基于调峰约束的河北南网风电消纳能力研究

习 朋王 颖吴 鹏张飞飞

（1.国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050000；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021）

基于调峰约束的河北南网风电消纳能力研究

习 朋1王 颖1吴 鹏1张飞飞2

（1.国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050000；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021）

河北省南部电网以火电为主，在河北南网北部的保定地区、东部沿海的沧州地区，具有丰富的风能资源，近几年发展迅速。随着风电的大规模集中并网，电网调峰能力已成为制约风电消纳的主要因素。结合负荷特性、风电出力特性，本文分析了河北南网的调峰能力，提出了通过两个关键约束指标推导计算风电消纳能力的新方法，计算分析了河北南网风电消纳能力。对合理确定河北南网“十三五”风电发展规划提供了重要参考。

负荷特性；风电消纳；调峰能力；调峰需求

在新能源中，风力发电技术最为成熟，有明显的规模效益和广阔的应用前景。近几年来，世界各地风力发电的发展势头非常强劲，装机容量增加迅速。不同于常规的发电方式，风电功率具有随机性、间歇性、波动性等特点，很多时候表现出对电网不利的反调峰特性，电力系统的调峰压力增大。电力系统是否具有足够的调峰容量是大规模风电能否并网发电的关键。随着风电开发规模逐渐增大，特别在冬季，供热火电机组的供热、水电机组枯水、风电机组大发三个因素相互叠加，导致调峰变得困难重重，风电消纳受到严重影响和制约[1]。

河北南网装机以火电为主，雾霾问题是重要的环境问题。受大气污染防治影响，国家严格限制东中部地区火电建设项目的发展，除了热电联产机组外，河北南网燃煤发电项目已被严格限制发展，而风电、光伏等新能源的发展优化了电源结构。2015年，河北南网风电平均利用小时数约为2000h。

河北南网电源装机以火电为主，在火电机组中，供热机组所占比例较高，电网调峰困难问题日益突出。河北南部地区灌溉面积大，夏季炎热空调用电负荷增长迅速，峰谷差率大，网内机组调峰能力不足，而电网调峰能力不足则影响新能源消纳。

河北省风能、太阳能等资源丰富，近几年国家的一些优惠政策极大地促进了新能源的发展。在河北南网北部的保定地区、东部沿海的沧州地区，具有丰富的风能资源，近几年发展迅速。

目前，一些小型的风电场陆续被接入河北南部电网，但是河北南网的风电消纳能力尚未被深入研究。研究“十三五”期间及将来河北南网风电的消纳能力，对风电的的合理有序发展具有重要意义。

1 河北南网负荷特性分析

河北南网电网负荷具有明显的季节性特征，受到农业灌溉、空调制冷、冬季采暖等季节影响明显，全年负荷呈现“三峰三谷”的特点，即春灌、度夏和度冬3个用电高峰与春节、春末夏初、秋季3个负荷低谷。河北南网近些年最大负荷均出现在夏季。河北南网2016年预测年负荷曲线如图1所示。

图1 河北南网2016年预测年负荷曲线图

影响河北南网典型日负荷曲线的主要因素包括：灌溉负荷、夏季降温负荷和冬季采暖负荷的增长趋势、出现时间。图2所示为2016年春、夏、冬季典型日预测负荷曲线。

图2 2016年春、夏、冬季典型日预测负荷曲线图

图3所示选取了河北南网2015年连续3天的风电出力曲线。可以看出，风电出力具有随机性、波动性的特点，风电场反调峰概率较高、幅度较大，且没有明显的季节特征。风电出力的这些特性，对电网的运行产生了不利的影响。

2 调峰能力约束

电力系统的调峰是指按照一定的安全和经济调度原则、调整发电机组出力、以满足负荷变化需要的有功功率调整过程，在电网运行过程中具有重要作用，属于电力平衡问题[2]。机组类型不同、机组装机不同，机组的调峰容量也各不相同，系统调峰容量是指运行中的机组可灵活调节的容量之和[3]。

图3 河北南网连续几日风电出力曲线

风电并网系统的调峰能力取决于系统中可调机组的系统负荷规律、功率调节特性、风电波动特性；风电功率具有明显的反调峰特性，在负荷低谷时段，系统的向下调峰能力是限制风电大规模并网的重要瓶颈之一[4-5]。

