遠距離外送風電配套運行抽水蓄能電站經濟規模分析

李星銳，呂朝陽

(1.武漢大學，湖北武漢430071；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

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遠距離外送風電配套運行抽水蓄能電站經濟規模分析

李星銳1，呂朝陽2

(1.武漢大學，湖北武漢430071；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

以風力發電特性、抽水蓄能運行特點為基礎，分析抽水蓄能配合風電運行方式，構建配套運行的抽水蓄能經濟規模相關模型，論證風電遠距離外送配套一定規模抽水蓄能的經濟可行性，以保障風電遠距離外送的利用效率，促進我國風電可持續開發建設。

風電；抽水蓄能；經濟規模；配套運行

1　研究背景

我國華北、東北、西北地區風能資源豐富，風電所在區域能源消納空間有限，風電外送是主要措施。但由于風電具有間歇性、隨機性等特點，大規模接入對電網運行將產生較大的影響，以保障電網安全經濟運行為基礎，風電外送電量棄電現象較為顯著。我國華北、東北、西北棄風限電較嚴重，尤其以河北省張家口、吉林省、內蒙古自治區錫林郭勒盟、呼倫貝爾市和興安盟等地最為嚴重，2014年上半年，全國風電棄風電量175億kW·h，平均棄風率15.2%。

可見，風電與電網的適應性問題已成為限制風電發展和使用的重要影響因素。為更好地利用風能資源，促進可再生能源發展，根據風力發電特性，本文分析研究配套的抽水蓄能經濟規模，以合理減輕風電并入電網對電力系統的影響，提高我國風電利用效率，促進風電可持續開發建設。

2　配合風電外送電源運行方式分析

2.1風電特性

風電出力具有不完全隨機性，“隨機性”體現在其具有較大的波動性和間歇性，“不完全”是體現在風電出力具有可預報性和明顯的地理、季節特性[1]。風電出力具備隨機性，為電力系統提供的有效容量小。

2.2抽水蓄能電站運行特性分析

抽水蓄能電站機組啟停迅速，快速增減負荷能力強，能夠很好的適應負荷的瞬時變化，是理想的平抑負荷波動的快速反應電源。

抽水蓄能電站在風電出力高峰時段，可作為泵站，利用系統多余電能抽水，將多余的風電電能儲存；在風電出力低谷時，抽水蓄能則以發電工況為主，平衡風電出力小的問題。抽水蓄能調峰又填谷的雙重作用，是抽水蓄能電站特有的功能，是其他類型電源無法代替的。

抽水蓄能電站和常規水電站一樣，啟動靈活迅速，從啟動到滿負荷只需2 min，由抽水運行轉換到發電工況也僅需3～4 min，是承擔系統快速反應容量和調頻任務的理想電源。如風電出力的隨機波動性，特別是短時間內發電出力變化較大時，會對電力系統短時間的有功功率平衡及頻率穩定產生影響，為維持系統頻率穩定，需要電網配備充足的快速反應容量。抽水蓄能電站承卸負荷迅速靈活，能適應負荷的急劇變化，調頻性能好，可以很好的承擔電網快速負荷跟蹤和維持電網頻率穩定任務。

另外，風電出力過程中無功功率的變化，將會導致系統各節點電壓改變，而電壓是衡量電能質量的一個重要指標，保證風電連網電壓接近額定值是風電大規模外送運行調度的基本任務之一。當風電并網無功不足或多余時，抽水蓄能電站能迅速調整無功出力或吸收無功，有效控制系統節點電壓水平，實現電網無功功率平衡和電壓穩定，提高電網的電能質量。

2.3燃煤火電運行特性分析

目前進口及國產大容量燃煤火電機組的調峰幅度可在50%以上，600 MW以上機組甚至可達到60%。一般單機容量在100 MW及以下的機組也可實施兩班制開停調峰運行，隨著小火電機組的逐漸退役，開停機組的量越來越小。網內大容量燃煤火電機組由于燃煤供應與設計煤種有時差別很大，火電機組很難達到設計的調峰幅度，而且考慮到火電機組調峰運行的經濟性，其綜合經濟調峰幅度不宜太高。

另外，從燃煤火電本身運行條件看，燃煤火電從冷態至滿負荷運行時間約6～8 h，從溫態至滿負荷運行時間約3 h，從熱態至滿負荷運行時間約1.5～2 h，機組負荷每分鐘爬峰約額定容量的3%～5%。可見，燃煤火電在負荷變化時間反應上面存在較大限制，適應風電出力間歇性、隨機性能力有限，主要考慮燃煤火電平穩出力為主。

3　配合運行數學模型分析

3.1風電并網容量分析

風電外送并網容量大小與其經濟合理利用密切相關，考慮風電對受端電網負荷調峰的影響，低谷、高峰時段風電并網容量也需重點對待。根據我國相關風電基地風電場出力過程現狀，風電場電量集中在較小出力區段，當風電上網容量為其裝機容量的50%～70%時，并網棄風率約20%～3%，此特性有利于合理棄風，減少電網配套投資。

