上海電網調峰及資源共享機制研究

陳博，徐逸清，黃一超，陶彥峰

（1.國網上海電力公司電力經濟技術研究院，上海 200002；2.華東電力設計院，上海 200063）

上海電網處于華東電網的受端，是全國負荷密度最高的地區。由于冬季取暖和夏季空調負荷對氣溫變化非常敏感，上海的用電負荷水平受氣溫影響較大。近年來上海電網整體用電需求增長趨緩，尤其是低谷時段用電負荷增長很小甚至零增長、用電峰谷差不斷增大。2013年上海統調最大用電峰谷差已達12 024 MW，較2012年增加了約1 100 MW。盡管市內300 MW及以上的公用電廠機組均已實現60%的調峰能力，但在輕負荷及節假日期間仍需要調停部分機組[1-3]。

由于三峽、向家壩等區外水電一般不參與調峰運行，考慮到未來復奉直流達到滿送、風電裝機容量逐漸增加、最小負荷率降低等情況，上海電網的調峰壓力將進一步增大。因此，有必要充分研究上海電網調峰資源的發展規模、調峰能力及共享機制，以把握未來上海電網調峰平衡的基本格局，提出上海電網調峰資源的合理發展模式。

1 上海電網調峰現狀

1.1 上海市外來電參與調峰現狀

至2013年底，送入上海電網的市外電力包括華東直代管電力，即新富水電、天荒坪、桐柏、瑯琊山、響水澗、秦山核電、皖電一期等電源的分電，以及華東區外4回直流，即±500 kV葛南直流、宜華直流、林楓直流和±800 kV復奉直流，其雙極額定容量分別為1 200 MW、3 000 MW、3 000 MW、6 400 MW。

2012年部分市外來電典型日的送電曲線見圖1—圖3。

從季節性供電看，各水電直流夏季基本都可以接近或達到最大送電容量；秋季差異較大，如復奉和葛南直流可達滿容量，而宜華直流只送60%額定功率；春、冬季的送電容量基本較低，最低不到額定容量的20%。

圖1 2012年葛南直流典型日送電曲線Fig.1 Ge’nan HVDC power transmission curve in a typical day in 2012

圖2 2012年宜華直流典型日送電曲線Fig.2 Yihua HVDC power transmission curve in a typical day in 2012

圖3 2012年復奉直流典型日送電曲線Fig.3 Fufeng HVDC power transmission curve in a typical day in 2012

從日調峰特性上看，各水電直流夏、秋季均不參加日調峰，而冬、春季最大的日調峰幅度也不超過額定容量的15%。

1.2 上海市內電源調峰情況調研

上海電網發電機組以火電為主，由燃煤和燃氣電廠構成，另有少量風電。

燃煤機組方面，上海電網內300 MW以上的公用燃煤發電廠的調峰能力均可達到60%額定容量，企業自備電廠根據各自負荷特點能提供的調峰容量不等，在0~40%。

燃氣機組方面，簡單循環燃氣輪機技術上深度調峰能力接近100%，而燃氣—蒸汽聯合循環燃機的調峰能力各有不同：

1）配置有煙氣旁路的聯合循環燃機可以利用煙氣旁路實現燃機的單循環啟動、運行，理論上可達到單循環燃機的深度調峰能力。

2）無煙氣旁路的聯合循環燃機把燃機、余熱鍋爐、蒸汽輪機組成了一個整體，其調峰性能主要取決于汽機、余熱鍋爐等常規機組的調節性能，深度調峰能力比單循環差。

3）供熱負荷的聯合循環機組，機組按照“以熱定電”的原則運行，機組不同時段的最小出力由實際熱負荷曲線決定，當熱負荷較高時，調峰能力將明顯降低。

4）由于部分類型的燃機在低負荷狀態下存在燃燒不穩定安全隱患，許多燃氣電廠在實際運行中并不會讓機組工作在深度調峰狀態，而采用啟停調峰，啟停調峰的等效調峰深度為100%。

