基于调峰能力分析的电网风电接纳能力研究

姚金雄，张世强

（1.陕西省电力设计院，西安 710054；2.陕西省电力公司，西安 710048）

0 引言

陕西电网是以火电为主的电网，2009年底，按照五级调度调管统计底总装机容量20 013 MW，其中火电装机容量17 759 MW，水电装机2 169 MW，其他（余热、燃气、生物质能、垃圾发电）装机容量85 MW。陕西电网民用负荷比例高，峰谷差大且逐年增加，最大峰谷差从2007年的3 030 MW增加至2009年的4 030 MW[1]。火电仍是陕西电网主要的调峰电源，目前陕西电网统调火电机组平均调峰能力约47%，300 MW以上火电机组调峰能力基本达到50%，但电网调峰压力仍面临较大压力。2009年9月陕西省发改委《陕西省新能源发展规划》明确了建设百万风电基地的规划方案，风电大规模并网后，其随机性、间歇性、反调峰特性将给电网运行方式安排、电网规划带来较大影响。在风电规划阶段，研究电网对风电的接纳能力成为合理编制风电发展规划、合理制定开发时序和电网规划方案等方面的必要措施[2]。

本文主要研究陕西电网2010年夏小方式下，基于电网调峰裕度的电网接纳风电能力研究，并以风资源较为丰富的陕北榆林靖边地区电网为例，结合调峰裕度及相关电气计算结果，得出有关结论。研究提出的分析方法可为有关部门在制定风力发电发展规模时提供科学分析的手段，也可应用于电力系统规划和运行调度。

1 陕西电网负荷特性分析

1.1 负荷特性分析

研究分析了陕西电网近10 a的年、日负荷特性，得出陕西电网年、日负荷特性见表1、表2。

表1 陕西电网年负荷特性

表2 陕西电网日负荷特性

根据年负荷特性，陕西电网年负荷特性表现为一年中有冬季和夏季2个高峰，2000年以前一般冬季高峰大于夏季高峰，年最大负荷一般出现在12月。进入2000年以来，虽然2个高峰仍然存在，但夏季高峰逐年提高，接近或大于冬季高峰，年最大负荷随着高温季节的影响出现在7、8月份。2000年、2001年、2003年最大负荷均出现在夏季，冬季与夏季最大负荷差额很小。这一个方面反映出陕西气候变化的特点，另一个方面也反映出随着生活水平的提高，保暖、降温设备对负荷特性产生明显的影响。负荷率呈上升之势，峰谷差明显加大。

未来一段时间陕西电网年最大负荷发生在12月的可能性仍然最高，根据发展趋势，夏季的用电负荷会逐步上升，并与冬季的差值愈来愈小，未来个别年度仍有可能夏季负荷大于冬季负荷，但是长期来看，陕西电网的最大负荷仍将发生在12月。

根据日负荷特性，陕西电网日负荷变化规律通常有冬季、夏季2种典型情况。一天之中的负荷变化，典型日均有2个高峰，即早高峰和晚高峰，目前仍以晚高峰负荷最大。冬季日最高负荷出现在19点，最低负荷出现在4点；夏季日最高负荷出现在21点，最低负荷出现在5点。除了基本的工业用电外，早晚居民用电及三产等用电形成了陕西电网日峰谷特性。而且，冬夏季日负荷特性在基本形状相近情况下，夏季平均负荷率高于冬季，最小负荷率小于冬季[3]。

1.2 2010年陕西统调负荷

根据陕西省调2010年运行方式研究成果，陕西电网2010年统调最大负荷12 500 MW，根据上节负荷特性分析结果，2010年陕西电网冬大、夏大、冬小、夏小4种方式下负荷分布见表3。

表3 2010年陕西电网负荷 MW

2 电网调峰裕度分析

2.1 运行方式选择

对于含风电场的电力系统而言，在以下两种运行方式下风电场的并网运行对系统运行的调峰能力冲击最大，只要在这两种运行方式下能够保证系统稳定，就可以保证系统在其他运行方式下也能稳定运行[4]。

