新疆阿勒泰地區可再生能源發電的出力特性分析

周 專，常喜強，呂 盼，王 琳，肖桂蓮

（1.國網新疆電力公司經濟技術研究院，烏魯木齊 830013；2.國網新疆電力調度控制中心，烏魯木齊 830002）

新疆能源分布不均，阿勒泰地區風能、水能、太陽能資源豐富，塔城地區風能資源豐富，兩地區的可再生能源呈現“小集中、大分散”形式。此外兩地區與新疆主網聯系相對較薄弱，僅由2回220 k V通道送出，存在電力外送受限情況。兩地區電網內集中了風電、水電、光伏、火電4種電源種類，其中風電和水電比例較大。由于風電和光伏出力具有規律性、間歇性和波動性特點，在一定程度上影響了電網聯絡線控制和對可再生能源的消納。如何最大限度地消納和利用可再生能源，成為電網調度部門所面臨的重要問題之一［1－3］。

風電和光伏出力受自然條件因素的影響，具有隨機性、波動性和間歇性。而阿勒泰地區的水電是徑流式的，沒有庫容，不存在調節能力。當阿勒泰地區風電、光伏、水電大發時，受聯絡通道傳輸極限的限制，導致可再生能源不能完全被接納。如何最大限度地接納和利用好可再生能源，對風電、火電、水電、光伏4種電源出力優化調度，成為調度運行所考慮的一個重要問題。本文針對阿勒泰地區可再生能源出力規律，提出了可再生能源利用原則以及對可再生能源的接納能力。

1 阿勒泰和塔城地區電源情況

塔城地區火電和風電總裝機容量為996.5 MW（風電為346.5 MW，火電為650 MW），水電為15.5 MW；阿勒泰地區水電、風電和光伏總裝機容量為567 MW，其中風電為297 MW，水電為250 MW，光伏發電為20 MW（峰值容量）。兩地區的風電、水電、光伏發電呈現較強的季節性，水電夏季發電性能較好，且無調節庫容，多為徑流式水電站。由于水電站單機容量較小以及網架的原因，水電機組以110 k V接入電網；各風電場以110 k V集中接入220 k V升壓站。

塔城地區主要是農業和照明負荷，負荷季節特性較強，最大負荷為430 MW，最小負荷為80 MW。阿勒泰地區主要是農業和照明負荷，也呈現出較強的季節性。最大負荷為370 MW，最小負荷為200 MW。

2 電網運行受制因素

2.1 網架結構

阿勒泰地區電網通過220 k V豐龍線和220 k V豐齊線與塔城電網相聯。塔城地區電網則通過220 k V豐泉一、二線和220 k V泉鐵線以及220 k V克鐵線與新疆主網相聯。兩地區的電網結構示意圖如圖1所示。

圖1 阿勒泰和塔城地區電網結構示意圖

2.2 網絡約束

由于阿勒泰和塔城地區電網與主網聯系薄弱，受網架結構及電力系統運行自身特性約束，聯絡斷面的傳輸功率有一定的限制。各斷面的穩定極限如表1所示。

表1 各斷面的穩定極限 MW

2.3 受制因素

由于阿勒泰和塔城地區的電源共用一個通道送出，相互之間存在一定制約性和依賴性。

1）火電屬于穩定電源，隨季節、氣候變化不大，運行相對可控，但受發電量計劃因素、機組檢修時間、機組正常運行穩定性影響。

2）風電屬于不穩定電源，隨季節、氣候變化大，運行不可控，受自身風資源因素、機組檢修時間、機組正常運行穩定性影響。

3）水電屬于半穩定電源，多為小機組、徑流式水電站，無調節庫容，受來水量控制，隨季節、氣候變化相對大，受機組檢修時間、機組正常運行穩定性影響。夏季發電出力較大，冬季發電出力較小，春秋季發電出力不穩定。

4）光伏發電屬于不穩定電源，隨季節、氣候變化相對大，運行不可控，受自身光資源因素、天氣晴朗程度、機組檢修時間、機組正常運行穩定性影響。

5）兩地區負荷特性變化較大，多為農業和照明負荷，夏季農業機井灌溉負荷較大，冬季負荷較小，夏冬季負荷最大相差200 MW以上。夏季受下雨、降溫氣候影響較大，波動負荷在100 MW以上。

3 各清潔能源出力特性分析

3.1 塔城地區

塔城地區的火電出力要根據風電出力、地區負荷變化以及斷面功率變化隨時進行調整，需留有一定的旋轉備用容量，以保證對電壓調整和控制，以及電網安全。塔城地區風電在冬季和夏季的出力曲線見圖2。

由圖2可以看出，塔城地區風電出力波動較大且呈現出反調峰特性，在負荷高峰時段，風電出力下降，增大塔城地區負荷的峰谷差。塔城地區風電出力冬季波動比夏季大，因此冬季需留有充足的旋轉備用容量。

3.2 阿勒泰地區

阿勒泰地區風電和光伏出力也具有間歇性和隨機性。某一天可再生能源與地區負荷的出力曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在風電高峰時段，僅風電出力就能滿足阿勒泰地區的負荷，而在風電低谷時段，負荷又需要水電和主網來提供，這就使得該地區發電計劃的出力安排需考慮多種因素。由于光伏發電出力在白天，而主網用電負荷分早高峰、晚高峰2個階段，光伏發電出力最大時約在14：00，負荷早高峰在10：00～13：00，因此光伏發電出力僅對早高峰時段有一定的貢獻，但存在一定的時差性。阿勒泰地區的水電站都是徑流式的，其出力受上游來水量影響，水電出力不隨著負荷以及風電、光伏電站出力變化而變化。因此，風電、水電和光伏3種可再生能源發電共存，增大了阿勒泰地區運行電網調整的難度。

