考慮風電接入的調峰調頻電源配置

何 葉，張 亮

(1. 南京交通職業技術學院，南京 211188；2. 國網天津市電力公司城南供電分公司，天津 300201)

考慮風電接入的調峰調頻電源配置

何 葉1，張 亮2

(1. 南京交通職業技術學院，南京 211188；2. 國網天津市電力公司城南供電分公司，天津 300201)

為滿足大規模風電的接入，必須進一步在系統內規劃或引入新的調峰調頻容量。將風電當作負的負荷，提出了風電場等效調峰調頻容量的概念，風電接入后的風電場等效調峰調頻容量體現了風電接入后對系統調峰的影響，根據Pweq來決定調峰調頻容量的配置。不僅依靠傳統方法增加電源側調節機組，還從風電出力波動角度考慮增加儲能系統的手段解決風電接入后對系統調峰調頻的影響。

風力發電；調峰調頻；電源配置

風電出力的多變性是風力發電和其他能源發電方式之間最大的不同，目前對風電接入后的電源規劃研究主要關注增加系統的備用容量。然而，風電接入系統不會增加系統的最大負荷，反而在一定程度上減小供電壓力，不需要考慮增加備用容量。

風電的波動性很大，并且一般負荷特性往往與風電功率特性相反，或稱之為風電的反調峰特性，風電接入增加了負荷波動的不確定性，在并網風電容量較低的時候，風電的出力波動對系統的影響微乎其微，當并網風電規模增加到一定程度，對系統調峰調頻能力的要求有所提高。因此實際系統中應關注對風電的出力波動率進行分析和評估，研究系統是否需要增加額外的調峰調頻機組進行更快更深的調節。

1 風電場等效調峰調頻容量

目前在規劃中采用基于確定性的方法對由風電接入后引起的調峰調頻問題進行分析，認為風電接入后系統需要增加與風電等容量的調峰調頻容量[1]。而實際上，風電日內出力曲線變化多端，各種出力方式下風電對常規電源調峰調頻容量的需求也不盡相同，并且在短期內引入大量調峰調頻容量的難度較大。

系統調峰調頻容量由負荷的變化率所決定，風電作為電源可以看作是一個負的負荷，系統負荷L減去風電出力PW后的凈負荷為等效負荷L＇，風電場等效調峰調頻容量Pweq定義為：

Pweq=△Pmax-△Pmax＇

(1)

式中 △Pmax——原始負荷10 min變化率的最大值；△Pmax＇——等效負荷10 min變化率的最大值，Pweq>0，說明風電場并網在某種程度上減小系統負荷變化率；否則，說明風電場并網對系統起負面作用，對系統調峰調頻電源提出了更高的要求。

以某年江蘇省南通市全年負荷數據作為依據，全年負荷曲線如圖1所示。

圖1 南通市全年負荷曲線

以江蘇省沿海城市南通市如東風場同年的風機出力數據為例(最大出力為96 MW，最小出力為0 MW，10 min出力上升最大幅度為64 MW)，南通市如東風電場全年出力曲線如圖2所示。

圖2 某年南通市如東風場機組出力曲線

如東風場前4個月的總裝機量為62 MW，平均出力率為22%；后8個月總裝機提高到100 MW，而平均出力率為13.7%。將如東風電場出力反向疊加到原本的負荷曲線上，得到等效負荷曲線(見表1)。

表1 南通市負荷特性和等效負荷特性分析 MW

等效負荷特性與原始負荷特性相比，最大負荷和最小負荷沒有變化，最大負荷變化率減小了3 MW。即如東風場的等效調峰調頻容量Pweq=3 MW。同比放大如東風場的出力數據，分析其等效調峰調頻容量見表2。

表2 不同裝機容量下的風電場等效調峰調頻容量 MW

當風電場裝機容量為1 200 MW時(占比約30%)，等效調峰調頻容量為-599.97 MW。雖然表2中數據存在局限性，但是可以看出：并網風電場容量越大，其對調峰調頻電源的要求越高。因此，可以采取相關調節措施以平衡風電出力對電網的影響，保證對負荷安全可靠地供電。

2 風電接入后的系統調峰調頻電源配置

風電接入后的風電場等效調峰調頻容量Pweq與負荷波動以及風電出力波動有關，故可以考慮從減少負荷側負荷波動以及平滑風電場出力的角度尋找解決方法。由于可中斷負荷的響應速度很快，可以作為瞬時備用，但對于頻繁發生的備用需求，采用可中斷負荷措施在技術上和經濟上都不合理，而且其控制精度不高，過控(或欠控)程序較嚴重。因此，從配置儲能系統和常規機組角度考慮增加系統調峰調頻容量。

