供需側(cè)調(diào)峰方式對電力系統(tǒng)能效影響研究

田娜

(國網(wǎng)天津市電力公司 濱海供電分公司,天津 300450)

0 引言

電力改革是我國政府應(yīng)對氣候變化與能源問題所采取的重要舉措。將可再生能源(風(fēng)能、光能、水能)引入電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多類型的能源互補(bǔ)，高效利用可再生能源，降低一次能源(煤炭)的消耗是電力改革的核心[1]。由于我國目前仍以煤炭發(fā)電為主，在短期內(nèi)不會(huì)改變電力供應(yīng)的格局，并且在技術(shù)層面受可再生能源自身?xiàng)l件的約束，無法滿足直接應(yīng)用的電力需求，為此傳統(tǒng)能源與可再生能源相結(jié)合的電力功能模式是當(dāng)前能源綜合應(yīng)用的重點(diǎn)方向[2]。其中，傳統(tǒng)能源與可再生能源聯(lián)合調(diào)峰是促進(jìn)能源合理利用、電力系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵。

1 供應(yīng)側(cè)調(diào)峰方式及容量優(yōu)化對系統(tǒng)調(diào)峰能耗的影響

隨著我國電力改革的不斷深化，我國可再生能源的開發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，但是收可再生能源開發(fā)條件的影響，導(dǎo)致能源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，就地消納存在困難，并且能源具有較強(qiáng)的間歇性、誤差性和反調(diào)峰特性，系統(tǒng)調(diào)度安排較為困難[3]。為此，將可再生能源發(fā)電引入現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組需要對供應(yīng)測調(diào)峰方式及機(jī)容量優(yōu)化進(jìn)行研究，其對于節(jié)能潛力的挖掘和可再生能源的吸納具有非常重要的研究價(jià)值。

1.1 聯(lián)合發(fā)電機(jī)組運(yùn)行分析模型

各類可再生能源應(yīng)用于電力系統(tǒng)均有一定的自身特性，如：風(fēng)能具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性，光能具有波動(dòng)性、不確定性，水能具有不均衡性。為了保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性的，可再生能源的應(yīng)用性需要輔助調(diào)峰機(jī)組參與來降低其對電力系統(tǒng)的沖擊。當(dāng)調(diào)峰機(jī)組參與調(diào)峰時(shí)勢必會(huì)對發(fā)電能效造成影響，所以需要制定一定的補(bǔ)償機(jī)制。構(gòu)建可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行分析模型，設(shè)在供應(yīng)測增加z臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和l個(gè)光伏電站，其均具有反調(diào)峰的特征，設(shè)置系統(tǒng)功率約束條件和系統(tǒng)備用容量條件，系統(tǒng)功率約束為式(1)[4]。

(1)

t=1,2,…,h

其中，PTh,it為第i臺(tái)煤電機(jī)組在t時(shí)刻的負(fù)荷，PH,jt為第j臺(tái)水電機(jī)組在t時(shí)刻的負(fù)荷，PW,ft為第f臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在t時(shí)刻的負(fù)荷，PV,gt為第g臺(tái)光伏電站在t時(shí)刻的負(fù)荷。

系統(tǒng)備用容量為式(2)。

(2)

t=1,2,…,h

其中，RTh,it為第i臺(tái)煤電機(jī)組在t時(shí)刻提供的備用容量，RH,jt為第j臺(tái)水電機(jī)組在t時(shí)刻提供的備用容量，L為煤電和水電波動(dòng)備用系數(shù)，kW為風(fēng)電波動(dòng)系數(shù)，kV為光電波動(dòng)系數(shù)。

構(gòu)建可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行分析模型，以電力系統(tǒng)消耗燃煤量最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)表達(dá)為式(3)。

(3)

其中，ai、bi、ci為系統(tǒng)機(jī)組i的燃煤消耗量與功率P之間的關(guān)系系數(shù)。

當(dāng)總負(fù)荷PDt一定時(shí)，聯(lián)合機(jī)組可再生能源機(jī)組出力增加，煤電機(jī)組出力減少。因?yàn)轱L(fēng)能和光能間歇性特征，在其利用增加時(shí)，考慮系統(tǒng)調(diào)峰備用容量的分配，同時(shí)還要考慮水電機(jī)組調(diào)峰容量與煤電機(jī)組啟停煤耗及負(fù)均衡性等的影響，燃煤量的減少量是可再生能源發(fā)電的替代收益。

1.2 某區(qū)域電力系統(tǒng)調(diào)峰方式及容量優(yōu)化綜合分析

以某區(qū)域電力系統(tǒng)為分析對象，該機(jī)組構(gòu)成如表1所示[5]。

表1 機(jī)組構(gòu)成

光伏發(fā)電單日出力與負(fù)荷的變化規(guī)律保持一致，風(fēng)力發(fā)電白天時(shí)段高峰負(fù)荷出力不足，而夜晚時(shí)段低谷負(fù)荷出力豐富。該區(qū)域電力系統(tǒng)某日負(fù)荷曲線如圖1所示。

設(shè)定兩種調(diào)峰方案，即：

(1) 不包括供熱機(jī)組，供熱機(jī)組按凝氣式機(jī)組分析；

(2) 所有機(jī)組為非供熱機(jī)組，按凝氣式機(jī)組調(diào)峰優(yōu)化[6]；

圖1 日負(fù)荷曲線

方案(1)與方案(2)比較，煤電機(jī)組供電煤耗率變化曲線如圖2所示：

方案(1)