但由于燃氣輪機額定工況的設計溫度為25℃，因此在高溫日（35℃）約有10%出力受阻，導致高溫季節燃氣輪機與煤機降出力運行的最大調峰能力差異不大，均為60%左右。

5）燃氣輪機具有啟停迅速和調節速度快的特點，啟停調峰運行時能夠發揮100%容量的調峰能力，但會增加額外的成本。

據統計，2013年上海市內煤電機組的平均最低技術出力率約為0.44，所有火電機組的平均最低技術出力率約為0.35。

風電方面，上海風電一年最大出力可能在冬季或是春季，夏季最大出力可達冬季出力的25%~75%，秋季最大出力可達冬季出力的40%~66%；日運行中，出力方式變化很多，極端方式可為高峰出力（為0）、低谷出力為100%，或高峰出力為100%、低谷出力為100%。

對于上海接受的華東直屬核電、抽水蓄能、常規水電和煤電，核電機組不參與日調峰，常規水電機組提供100%的調峰容量，抽水蓄能機組提供200%的調峰容量。

2 上海電網調峰格局

2.1 計算方法和條件

采用華中科技大學開發的聯合電力系統運行模擬軟件（WHPS2000）對上海電網進行調峰計算。將2015年和2020年預測負荷、現狀和規劃電源及相關特性參數錄入軟件后，通過自動計算可得到上海電網2015年和2020年的電力、電量和調峰平衡結果[4-5]。

關鍵計算原則：

1）上海市內機組調峰能力。現有火電機組的最小技術出力按各電廠實際最小技術出力考慮，新建的600 MW及以上常規火電機組最小技術出力按0.4考慮，燃機電廠中除熱電聯供機組外其他機組的最小技術出力按0.3考慮。

2）風電和太陽能等新能源高峰時按0出力、低谷時按100%出力參加電力平衡。

3）考慮以下2種區外送電調峰方式。①理想方式。區外火電與網內火電機組一起調峰，最小技術出力率0.5；區外水電按原始水文特性安排工作位置。②嚴重方式。區外火電最小技術出力率0.8；區外水電考慮豐水期調節性能為零（送電曲線為直線），其余月份根據年發電量相等原則修正水文特性曲線，并按新水文特性安排工作位置。

2.2 調峰平衡結果

在區外送電理想方式下，2015年與2020年上海電網均不存在調峰缺口，在優先安排燃機調峰的方式下，煤電基本全部承擔基荷。

在區外送電嚴重方式下，2015年上海電網仍然具備足夠的調峰容量，最低綜合煤電出力率出現在8月，為61.3%；而2020年調峰控制月為10月，存在約689 MW的調峰缺口。

導致2020年上海電網出現調峰缺口的主要原因是規劃安排的特高壓交流電力規模較大，2020年實際備用率達27%，而優先受進區外煤電后，只能安排市內裝機大量空閑，無法發揮市內機組的調峰能力。

2.3 敏感性分析

2.3.1 特高壓交流來電推遲

考慮2020年特高壓交流來電推遲，僅考慮上海在安徽建設的皖電二期機組，電力缺口通過市內備選電源填補。2015、2020年上海電網調峰平衡結果如表1所示。

表1 2015年、2020年上海電網調峰平衡結果Tab.1 Peak load balancing result of Shanghai power grid in 2015 and 2020 MW

根據計算結果，當特高壓送電推遲后，由于電力盈余減少，市內煤電機組空閑容量減小，整體調峰能力提升，上海電網2020年不再存在調峰缺口，整體調峰裕度較大。

2.3.2 煤電機組運行特性變化

雖然大型煤電機組的最大調峰能力可達60%，但其在深度調峰時煤耗較高、運行效率較差，且存在導致脫硝裝置退出運行的風險。因此，考慮到實際運行中節能減排的要求，計算中有必要考慮大型煤電機組調峰深度受限的場景。

本節計算了大型煤機最大調峰能力從60%降低到50%時上海電網的調峰情況。根據計算結果，2020年區外送電嚴重方式下，7月—11月均出現了調峰缺口，其中10月的最大調峰缺口增加至約1 045 MW；而2015年由于煤電調峰裕度較大，調整后仍然沒有調峰缺口。

2.3.3 燃氣機組運行方式

由于燃氣輪機在降出力過程中發電效率顯著降低、能耗迅速上升，因此實際運行中往往安排燃機機組啟停調峰運行，既能提供更多的調峰容量，又能節省發電能耗和運行費用。

根據計算結果，當燃機采用啟停調峰方式后，即使大型煤機僅按50%調峰能力考慮，2020年上海電網也不存在調峰缺口。2020年上海電網調峰平衡結果匯總如表2所示。

表2 2020年上海電網調峰平衡結果匯總（敏感性方式）Tab.2 Peak load balanced summary of results（sensitivity）of Shanghai power grid in 2020 MW