1）系统负荷最大。在这种情况下，系统热备用较少。如果在很短的时间内风速由额定值减小至零风速，则风电场的有功功率会在短时间内由最大输出功率降为零；如果此时热备用发电容量较少，有功缺额将使电网调峰困难。

2）系统负荷最小。在这种情况下，风速如果在很短时间内由零风速增至额定风速，风电场的有功功率将会在短时间内由零增加到最大输出功率，其反调峰特性将对系统的调峰产生较大影响。

3）风能最佳利用时段。根据相关风资源评估报告结论，70 m和60 m高度以晚23—09时是风能最佳利用时段。即风能70 m和60 m高度最佳利用时段和夏季最小负荷出现在早5点的时间相吻合。

综上所述，考虑陕西电网是以火电为主、规划期火电电源较为丰富，大负荷方式电网调峰压力不大，但在丰水期电网调峰能力有限。随着规划年接受甘青电网水电能力进一步提高以及陕北地区风电装机不断开发，使得电网在低谷期时段调峰能力日益突出。由于风电发电的间歇性以及不确定性，风电机组不仅不能参与调峰，反而增大了电网调峰的难度。结合近年来陕西电网规划最新研究成果，本次研究以陕西电网2010年调峰能力最为困难的夏小运行方式，即上述方式2作为研究对象，为陕西电网风电的合理开发提供借鉴。

2.2 调峰原则

1）陕西电网水电装机占总装机容量的11%左右，其中仅有石泉、安康、喜河等水电厂具有调峰能力，考虑其夏季丰水期水电大发，其他大多数为径流式小水电机组，所以不考虑这些小水电机组的调峰作用。

2）暂不考虑各类机组调峰受网络安全的约束，不计西北省间联络线的送电调峰容量。

3）备用选取。根据规程规定：规划、设计和运行的电力系统，均应备有有功功率备用容量，以保持系统经常在额定频率下运行。备用容量包括：负荷备用容量为最大发电负荷的2%~5%，低值适用于大系统，高值适用于小系统（根据陕西调度运行方式一般取经验值3%）。事故备用容量为最大发电负荷的10%左右，但不小于系统1台最大机组的容量。

4）调峰机组选择原则。陕西电网调度目前还不能完全实现经济、最优化调度，受年初和各发电企业签订的电量协议限制。因此，在调峰机组选择原则上主要以公平占有发电空间和保持电网稳定为目标；火电按照机组检修周期、单机容量和机组台数从大到小先后顺序依次安排检修，达到公平占有发电空间的目标。

5）各类机组调节能力[5]。小水电机组不考虑调峰能力，根据目前不同容量机组的最小技术出力水平，本次研究采用的燃煤机组能力见表4。

表4 各类机组调峰能力

6）发电机组夏季日最小负荷率下的火电出力与火电最小技术出力之间的差值即为火电可为风电提供的调峰裕度[6]。

2.3 调峰能力分析

2010年夏季开机方式再综合考虑系统旋转备用后，初步确定为13 885 MW，详见表5，表6。

表5 2010年夏小开机方式开机规模 MW

表6 2010年夏小开机分类

由以上安排的开机总容量为13 885 MW能够满足系统总的13 800 MW需求，夏小方式下考虑水电大发，火电压出力、进行深度调峰，按照确定的机组调节能力，夏小方式下13 885 MW机组的最小技术出力为6 783 MW，调峰裕度分析见表7。

表7 2010年调峰裕度分析表MW

根据以上调峰分析，调峰方式选择最严重的情况，采用丰水期、小负荷方式进行，此时风机发电不仅不能参与调峰，反而增加了电网调峰难度，降低了系统的整体调峰能力，对火电机组的调峰能力要求进一步提高。根据调峰能力计算结果，2010年陕西电网理论上可接受的最大风电容量为850 MW。

