秦梁棟,李洪濤,師立濤,馮任卿,宋 靜

(1.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031；3.國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050071)

河北省南部電網(wǎng)“十三五”調(diào)峰能力研究

秦梁棟1,李洪濤1,師立濤2,馮任卿2,宋 靜3

(1.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031；3.國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050071)

介紹電網(wǎng)負(fù)荷特性、電源結(jié)構(gòu)及調(diào)峰能力，針對河北省南部電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差大、供熱機(jī)組占比高的情況，在對不同季節(jié)負(fù)荷水平、開機(jī)方式、風(fēng)電、光伏出力特性研究的基礎(chǔ)上，提出了一種時(shí)間概率條件下的電網(wǎng)調(diào)峰能力測算方法。

調(diào)峰能力；負(fù)荷特性；出力特性；風(fēng)電接納能力

我國《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃(2014-2020年)》指出，到2020年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%，到2030年非化石能源占比達(dá)到20%。該文以河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)調(diào)峰能力為研究對象，針對“十三五”期間河北南網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，在重點(diǎn)分析負(fù)荷水平、風(fēng)電、光伏出力特性基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)調(diào)峰能力進(jìn)行測算，研究得出了風(fēng)電可接納裝機(jī)空間，為河北省南部地區(qū)新能源及電網(wǎng)規(guī)劃提供了依據(jù)。

1 負(fù)荷特性

河北南網(wǎng)2015年，統(tǒng)調(diào)最大負(fù)荷31 945 MW(7月13日)，同比增長5.56%；平均最大負(fù)荷23 295 MW，同比增長0.24%；最小負(fù)荷9 632 MW(出現(xiàn)在9月3日)，同比下降8.46%；平均最小負(fù)荷15 074 MW，同比增長4.0%；平均負(fù)荷率82.33%，比同期升高0.6%。

2015年，最大峰谷差12 257 MW(出現(xiàn)在7月27日)，最大峰谷差率42.85%，平均峰谷差8 252 MW，平均峰谷差率35.34%。年負(fù)荷特性見圖1,春、夏、冬、春節(jié)典型日負(fù)荷曲線見圖2，可以看出，日負(fù)荷曲線在一天內(nèi)出現(xiàn)早高峰、晚高峰2個(gè)峰值。通過對2011-2015年5個(gè)年份8 760 h負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，得到全年春、夏、冬和節(jié)假日(春節(jié))負(fù)荷與最大負(fù)荷比率的平均值以及峰谷差率的平均值,如表1所示。

圖1 全年最大負(fù)荷曲線

圖2 春、夏、冬、春節(jié)典型日負(fù)荷曲線

表1 全年負(fù)荷特性系數(shù)

春季夏季冬季節(jié)假日季節(jié)最大負(fù)荷率0.841.000.900.55最大峰谷差率0.380.420.400.30

2 電源結(jié)構(gòu)及調(diào)峰能力

截至2015年底，河北南網(wǎng)全口徑發(fā)購電容量35 587.93 MW，其中統(tǒng)調(diào)發(fā)購電容量32 981.93 MW，非直調(diào)地方和自備電廠裝機(jī)容量2 606 MW。統(tǒng)調(diào)發(fā)購電容量中，省調(diào)直調(diào)裝機(jī)容量31 931.93 MW(含錦界、府谷3 600 MW)，外購電容量1 050 MW。

河北南網(wǎng)省調(diào)直調(diào)電廠按機(jī)組類型可分為：火電機(jī)組容量為28 330 MW，占直調(diào)容量的88.72 %，其中純凝機(jī)組容量18 610 MW，占比58.28%，供熱機(jī)組容量共9 720 MW，占比30.44%；水電裝機(jī)容量1 101.9 MW(抽水蓄能容量4×250 MW)，占直調(diào)容量的3.45%；風(fēng)電裝機(jī)容量938.8 MW，占比2.94%；光伏裝機(jī)容量1 387.23 MW，占比4.34%，生物質(zhì)等其它新能源電站容量174 MW，占直調(diào)容量的0.54%。河北南網(wǎng)調(diào)峰機(jī)組主要是火電機(jī)組，火電機(jī)組主要包含供熱機(jī)組和純凝機(jī)組，供熱煤電在供熱期[1-2]調(diào)峰能力一般為20%，非供熱期為40%，300 MW級以上純凝機(jī)組調(diào)峰能力一般為60%，100～300 MW純凝機(jī)組調(diào)峰能力一般為50%，不足100 MW純凝煤電采用啟停調(diào)峰。

