基于一體化聯(lián)合發(fā)電的火電安全高效調(diào)峰技術(shù)

摘要：本文針對大規(guī)模風(fēng)電等新能源的安全高效并網(wǎng)利用現(xiàn)實需求及面臨技術(shù)難題，指出了基于傳統(tǒng)火電深度調(diào)峰對風(fēng)電功率波動進(jìn)行平抑的方法存在的不足之處，提出了一些可供參考的解決方法：通過對規(guī)模化風(fēng)電功率波動的物理機制及影響因素進(jìn)行綜合的分析研究，利用基于一體化聯(lián)合發(fā)電單元的火電調(diào)峰技術(shù)對風(fēng)電功率的波動性進(jìn)行全方位的綜合平抑，實現(xiàn)對電網(wǎng)能源的整體安全高效利用目的，是解決風(fēng)電并網(wǎng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；火電機組；調(diào)峰平抑；一體化；聯(lián)合發(fā)電

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0000-00

1 前言

面對化石能源日益枯竭和環(huán)境污染等人類共同的難題，大力開發(fā)利用風(fēng)能等新能源，提升傳統(tǒng)能源利用效率，發(fā)展智能電網(wǎng)，已成為世界各國的基本共識和應(yīng)對策略。我國政府制定了發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排的國家戰(zhàn)略，作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中長期規(guī)劃中。風(fēng)能等可再生能源是最具規(guī)模化開發(fā)前景的新能源。未來，規(guī)模化的新能源電力必將由補充能源發(fā)展為替代能源，并最終成為主流能源。然而，規(guī)模化新能源電力的利用需要在隨機波動的負(fù)荷需求與隨機波動的電源之間實現(xiàn)能量的供需平衡，也使電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行控制發(fā)生了根本性變革，使得規(guī)模化風(fēng)電消納已成為我國電力系統(tǒng)面臨的重大現(xiàn)實問題[1，2]；并且，鑒于我國以火電為主導(dǎo)地位的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)矛盾，火電安全高效調(diào)峰是制約我過風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的主要矛盾之一。

2 火電機組深度調(diào)峰的必要性

隨著風(fēng)電場容量的迅速增加，給傳統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、運行調(diào)度等的實施帶來問題。如果能對風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電功率進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測，則有利于電力系統(tǒng)調(diào)度部門及時調(diào)整調(diào)度計劃，在保證電網(wǎng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上減少電力系統(tǒng)運行成本和旋轉(zhuǎn)備用。國外從事風(fēng)電功率研究工作起步較早，早在1990年Landberg就采用類似歐洲風(fēng)圖集的推理方法開發(fā)了一套預(yù)測系統(tǒng)[3]。風(fēng)電功率預(yù)測工具WPPT由丹麥科技大學(xué)開發(fā)[4]，并從1999年開始在丹麥東部電力系統(tǒng)運行，能夠給出0.5～36 h的預(yù)測結(jié)果。AWPT是德國太陽能研究所開發(fā)的風(fēng)功率管理系統(tǒng)WPMS的一部分[5]。eWind是美國AWS Truewind公司開發(fā)的風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)[6-8]，入到電網(wǎng)主要包括一組高精度的三維大氣物理數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性統(tǒng)計模型、風(fēng)電場輸出模型和預(yù)測分發(fā)系統(tǒng)。其他風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)還包括在Madei島和Crete島運行的More-Care系統(tǒng)[9]和愛爾蘭開發(fā)的Honeymoon系統(tǒng)等。國內(nèi)，對于風(fēng)電功率的預(yù)測研究尚處于探索階段，研究對象主要是對于風(fēng)電機的控制、風(fēng)力發(fā)電場的規(guī)劃和選址、對國家電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的影響等方面，對于風(fēng)電功率的預(yù)測研究尚沒有一個成熟的研究成果和系統(tǒng)[10]。盡管隨著各種預(yù)測研究技術(shù)的發(fā)展，精度也在不斷提高；但目前的預(yù)測技術(shù)還是難以滿足電力系統(tǒng)安全高效運行的需求。因此，為了應(yīng)對風(fēng)電場功率不穩(wěn)定的問題，必須加大供電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和各種儲能設(shè)施，導(dǎo)致國內(nèi)占主要地位的火電機組也不得不進(jìn)行進(jìn)一步的深度調(diào)峰運行。