2.4 上海電網調峰資源配置和發展策略

在不考慮煤電機組啟停運行的前提下，當上海電網調峰容量不足時，建議通過新建調峰電源來滿足調峰需要。

從滿足電力需求、改善能源結構、提高全社會節能減排效益的角度，上海市可安排建設一定規模的燃氣電站，但從解決調峰問題的角度宜選擇調峰能力更強、運行費用更低的抽水蓄能電站作為專門的調峰電源。上海本地沒有抽水蓄能電站建設條件，可考慮在廠址資源豐富的浙江省和安徽省參與抽蓄電站的投資。除現狀及已核準的天荒坪、桐柏、響水澗、瑯琊山、仙居等抽水蓄能電站以外，浙江省目前尚未開發、具備建設條件的抽水蓄能電站的廠址資源還包括：天二（2 000 MW）、方溪（1 800 MW）、烏龍山（2 40 0MW）、茶山（1 400 MW）等；同時也可考慮購買金寨（1 200 MW）、績溪（1 800 MW）等前期工作開展較快的抽水蓄能電站的電力。

2020年，上海電網考慮已獲得核準和路條市內電源及規劃市外受電，電力存在較大盈余；若不計特高壓交流電力，但還缺少電源建設空間。考慮到煤電機組深度調峰不利于節能降耗和減少污染物排放，而燃氣機組可通過啟停運行發揮優秀的調峰性能，提高網內煤電的平均出力率。

因此，考慮到電網發展的不確定性，建議上海電網結合市外來電投運時間和送電方式，及時有序地參與和開展華東網內抽水蓄能電站和市內燃氣電站的前期工作，為電網安全可靠的運行提供保障。

3 上海電網調峰資源共享機制

3.1 調峰資源共享原則

在電網實際運行中，電源方案和構成相對確定，但電網的負荷容易受到天氣等因素的影響，存在一定的波動，同時在目前的規劃中也較少涉及到周負荷特性的預測，但此類特殊的負荷變化或特性將對電網調峰造成顯著的影響。

在常規的電網運行模擬計算中，一般是選取每個月的最大負荷日作為研究對象。然而，考慮到一周內的負荷同樣存在波動，周末的負荷將明顯低于工作日負荷，根據電網運行經驗，調峰壓力最大的時段一般為周一凌晨；若在夏季高開機方式下發生氣溫驟降等特殊情況，可能導致最小負荷率進一步降低，給電網調峰帶來額外的壓力。

對于低溫或臺風導致最小負荷率突然降低的場景，若開機機組已達到其調峰能力極限，運行中一般將采取緊急安排調停機組的手段來補充調峰缺口。而對于周負荷特性，需重點關注的問題是：當周末最高和最低負荷均降低但電網仍維持較高負荷日的開機方式時，電網的調峰缺口將較典型日（最大負荷日）時有所增加。

表3對調峰缺口最大的上海10月典型日進行了周負荷特性分析，計算了當周日最高負荷率為周最大日的0.8~0.95，最小負荷率和開機方式均維持不變時，上海電網調峰缺口的變化情況。

表3 周負荷特性對調峰缺口的影響分析Tab.3 Analysis of the impact of load characteristics on the peak week gap

當周日最高負荷降低到最大負荷日的0.80~0.95，10月的最大調峰缺口增加了約800~3300MW。對于此類特殊日導致的調峰不足，若通過建設調峰電源來補充是不合適的，會造成較大的資源浪費，在實際運行中，電網運行人員一般會優先安排市內機組調停，但從資源優化配置的角度，在華東電網整體調峰資源存在富余的情況下，宜考慮向華東網調申請安排調峰電源支援、修改聯絡線功率，或者向國調申請直流降功率運行。

3.2 華東網內調峰資源綜合利用

華東現行的抽水蓄能調度模式是將各抽水蓄能電站的容量按預定分電比例劃歸到各省市，各自參與電力和調峰平衡。若考慮華東全網抽水蓄能資源聯合統籌利用，聯合調度，實施各省市調峰資源的余缺互濟，則能達到調峰資源的優化利用。