方案(2)

當(dāng)可再生能源接入電力系統(tǒng)后，煤電機(jī)組能耗減少，系統(tǒng)備用能耗增加，電網(wǎng)熱效率降低，煤耗率增高。方案(1)每臺(tái)煤電機(jī)組都平均分配發(fā)電計(jì)劃，可再生能源比例增加會(huì)使煤電負(fù)荷率下降，電網(wǎng)熱效率降低，煤耗率增高。方案(2)實(shí)施煤電機(jī)組兩班制調(diào)峰優(yōu)化，通過調(diào)整機(jī)組出力滿足可再能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)熱效率高于方案(1)，煤耗率低于方案(1)。

2 需求側(cè)調(diào)峰優(yōu)化對系統(tǒng)能效的影響分析

2.1 需求側(cè)分析

在需求側(cè)的管理中，通過激勵(lì)用戶改變用電方式和行為促進(jìn)可再生能源的利用效率。在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)對負(fù)荷需求的時(shí)間與水平，“削峰填谷”優(yōu)化負(fù)荷分配，改變用戶負(fù)荷需求時(shí)間分布[7]，提升夜間的負(fù)荷需求，改善可再生能源電能的反調(diào)峰特性，提升可再生能源替代率，根據(jù)可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行分析模型，在政府干預(yù)和市場引導(dǎo)的下，通過發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定《關(guān)于促進(jìn)電力調(diào)度公開、公平、公正的暫行辦法》[8]綜合分析需求側(cè)優(yōu)化對系統(tǒng)能效的影響，提升電力系統(tǒng)尖峰負(fù)荷時(shí)的可再生能源利用率，提升可再生能源發(fā)電量。

2.2 某區(qū)域電力系統(tǒng)需求側(cè)優(yōu)化對系統(tǒng)能效影響分析

同樣以某區(qū)域電力系統(tǒng)需求側(cè)負(fù)荷時(shí)間與水平優(yōu)化為研究對象，其機(jī)組構(gòu)成如表1所示，日負(fù)荷曲線如圖2所示，將供應(yīng)測方案(1)作為基本形式進(jìn)行分析，根據(jù)可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行分析模型，煤電尖峰負(fù)荷削減對系統(tǒng)能耗影響和煤電低谷負(fù)荷提高對系統(tǒng)能耗影響如表2、表3所示。

表2 尖峰負(fù)荷削減對系統(tǒng)能耗影響

表3 低谷負(fù)荷提高對系統(tǒng)能耗影響

用戶接入可再生能源發(fā)電，會(huì)減少對燃煤發(fā)電的需求，降低電力系統(tǒng)的能耗，隨著尖峰負(fù)荷削減系統(tǒng)煤耗率降低，燃煤機(jī)組的煤耗率增高，當(dāng)?shù)凸蓉?fù)荷提高系統(tǒng)煤耗率升高，燃煤機(jī)組的煤耗率降低。

3 供需聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化分析

3.1 供需聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化方案

此次研究利用方案(2)實(shí)施煤電機(jī)組兩班制調(diào)峰優(yōu)化與需求側(cè)可中斷負(fù)荷變化優(yōu)化聯(lián)合運(yùn)行。隨著可再生能源發(fā)電并網(wǎng)比例不斷的增加，供應(yīng)側(cè)系統(tǒng)煤耗率與煤電機(jī)組煤耗率降低，需求側(cè)可中斷負(fù)荷調(diào)整幅度增大，系統(tǒng)煤耗率隨著可再生能源發(fā)電并網(wǎng)比例的增加而下降，而煤電機(jī)組煤耗率則增高。

3.2 某區(qū)域電力系統(tǒng)供需聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化對系統(tǒng)能效影響分析

同樣以某區(qū)電力系統(tǒng)為研究對象，其機(jī)組構(gòu)成如表1所示，日負(fù)荷曲線如圖2所示。供應(yīng)測優(yōu)化與可中斷負(fù)荷變化影響下的系統(tǒng)能耗變化曲線如圖3所示：

圖3 供應(yīng)測優(yōu)化與可中斷負(fù)荷變化影響下的系統(tǒng)能耗變化曲線

與單獨(dú)供應(yīng)測優(yōu)化和單獨(dú)需求側(cè)優(yōu)化相比，供需聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化煤耗率的變化曲線有相類似的變化規(guī)律，在能效提升與吸納潛力方面，聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化要優(yōu)于單獨(dú)的供應(yīng)測側(cè)優(yōu)化和需求側(cè)優(yōu)化。

4 總結(jié)

本文分析了可再生能源供電與傳統(tǒng)煤炭能源供電協(xié)同的供應(yīng)測電力系統(tǒng)能效優(yōu)化方案和改變系統(tǒng)負(fù)荷需求的需求側(cè)電力系統(tǒng)優(yōu)化方案。并進(jìn)一步探討了供需聯(lián)合調(diào)峰的優(yōu)化，證明了將兩班制調(diào)峰優(yōu)化與需求側(cè)可中斷負(fù)荷變化優(yōu)化聯(lián)合運(yùn)行，供需聯(lián)合調(diào)峰的優(yōu)化與單獨(dú)供應(yīng)測優(yōu)化和單獨(dú)需求側(cè)優(yōu)化相比，供需聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化煤耗率的變化曲線有相類似的變化規(guī)律，但在能效提升與吸納潛力方面略有優(yōu)勢。