大規模風電接入對江蘇電網調峰能力的影響

風能是一種低碳能源，無法消耗低碳能源，對未來的世界氣候變化起到了重要作用。我國政府出臺了《中華人民共和國可再生能源法》和相關規劃,同時出臺了風電優惠價格政策等措施,為風力發電及其相關設備制造產業發展創造了良好的政策環境。該政策頒布實施以來,我國風電產業迅速發展,但目前出現了風電消納困難的問題。風電消納困難的主要原因是電力系統調峰能力無法滿足大規模風電出力的波動,導致負荷低谷時段不得不切除部分風電。文獻研究表明風電接入后,系統對調峰容量的需求的分散性增強,風電極端出力方式下對系統調峰能力要求極高。風電的規劃建設規模應與電力系統的規模相優化匹配。風電發展初期,其容量占系統總量的比例小,對系統安全穩定和調峰影響不大,對風電的全額收購政策容易得到完全徹底的實施,但隨著我國千萬千瓦級風電基地規劃的逐步落實,風電在各電力系統的容量比例越來越大,全額收購的難度也將越來越大,這是一個值得深入探討的問題。1風速和運行性能1.1風力發電系統規模根據相關規劃,江蘇省2020年風電裝機將達到10380MW,風電裝機比例將達到3.32%。在國際上通常以一個電力系統中風力發電量占整個系統總的負荷電量的比例來衡量風電規模的大小。根據有關研究資料和運行經驗,一個電力系統中風電裝機比例超過10%,其影響將不容忽視,風電滲透率超過20%,系統將難以滿足風電極端出力情況下的調峰需求,不可避免地出現棄風現象。1.2風電與負荷匹配性好風電來自于風能,其發電出力具有隨機性強,波動性大,難以有效控制的特點。在電力系統運行中風電基本無法與負荷匹配,不能削峰填谷,屬于不可調電源。從電源可靠度角度看,風電僅提供電量而不能提供與其裝機容量相匹配的容量。2風險因素分析對波動方程的影響2.1調節系統運行電力系統負荷曲線一般都有高峰和低谷的周期變化規律。運行在電力系統中的各類電源,必須在其安全和經濟運行能力的允許范圍內,跟蹤日負荷曲線變化,不斷地調節自身的發電功率以維持系統的功率平衡。一旦調峰需求超出了電源調節能力,則會導致運行經濟性下降、發電設備受損、燃煤機組被迫停機調峰等情況,甚至威脅到整個系統運行的安全可靠性。由于風電出力在谷荷時較大,峰荷時出力為零,對系統調峰需求較大,系統因無法提供足夠的調峰容量而在谷荷時不得不部分棄風。2.2日負荷峰谷差率“系統日負荷峰谷差率”是指系統日最大負荷與最小負荷的差值占日最大負荷的比率,該指標表征了系統的調峰難度。根據對江蘇電網負荷的分析,全年365天的日負荷峰谷差率具有概率分散性,負荷峰谷差率主要集中在分布區間中部,峰谷差率出現極大與極小的情況概率很小,呈近似Weibull分布。根據對江蘇電網2020年負荷特性的預測,江蘇電網日負荷峰谷差率概率分布如圖1所示。由圖1可見,系統日負荷峰谷差率分布于15%~37.5%之間,負荷峰谷差率超過35%的天數為6d,僅占全年的1.64%。2.3風電對調峰貢獻的分類隨機波動使風電出力既有可能增加系統峰谷差,也可能減小系統峰谷差。對風電出力進行統計分析,可把日風電出力對系統調峰貢獻的不同類型劃分為5種:正調峰(強),正調峰(弱),平出力,負調峰(弱),負調峰(強)。其中,風電正調峰是指風電日內出力增減趨勢與系統負荷基本相同,且風電出力峰谷差小于系統負荷峰谷差,風電接入后系統等效負荷曲線峰谷差減小;風電負調峰是指風電日內出力增減趨勢與系統負荷曲線相反,風電接入后系統等效負荷曲線峰谷差增大;平出力是指風電出力在日內沒有明顯的峰谷特性,對系統負荷峰谷差基本沒有影響。本文利用文獻[18-19]提出的風電場運行模擬方法及相關參數,對江蘇省2020年風電基地進行運行模擬。統計風電對調峰貢獻的分類及概率分布,結果如圖2所示。由圖2中可見幾種類型的概率基本呈標準正態分布,規律性佷強。其中,對于電力系統運行最不利的情況是負調峰(強)類型,但該情況的出現概率僅有8.2%左右。2.4風電引發的調峰風電運行引起系統調峰問題,可以歸納為兩個概率事件的重疊,即系統日負荷峰谷差率極大的同時,風電本身又運行在負調峰(強)的方式下,再考慮風電相對于系統總規模的比例問題,則不難粗略的計算出風電對于系統調峰影響的概率。以江蘇2020年為例,該系統由于風電運行而引起調峰問題的概率應該不大于8.2%×1.65%=0.134%。由此可見,在上述特定系統里風電引發的調峰問題屬于小概率事件。本文的后面部分將運用基于電力系統生產模擬進行更加詳細的定量研究。