3 算例

陕北长城沿线是陕西风速较大的区域，该区域地势开阔平坦，交通便利，从地形地貌上讲是建设风电场较理想的区域。对陕北长城沿线等地的实地考察和加密观测结果表明，区域中存在风速明显大于邻近气象台站的区域。陕北的3个加密站点，燕敦山、桥 梁和张天渠，2005年9月至2006年1月各月平均风速都在7 m/s以上，比邻近气象站平均风速要大1.5～2.8 m/s，其中靖边燕敦山观测点各月平均风速均比靖边气象站高出约2.8 m/s，2005年9月至2006年1月平均风速接近5.0 m/s。目前，榆林电网规划的风电场主要在定边、靖边等地区，因此有必要对该地区风电接纳能力进行研究。图1所示为2010年榆林电网冬小方式潮流图。

图1 2010年榆林电网冬小方式潮流图

2010年榆林电网定、靖地区有望投产的风电包括鲁能风电48 MW、华能风电49.5 MW等。根据相关工程研究结果及榆林电网2010规划年装机情况，对榆林电网与关中电网电力流进行分析。2010年冬小方式北电南送，榆林与延安电力流约1 200 MW、接近330 kV线路热温极限，其热温水平受330 kV线路导线截面限制最大约1 400 MW，因此榆林—延安断面稳定水平主要取决于该断面热稳极限。在此功率下、2010年前考虑榆林电网与陕西主网联接的330 kV电网未断开运行、榆林—延安断面形成2回750 kV、2回330 kV线路，750 kV、330 kV电磁环网依然存在[7]。如此，当同杆双回750 kV线路跨线故障时，为保证系统稳定，在不发生切机的前提下，受热稳定限制，榆林电网最大接纳风电容量为200 MW，小于陕西全网接纳风电850 MW的极限值。

4 结论

1）对于整个电力系统中风电装机规模问题，很难有通用的准则，风电场接入电网将改变系统的潮流，并有可能影响系统的稳定性，必须针对具体接入电网的稳定特性，进行系统的、全面的稳定分析和计算，得出最终的结果。

2）研究提出的分析方法可为有关部门在制定风力发电发展规模时提供科学分析的手段，也可应用于电力系统规划和运行调度，研究所采取的思路可为陕西电网后续接纳大规模风电研究提供参考。

3）电力系统电源、网架建设及负荷预测对分析结果起着决定性作用，计算水平年陕西电网网架建设和电源建设进度都将会对分析结果产生一定影响，但研究提出的方法却具有适应性。工程应用中应尽可能根据电源、网架实际投产进度并提高负荷预测准确度，以期提高电网接纳风电规模的精确度。

4）风力发电是解决当代中国能源危机的一大重要途径。而风能的清洁价廉、内部损耗低的突出优点更确立了风电在我国发电产业中的战略地位。由于我国风电产业起步较晚、国内风资源分布的不均匀、平均风速小，以及风电的一些弊端，导致我国风电产业发展比较缓慢。在风电发展中，还有许多技术性的问题需要我们解决，其中不容忽视的就是电网对风电接纳能力的研究[8]。

[1] 陕西电力调度中心.2010年度陕西电网运行方式[R].2010.

[2] 吴俊玲,周双喜,孙建锋，等.并网风力发电场的最大注入功率分析[J].电网技术,2004,28(20):28-32.

[3] 西北电力设计院.陕西电网“十二五”电网规划设计[R].2009.

[4] 申洪,梁军,戴慧珠.基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限计算[J].电网技术,2006,26(8):8-11.

[5] 李冰寒,孙自安.陕西电网调峰能力分析[J].陕西电力,2008,36(5):30-32.

[6] 李付强,王彬,涂少良，等.京津唐电网风力发电并网调峰特性分析极限计算[J].电网技术,2009,33(18):128-132.

[7] 陕西省电力设计院.榆横电厂750kV送出工程[R].2008.

[8] 廖萍,李兴源.风电场穿透功率极限计算方法综述[J].电网技术,2008,32(10):50-53.