陜西電網調峰能力及可接納新能源能力研究

趙　娟，王　雷，吳　磊

(西北電力設計院有限公司系統規劃部，陜西西安710075)

陜西電網調峰能力及可接納新能源能力研究

趙娟，王雷，吳磊

(西北電力設計院有限公司系統規劃部，陜西西安710075)

摘要：首先在總結陜西電網負荷特性、風電和光伏出力特性基礎上，通過研究陜西電網后夜、中午時段調峰能力，采用兩種原則確定可接納的風電、光伏裝機規模。進一步將歷史風電、光伏全年8 760 h特性與負荷8 760 h特性相結合，對2020年陜西新能源裝機容量下電網接納新能源電量、新能源棄電量進行計算，全面反映水平年風電、光伏消納情況。結果表明，陜西電網基本可接納風電、光伏各500萬kW規劃裝機容量。利用該方法，對陜西電網與周邊電網聯絡調峰能力及棄電量進行敏感性分析，表明聯絡線冬、夏季應采用不同的調峰運行方式。

關鍵詞：風電；光伏；調峰能力；接納規模；新能源棄電量

中圖分類號:TM71

文獻標識碼:??碼: A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.005

收稿日期：2015-06-25。

作者簡介：趙娟(1978-)，女，高級工程師，從事電力系統規劃設計工作，E-mail: zhaojuanxiao@163.com。

Abstract：With a basic analysis of load characteristics of Shanxi power grid and its wind and photovoltaic output characteristics, the peak regulation capacity of Shanxi power grid was calculated at both 4∶00 to 5∶00am and noon, based on two methods used to obtain the consumptive ability of wind and photovoltaic power within the grid. Furthermore, by combining the 8760-hour load characteristics with those of existing wind and photovoltaic output, the quantity of both consumptive and non-consumptive wind and photovoltaic electricity was calculated by the planned amount of wind and photovoltaic power units, which fully reflects the consumptive condition of wind and photovoltaic power in planning years. With the above methods, the impact of interconnected power grid on peak regulation capacity of Shanxi power grid was analyzed. The result shows that the consumptive capacity of wind and photovoltaic power in Shanxi power grid can be approximately as much as 5 000 MW respectively. And it indicates that different modes of peak regulation should be applied to interconnected power grid in summer and winter.

Keywords：wind power; photovoltaic; peak regulation capacity; consumptive ability; non-consumptive electricity of wind and photovoltaic power

0引言

陜西電網位于西北電網最東部，與西北主網以四回750 kV和四回330 kV線路聯絡。陜西電網是一個水火并濟以火電為主的電網，火電主要分布在關中，水電主要分布在陜南。截至2014年底，陜西電網裝機容量29 260 MW，其中水電2 900 MW、火電24 480 MW、風電1 360 MW、光伏520MW，水電、火電、風電、光伏所占比例分別為9.9 %、83.7 %、4.6 %、1.8 %。2014年陜西全省最高發電負荷達到21 810 MW，統調口徑最大發電負荷17 128 MW。電網負荷峰谷差呈逐年增加趨勢，統調負荷日最大峰谷差從2011年的4 966 MW增加至2014年的5 792 MW[1]。隨著2020年陜西風電、光伏總裝機達到1 000萬kW以上目標的確定，電網調峰將面臨更大壓力。研究電網調峰能力，確定電網可接納新能源裝機能力、評估電網可接納新能源電量及棄電量，可為編制新能源裝機規劃、制定新能源裝機開發時序和電網規劃方案提供重要參考[2,3]。

1電網負荷

1.1　負荷特性分析

本文研究分析了陜西電網歷史近十年的負荷[4]，得出陜西電網年、日負荷特性分別如表1、表2所示。

表1　電網年負荷特性

表2　電網日負荷特性

從年負荷特性來看，陜西電網年負荷表現為冬季、夏季兩個高峰，年最大負荷一般出現在12月，夏季高峰出現在7～8月。夏季月份小負荷日最大負荷為月最大負荷的0.82，冬季月份小負荷日最大負荷約為月最大負荷的0.88。