3 新能源出力特性

3.1 風(fēng)電

3.1.1 風(fēng)電年出力特性

對全網(wǎng)風(fēng)電出力數(shù)據(jù)處理分析，河北南網(wǎng)風(fēng)電月最大出力分布情況見圖3?？梢钥闯?，風(fēng)電出力一年內(nèi)最大出力變化較大，從全年出力數(shù)據(jù)分析，呈現(xiàn)一定的季節(jié)特征，風(fēng)電在春冬兩季大發(fā)，在夏季有明顯低谷，年出力特性上呈現(xiàn)“高-低-高”的特點(diǎn)，春冬季最大出力可達(dá)到裝機(jī)容量的82%左右，夏季最大出力僅達(dá)到裝機(jī)容量的42 %左右，這與全年負(fù)荷呈現(xiàn)反向變化趨勢，全年負(fù)荷和風(fēng)電出力對比曲線見圖4。

圖3 風(fēng)電月最大出力曲線

圖4 全年負(fù)荷和風(fēng)電出力對比

定義1%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P1%[3-4]：橫坐標(biāo)為87.6(8 760×1%)時(shí)對應(yīng)的風(fēng)電場出力。同理，可以定義P5%、P10%、P30%……。以調(diào)峰最為困難的冬季為研究時(shí)段，風(fēng)電冬季出力系數(shù)-時(shí)間概率曲線中，最大出力系數(shù)PMAX=0.83，1%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P1%=0.77，5%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P5%=0.67，10%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P10%=0.60，60%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P60%=0.24，80%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P80%=0.11。風(fēng)電冬季出力系數(shù)-時(shí)間概率分布曲線見圖5。

圖5 風(fēng)電冬季出力系數(shù)-時(shí)間概率曲線

3.1.2 風(fēng)電日出力特性

對全年日出力最大時(shí)刻數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，河北南網(wǎng)風(fēng)電最大出力時(shí)間分布情況見圖6。

從風(fēng)電日最大出力時(shí)間統(tǒng)計(jì)分布可以看出，365天中風(fēng)電最大出力出現(xiàn)的時(shí)間分布中，17:00到次日8:00共計(jì)16 h中最大出力出現(xiàn)的概率達(dá)到86%，9:00-16:00共計(jì)8 h中最大出力出現(xiàn)的概率僅為15%，風(fēng)電出力呈現(xiàn)大概率的“晝低夜高”反調(diào)峰特性。

圖6 風(fēng)電最大出力時(shí)間分布

3.1.3 風(fēng)電反調(diào)峰特性分析

在電力系統(tǒng)中，常規(guī)發(fā)電機(jī)組的輸出功率需要跟隨負(fù)荷的波動而及時(shí)調(diào)整變化出力。風(fēng)電接入系統(tǒng)后，由于風(fēng)電的間歇性、隨機(jī)性、波動性，常規(guī)電源除了需要跟蹤負(fù)荷變化的同時(shí)，還要承受風(fēng)電功率波動。風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，相當(dāng)于系統(tǒng)等效負(fù)荷發(fā)生了變化，風(fēng)電相當(dāng)于負(fù)的負(fù)荷，設(shè)系統(tǒng)新的等效負(fù)荷Pequ為系統(tǒng)原始負(fù)荷功率Pload減去風(fēng)電輸出功率Pwind。根據(jù)風(fēng)電對等效負(fù)荷Pequ峰谷差的改變不同，風(fēng)電日出力可能出現(xiàn)調(diào)峰特性分為反調(diào)峰、正調(diào)峰、過調(diào)峰3種情形，根據(jù)河北南網(wǎng)風(fēng)電的出力特性和當(dāng)前典型負(fù)荷曲線，風(fēng)電接入以反調(diào)峰為主要特征，圖7為風(fēng)電反調(diào)峰特性圖，圖中疊加后等效負(fù)荷的峰谷差明顯增大，從而加大了系統(tǒng)調(diào)峰難度。