3運行模擬結果本文利用清華大學開發的電力規劃決策與評估GOPT5.0軟件系統,采用考慮風電接入的時序生產模擬技術,從系統調峰角度出發,以江蘇電力系統2020年為研究對象實證研究,系統最大負荷約125000MW,規劃燃煤機組占總裝機80%左右,核電約8000MW。運行模擬中設定燃煤機組調峰能力50%,并允許200MW以下火電機組啟停調峰,并計及啟停調峰成本,核電不參加調峰。其余邊界條件見文獻。首先在調度運行中允許風電棄風,研究在不同風電裝機比例(風電裝機容量占系統總裝機容量的百分比)條件下,不同抽水蓄能規劃對系統棄風以及調峰成本的影響。計算結果如表1所示。圖3則對比了不同抽水蓄能以及風電裝機容量情況下系統棄風電量的變化趨勢。其次,在調度運行中不允許棄風,并允許所有火電機組啟停調峰,研究系統不允許棄風時綜合經濟性的變化。根據生產模擬結果,統計各種抽水蓄能以及風電裝機容量情況下的系統燃煤機組啟停次數以及系統調峰成本,計算結果如表2所示。圖4對比了風電裝機比例為10%情況下,允許棄風與不允許棄風條件下燃煤機組年啟停調峰次數,圖5對比了允許棄風與不允許棄風條件下系統運行成本。4采用適當的風險策分析4.1實現風電“絕對”收購的調節電源需求保證風電“絕對”收購,從調峰角度看就意味著要滿足“所有可能出現的小概率下”的系統調峰需要。具體講,就是滿足電力系統峰谷差率最大日的低谷時段風電出現100%出力(即100%反調峰)的極端小概率情況,這必須建設足夠多的調節電源才能得以實現。以江蘇電網為例,通過調峰電力平衡可計算出,系統2020年需要擁有約8.7GW的抽水蓄能裝機,才能保證風電100%收購。而實際上該系統中適合建設抽水蓄能電源的廠址資源并不多,由于開發資源、環境因素的限制而造成的困難,抽水蓄能發電項目開發風險較大。為保證實現風電“絕對”收購,僅有兩種方案可供選擇:要么冒著破壞環境的風險去高價開發大量抽水蓄能電源;要么讓部分燃煤機組進行一定程度的深度調峰運行甚至停機調峰,犧牲系統的運行效率和安全性。4.2調峰性能:適度棄風可提高調峰能力通過對電力系統運行模擬研究可見,當系統中的風電規模逐步加大時,低谷方式下允許適度棄風運行(即允許風電參與系統調峰)可能是有利的,它具有以下的積極效應:棄風事件的發生概率不會很大,棄風的總電量有限,切除風電量一般不會超過其總發電量的1%;允許適度(少量)棄風可使系統調峰壓力大為緩解,尤其在調峰能力不足或抽水蓄能電站建設條件不理想的系統中,適度棄風可大大減少調峰電源配置的尖峰需求,是解決調峰問題的有效手段。表1中的算例數據顯示,系統接入10%容量的風電,而系統沒有條件建設足夠抽水蓄能電源,出現了嚴重的調峰矛盾。在此情況下,若允許極端情況下切除風電年發電總量的0.02%(累計),則系統可少建4700MW抽水蓄能電源;若允許極端情況下切除風電年發電總量的0.2%(累計),則系統可少建6000~7000MW抽水蓄能電源。因此,允許適度(少量)棄風從整體來看可能是劃算的。它可使系統調峰運行更加優化,燃煤機組的啟停次數降低,系統的總體運行成本有所下降。4.3調峰系數及調峰能力分析我國“風電全額收購政策”從宏觀上講是正確的,無論現在還是將來,該政策都具有普遍適用性。電力系統接入大規模風電后,若具備條件應配套適量的抽水蓄能電源,可顯著加強系統調峰能力,同時有效提高系統運行的整體經濟性和安全性。抽水蓄能電源配置量應結合核電和風電的規劃裝機量進行綜合經濟技術比較,應充分考慮風電系統的調峰運行概率特征,而不能簡單的按照系統尖峰調峰需求進行配置。對于風電裝機比例較大而調峰能力較弱的電力系統而言,在系統小概率方式下實施適度(少量)棄風可有效緩解電力系統的調峰運行壓力,減少調峰電源配置的尖峰需求,使電力系統規劃運行的整體技術性和經濟性得到優化。因此,本文提出以下適應我國電力系統實際情況的適度棄風的政策建議:1)建議在“風電全額收購”的框架下進行政策微調,充分考慮電力系統多樣性,允許因地制宜、因網制宜的適度棄風。大多數情況下,系統年累計棄風電量占風電年發電總量的比例小于1%。2)建議在電力系統調度運行中建立棄風機制,要求相關電網調度部門、并網風力發電企業根據需要配備相應的硬件和軟件予以支撐。5調節系統運行本文以概率化的分析方法,研究了大規模風電接入對電力系統調峰的影響,利用考慮風電接入的時序生產模擬方法,定量的研究了江蘇電網2020年調峰能力與棄風電量以及系統運行成本的關系,研究表明允許適度(少量)棄風可大大減少系統抽水蓄能裝機需求,可使系統調峰運行更加優化,燃煤機組的啟