從日負荷特性來看，一天之中負荷呈現兩個高峰，即早高峰和晚高峰，以晚高峰負荷最大，出現在19～21點；低谷負荷在4～5點，夏季日最小負荷率為0.636，冬季日最小負荷率為0.656。

1.2　2020年電網負荷預測

預計2020年陜西電網全口徑最高發電負荷為35 870 MW。根據以上負荷特性分析結果，2020年陜西電網各月大小負荷日情況下的大小負荷時刻具體負荷如表3所示。

表3　2020年電網負荷

2新能源出力特性

2.1　風電出力特性

陜西風電裝機90 %以上位于陜北，以陜北風電實際出力數據分析結果代表陜西風電出力特性。陜西累積電量、累積頻率特性見表4、表5。

表4　風電出力-累積頻率特性

表5　風電出力-累積電量特性

可以看到，風電出力系數0.65以下的累積電量可以達到全部電量的99 %。風電出力系數0.65以下的累積頻率可以達到95 %以上。本次陜西風電有效容量系數選取0.65。

2.2　光伏出力特性

陜西光伏裝機90 %以上位于陜北，以陜北光伏實際出力數據分析結果代表陜西光伏出力特性，具體見圖1。光伏每天出力時間集中在6點到19點，冬季出力時間短，夏季出力時間長，最大出力時間為中午13點左右，出力形狀類似正弦半波。陜西光伏最大出力系數約為0.83。

圖1　陜西光伏電站日出力特性

3調峰能力及可接納新能源裝機能力分析

3.1　調峰平衡計算原則

(1)計算水平年選擇2020年，僅分析陜西電網自身調峰能力(暫不考慮直流外送調峰、陜甘聯絡線調峰)。

(2)選擇冬季大負荷日、冬季小負荷日、夏季大負荷日、夏季小負荷日四種方式，對后夜峰谷差、13點光伏最大出力時刻調峰能力進行計算。

(3)負荷備用容量為最大發電負荷的3 %、事故備用容量為最大發電負荷的5 %。

(4)水電機組按照實際水文特性參與調峰。抽蓄機組充分發揮削峰、填谷作用[5,6]。

(5)熱電機組供熱期最大出力80 %，不參與調峰，非供熱期參與調峰。

(6)單機容量300 MW及以上火電機組，最小技術出力率為50 %；單機容量300 MW以下火電機組，最小技術出力率為70 %。不考慮火電機組啟停調峰。

3.2　調峰能力及可接納新能源裝機容量分析

對2020年逐月大、小負荷日陜西電網調峰能力進行計算，結果表明夏季9～10月份調峰盈余較少，冬季2～3月份調峰盈余較少，冬季由于熱電機組不參與調峰，電網調峰能力明顯小于夏季。陜西電網調峰能力及可接納新能源裝機具體見表6。

表6　電網自身調峰能力

陜西電網盈余調峰能力可用來接納新能源裝機。按照以下兩種方式考慮：

(1)按照后夜調峰能力接納風電裝機[7]基礎上，進一步考慮13點時刻接納光伏。

陜西電網后夜調峰能力盈余560～4 140 MW，按照風電有效容量系數0.65考慮，陜西電網可接納風電裝機容量860～6 370 MW，其中冬季可接納860～1 770 MW，夏季可接納3 090～6 370 MW。

陜西電網13點時刻調峰能力盈余6 260～11 610 MW，在接納風電基礎上，光伏最大出力系數按0.83考慮，陜西電網可接納光伏裝機容量6 870～9 000 MW，其中冬季可接納6870～7 770 MW，夏季可接納7 370～9 000 MW。