圖7 河北南網(wǎng)日負(fù)荷和風(fēng)電日出力曲線

風(fēng)電增大的峰谷差，即風(fēng)電的反調(diào)峰出力應(yīng)滿足下式：

(1)

3.2 光伏

3.2.1 光伏年負(fù)荷特性

對全網(wǎng)光伏出力數(shù)據(jù)處理分析，河北南網(wǎng)光伏月最大出力分布情況見圖8，可以看出，光伏出力一年內(nèi)日最大出力變化很大，呈現(xiàn)一定的季節(jié)特征。光伏年出力特性上仍呈現(xiàn)“高-低-平”的特點(diǎn)，光伏春季最大出力可達(dá)到裝機(jī)容量的75%左右，夏季最大出力僅達(dá)到裝機(jī)容量的41%左右，冬季光伏出力一般，為裝機(jī)容量的60%左右，這與全年負(fù)荷呈現(xiàn)一定的反向變化趨勢，全年負(fù)荷和光伏出力曲線對比曲線見圖9。

圖8 光伏月最大出力曲線

圖9 全年負(fù)荷和光伏出力曲線對比

與風(fēng)電類似，引入概率出力系數(shù)作為分析指標(biāo)。但與風(fēng)電不同之處在于，光伏僅在白天發(fā)電，且與負(fù)荷變化趨勢一致，因此，時(shí)間概率基數(shù)應(yīng)為所研究時(shí)段的一半。全年1%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P1%：橫坐標(biāo)為87.6(8 760×1%)時(shí)對應(yīng)的光伏出力。同理，可以定義P5%、P10%、P30%……。在光伏冬季出力系數(shù)-時(shí)間概率曲線中，最大出力系數(shù)PMAX=0.59，1%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P1%=0.53，5%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P5%=0.39，10%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P10%=0.27，60%時(shí)間概率最小保證出力系數(shù)P60%=0.04。

3.2.2 光伏日出力特性

對全年春、夏、冬季光伏典型日出力特性進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 光伏典型日出力曲線

從日出力特性上看，光伏出力呈平滑分布，日最大出力均出現(xiàn)在午間日最大負(fù)荷時(shí)間段，起到明顯的削峰作用，日出力特性與日負(fù)荷變化趨勢基本一致，因此，光伏的日負(fù)荷特性具有較好的正調(diào)峰作用。

3.2.3 光伏正調(diào)峰特性分析

與風(fēng)電對系統(tǒng)調(diào)峰原理類似，光伏調(diào)峰同樣存在3種可能性，即：反調(diào)峰、正調(diào)峰、過調(diào)峰3種情形。按照目前河北南網(wǎng)的典型負(fù)荷曲線，光伏接入系統(tǒng)后，光伏出力增減趨勢與系統(tǒng)負(fù)荷基本相同，且光伏在一定容量范圍內(nèi)，光伏出力峰谷差小于系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差，系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線峰谷差減小，光伏呈現(xiàn)出正調(diào)峰特性。需要指出的是，未來隨著諸如峰谷電價(jià)、鼓勵(lì)新能源電力消納等激勵(lì)政策和措施的出臺，負(fù)荷曲線可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，光伏也可能呈現(xiàn)出反調(diào)峰特性。

與風(fēng)電類似，光伏與系統(tǒng)負(fù)荷疊加，光伏相當(dāng)于負(fù)的負(fù)荷，系統(tǒng)新的等效負(fù)荷Pequ為系統(tǒng)原始負(fù)荷功率Pload減去光伏輸出功率Psolar。

