基于电力平衡的区域电网风电接纳能力研究

李永刚，韩 凉

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003)

目前，风力发电技术已经成为一种较为成熟的可再生能源［1－2］发电技术，系统的调峰约束［3］和风电出力的准确预测［4］成为影响区域电网风电接纳能力的主要因素。由于大规模风电接入后风电出力的互补性，系统调频使系统调峰面临巨大压力［5］，造成了电网的调峰能力不足［6］。因此，本文提出了基于电力平衡的区域电网风电接纳能力评估体系和风电接纳能力评估方法，并以辽宁电网为例，分析了电网电源与负荷特性及负荷低谷时刻风电接纳能力，为合理地规划区域电网风电装机容量和电力系统动态经济调度策略提供了技术支持［7－8］。

1 风电接纳能力评估体系

1.1 风电接纳能力评估指标

由于风电接纳能力并不由风电特性指标和电网特性指标直接决定，而是由二者相互影响制约，并通过大电网协调运作而间接决定，因此，风电接纳能力评估指标主要从电网特性指标和风电特性指标两方面予以说明。电网特性指标主要分为硬件指标和管理指标，具体包括电源特性、负荷特性、网架结构特性、系统安全可靠性等。风电特性指标分为资源特性和技术特性两方面，具体包括风电同时率、风功率变化率、风电调峰特性、风功率预测、可信容量、风电弃风电量和风能利用率等。电网风电接纳能力评估指标体系层次结构如图1所示。

图1 风电接纳能力评估指标体系的层次结构Fig.1 Hierarchical structure of wind power capacity evaluation index system

1.2 风电接纳能力评估方法

负荷低谷时段的风电接纳能力决定了电网的总体接纳能力。所以分析接纳能力主要分析低谷时段负荷、电源情况。开机方式应根据系统的可靠性要求来保证负荷高峰时刻电网有充足的备用，冬季供暖期应考虑供热机组在供暖期与非供暖期的调峰率差额，充分考虑火电机组检修、供暖、风电发电季节性和火电机组全年发电计划，并计及联络线功率支援情况。

综上所述，考虑风电同时率和电网联络线调节率后，基于电力平衡的区域电网风电接纳能力［9－10］评估流程如图2所示。

区域电网内部机组出力最大值 Pgmax与最小值Pgmin:

式中:Pgmax和PLmin分别为高峰负荷和低谷负荷;Ptie为电网联络线计划功率;λ1为联络线功率调节率;Ppu为抽水蓄能机组容量。

负荷高峰和低谷时段参与调峰机组的实际出力值:

式中:Prmax和Prmin分别为负荷高峰和低谷时段参与调峰机组的实际出力;Pcon为不可调度出力;Pth为供热机组容量;λ2为供热机组的调峰率。

参与调峰机组最大开机容量Pcmax和最小技术出力Pcmin:

式中:Pre为系统备用容量;γ为调峰机组的调峰率。电网可接纳风电出力Pw:

式中:β为区域电网风电同时率。

2 辽宁电网电源及负荷特性分析

图2 基于电力平衡的风电接纳能力评估流程Fig.2 Assessment process based on the power balance acceptance of wind power capacity

近年来，辽宁电源装机增长较快，年均增长12.3%，全社会最大负荷年均增长率为7.5%，负荷增速远远小于电源装机增速。自2007年以来，全省电源结构与负荷情况如表1所示。

表1 辽宁电源及负荷发展情况Tab.1 Power source and load development in Liaoning

从表1可以看到，辽宁电网风电发展迅速，风电已经成为省内第二大电源［11］;全网电源结构以煤电为主，冬季供暖需求较大，故供热机组占据了比较高的比例。供热机组比例仍逐年增加，到目前为止，直调供热机组占直调火电装机的60%，加上风电及红沿河核电等新能源的陆续投入，辽宁电网调峰压力巨大［12］。2012年月负荷峰谷差如图 3所示。

图3 2012年负荷每月最大峰谷差Fig.3 Monthly maximum difference between peak and valley load in 2012

由图3分析可知，负荷峰谷差较大是集中在夏季和冬季，这与风电出力分布存在一定的矛盾，造成了风电的反调峰特性。

辽宁电网负荷增速放缓，电源增速较高，峰谷差不断增大。除风电快速增长外，供热机组容量不断扩大，由2010年的44.95%增长到2012年的60.4%，供热机组供暖期调峰范围在20% ～32%，全网机组调峰率在35%左右，非供暖期全网机组调峰范围在40%左右，大风期与供暖期处同一时期。因此，火电机组调峰能力不足成为影响辽宁电网风电接纳能力的主要因素。2012年冬季辽宁电网省间联络线功率日曲线如图4所示。

图4 2012年冬季典型日省间联络线功率曲线Fig．4 Link line power curve of typical day inter provincial in winter 2012

3 辽宁电网风电接纳能力与措施

3.1 辽宁电网风电接纳能力分析

根据辽宁电网2012年全年负荷数据，按照峰谷差基本分布区间，即春季、夏季、秋季、冬季4种典型日峰谷差情况核定开机方式。开机原则:负荷峰值时刻，电源必须保证足够的旋转备用容量;负荷低谷时刻，火电机组减至技术最小出力，水电机组根据发电具体情况考虑参与调峰与否。以冬季典型日为例，2012年10月1日至12月31日期间日平均负荷曲线如图5所示。

图5 辽宁电网冬季日平均负荷Fig．5 Winter average load in Liaoning power grid

由图5可以看出，开机容量为22 129 MW，联络线功率9600 MW，根据2012年风电数据，12月24日最大负荷需求为23 581 MW，最小负荷需求18 050 MW，λ1为0.7，λ2为 0.78，γ 为 0.4，备用容量取764 MW。通过分析计算，Pgmax为13 981 MW，Pgmin为11 330 MW，Prmax和 Prmin分别为 12 871 MW，10 220 MW。按同时率0.7计算风电接纳容量为2914 MW，2012年辽宁电网风电装机容量为4756 MW。依据2012年辽宁电网负荷以及风电出力数据，运用本文所提出的风电接纳能力评估方法计算辽宁电网各月弃风电量、弃风比与发电利用小时数，如表2所示。

表2 2012年各月风电发电量及弃风电量Tab.2 Wind power generating capacity and Abandon wind power of each month in 2012

3.2 提高风电接纳能力措施

为应对大规模风电并网造成弃风情况，应采取如下具体措施。

1)合理规划风电装机容量;加强电网运行管理制度，制定详细火电机组定期轮换与调度计划。

2)提高风电并网技术和并网服务水平，进一步完善管理和审批程序;加强需求侧负荷管理，积极争取联络线调峰政策。

3)推动风光储抽协调发展，提高电网综合调峰能力及风电消纳能力。

4)利用不同电网负荷、电源结构互补性，实现辽宁与“三华”电网跨区联网，扩大风电消纳区域，开展风电跨区输送。

4 结语

在考虑风电同时率、系统备用容量和联络线计划的情况下，通过对辽宁电网的负荷特性和电源结构特性的全面分析，应用本文所提出的风电接纳评估体系和评估方法，得到了2012年辽宁电网全年风电接纳能力与弃风电量比，也验证了该评估方法的有效性和实用性。

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