圖2 塔城地區風電出力曲線

圖3 阿勒泰地區某一天可再生能源出力曲線

3.3 兩地區風電出力比較

由于阿勒泰和塔城地區均存在大量風電，通過分析這兩地區風電出力特性，找出風電的互補性，可指導該地區風電的運行與控制，以及聯絡線的運行控制。兩地區某個風電出力曲線見圖4。

從圖4可以看出，兩個地區風電場出力存在一定的相關性，在時間上風電場的出力不是同時增加或降低，而是存在一定的時差性。兩地區雖然都位于新疆北部地區，但阿勒泰地區主要受西伯利亞高壓氣候和本地區多山氣候的影響產生大風，塔城地區相對于阿勒泰地區偏西部，受該地區高山盆地地形以及蒙古高壓氣候影響產生大風，兩者風資源有一定的時間重合性，在冬季和春季風大，夏季和秋季風相對較小，但也存在著一定的差異性。

圖4 兩地區某風電出力曲線

4 風電出力大時的網損分析

4.1 置信度分析

發電容量置信度指在保持系統可靠性水平不變的前提下，并網電站能夠替代的常規機組發電容量占電站裝機容量的百分比，數學表達式為：

式中：CC為發電容量置信度；CSN為電站總裝機容量；ΔC為電站能夠替代的常規發電機組容量［5－6］。

通過對阿勒泰和塔城地區風電和光伏發電的出力數據統計得到：塔城地區風電置信度為40%，即風電發電出力為150 MW；阿勒泰地區風電置信度為35%，即風電發電出力為90 MW；阿勒泰地區光伏發電置信度為28%，即光伏發電出力為6 MW。

4.2 阿勒泰地區風電出力大時對網損的影響

通過分析阿勒泰地區風電在置信度功率90 MW以上和以下情況，比較系統網損變化。風電出力大時，為維持系統電壓，各傳輸線路上的無功增大，地區電網總損耗為7.3 MW；風電出力小時，地區電網總損耗為4.12 MW。風電出力大時，無功損耗和有功損耗均有一定程度增加，雖然通過調整風電場動態無功補償容量，損耗可以有所降低，但由于風電場均位于電網的末端，系統短路容量小，電壓隨著無功和有功功率的變化較大，隨著風電出力的增大，依然有一定的損耗增加。

4.3 阿勒泰和塔城地區風電出力大時對網損的影響

通過分析兩地區風電分別在置信度功率90、150 MW以上和以下情況，比較系統網損變化。風電出力大時兩地區總損耗為13.92 MW，而在風電出力小時兩地區總損耗為9.47 MW。

4.4 風電出力波動對網損的影響

風電出力超過一定容量變化時，導致各傳輸線路上功率波動，進而導致系統的電壓不穩定，從而使系統網損增大并影響其經濟運行。通過仿真模擬分析可知：阿勒泰和塔城地區風電出力波動在置信度為20%以上時，系統系統網損會增加。可通過提高SVC利用率，動態調整滿足電壓要求，進而降低網損，使系統經濟運行。

5 各電源出力控制原則

由于兩地區多余的電力都必須通過一個通道送出，兩地區電源出力特性共同作用影響這個通道。在兩地區風電出力大時，風電基本滿足兩地區負荷需求，但考慮到電網安全，火電要留有適當的備用容量，以應對風電、光伏發電出力變化，還但要兼顧水電發電出力的影響。

1）夏季水電一般帶基荷且不能調整，白天要考慮風電、光伏發電出力的變化，火電廠作為調整。夜晚要考慮風電出力的變化，火電廠作為調整。在日前計劃安排火電出力時，考慮風電、光伏發電的置信度容量。實時控制時并與風電、光伏發電的功率預測系統關聯，動態調整。

2）冬季白天要考慮風電、光伏發電出力的變化，火電廠作為調整。夜晚要考慮風電出力的變化，火電廠作為調整。在日前計劃安排火電出力時，考慮風電、光伏發電的置信度容量。實時控制時并與風電、光伏發電的功率預測系統關聯，動態調整，

3）春秋兩季，水電為不穩定電源，白天要考慮風電、光伏發電、水電出力的變化，火電廠作為調整。夜晚要考慮風電、水電出力的變化，火電廠作為調整。在日前計劃安排火電出力時，考慮風電、光伏發電的置信度容量。實時控制時并與風電、光伏發電的功率預測系統關聯，動態調整。

4）火電廠宜在夏季安排機組檢修。風電、水電、光伏發電需統籌考慮。

5）阿勒泰和塔城地區的風電出力要綜合考慮，不能按同一性考慮，而要考慮兩者的差異性。

6 結論

1）阿勒泰和塔城地區的出力配合，冬季：白天風電、光伏發電和火電出力互相配合；晚上風電、火電互相配合。夏季：白天風電、光伏發電和水電出力互相配合；晚上風電和水電出力互相配合。同時，火電要留有適當的備用容量，以便于功率控制和系統調壓要求。

2）阿勒泰和塔城地區風電場出力存在一定的相關性，但在時間上風電場出力不是同時增加或降低，而是存在一定的時差性。

3）風電出力大時，系統的網損大，并且風電出力波動會影響系統電壓。因此，各風電場要提高SVC利用率，以滿足電壓調整要求，進而降低網損，使系統經濟運行。

4）加強對兩地區風電功率、水電功率預測數據的研究和開發，在提高預測精度的同時，積極研究兩地區的風電、光伏的關聯性。

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