江蘇、浙江、安徽電網在2020年均存在一定的調峰裕度，天荒坪、桐柏、響水澗、瑯琊山、仙居等機組的裝機容量為6 100 MW，計劃分配給上海電網的容量為2 080 MW。假設沒有機組檢修，在滿足自身調峰平衡的基礎上，10月份華東電網總共可額外為上海提供約2 970 MW的抽水蓄能裝機容量（其中江蘇670 MW、浙江約1 300 MW、安徽1 000 MW），相應的調峰容量效益可達約6 000 MW，可以完成在緊急情況下給予調峰支援的任務。

3.3 華東全網聯合調度

2020年抽水蓄能占華東全網裝機的比例僅在4%左右，而火電裝機占比為75%。根據調峰平衡的結果，當上海和福建電網出現調峰缺口時，江蘇、浙江、安徽電網的煤電機組尚未達到最大調峰能力，因此華東電網整體的調峰能力由于調度方式的限制未能完全發揮。

2020年華東電網各省市同時率為0.96，且受到檢修和開機安排方式、區外送電特性的影響，2020年華東各省調峰控制月不盡相同，上海為10月、江蘇為6月，浙江為8月、安徽為4月、福建為7月。同時率的存在和調峰控制月的不同為各省間調峰資源相互支援提供了條件。

因此，除華東統調的抽水蓄能機組可相互支援之外，若華東全網所有機組聯合調度運行，充分利用低谷之間省間的電力交換能力，即使考慮最苛刻的運行方式，2020年各省也均不存在調峰缺口，全網煤電的最低出力率也能有明顯提升，有利于系統運行的節能環保。而當上海電網特殊負荷日下出現調峰缺口時，也可通過向上一級調度部門申請臨時修改聯絡線功率來緩解調峰的壓力。

3.4 市外來電參與調峰

根據華東和上海現狀各條水電直流的送電曲線實績，目前運行的主要水電直流在豐水期基本不參與日調峰，加重了受端電網的調峰壓力。

2020年的上海電網，在常規負荷特性下，靠充分挖掘市內機組的調峰能力即可保證電網不出現調峰缺口。但是，當電網出現一些可以預見的——如節假日，或不可預見的——如極端天氣等狀況，導致負荷特性惡化，當市內機組的調峰能力已完全發揮，煤電機組調停等措施又受電網正備用的限制發揮不出更大的能力時，除利用華東網內的調峰資源以外，還可以直接提出申請直流降功率運行作為緊急調峰手段（2013年端午節三峽大發時華東電網曾有過降功率的記錄）。由于直流功率較大，參與調峰后即使不能達到水能特性曲線的程度，也能夠極大地減輕電網的調峰壓力。

3.5 相關配套措施和建議

3.5.1 推進跨省跨區統一的調峰輔助服務市場交易及補償機制建設

調峰問題是由電源側和負荷側的固有特性引起的，電力系統作為一個運行整體，發電企業、用戶、電網運營者都有義務參與調峰，共同維護系統安全穩定運行。

一方面，上海電網已受入了大量的市外來電，未來的受電比例還將進一步增加，市外來電的調峰特性、送電曲線對于上海電網的調峰平衡影響很大。現狀水電直流豐水期“一條直線”的送電方式給上海電網調峰帶來很大壓力，因此建議研究探索跨區域調峰輔助服務補償機制，公平分攤輔助服務義務，充分調動電網企業和發電企業的調峰積極性。

另一方面，目前對華東區域發電廠的輔助服務補償、分攤、結算是按調度管轄范圍劃分的6個獨立考核區。分開考核不能反映實際運行中的調峰能力的相互支援。為合理的均攤發電企業的調峰成本，進一步挖掘調峰潛力，實現調峰資源跨省調劑，建議研究推進跨省的調峰輔助服務市場交易及補償機制建設。

3.5.2 新增抽水蓄能等調峰電源采用聯合調度方式

華東四省一市年負荷特性、日負荷特性均存在差異，峰谷月份、時段有所不同。各省市電源結構也不同。聯合調度可用充分利用這些差異，實現調峰資源在更大范圍內優化利用，充分利用區間聯絡通道輸電能力，實現相互支援，將產生顯著的節能降耗效益。