2.1 儲能系統

儲能技術按原理可分為電磁能儲能、超級電容儲能、蓄電池、抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能。電磁能儲能和超級電容儲能的響應速度快、壽命長，適合于瞬時平滑風電場出力，但受制于高昂的成本。蓄電池的響應速度能夠滿足瞬時平滑風電場出力的要求，并且成本效益較高，是目前較為常用的風電場儲能配置，但存儲容量受限制。飛輪儲能響應速度快，可適用于瞬時平滑風電場出力，但是起成本高、容量小。抽水蓄能和壓縮空氣儲能由于存儲容量大，適合存儲大規模的風電，但是應用受到地理條件、轉化效率等方面制約較大，故綜合考慮，采取壓縮空氣儲能系統來平滑風電場出力。

采用壓縮空氣儲能系統對風電場功率進行集中補償，要求儲能單元能夠有效地吸收波動功率以平抑風電場輸出的功率波動，故將其輸出功率設計為[2]：

(2)

式中PW——風電場濾波前的有功功率輸出，即將其通過一階高通濾波器后的輸出為儲能單元的輸出功率。

忽略系統損耗，則注入電網的有功功率

(3)

τ=1/(2πfc)

式中fc——濾波器截止頻率。

分析式(3)采用離散化出力，在時域中可得：

(4)

式中t——控制采樣間隔，取5 min。

考慮風電注入功率波動最大允許值，由式(4)可得：

(5)

式中 ΔPMAX——風電場注入功率10 min變化率最大允許值。

2.2 常規機組

電力系統中常規發電機組一般分為水電機組、火電機組和核電機組3種。水電機組出力調整范圍大、速度快，并且運行成本低，環境污染少，但受限于地理位置。核電機組適于承擔系統基本負荷，不適合作為調峰調頻機組運行。

火電機組一般分為常規火電機組、供熱機組和燃氣輪機。供熱機組在熱電聯產時經濟性高，一般擔任基荷運行，不適合作為調峰調頻機組。燃氣輪機啟動快、可以頻繁啟動，適于作為調峰調頻機組，但是燃氣資源太少。常規火電機組運行在額定出力或接近額定出力時經濟性較好，并且常規火電機組啟停周期長，不宜頻繁啟動，在風電大規模并網后系統調峰調頻壓力很大的情況下，一般以犧牲常規火電機組的部分經濟性為代價，以熱備用的形式參與調峰。

風電接入后，需要配置相應的調節機組ΔP，其機組出力要求如下：

(6)

式中 ΔPmax與ΔPmin——調節機組的最大出力與最小出力。

系統的調峰能力，往往受到發電機組爬坡能力的限制。其上下坡速率需要滿足：

(7)

式中 ΔRu，ΔRd——調節機組的上坡速率限值和下坡速率限值(以10 min為單位)；ΔPumax，ΔPdmax——系統等效負荷在10 min內的最大增量和最大降幅；Riu，Rid——機組i的上坡速率限值和下坡速率限值。

大型機組的調峰能力一般只有17%～23%，目前國內外超臨界燃煤火電機組的調峰深度可達50%以上，出力調整速率約為每分鐘3%～5%。

3 調峰調頻電源規劃

以如東風場的出力數據和南通市的負荷數據作為研究對象，對其進行調峰調頻電源進行規劃，目標函數為系統總支出費用最小(包括固定成本和可變成本兩部分)。

儲能系統

由于CAES的存儲功率PCAES輸出量依據風電場的容量系數通常為0.4PWMAX。國家電網公司《風電場接入電網技術規定》中的要求：對于大于150 MW裝機容量的風電場，其10 min功率最大變化率不得超過100 MW。以如東風場裝機容量為400 MW為例，考慮在10 min內風電場注入功率線性遞增，則有

(8)

這表明時間常數τ=3.2可平抑風電功率數十分鐘級的波動，實現投資成本的最小化。

(9)

風電場裝機容量為400 MW時，配置CAES前后的系統負荷變化見表3。

表3 400 MW風電場配置CAES前后的系統負荷變化

則Pweq由-87.97 MW變為4.02 MW。根據這些方法，依據風電場的容量系數為0.4PWMAX建設壓縮空氣儲能系統對如東風場進行集中補償，其設計使用壽命為30年，假設壓縮空氣儲能電站容量系數為0.4，則年均發電量為(0.4PWMAX×0.4×8 760)MWh。壓縮空氣儲能電站的投資成本約為700 $/kW[3]，每年的運行維護費用約為1.35 $/kW(30年的設計使用壽命)?？勺兂杀緸閴嚎s空氣儲能電站的供電成本，壓縮空氣儲能電站的燃氣輪機組以天然氣為燃料，供電成本約為0.053 7 $/kWh[4]。計算不同風電場裝機容量下儲能系統容量配置和儲能系統建設成本結果見表4。

