陕西电网调峰能力及可接纳新能源能力研究

赵　娟，王　雷，吴　磊

(西北电力设计院有限公司系统规划部，陕西西安710075)

陕西电网调峰能力及可接纳新能源能力研究

赵娟，王雷，吴磊

(西北电力设计院有限公司系统规划部，陕西西安710075)

摘要：首先在总结陕西电网负荷特性、风电和光伏出力特性基础上，通过研究陕西电网后夜、中午时段调峰能力，采用两种原则确定可接纳的风电、光伏装机规模。进一步将历史风电、光伏全年8 760 h特性与负荷8 760 h特性相结合，对2020年陕西新能源装机容量下电网接纳新能源电量、新能源弃电量进行计算，全面反映水平年风电、光伏消纳情况。结果表明，陕西电网基本可接纳风电、光伏各500万kW规划装机容量。利用该方法，对陕西电网与周边电网联络调峰能力及弃电量进行敏感性分析，表明联络线冬、夏季应采用不同的调峰运行方式。

关键词：风电；光伏；调峰能力；接纳规模；新能源弃电量

中图分类号:TM71

文献标识码:��码: A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.005

收稿日期：2015-06-25。

作者简介：赵娟(1978-)，女，高级工程师，从事电力系统规划设计工作，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

陕西电网位于西北电网最东部，与西北主网以四回750 kV和四回330 kV线路联络。陕西电网是一个水火并济以火电为主的电网，火电主要分布在关中，水电主要分布在陕南。截至2014年底，陕西电网装机容量29 260 MW，其中水电2 900 MW、火电24 480 MW、风电1 360 MW、光伏520MW，水电、火电、风电、光伏所占比例分别为9.9 %、83.7 %、4.6 %、1.8 %。2014年陕西全省最高发电负荷达到21 810 MW，统调口径最大发电负荷17 128 MW。电网负荷峰谷差呈逐年增加趋势，统调负荷日最大峰谷差从2011年的4 966 MW增加至2014年的5 792 MW[1]。随着2020年陕西风电、光伏总装机达到1 000万kW以上目标的确定，电网调峰将面临更大压力。研究电网调峰能力，确定电网可接纳新能源装机能力、评估电网可接纳新能源电量及弃电量，可为编制新能源装机规划、制定新能源装机开发时序和电网规划方案提供重要参考[2,3]。

1电网负荷

1.1　负荷特性分析

本文研究分析了陕西电网历史近十年的负荷[4]，得出陕西电网年、日负荷特性分别如表1、表2所示。

表1　电网年负荷特性

表2　电网日负荷特性

从年负荷特性来看，陕西电网年负荷表现为冬季、夏季两个高峰，年最大负荷一般出现在12月，夏季高峰出现在7～8月。夏季月份小负荷日最大负荷为月最大负荷的0.82，冬季月份小负荷日最大负荷约为月最大负荷的0.88。

从日负荷特性来看，一天之中负荷呈现两个高峰，即早高峰和晚高峰，以晚高峰负荷最大，出现在19～21点；低谷负荷在4～5点，夏季日最小负荷率为0.636，冬季日最小负荷率为0.656。

1.2　2020年电网负荷预测

预计2020年陕西电网全口径最高发电负荷为35 870 MW。根据以上负荷特性分析结果，2020年陕西电网各月大小负荷日情况下的大小负荷时刻具体负荷如表3所示。

表3　2020年电网负荷

2新能源出力特性

2.1　风电出力特性

陕西风电装机90 %以上位于陕北，以陕北风电实际出力数据分析结果代表陕西风电出力特性。陕西累积电量、累积频率特性见表4、表5。

表4　风电出力-累积频率特性

表5　风电出力-累积电量特性

可以看到，风电出力系数0.65以下的累积电量可以达到全部电量的99 %。风电出力系数0.65以下的累积频率可以达到95 %以上。本次陕西风电有效容量系数选取0.65。

2.2　光伏出力特性

陕西光伏装机90 %以上位于陕北，以陕北光伏实际出力数据分析结果代表陕西光伏出力特性，具体见图1。光伏每天出力时间集中在6点到19点，冬季出力时间短，夏季出力时间长，最大出力时间为中午13点左右，出力形状类似正弦半波。陕西光伏最大出力系数约为0.83。