3 傳統(tǒng)火電機組調(diào)峰技術(shù)的弊端

當(dāng)前針對目前的風(fēng)電功率的波動特性以及預(yù)測技術(shù)瓶頸等問題，傳統(tǒng)有效解決的方法是對風(fēng)電功率進(jìn)行平抑，即“削峰補谷”的平抑方法。幅值預(yù)測誤差就是目前電網(wǎng)最為關(guān)心的誤差，電網(wǎng)通過旋轉(zhuǎn)備用或者儲能單元來填補這種由于風(fēng)功率預(yù)測不準(zhǔn)所帶來的這種誤差影響。然而，當(dāng)風(fēng)電容量占到電網(wǎng)總?cè)萘恳欢ū壤龝r，這種波動會對電網(wǎng)頻率與電壓穩(wěn)定性造成不良影響，為了確保電網(wǎng)的安全運行，必須加大火電機組的備用容量，導(dǎo)致電網(wǎng)中存在大量的火電機組旋轉(zhuǎn)熱備用，電網(wǎng)整體運行效率下降。采用火電機組參與調(diào)峰的辦法，即減少電廠火電機組的發(fā)電量，在目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)風(fēng)資源比較豐富風(fēng)電機組處于高負(fù)荷運行時，一般的火電機組都會處于調(diào)峰運行狀態(tài)。但是，火電機組調(diào)峰能力有限，不能夠快速響應(yīng)風(fēng)電功率的變化，在實際操作過程中往往會出現(xiàn)一些問題；以2008年年底統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為例，內(nèi)蒙古電網(wǎng)調(diào)峰電力平均缺額達(dá)1GW，直接影響到日電力電量平衡和電網(wǎng)運行方式的安排[11]；同時，由于火電機組調(diào)峰時，處于低負(fù)荷運轉(zhuǎn)，經(jīng)濟效果較差。因此，這種方法不僅對資源造成浪費，而且效果也不夠明顯，所以仍需要進(jìn)行深入的分析與研究。

4 互補聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的平抑方法

為了能夠消除由于大規(guī)模開發(fā)風(fēng)能所帶來的對電網(wǎng)穩(wěn)定性的不良影響，國內(nèi)外許多研究者針對風(fēng)電的這種強隨機波動特性提出了多種能源的互補系統(tǒng)，如“風(fēng)火打捆”模式、設(shè)置儲能單元等。其目的就是使整個系統(tǒng)的出力盡量的穩(wěn)定或者是便于調(diào)節(jié)，同時使系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性。其中，風(fēng)能與其他發(fā)電單元的互補系統(tǒng)是一種新的研究趨勢。以風(fēng)電與太陽能電池為例，風(fēng)力發(fā)電與太陽能電池發(fā)電組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)稱做風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)[12]。風(fēng)能和太陽能在時間上、地域上和經(jīng)濟上都有一定的互補性。因此，風(fēng)光復(fù)合發(fā)電的主要優(yōu)點是具有互補性，可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源。

5 一體化聯(lián)合發(fā)電的火電調(diào)峰技術(shù)

5.1 聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的實現(xiàn)瓶頸

目前，風(fēng)電功率波動的機理還不是非常明確，并且，對風(fēng)電功率波動影響因素的研究也不夠全面深入，因而，所預(yù)測出的風(fēng)功率曲線也就與實際相差比較大，這不僅加大了風(fēng)電功率波動的平抑負(fù)擔(dān)，使風(fēng)電的可調(diào)和可控性降低；而且，不利于資源的優(yōu)化配置，造成風(fēng)電利用的經(jīng)濟性降低。因此，加強對規(guī)模化風(fēng)電功率波動影響因素和機理的研究，提高預(yù)測準(zhǔn)確性，是風(fēng)電并網(wǎng)的迫切需求之一。此外，對于每一種的功率波動平抑方法，在實際中并不是采用單一的方法就能實現(xiàn)對使風(fēng)電功率平滑的輸出。主要原因在于每一種平抑方法所能夠平抑的頻率范圍是一定的；并且，火電機組的平抑能力是非常強的，但是對于一些高頻段的功率波動，即風(fēng)電功率波動的頻率高于火電所能覆蓋的范圍，經(jīng)過火電機組的跟蹤平抑之后，輸出功率還是有高頻段的波動成份，對電網(wǎng)還是會造成一定的影響。對于頻率變化特別快的范圍，一般可采用慣性單元對其進(jìn)行平抑；而對于介于飛輪高頻段和火電機組低頻段兩者之間的那部分頻率范圍，可以考慮用響應(yīng)相對于火電機組較快的發(fā)電單元對其進(jìn)行平抑。