表4 不同裝機容量下儲能系統容量配置和儲能系統建設成本

采用超臨界燃煤火電機組作為調峰調頻電源，其調節深度可達50%以上。故可按照風電場等效調峰調頻容量Pweq的2倍來配置火電機組的容量，其設計使用壽命為30年。在我國燃煤調峰電站的投資成本約為770 $/kW[5]，而脫硫裝置的安裝建設成本約為73 $/kW，燃煤調峰電站每年的運行維護費用約為1.05 $/kW(火電機組壽命一般定為30年)?？勺兂杀緸榛痣姍C組的供電成本，火電機組的供電成本約為$0.052 1/kWh。不同風電場容量下，火電機組容量配置和建設成本如表5所示。

表5 不同風電場容量下火電機組容量配置和建設成本

不同風電場容量下的儲能電站和火電機組配置的總成本如圖3所示。

圖3 儲能電站和火電機組的配置總成本

由圖3可得，當并網風電場容量較小時，配置火電調峰調頻機組的固定成本和建設儲能電站差不多；當并網風電場容量較大時，配置火電調峰調頻機組的固定成本比建設儲能電站成本要高；儲能電站的可變成本和火電調峰調頻機組的可變成本差不多，風電場容量較大時，儲能電站的可變成本比火電機組的可變成本略高一些。

4 結語

目前對規模風電接入后的電源規劃還在探索期間，需要進行更深入一步的研究，才能獲得成熟而高效的規劃方案。本文在已有的數據基礎上分析調峰調頻電源的配置情況，比較有局限性，可進一步分析風電場出力和負荷的分布，模擬其出力進而配置調峰調頻電源；調峰調頻電源中還有很多電源類型沒有考慮在內，如水電、核電等都可以和風電形成互補的能源系統，并且可以允許所作決策在一定程度上不滿足約束條件，并采用可中斷負荷作為補償手段，可能會得到經濟上的更加優化的規劃方案。

[1] 張 寧,周天睿,段長剛, 等.大規模風電場接入對電力系統調峰的影響[J].電網技術,2010,34(1): 152-158.

ZHANG Ning, ZHOU Tian-rui, DUAN Chang-gang, et al. Impact of Large-Scale Wind Farm Connecting With Power Grid on Peak Load Regulation Demand[J]. Power System Technology, 2010，34(1)：152-158．

[2]譚 靖,李國杰,唐志偉.基于壓縮空氣儲能的風電場功率調節及效益分析[J].電力系統自動化,2011,35(8):33-37.

TAN Jing, LI Guo-jie, TANG Zhi-wei. Design and economic analysis of compressed air energy storage based wind farm power regulation system[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(8): 33-37.

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[4]ALFRED CAVALLO. Controllable and affordable utility-scale electricity from intermittent wind resources and compressed air energy storage (CAES) [J]. Energy，2007，32：120-127.

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LIU Wen-Yi, YANG Yong-Ping. Calculations and analysis of overall benefit for compressed air energy storage(CAES) power plant[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2007,28(3):373-375.

(本文編輯：趙艷粉)

Peak Regulation Capacity Configuration Considering Wind Power Integration

HE Ye1, ZHANG Liang2

(1.Nanjing Traffic Vocational and Technical College, Nanjing 211188, China; 2. Chengnan Power Supply Branch, Tianjing Municipal Electric Power Company, Tianjing 300201, China)

In order to meet the needs of large-scale wind power integration, we must further the system planning or introduce a new peak regulation capacity. Taking wind power as the negative load, this paper puts forward the concept of equivalent peak regulation capacity of wind power: equivalent peak regulation capacity of wind power reflects the influence of large-scale wind power integration on system peak load regulation, and the peak regulation capacity configuration is determined according to Pweq. It is suggested to not only rely on the traditional method to increase the power-side adjustment units, but also considering wind power output fluctuation, to increase wind energy storage systems to resolve the impact of large-scale wind power integration on system peak load regulation.

wind power; peak load and frequency regulation; power configuration

10.11973/dlyny201606005

何 葉(1988)，女，碩士，主要研究方向為電網規劃。

TM73

A

2095-1256(2016)06-0686-04

2016-10-13