图1　陕西光伏电站日出力特性

3调峰能力及可接纳新能源装机能力分析

3.1　调峰平衡计算原则

(1)计算水平年选择2020年，仅分析陕西电网自身调峰能力(暂不考虑直流外送调峰、陕甘联络线调峰)。

(2)选择冬季大负荷日、冬季小负荷日、夏季大负荷日、夏季小负荷日四种方式，对后夜峰谷差、13点光伏最大出力时刻调峰能力进行计算。

(3)负荷备用容量为最大发电负荷的3 %、事故备用容量为最大发电负荷的5 %。

(4)水电机组按照实际水文特性参与调峰。抽蓄机组充分发挥削峰、填谷作用[5,6]。

(5)热电机组供热期最大出力80 %，不参与调峰，非供热期参与调峰。

(6)单机容量300 MW及以上火电机组，最小技术出力率为50 %；单机容量300 MW以下火电机组，最小技术出力率为70 %。不考虑火电机组启停调峰。

3.2　调峰能力及可接纳新能源装机容量分析

对2020年逐月大、小负荷日陕西电网调峰能力进行计算，结果表明夏季9～10月份调峰盈余较少，冬季2～3月份调峰盈余较少，冬季由于热电机组不参与调峰，电网调峰能力明显小于夏季。陕西电网调峰能力及可接纳新能源装机具体见表6。

表6　电网自身调峰能力

陕西电网盈余调峰能力可用来接纳新能源装机。按照以下两种方式考虑：

(1)按照后夜调峰能力接纳风电装机[7]基础上，进一步考虑13点时刻接纳光伏。

陕西电网后夜调峰能力盈余560～4 140 MW，按照风电有效容量系数0.65考虑，陕西电网可接纳风电装机容量860～6 370 MW，其中冬季可接纳860～1 770 MW，夏季可接纳3 090～6 370 MW。

陕西电网13点时刻调峰能力盈余6 260～11 610 MW，在接纳风电基础上，光伏最大出力系数按0.83考虑，陕西电网可接纳光伏装机容量6 870～9 000 MW，其中冬季可接纳6870～7 770 MW，夏季可接纳7 370～9 000 MW。

风电、光伏合计可接纳总装机约7 730～15 370 MW，其中冬季可接纳7 730～9 540 MW、夏季可接纳10 460～15 370 MW。

(2)结合陕西风、光资源情况[8]，按照风电、光伏装机比例1∶1考虑接纳新能源装机。

陕西电网风电、光伏装机比例为1∶1时，新能源总体最大出力系数为0.74。陕西电网13点时刻调峰能力盈余6 260～11 610 MW，则可接纳风电、光伏总装机容量8 460～15 690 MW，其中冬季可接纳8 460～10 270 MW，而夏季可接纳10 990～15 690 MW。

4电网接纳新能源电量分析

4.1　新能源装机预测

2020年陕西新能源装机考虑基本方案和高方案两个水平。基本方案预计风电装机达到5 990 MW、光伏装机达到4 890 MW，基本实现陕西风电、光伏规划装机两个500万kW目标。高方案预计陕西风电、光伏规划装机均达到7 000 MW目标。

4.2　接纳新能源电量分析

按照2020年新能源装机基本方案，结合陕西负荷特性和风电、光伏出力特性，计算陕西电网可接纳新能源电量及弃电量[9]。首先以历史风电、光伏全年8 760 h标幺值，分别乘以规划风电、光伏装机，得到水平年实际新能源出力曲线。采用同样方法得到水平年8 760 h负荷曲线。将调峰计算得到的水电(含抽水蓄能电站)、火电(含热电)机组运行出力，和负荷、新能源出力叠加，不满足各时刻调峰需求的新能源出力即为新能源弃电。陕西电网接纳规划新能源后调峰盈亏主要结论如表7所示。

表7　电网接纳新能源后调峰盈亏

夏季13点时刻电网调峰盈余超过8 130 MW，光伏、风电合计最大出力7 950 MW，即此时陕西电网可以全额接纳规划的新能源装机。夏季后夜陕西电网调峰盈余4 140～2 010 MW，此时考虑风电满出力3890 MW后，调峰盈亏250～ -1 880 MW，即夏季小负荷日后夜存在2 900 MW风电装机难以消纳，对应的弃风电量很小，约0.13亿kW·h。