風電、光伏合計可接納總裝機約7 730～15 370 MW，其中冬季可接納7 730～9 540 MW、夏季可接納10 460～15 370 MW。

(2)結合陜西風、光資源情況[8]，按照風電、光伏裝機比例1∶1考慮接納新能源裝機。

陜西電網風電、光伏裝機比例為1∶1時，新能源總體最大出力系數為0.74。陜西電網13點時刻調峰能力盈余6 260～11 610 MW，則可接納風電、光伏總裝機容量8 460～15 690 MW，其中冬季可接納8 460～10 270 MW，而夏季可接納10 990～15 690 MW。

4電網接納新能源電量分析

4.1　新能源裝機預測

2020年陜西新能源裝機考慮基本方案和高方案兩個水平。基本方案預計風電裝機達到5 990 MW、光伏裝機達到4 890 MW，基本實現陜西風電、光伏規劃裝機兩個500萬kW目標。高方案預計陜西風電、光伏規劃裝機均達到7 000 MW目標。

4.2　接納新能源電量分析

按照2020年新能源裝機基本方案，結合陜西負荷特性和風電、光伏出力特性，計算陜西電網可接納新能源電量及棄電量[9]。首先以歷史風電、光伏全年8 760 h標幺值，分別乘以規劃風電、光伏裝機，得到水平年實際新能源出力曲線。采用同樣方法得到水平年8 760 h負荷曲線。將調峰計算得到的水電(含抽水蓄能電站)、火電(含熱電)機組運行出力，和負荷、新能源出力疊加，不滿足各時刻調峰需求的新能源出力即為新能源棄電。陜西電網接納規劃新能源后調峰盈虧主要結論如表7所示。

表7　電網接納新能源后調峰盈虧

夏季13點時刻電網調峰盈余超過8 130 MW，光伏、風電合計最大出力7 950 MW，即此時陜西電網可以全額接納規劃的新能源裝機。夏季后夜陜西電網調峰盈余4 140～2 010 MW，此時考慮風電滿出力3890 MW后，調峰盈虧250～ -1 880 MW，即夏季小負荷日后夜存在2 900 MW風電裝機難以消納，對應的棄風電量很小，約0.13億kW·h。

冬季13點時刻陜西電網調峰盈余6 260 MW，此時如果光伏、風電都同時大發，合計出力7 950 MW，則調峰缺額1 690 MW，陜西電網難以全額接納規劃的新能源裝機，存在棄新能源情況。實際光伏、風電同時大發的情況發生的概率極低。冬季后夜陜西電網調峰盈余1 150～560 MW，此時考慮風電滿出力3 890 MW后，調峰缺額為2 740～3 330 MW，相應的風電裝機為4 215～5 123 MW，即冬季后夜存在大量的風電裝機難以消納。冬季陜西電網相應新能源棄電量達到5.82億kW·h。

陜西電網全年新能源棄電量約5.95億kW·h，占風電、光伏總發電量172億kW·h的3.5 %，該比例較小，可以認為，陜西電網調峰能力滿足規劃的新能源裝機需求。相應，陜西電網全年可消納新能源電量166億kW·h，占新能源總發電量的96.5 %。

按照2020年新能源裝機高方案進行計算，結果表明，陜西電網全年新能源棄電量約11.62億kW·h，占風電、光伏總發電量217億kW·h的5.4 %，較基本裝機方案新能源棄電量比例增加1.9 %。相應，陜西電網全年可消納新能源電量205.38億kW·h，占新能源總發電量的94.6 %。

4.3　調峰敏感性分析

陜西電網作為西北電網重要外送出口，電網運行方式受西北主網、靈寶直流、德寶直流電力交換影響較大，直接影響到陜西電網調峰能力。以下考慮兩種方式對陜西電網調峰進行敏感性分析。