根據(jù)河北南網(wǎng)光伏的出力特性，光伏接入以正調(diào)峰為主要特征，圖11體現(xiàn)了光伏正調(diào)峰特性，圖中疊加后等效負(fù)荷的峰谷差明顯減小，有利于系統(tǒng)調(diào)峰。

圖11 河北南網(wǎng)日負(fù)荷和光伏日出力曲線對比

光伏減小的峰谷差，即光伏的正調(diào)峰出力應(yīng)滿足下式：

(2)

4 調(diào)峰能力分析

4.1 調(diào)峰能力計(jì)算流程

由負(fù)荷特性分析可以看出，不同季節(jié)的負(fù)荷水平和峰谷差存在較大差異，一年中系統(tǒng)開機(jī)方式必然受負(fù)荷水平、季節(jié)、經(jīng)濟(jì)性等因素影響[5-6]，不同的開機(jī)方式對系統(tǒng)調(diào)峰能力帶來直接影響，因此，調(diào)峰能力計(jì)算應(yīng)首先針對不同時(shí)段進(jìn)行電力平衡計(jì)算以確定開機(jī)方式，再根據(jù)開機(jī)方式確定機(jī)組及其調(diào)峰能力。

4.2 電力平衡計(jì)算

4.2.1 電力平衡原則及邊界條件

裝機(jī)備用取12%進(jìn)行平衡計(jì)算;常規(guī)水電按100%容量受阻計(jì)算，抽水蓄能全部容量參與平衡;按照60%時(shí)間概率參與電力平衡，風(fēng)電冬季按24%容量參與平衡;按照60%時(shí)間概率參與電力平衡，光伏冬季按4%容量參與平衡;熱電機(jī)組供熱期受阻按照供熱機(jī)組容量5%計(jì)算;聯(lián)網(wǎng)電力流考慮規(guī)劃特高壓、點(diǎn)對網(wǎng)及500 kV網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線的邊界條件;在根據(jù)電力平衡確定開機(jī)時(shí)，當(dāng)電力存在缺額，按照機(jī)組全部開機(jī)考慮；當(dāng)電力盈余，機(jī)組開機(jī)優(yōu)先安排大型機(jī)組，供熱期優(yōu)先保障熱電機(jī)組。

4.2.2 電力平衡分析及開機(jī)方式確定

根據(jù)調(diào)峰實(shí)際，冬季供熱期熱電機(jī)組可調(diào)出力最小，尤其是在節(jié)假日(春節(jié))時(shí)期，負(fù)荷維持在較低水平，其他調(diào)峰機(jī)組開機(jī)較少，是調(diào)峰最困難時(shí)期，因此，重點(diǎn)對節(jié)假日(春節(jié))進(jìn)行重點(diǎn)計(jì)算。

2015-2020年節(jié)假日開機(jī)方式見表2，在河北南網(wǎng)2015-2020年冬季負(fù)荷條件下，除2015年電力存在缺額外，其余年份電力供應(yīng)相對寬松，根據(jù)負(fù)荷情況適當(dāng)考慮退出部分純凝機(jī)組，而供熱機(jī)組不受影響，可通過表2中“電力平衡校驗(yàn)”檢驗(yàn)開機(jī)基本滿足需求。

表2 2015-2020年節(jié)假日開機(jī)方式 MW

年份2015年2018年2020年需要工作容量184002328527720發(fā)電負(fù)荷164292079024750備用容量197124952970系統(tǒng)裝機(jī)容量284933601338649受阻容量293864148800外受電4650771011170裝機(jī)盈余118051402413299煤電開機(jī)方式確定供熱煤電97201305213052純凝煤電33006001320電力平衡校驗(yàn)956762