抽水蓄能電站的聯合優化調度還可降低電網的能耗、提高供電質量。目前抽水蓄能電站采用租賃模式，以及今后可能采取電網全資建設經營的模式均適應于聯合調度。在租賃模式下，電站投資方收取的年租賃費基本固定，無論是采取各省市各自調度方式還是全華東聯合調度方式，對電站各投資方的收益不會產生大的影響。各自調度或聯合調度方式對于不同省市電力公司和發電企業承擔的租賃費用分攤比例會產生一定影響。可進一步研究抽水電量的跨省市交易結算機制。

因此，建議華東地區新增以500 kV電壓等級接入電網的抽水蓄能機組均采用在全華東范圍內聯合調度方式，根據區外來電、區內電源、區內負荷特性的特點，科學制定抽水蓄能聯合調度規則，合理優化調度運行蓄能機組，充分發揮抽水蓄能電站在電力系統中的綜合效益。

3.5.3 繼續加強需求側管理

通過需求側管理措施，如峰谷電價等，使負荷特性能和上海電網電源的經濟運行的方式相接近，這將是優化上海電網調峰資源利用的最優措施。但由于終端電力負荷具有分散、容量大小各異、特性因用途的不同而不同、預測存在偏差的特點，完全靠負荷側管理以維持上海電網的調峰平衡，在管理和調控方面還有相當的難度[6-8]。

3.5.4 鼓勵調峰新技術的研發和應用

目前，除抽水蓄能、燃機等常規調峰電源之外，也出現了一些新的調峰電源類型，例如蓄電池組、壓縮空氣蓄能調峰電站、超導、飛輪等，但均尚不具備大規模應用的條件。此外，未來電動汽車、蓄熱蓄冷技術的大規模應用也將改變電網用電方式，通過適當的機制和技術實現系統范圍內智能化的削峰填谷，將大大改善電網的調峰壓力。建議在上海地區選取具有應用前景的技術路線，適時開展調峰新技術的試驗示范項目，使上海地區走在電力行業新技術領域的前沿。

4 結語

4.1 上海電網調峰格局和調峰資源配置

按照已核準及獲得路條的市內電源和規劃市外來電，2015年上海電網能夠滿足調峰需求；2020年，上海電網增加受入了規劃的特高壓交流電力，考慮其僅有20%調峰能力的條件下，上海電網存在700~1 100 MW的調峰缺口，該缺口可以通過市內燃機啟停調峰的運行方式填補，否則需要補充建設部分調峰電源。若特高壓送電推遲，上海建設市內電源填補電力缺口，或者特高壓交流電力以常規煤電機組的能力參與調峰運行，上海電網2020年將不存在調峰缺口。

從趨勢上看，隨著區外來電規模的不斷增加，上海電網調峰壓力將逐漸加重，建議上海電網結合區外來電的落點、容量、建設時序和調峰特性等條件，在廠址資源豐富的浙江省或安徽省積極參與建設抽水蓄能電站作為備用調峰電源；同時，積極開展市內調節能力優異的燃氣電站的前期工作，提升上海電網整體的調峰能力。

4.2 上海電網調峰資源共享機制

2020年華東電網除福建外，浙江、江蘇、安徽等省均存在一定的調峰裕度，除計劃分配給上海電網的抽水蓄能機組之外，其他抽水蓄能機組理論最大可為上海電網提供超過5 000 MW的調峰容量。另外，各省同時率的存在和調峰控制月的不同，也為各省間調峰資源相互支援提供了條件，將資源共享范圍擴大為華東網內所有類型機組，實現華東全網機組聯合調度，在解決各省調峰問題的同時，還可提升全網煤電機組的平均出力率，降低全社會能耗、提高供電質量。

當上海電網在調峰較困難的時段突然出現低溫或臺風特殊天氣、節假日等情況導致系統負荷驟降時，僅靠市內機組緊急安排調停機組的手段已無法滿足此類極端條件下的調峰要求，此時上海電網可采取向華東網調申請安排調峰電源支援、修改聯絡線功率，或者向國調申請直流降功率運行等手段，利用華東和區外共享的調峰資源解決問題。

4.3 提高上海電網調峰能力的相關政策建議

建議積極推進跨省跨區統一的調峰輔助服務市場交易及補償機制建設；建議加強峰谷電價等需求側管理措施；建議在上海地區選取具有應用前景的技術路線，適時開展電動汽車、蓄熱蓄冷技術等新技術的試驗示范項目。

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