5.2一體化聯(lián)合發(fā)電單元的設(shè)計思路

由于，風(fēng)電負(fù)荷的波動可以分解為可預(yù)報分量和不確定分量（預(yù)報誤差）的疊加，并且可預(yù)報的波動分量可以利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)調(diào)度模式由系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)峰能力予以平抑。所以，如果想要使風(fēng)電更好更穩(wěn)定地接入到大電網(wǎng)中，就需要將這些可以平抑不同頻率的發(fā)電單元聯(lián)合起來，組成一個新的一體化聯(lián)合發(fā)電單元，尤其針對風(fēng)電功率波動的不確定分量（預(yù)報誤差），探討和研究采用傳統(tǒng)電源與新能源電源構(gòu)成的一體化發(fā)電單元予以平抑的新途徑。一體化聯(lián)合發(fā)電單元所能解決的一個關(guān)鍵問題就是大規(guī)模風(fēng)電場中功率波動平抑能力不足問題。一體化聯(lián)合發(fā)電單元采用分級解決的思想，利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)調(diào)度模式由系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)峰能力平抑可預(yù)報的波動分量，利用傳統(tǒng)電源與新能源電源構(gòu)成的一體化發(fā)電單元平抑不確定分量（預(yù)報誤差），由于不確定分量的幅度顯著小于總的功率波動幅度，因而本方法可望為解決大規(guī)模風(fēng)電場中功率波動平抑能力不足的問題提供一種新的調(diào)峰思路。

5.3 基于火電機組的安全高效調(diào)峰技術(shù)研究

在一體化聯(lián)合發(fā)電單元的綜合分析設(shè)計中，除了研究預(yù)報精度減少旋轉(zhuǎn)備用容量，還需要針對火電機組的深度變負(fù)荷以及發(fā)電整體經(jīng)濟效益的評估分析進(jìn)行深入全面研究，這些也是我們目前急需應(yīng)當(dāng)考慮的問題。在這一思路下，需要解決如下關(guān)鍵問題。首先，需要弄清采用一體化發(fā)電單元平抑功率波動不確定性分量解決大規(guī)模風(fēng)電場中功率波動平抑能力不足的內(nèi)在機理，這是本方法的理論基礎(chǔ)；其次，需要基于功率波動不確定性分量的界估計，研究一體化發(fā)電單元中傳統(tǒng)電源與風(fēng)電的最優(yōu)匹配問題，在保證足夠控制能力的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最小的傳統(tǒng)能源配置；再次，需要從風(fēng)電不確定分量頻譜分析的角度，提出對傳統(tǒng)能源動態(tài)響應(yīng)帶寬等需求性能指標(biāo)要求，為各種可調(diào)能源如火電、水電、風(fēng)電場中可調(diào)風(fēng)電、儲能裝置等的搭配選擇提供參考；最后，需要研究利用一體化發(fā)電單元平抑功率波動不確定性分量的控制及優(yōu)化方法。

6 結(jié)論及展望

本文首先指出了當(dāng)前基于火電機組深度調(diào)峰技術(shù)對風(fēng)電功率波動進(jìn)行平抑方法存在的不足，提出了研究并設(shè)計一體化聯(lián)合發(fā)電單元。針對大規(guī)模風(fēng)電場中功率波動平抑能力不足問題，利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)調(diào)度模式由系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)峰能力平抑可預(yù)報的波動分量，利用傳統(tǒng)電源與新能源電源構(gòu)成的一體化發(fā)電單元平抑不確定分量（預(yù)報誤差），由于不確定分量的幅度顯著小于總的功率波動幅度，因而本方法可望為解決大規(guī)模風(fēng)電場中功率波動平抑能力不足的問題提供一種新的火電機組安全高效調(diào)峰技術(shù)。

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