結 論

隨著越來越多城市霧霾現象出現，環境綜合治理和清潔能源的開發應用已經成為備受關注的焦點問題，如何抑制風電波動性對電網穩定的影響，提高電網的風電接納能力自然成為了研究的熱點問題。前面根據冬季不同區域供暖期間的負荷特點，結合電采暖的特點和風電的運行特性，提出了對電網的電采暖負荷承載能力以及風電出力的時空特性的分析方法，并對蓄熱式電采暖對電網接納風電能力的影響進行了研究。結果表明，利用蓄熱式電采暖能夠有效提高電網的風電接納能力，解決供熱期間供熱機組上網矛盾的同時，平衡風電出力的波動，提高電網運行的安全穩定性。

[1] 談小靈.淺談電采暖技術的優越性[J].煤炭工程,2006(8)：64-65.

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[3] 王振銘.對電采暖應進行全面的科學論證[J].節能與環保,2001(2)：7-10.

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[5] MILLIGAN M.Wind Power Plants and System Operation in the Hourly Time Domain[C].AWEA Wind Power 2003 Conference,Austin Texas,May 18-21.

[6] 吳醇.風電場對電力系統調頻和備用容量的影響[J].華東電力,2011,39(6)：93-96.

[7] 顏巧燕，溫步瀛，江岳文. 風電并網后系統備用容量需求分析[J].電力與電工,2009,29(2)：14-16.