冬季13点时刻陕西电网调峰盈余6 260 MW，此时如果光伏、风电都同时大发，合计出力7 950 MW，则调峰缺额1 690 MW，陕西电网难以全额接纳规划的新能源装机，存在弃新能源情况。实际光伏、风电同时大发的情况发生的概率极低。冬季后夜陕西电网调峰盈余1 150～560 MW，此时考虑风电满出力3 890 MW后，调峰缺额为2 740～3 330 MW，相应的风电装机为4 215～5 123 MW，即冬季后夜存在大量的风电装机难以消纳。冬季陕西电网相应新能源弃电量达到5.82亿kW·h。

陕西电网全年新能源弃电量约5.95亿kW·h，占风电、光伏总发电量172亿kW·h的3.5 %，该比例较小，可以认为，陕西电网调峰能力满足规划的新能源装机需求。相应，陕西电网全年可消纳新能源电量166亿kW·h，占新能源总发电量的96.5 %。

按照2020年新能源装机高方案进行计算，结果表明，陕西电网全年新能源弃电量约11.62亿kW·h，占风电、光伏总发电量217亿kW·h的5.4 %，较基本装机方案新能源弃电量比例增加1.9 %。相应，陕西电网全年可消纳新能源电量205.38亿kW·h，占新能源总发电量的94.6 %。

4.3　调峰敏感性分析

陕西电网作为西北电网重要外送出口，电网运行方式受西北主网、灵宝直流、德宝直流电力交换影响较大，直接影响到陕西电网调峰能力。以下考虑两种方式对陕西电网调峰进行敏感性分析。

送电方式一考虑西北主网给陕西电网调峰，德宝直流冬季四川给陕西调峰、夏季陕西给四川调峰[10]，灵宝直流考虑平送。具体见表8。

表8　电网与外区电力交换方式一

按照该送电方式计算，调峰结论见表9。陕西电网夏季调峰能力稍有降低，冬季调峰能力明显增强，夏季降低约500 MW、冬季提高约2 750 MW，全年新能源弃电量由5.95亿kW·h降为0.7亿kW·h，占新能源总发电量比例由3.5 %降至0.4 %，可以看到陕西电网冬季调峰能力增强对减少新能源弃电量效果明显，这与陕西风电冬季电量明显较夏季电量高的出力特性相关。

表9　方式一调峰结论

送电方式二考虑西北主网、灵宝直流、德宝直流均平送。具体见表10。

表10　电网与外区电力交换方式二

按照该送电方式计算，调峰结论见表11。陕西电网夏季调峰缺额在1 420～3 510 MW、冬季缺额在1 860～2 480 MW，全年新能源弃电量由5.95亿kW·h降为2.6亿kW·h，占新能源总发电量比例由3.5 %降至1.5 %。

表11　方式二调峰结论

综合以上分析，建议陕西与周边送电通道运行方式，冬季外网宜给陕西电网调峰，或者平稳送出；夏季宜平稳受入，或者陕西向外网提供少量调峰。

5结论

(1)对于电力系统风电、光伏装机规模问题，很难有通用的准则，必须结合电网调峰能力、电网接纳新能源发电量两方面来确定。

(2)文中在详细分析风电、光伏全年8 760 h发电出力的基础上，从系统调峰角度研究了电网可接纳新能源装机规模，分析了电网可接纳新能源电量。提出的分析方法可为有关部门制定风电、光伏发展规划提供科学分析的手段，为陕西电网后续大规模发展新能源提供参考。

(3)通过对陕西电网2020年可接纳新能源装机容量及电量两方面计算，全面反映水平年风电、光伏消纳情况。结果表明，2020年陕西电网基本可接纳风电、光伏各500万kW装机容量，陕西电网全年新能源弃电量约占风电、光伏总发电量的3.5 %，该比例较小。

(4)通过对陕西电网与周边电网联络调峰能力及弃电量进行敏感性分析，对联络运行方式提出建议。建议充分发挥陕西与周边电网联络线调峰能力，冬季外网宜给陕西电网调峰，夏季陕西电网可向外网提供一定调峰。

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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)