系统的功率平衡是风电接入电网时首要考虑的因素，是电网稳定运行的前提，在将风电接入电网后，电网会承担一部分负荷，这时火电机组就需要相应地减小出力，以确保系统功率仍然保持平衡。

2.1 火电机组调峰

火电机组的调峰方式包括起停方式、调荷方式。起停调峰方式比较适合单机容量 100MW及以下容量的机组；而大容量机组的起停周期长且成本比较高，不宜频繁起动，应尽量避免采用起停方式调峰。河北南网火电机组在负荷低谷时，压出力运行，较少采用起停方式。常规火电机组在额定出力或接近额定出力时经济性好，风电大规模并网后系统调峰压力大时，一般以牺牲常规机组的经济性为代价，以热备用的形式参与调峰。

近年来，河北大力发展热电联产机组，提高能源的利用效率。河北南网煤电装机占总装机的80%以上，其中供热机组约占50%。而北方冬季供热机组在供暖期（当年11月至次年3月）昼夜都必须处在运行状态，以满足居民供热需求。供热机组运行遵循“以热定电”的原则，其调峰能力会受到一定程度的制约，冬季负荷小，将导致风电出力受到限制。在冬季大风月，由于供热机组的出力已经基本满足了负荷的需要，从而导致弃风现象的发生[6]。表1所示为各类型机组最小出力及调峰能力。

表1 各类型机组最小出力及调峰能力

2.2 跨省区联络线调峰

虽然河北南网外来电比例较大，但联络线功率调节不够灵活（通过联络线功率调峰能力有限），调峰主要通过河北南网内部电源实现。在度夏、度冬大负荷期间，河北南网有的年份出现“硬缺电”局面，需依靠增加外购电力来保障电力供应。

2.3 风电调峰

根据风电对系统等效负荷峰谷差改变效果的不同，可将风电输出功率对系统调峰影响分为反调峰、正调峰和过调峰3种情况。根据相关的资料统计分析表明，风电具有明显的反调峰特性，即风电出力增减趋势程度与系统负荷变化趋势相反，风电接入后使系统的等效负荷曲线峰谷差变大。

对于电力系统调峰来说，最严重的情况是，负荷高峰时风电机组出力为零，负荷低谷火电机组出力接近其最小技术出力，下调备用容量较小，这时，如果风电机组出力突然增加较大，火电机组将无法弥补由此导致的功率缺额。风电机组不仅不能够参与调峰，反而增大了电网调峰的难度，使对其他机组的调峰要求进一步提高。

3 风电消纳能力计算新方法

风电场应考虑它对调峰的反调节，最为严重的反调节工况显然就是风电场的额定容量[7]。

系统的调峰能力是影响风电消纳的最主要因素，电网的调峰能力由电网内不同类型电源构成及不同电源调峰能力、网外受电的调峰能力综合决定。研究风电消纳问题，首先需要分析电网负荷特性、风电的出力特性、网内不同类型的装机及调峰能力。

风电功率具有汇集效应，风电功率的最大值小于风电装机容量，计算出的风电接纳功率只是可以接纳的风电功率的最大值，并不等于风电可以接纳的风电装机容量。考虑到风电功率的汇聚效应后，电网可以接纳的风电装机容量将会增加。取风电装机容量率为0.75，则可算出可消纳的风电装机容量。

定义某日的高峰负荷为PLmax，低谷负荷为峰谷差为Pfg，峰谷差率为α，联络线输送功率为Pline，联络线的调峰系数为θ，系统的调峰能力为aP，系统的调峰需求为dP，系统运行机组的最大开机容量PGmax，系统运行机组的最小开机容量为PGmin，系统的旋转备用率为γ，风电装机容量为风电的汇集系数为δ。

