供需侧调峰方式对电力系统能效影响研究

田娜

(国网天津市电力公司 滨海供电分公司,天津 300450)

0 引言

电力改革是我国政府应对气候变化与能源问题所采取的重要举措。将可再生能源(风能、光能、水能)引入电力系统实现多类型的能源互补，高效利用可再生能源，降低一次能源(煤炭)的消耗是电力改革的核心[1]。由于我国目前仍以煤炭发电为主，在短期内不会改变电力供应的格局，并且在技术层面受可再生能源自身条件的约束，无法满足直接应用的电力需求，为此传统能源与可再生能源相结合的电力功能模式是当前能源综合应用的重点方向[2]。其中，传统能源与可再生能源联合调峰是促进能源合理利用、电力系统节能减排的关键。

1 供应侧调峰方式及容量优化对系统调峰能耗的影响

随着我国电力改革的不断深化，我国可再生能源的开发进入了快速发展时期，但是收可再生能源开发条件的影响，导致能源远离负荷中心，就地消纳存在困难，并且能源具有较强的间歇性、误差性和反调峰特性，系统调度安排较为困难[3]。为此，将可再生能源发电引入现有发电机组需要对供应测调峰方式及机容量优化进行研究，其对于节能潜力的挖掘和可再生能源的吸纳具有非常重要的研究价值。

1.1 联合发电机组运行分析模型

各类可再生能源应用于电力系统均有一定的自身特性，如：风能具有随机性、波动性、间歇性，光能具有波动性、不确定性，水能具有不均衡性。为了保证电力供应的稳定性的，可再生能源的应用性需要辅助调峰机组参与来降低其对电力系统的冲击。当调峰机组参与调峰时势必会对发电能效造成影响，所以需要制定一定的补偿机制。构建可再生能源与传统能源发电系统联合运行分析模型，设在供应测增加z台风电机组和l个光伏电站，其均具有反调峰的特征，设置系统功率约束条件和系统备用容量条件，系统功率约束为式(1)[4]。

(1)

t=1,2,…,h

其中，PTh,it为第i台煤电机组在t时刻的负荷，PH,jt为第j台水电机组在t时刻的负荷，PW,ft为第f台风电机组在t时刻的负荷，PV,gt为第g台光伏电站在t时刻的负荷。

系统备用容量为式(2)。

(2)

t=1,2,…,h

其中，RTh,it为第i台煤电机组在t时刻提供的备用容量，RH,jt为第j台水电机组在t时刻提供的备用容量，L为煤电和水电波动备用系数，kW为风电波动系数，kV为光电波动系数。

构建可再生能源与传统能源发电系统联合运行分析模型，以电力系统消耗燃煤量最小为优化目标，构建目标函数表达为式(3)。

(3)

其中，ai、bi、ci为系统机组i的燃煤消耗量与功率P之间的关系系数。

当总负荷PDt一定时，联合机组可再生能源机组出力增加，煤电机组出力减少。因为风能和光能间歇性特征，在其利用增加时，考虑系统调峰备用容量的分配，同时还要考虑水电机组调峰容量与煤电机组启停煤耗及负均衡性等的影响，燃煤量的减少量是可再生能源发电的替代收益。

1.2 某区域电力系统调峰方式及容量优化综合分析

以某区域电力系统为分析对象，该机组构成如表1所示[5]。

表1 机组构成

光伏发电单日出力与负荷的变化规律保持一致，风力发电白天时段高峰负荷出力不足，而夜晚时段低谷负荷出力丰富。该区域电力系统某日负荷曲线如图1所示。

设定两种调峰方案，即：

(1) 不包括供热机组，供热机组按凝气式机组分析；

(2) 所有机组为非供热机组，按凝气式机组调峰优化[6]；

图1 日负荷曲线

方案(1)与方案(2)比较，煤电机组供电煤耗率变化曲线如图2所示：

方案(1)

方案(2)

当可再生能源接入电力系统后，煤电机组能耗减少，系统备用能耗增加，电网热效率降低，煤耗率增高。方案(1)每台煤电机组都平均分配发电计划，可再生能源比例增加会使煤电负荷率下降，电网热效率降低，煤耗率增高。方案(2)实施煤电机组两班制调峰优化，通过调整机组出力满足可再能源发电并网运行，电网热效率高于方案(1)，煤耗率低于方案(1)。

2 需求侧调峰优化对系统能效的影响分析

2.1 需求侧分析

在需求侧的管理中，通过激励用户改变用电方式和行为促进可再生能源的利用效率。在进行优化时对负荷需求的时间与水平，“削峰填谷”优化负荷分配，改变用户负荷需求时间分布[7]，提升夜间的负荷需求，改善可再生能源电能的反调峰特性，提升可再生能源替代率，根据可再生能源与传统能源发电系统联合运行分析模型，在政府干预和市场引导的下，通过发电厂并网运行管理规定《关于促进电力调度公开、公平、公正的暂行办法》[8]综合分析需求侧优化对系统能效的影响，提升电力系统尖峰负荷时的可再生能源利用率，提升可再生能源发电量。

2.2 某区域电力系统需求侧优化对系统能效影响分析

同样以某区域电力系统需求侧负荷时间与水平优化为研究对象，其机组构成如表1所示，日负荷曲线如图2所示，将供应测方案(1)作为基本形式进行分析，根据可再生能源与传统能源发电系统联合运行分析模型，煤电尖峰负荷削减对系统能耗影响和煤电低谷负荷提高对系统能耗影响如表2、表3所示。

表2 尖峰负荷削减对系统能耗影响

表3 低谷负荷提高对系统能耗影响

用户接入可再生能源发电，会减少对燃煤发电的需求，降低电力系统的能耗，随着尖峰负荷削减系统煤耗率降低，燃煤机组的煤耗率增高，当低谷负荷提高系统煤耗率升高，燃煤机组的煤耗率降低。

3 供需联合调峰优化分析

3.1 供需联合调峰优化方案

此次研究利用方案(2)实施煤电机组两班制调峰优化与需求侧可中断负荷变化优化联合运行。随着可再生能源发电并网比例不断的增加，供应侧系统煤耗率与煤电机组煤耗率降低，需求侧可中断负荷调整幅度增大，系统煤耗率随着可再生能源发电并网比例的增加而下降，而煤电机组煤耗率则增高。

3.2 某区域电力系统供需联合调峰优化对系统能效影响分析

同样以某区电力系统为研究对象，其机组构成如表1所示，日负荷曲线如图2所示。供应测优化与可中断负荷变化影响下的系统能耗变化曲线如图3所示：

图3 供应测优化与可中断负荷变化影响下的系统能耗变化曲线

与单独供应测优化和单独需求侧优化相比，供需联合调峰优化煤耗率的变化曲线有相类似的变化规律，在能效提升与吸纳潜力方面，联合调峰优化要优于单独的供应测侧优化和需求侧优化。

4 总结

本文分析了可再生能源供电与传统煤炭能源供电协同的供应测电力系统能效优化方案和改变系统负荷需求的需求侧电力系统优化方案。并进一步探讨了供需联合调峰的优化，证明了将两班制调峰优化与需求侧可中断负荷变化优化联合运行，供需联合调峰的优化与单独供应测优化和单独需求侧优化相比，供需联合调峰优化煤耗率的变化曲线有相类似的变化规律，但在能效提升与吸纳潜力方面略有优势。