高比例清潔能源電網靈活調節方法*

葛維春， 劉前衛， 劉富家， 王順江， 崔 岱

(1. 國網遼寧省電力有限公司 科技信通部， 沈陽 110006； 2. 國家電網有限公司 科技部， 北京 100031)

對于冬季北方電網，大規模清潔能源的接入和熱電聯產機組并網運行會給電網安全穩定運行帶來許多不確定因素，造成大量棄風，為此，需要投入大量儲能技術和可時移負荷，使電網運行特性發生巨大變化.以往只調節水、火、電就能實現的調頻和聯絡線控制已經遠遠不能滿足電網安全穩定運行的要求，必須從多源、多荷調節能力入手，監測電網的調度控制能力.

但上述方法與電網實際結合不夠，考慮問題不夠全面，沒有從多源多荷有機協調角度全面分析各源與各荷運行特性及其相互關系.本文從電網正常調控的多源協調[8]到異常調控的多源與多荷協調，到緊急控制的限核與棄風，從電網運行的靈活性角度分析了電網調控能力[9]，結合實例展示了電網靈活性對消納高比例接入清潔能源的效果.

1 電網靈活調節能力分析模型

對高比例接入清潔能源電網，電網靈活調節能力是指電網在正常調節時，水電、火電、聯絡線、可時移負荷和頻率的調節預度[10].無調節預度，電網進入異常調節.異常調節預度是火電機組非常規調峰和儲能投入的預度，異常調節有調節預度，則電網仍有接納清潔能源能力；沒有異常調節預度，電網進入緊急控制域.緊急控制域的初始調節預度是核電的調節預度，核電沒有調節預度時，只有棄風電.如何對這些具有調節能力的多源與多荷進行量化是本文研究的重點.

電網正常調節主要以水電、火電、聯絡線和頻率為主.火電是最常規電源，其正常調節能力為其運行上限與下限的差值，設PhM為火電機組的最大發電能力，通常是額定功率；Phm為火電機組的最小發電能力，不同機組、不同時期，其值不同，通常是額定容量的50%.所以，一旦火電機組組合確定，PhM和Phm即為確定值，火電運行曲線Ph(t)就要求在PhM和Phm之間運行.

火電的正常調節預度δh可表示為

(1)

式中，Nh為火電廠節點數.

火電機組非常規調峰能力可表示為

(2)

式中，Phmmk為火電機組深度調峰下限.

同樣，水電的調節預度δs可表示為

(3)

式中：Psm為水電出力下限，通常為零；Ns為水電廠節點個數.

聯絡線Pll下調出力預度可表示為

δll=Pll-Pllm

(4)

式中，Pllm為聯絡線計劃下限.

頻率上調預度表示為

δf=PfM-Pf

(5)

式中，PfM為基于頻率的出力上限.

由式(1)～(3)可知，Phm和Psm越小，δh和δs越大，電網調節能力越強；對于水電機組，不考慮經濟性時，其Psm基本為零，不需考慮.現階段對于Phm的研究越來越多，各發電廠都采取了積極的措施，例如通過建立電鍋爐、改造低壓缸、改造旁路、改造雙背壓和減溫減壓等，這些都大幅降低了火電機組的最小出力，有的個別機組甚至可降到零.由式(4)、(5)可以看出，δll越小愈好，而δf需要根據負頻特性確定.

可時移負荷突出特點是時段運行，這個時段通常小于電網低谷運行時間，即只在電網低谷時段運行，享受低谷電價，通常為9～10 h.

對于大部分工業負荷PLs，其負荷體現出時段性，如果運行期間包括全部低谷時段，則可時移負荷調節預度δL1表達式為

(6)

式中：PLsM為可時移負荷幅值；tN為電網低谷運行時段.這類負荷可以安排在以低谷為中心，晚上低谷時段剛開始(21時)為起點，以早晨6時或7時為終點，使其運行在整個低谷期間，對電網調峰極為有利.

2 儲能調節預度模型

對于高比例清潔能源接入電網，為提高其消納能力，必須配備足夠大容量的儲能設備，不同的技術、不同的安裝地點，其分析模型是不一樣的.

2.1 大容量集中式電儲熱調節預度模型

對于由電網控制的大容量電儲熱裝置，通常都安裝在熱電廠內，是按電網調控指令投切的，調度通常在檢測到常規調節能力喪失后，根據電網當前運行狀態，決定是否投入電儲熱裝置.電儲熱功率Pc表達式為

(7)

式中，Nc為儲熱單元數.電儲熱調節預度δc表達式為

(8)

式中，PcM為儲熱裝置的最大容量.

可見儲熱裝置容量越大，調節預度也越大.針對億兆瓦級棄風電量，儲熱容量至少要達到百兆瓦級，才會對風電起到消納作用.

2.2 小容量分布式電儲熱調節預度模型

對于北方冬季供暖的分布式電儲熱裝置，其在低谷時段開始運行.由于單體容量較小，只以總容量計算，則調節預度δc1就等于總容量PcZ.

電網對于這類負荷是非常歡迎的，首先，它的容量時序性強；其次是大小可控，投入多少，退出多少，這對電網安排日計劃是非常有益的.