考虑风电装机后，为了应对低谷负荷时刻风电机组出力由零出力增加至满发时刻的情况，系统开机机组的最小出力应控制为

在将风电接入电网后，应满足以下两个约束条件。

1）考虑风电后系统运行机组的最小技术出力应不大于系统低谷负荷，即

2）系统的调峰能力应不小于系统的调峰需求，即

将相关计算式代入，可得

由式（3）得

由式（4）得

综上，系统可接纳的最大风电装机容量为

4 河北南网风电消纳能力

4.1 不考虑联络线调峰时冬季风电消纳

冬季负荷小，供热机组调峰能力受限，电网可接纳的风电能力小。当不考虑河北南网区外受电联络线的调峰能力，只考虑网内火电机组调峰能力时，根据以上方法，可计算出的河北南网“十三五”期间的冬季风电消纳能力，见表2。

表2 河北南网冬季风电消纳能力（单位：MW）

风电消纳能力为负值，说明当年的冬季最大负荷日不能消纳风电。

4.2 联络线调峰对风电消纳能力的影响

若联络线的调峰能力从0～100%变化，则风电的消纳能力见表 3。随着联络线调峰能力的增加，电网的风电消纳能力也随之增加。

表3 联络线不同调峰能力时风电消纳能力（单位：MW）

4.3 不同季节的风电消纳能力

河北南网电网低谷时段的负荷为基础负荷，差别不大。冬季由于热电机组只能“以热定电”，调峰能力受限，影响了风电的消纳。春季、秋季、夏季热电机组的调峰能力不受限制，调峰能力变大，有利于风电的消纳。联络线的调峰率取为 0。由于春季、秋季负荷特性相同，所以只计算春季。火电机组大修都安排在春季、秋季，计算秋季风电消纳能力时考虑了检修机组停机3000MW。不同季节的风电的消纳能力见表4。

表4 “三峰三谷”时的风电消纳能力（单位：MW）

5 结论

近几年来，河北南网风电装机增长迅速。河北南网是典型的受端电网，装机以火电为主，外受电比例越来越大。本文提出了通过两个关键约束指标计算风电消纳能力的方法，方法简便有效。根据河北南网的电源装机、负荷特性、区外受电等特性，本文计算了河北南网“十三五”期间各年不同季节的风电消纳能力，这对合理确定风电发展规划具有重要意义。

[1]刘德伟,黄越辉,王伟胜,等.考虑调峰和电网输送约束的省级系统风电消纳能力分析[J].电力系统自动化,2011,35(22): 77-81.

[2]赵冰.以调峰能力为约束的辽宁电网风电接纳能力研究[J].电力系统自动化,2003,7(8): 84-89.

[3]曹昉,张粒子.满足调峰约束的可接纳风电容量计算[J].现代电力,2013,30(4): 7-12.

[4]杨冬锋,周苏荃,鲍锋.风电并网系统低谷时段的调峰能力分析[J].电网技术,2014,38(6): 1446-1451.

[5]姚金雄,张世强.基于调峰能力分析的电网风电接纳能力研究[J].电网与清洁能源,2010,26(7): 25-28.

[6]冯任卿,张智远,王亮,等.电网调峰能力对风电消纳能力的影响分析[J].河北电力技术,2014,33(6): 1-3,19.

[7]谭永才.电力系统规划设计技术[M].北京: 中国电力出版社,2012.

Analysis on Capacity of Wind Power Integration into Southern Power Grid of Hebei Province based on Peak Load Regulation

Xi Peng1Wang Ying1Wu Peng1Zhang Feifei2
(1.State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050000; 2.State Grid Hebei Economic Power Company,Shijiazhuang 050021)

Thermal power is the main energy of southern power grid in Hebei province.It has abundant wind power energy in Baoding and Cangzhou,it develop rapidly in recent years.With the increasing of wind power installed capacity,peak load regulation have become main restrictions for accommodation of wind power.Based on load characteristics and wind power characteristics,the paper studies the ability of peak load regulation,a new method to calculate capacity of wind power using two key constraint index was proposed.The paper calculate the capacity of wind power in Hebei province,it provides an important reference for determining the wind power plan of “thirteen five” period in Hebei south power grid.

load characteristics; wind power integration capacity; ability of peak load regulation; peak regulation demand

习 朋（1985-），男，工程师，主要从事电网规划、分布式发电与微网新技术、电力系统分析运行与控制相关技术的研究工作。