送電方式一考慮西北主網給陜西電網調峰，德寶直流冬季四川給陜西調峰、夏季陜西給四川調峰[10]，靈寶直流考慮平送。具體見表8。

表8　電網與外區電力交換方式一

按照該送電方式計算，調峰結論見表9。陜西電網夏季調峰能力稍有降低，冬季調峰能力明顯增強，夏季降低約500 MW、冬季提高約2 750 MW，全年新能源棄電量由5.95億kW·h降為0.7億kW·h，占新能源總發電量比例由3.5 %降至0.4 %，可以看到陜西電網冬季調峰能力增強對減少新能源棄電量效果明顯，這與陜西風電冬季電量明顯較夏季電量高的出力特性相關。

表9　方式一調峰結論

送電方式二考慮西北主網、靈寶直流、德寶直流均平送。具體見表10。

表10　電網與外區電力交換方式二

按照該送電方式計算，調峰結論見表11。陜西電網夏季調峰缺額在1 420～3 510 MW、冬季缺額在1 860～2 480 MW，全年新能源棄電量由5.95億kW·h降為2.6億kW·h，占新能源總發電量比例由3.5 %降至1.5 %。

表11　方式二調峰結論

綜合以上分析，建議陜西與周邊送電通道運行方式，冬季外網宜給陜西電網調峰，或者平穩送出；夏季宜平穩受入，或者陜西向外網提供少量調峰。

5結論

(1)對于電力系統風電、光伏裝機規模問題，很難有通用的準則，必須結合電網調峰能力、電網接納新能源發電量兩方面來確定。

(2)文中在詳細分析風電、光伏全年8 760 h發電出力的基礎上，從系統調峰角度研究了電網可接納新能源裝機規模，分析了電網可接納新能源電量。提出的分析方法可為有關部門制定風電、光伏發展規劃提供科學分析的手段，為陜西電網后續大規模發展新能源提供參考。

(3)通過對陜西電網2020年可接納新能源裝機容量及電量兩方面計算，全面反映水平年風電、光伏消納情況。結果表明，2020年陜西電網基本可接納風電、光伏各500萬kW裝機容量，陜西電網全年新能源棄電量約占風電、光伏總發電量的3.5 %，該比例較小。

(4)通過對陜西電網與周邊電網聯絡調峰能力及棄電量進行敏感性分析，對聯絡運行方式提出建議。建議充分發揮陜西與周邊電網聯絡線調峰能力，冬季外網宜給陜西電網調峰，夏季陜西電網可向外網提供一定調峰。

參考文獻:

[1]陜西電力調度中心.2015年度陜西電網運行方式[R].西安：陜西電力調度中心，2015.

[2]李春曦，王佳，葉學民，等.我國新能源發展現狀及前景[J].電力科學與工程，2012，28(4)：1-8.

[3]韋仲康，徐建飛，于鵬.考慮風力發電波動性的分布式發電可靠性規劃[J].電力科學與工程，2014，30(11)：31-36.

[4]趙娟，西北電網負荷特性分析[J].陜西電力，2009，37(4)：76-79.

[5]潘歡，楊洪朝，徐偉，等.含風電與抽水蓄能電站的電力系統魯棒調峰研究[J].電力科學與工程，2014，30(7)：48-54.

[6]潘歡，陳錦麟，張黨強，等.計及抽蓄電站調峰運行的水火電優化調度[J].電力科學與工程，2013，29(10)：1-5.

[7]姚金雄，張世強.基于調峰裕度分析的榆林電網風電接納能力[J].電力建設，2011，32(2)：24-28.

[8]西北電力設計院.陜北地區新能源開發建設方案和輸電規劃[R].西安：西北電力設計院，2013.

[9]呂泉，王偉，韓水，等.基于調峰能力分析的電網棄風情況評估方法[J].電網技術，2013，37(7)：1887-1894.

[10]馬為民. 西北-華中聯網背靠背直流工程一次系統設計[J].高電壓技術，2004，(11)：5-7.

Study on Peak Regulation Capacity and Consumptive Ability of Wind and Photovoltaic Power of Shanxi Power Grid

Zhao Juan, Wang Lei，Wu Lei(Power System Planning Department, Northwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., Xi’an 710075, China)