2.3 電池式儲能電站調節預度模型

對電池式儲能電站，電池的投入和退出都是在電網調度指令下進行的，在電網確定投入儲能充電模式時，電池充電預度δc2表示為

(9)

式中：Pc2M為電池每個單元的容量；Nc2為電池單元個數.電池儲能具有杠桿作用，在其容量能夠達到影響電網時，電池對電網會產生非常積極的影響.在電網尖峰時，δc2具有發電能力，如果在δc2容量較少的機組，則在電網低谷時段就會提升50%的δc2負荷，電池的調節預度修正為

(10)

由式(10)可以看出，電池保守可以達到1.5倍的杠桿作用，所以，應該大力開發電池儲能技術，形成規模化效應.

2.4 核電調節預度模型

核電的調節預度δhd可表示為

(11)

式中：Nhd為核電機組數；Phdm為核電機組出力下限.核電是有調節能力的，但是只有當其他調節能力喪失時，才會使用核電調節.

2.5 電網靈活調節預度模型

根據前面的分析可知，電網靈活調節預度δ可表示為

δ=δh+δs+δhs+δf+δll+δL1+δc+δc1+δc2+δhd

(12)

式(12)包含了電網正常調節時的水、火電調節預度指標，還包括了電網在異常調節時的火電非常規調節裕度指標，儲能和可時移負荷調節預度指標.利用δ可時刻監視電網的調節能力，在電網喪失調節能力之前，采取切實可行的措施，保證大電網安全穩定運行.

電網調節預度又可按調節域劃分為正常調節預度δNM、異常調節域δON和緊急控制域δCT，分別表示為

δNM=δh+δs+δll+δf+δL1

(13)

δON=δhs+δc+δc1+δc2

(14)

δCT=δhd

(15)

δNM、δON和δCT三個調節預度充分體現了電網調節能力.

3 電網典型實例分析

以某日一省級電網運行數據為例，其全網發電、聯絡線注入、火電和水電功率曲線如圖1所示.最大負荷為250 GW，發生在21時；最小負荷為200 GW，最小負荷時段是2時至6時；火電發電電力總和最大為150 GW，最小為88 GW；聯絡線最大負荷為84 GW，最低負荷為54 GW；水電基本沒發電.圖2為清潔能源發電曲線，從圖2可以看出，0時開始，風力發電曲線增長較快，同核電疊加后超過50 GW，到中午12時，風電達到最大55 GW，又疊加10 GW的光伏，核電一直運行在34 GW，運行在正常調峰范圍內，使清潔能源疊加負荷接近100 GW，此時，清潔能源發電量達到總發電電力的40%.

從這個案例可以看出，電網清潔能源疊加才是對電網消納清潔能源影響最大的因素，而疊加時間點不是晚間低谷時段，而是中午低谷時段.

圖1 電網運行曲線Fig.1 Operation curves of power grid

圖2 清潔能源發電曲線Fig.2 Generation curves of clean energy

三個熱電廠電儲熱總容量950 MW投入運行后，電儲熱疊加曲線如圖3所示.

圖3 熱電廠儲熱裝置投入運行曲線Fig.3 Operation1 curves of thermal storage device input in thermal power plant

從圖3可以看出，儲熱從0時就開始少量投入250 MW，2時950 MW全部投入，9時開始減少直到480 MW后，就又相繼投入運行，在11時40分全部投入運行，直到16時負荷增加，18時風電出力減小，整個過程全部結束.實驗結果表明，當光伏容量超過百萬千瓦時，必須有應對的風電、核電和光伏疊加等影響措施，即保證電網安全，又消納大量風電、核電和光伏，充分體現電網通過儲能對清潔能源的調節作用.

圖4為熱電廠儲熱和出力運行曲線，在儲熱投入時，熱電廠等效出力下降，提供更多空間消納風電.10時左右儲能部分的退出是因為電儲熱裝置因為連續儲熱而達到其儲熱上限，需要暫停輸入，致使電儲熱裝置停止供電，但是輸出熱量的過程還在繼續，裝置并未停止運行.

圖4 熱電廠儲熱和出力運行曲線Fig.4 Operation curves of thermal storage and output of thermal power plant

圖5是電網中沒有儲能設備運行，棄風日風電實際處理曲線.從圖5可以看出，夜間時段棄風量最大，其它時段也有大量棄風，最大棄風電電力超過4 000 MW.

圖5 棄風日風電實際處理曲線Fig.5 Actual processing curves of wind power on abandoned wind days

圖6統計了不同城市儲能隨著棄風的變化過程.從圖6可以看出，棄風電出現后，在晚上低谷時段電儲熱投入容量最大，其它時段也有投入，但投入容量不大，較好地反應了儲能跟隨棄風電的能力和對棄風電的消納作用.

圖6 各儲能根據棄風情況投入曲線圖Fig.6 Input curves of various energy storages according to abandoned wind conditions

4 結 論

本文提出了高比例接入清潔能源電網的多源多域多荷的靈活分析模型，給出了提高電網靈活性裕度計算方法，并結合電網運行實例證明：高比例接入清潔能源電網只有在清潔能源發電疊加時，才會對電網造成沖擊.但本文模型具有足夠的調節能力，特別是具有足夠的發電機深度調峰、儲能和可時移負荷時，即使清潔能源發電有疊加，也能保證清潔能源全額發電和電網安全穩定運行，對高比例接入清潔能源電網規劃和運行具有借鑒價值.