4.3 調(diào)峰能力計(jì)算

4.3.1 調(diào)峰計(jì)算原則及邊界條件

調(diào)峰平衡計(jì)算所采用的邊界條件如下：

各類機(jī)組調(diào)峰安排考慮到網(wǎng)絡(luò)的安全約束;旋轉(zhuǎn)備用(熱備用)根據(jù)國調(diào)要求不應(yīng)低于全網(wǎng)最大負(fù)荷需求的3%;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷按照全社會最大負(fù)荷預(yù)測的95%考慮;區(qū)外受電點(diǎn)對網(wǎng)調(diào)峰能力按60%考慮，跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)峰能力按50%考慮，特高壓按35%參與調(diào)峰;燃?xì)鈾C(jī)組不考慮啟停調(diào)峰(1～3 h)，調(diào)峰能力按機(jī)組容量的70%;風(fēng)電冬季參與反調(diào)峰取值最大出力83%;光伏冬季按照60%時(shí)間概率參與正調(diào)峰出力系數(shù)取4%;生物質(zhì)能發(fā)電及綜合利用機(jī)組不考慮其調(diào)峰能力。

4.3.2 調(diào)峰能力裕度

河北南網(wǎng)2015-2020年節(jié)假日調(diào)峰能力分析見表3。

表3 2015-2020年節(jié)假日調(diào)峰能力 MW

指標(biāo)2015年2018年2020年統(tǒng)調(diào)季節(jié)最大負(fù)荷164292079024750季峰谷差率0.300.300.30季峰谷差492962377425規(guī)劃并網(wǎng)光伏正調(diào)峰49129194旋轉(zhuǎn)備用率3%3%3%調(diào)峰需求537367317973系統(tǒng)最大調(diào)峰能力8609903910797規(guī)劃并網(wǎng)風(fēng)電反調(diào)峰77918582439不考慮已規(guī)劃風(fēng)電調(diào)峰能力裕度323623072823考慮已規(guī)劃風(fēng)電后調(diào)峰能力裕度2457449384

節(jié)假日(春節(jié))河北南網(wǎng)最大負(fù)荷較低，峰谷差值相對較小，純凝機(jī)組退出較多，供熱煤電調(diào)峰率較低，經(jīng)計(jì)算，調(diào)峰能力在一年中屬最弱時(shí)期，2015-2020年河北南網(wǎng)總計(jì)調(diào)峰空間在2 307～3 236 MW。

5 結(jié)論

從出力特性上可知，風(fēng)電具有反調(diào)峰作用，光伏具有正調(diào)峰作用，并提出了在一定時(shí)間概率條件下的風(fēng)電、光伏最小保證出力系數(shù)，在調(diào)峰能力測算中充分利用了上述研究成果。通過測算，提出了河北南網(wǎng)風(fēng)電可接納裝機(jī)容量空間，對今后電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和新能源發(fā)展規(guī)劃工作發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn)：

[1] 趙 冰.以調(diào)峰能力為約束的遼寧電網(wǎng)風(fēng)電接納能力研究[D].吉林東北電力大學(xué)，2010.

[2] 馬曉迪.調(diào)峰約束條件下的電網(wǎng)接納風(fēng)電能力研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[3] 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下的電力系統(tǒng)有功功率平衡理論研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2011.

[4] 衣立東.風(fēng)電并網(wǎng)后西北電網(wǎng)調(diào)峰能力的計(jì)算方法[J].中國能源，2014,36(9):39-42.

[5] 葉 斌,葛 菲.安徽電網(wǎng)電源規(guī)劃及調(diào)峰能力平衡研究[J].安徽電力,2011，28(3):81-84.

[6] 劉德偉.考慮調(diào)峰和電網(wǎng)輸送約束的省級系統(tǒng)風(fēng)電消納能力分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011,35(22):77-81.

本文責(zé)任編輯：靳書海

Research on Peaking Capacity of Hebei South Grid During 13th Five-year Plan Period

Qin Liangdong1,Li Hongtao1,Shi Litao2,Feng Renqing2,Song Jing3

(1.State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021,China；2.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China;3.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Electric Supply Branch,Shijiazhuang 050071,China)

In this paper,considering the load level,power running mode in different seasons,wind power and solar power output characteristics,it proposes a method that based on the probability of a certain period of the new power onthe grid peaking capability of calculation.

peaking capacity;load characteristic;power characteristic;wind power absorb capacity

2016-08-30

秦梁棟(1978-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與研究工作。

TM727.2

A

1001-9898(2016)06-0001-04