3.2抽水蓄能經濟規模原理分析

基于風電并網容量的合理棄風情況，風電棄風量存在合理棄風研究空間。本文研究主要為抽水蓄能電站降低風電棄風率，提高輸變電通道經濟利用小時數，為受端電網提供更多電力電量，以替代受端電網燃煤火電規劃建設及其發電量等。抽水蓄能經濟規模研究分析原理如下。

(1)隨著抽水蓄能配合運行規模增大，風電棄風率將隨之減小。

(2)以棄風率最小方案為參照對象，以同等要求滿足受端電網電力電量為前提條件，以送端抽水蓄能規劃建設及運行費用、受端替代火電規劃建設及費用為研究對象。

(3)隨著送端配合抽水蓄能電站規模增加，受端規劃建設燃煤火電將隨之減少，據此規律分析論證各方案費用現值情況，分析各方案的經濟性，以論證抽水蓄能經濟規模。

(4)具體計算分析為，擬定送端配套運行方案(抽蓄規模占風電規模比例由0%開始按5%為等差逐漸增大)→綜合考慮送端和受端同等電力電量為前提，棄風量減少，受端規劃建設火電減少→計算各運行方案送端和受端的項目經濟費用現值→選擇費用現值最小方案為推薦方案。

3.3數學模型分析

基于上述分析成果，構建風電外送配合抽水蓄能電站經濟規模分析數學模型如下

上述數學模型中，抽水蓄能電站、受端電網燃煤火電的投資及運行費用水平均需根據實際情況選取。

4　應用分析

4.1案例概況

某風電基地風能資源十分豐富，被國家確定為7大千萬千瓦級風電基地之一，該風電基地外送電網為華中電網，外送風電規模為8 000 MW，輸變電通道容量為直流輸送容量為8 000 MW，考慮配套火電裝機8 000 MW。

4.2配合運行電源分析

4.2.1風電

該區域一年四季典型日風電出力分布如圖1所示。

圖1　外送風電出力及電量分布統計

4.2.2燃煤火電

燃煤火電在負荷變化時間反應上面存在較大限制，適應風電出力間歇性、隨機性能力有限，主要考慮燃煤火電平穩出力為主。同時考慮送端電網環境保護、水資源條件、充分利用清潔可再生能源等因素，燃煤火電裝機利用小時數按4 300 h控制。

4.2.3抽水蓄能

基于抽水蓄能特點，抽水蓄能電站在風電外送中，充分發揮風電高峰時段抽水蓄能，低谷時段發電運行作用，以積極減少風電棄風電量，提高風電開發利用效率，保障電網安全經濟運行。

4.3抽水蓄能經濟規模分析

4.3.1不同比例方案配合運行分析

基于該風電配套電源情況，火電技術出力系數按0.5考慮，風電最大上網容量率則為50%，該風電配套運行外送運行方式如圖2所示。

圖2　風電外送配套電源后綜合出力過程示意

4.3.2經濟規模分析

4.3.2.1方案分析

基于上述配合電源運行方式分析，考慮抽水蓄能占風電比例按0、5%、10%、15%、20%、25%、30%(即方案1～7)擬定模擬計算分析，各方案對應減少風電棄風量成果表1所示。

表1不同抽水蓄能方案風電棄風成果統計

方案火電利用小時數/h輸電線路利用小時數/h輸電線路增加小時數/h棄風率/%減少棄風電量/億kW·h143006115—13.85—2430062921779.28143430064683535.72284430066205051.56415430067085930.35476430067166010.00487430067166010.0048

4.3.2.2經濟規模分析

基于上述分析成果，經濟規模分析原則與前提為：受端電網以火電電源作為補充方案，由于送端火電配套容量與輸變電通道容量相當，故本研究只考慮電量效益補充(煤耗315 g/kW·h，標煤價格900元/t)，以方案7為參照對象，方案1～方案6受端電網分別需要補充燃煤火電電量24.4億、17.9億、11.5億、5.3億、1.6億、0 kW·h。

方案1～方案7送端電網需建設抽水蓄能規模分別為0、400、800、1 200、1 600、2 000、2 400 MW，送端抽水蓄能單位容量投資4 500元/kW，年運行費率2.5%，廠用電率0.25%。社會折現率按8%計算。

綜合上述前提與抽水蓄能經濟規模數學模型，按各方案同等滿足受端電力系統要求為基礎，對各方案費用現值進行分析，結果如表2所示。

表2　各方案費用現值成果對比　億元

4.3.2.3小結

綜上所述，基于該風電出力特性、配合電源運行、受端電網替代電源及外送通道情況，結合本論文提出的計算分析方法，該風電基地打捆運行的抽水蓄能經濟規模約為1 200 MW，占外送風電比例約為15%。

由于風電打捆外送受電源特性、規模及輸變電通道運行限制等因素，不同風電基地出力特性存在一定差別，抽水蓄能電站配備的經濟規模比例將有所不同，需據各邊界條件分析論證。

5　結　論

隨著我國環境保護力度日益增大，清潔可再生能源在我國已全面快速發展建設。風電為作為清潔可再生能源中的重要組成部分，在我國已得到大規模開發建設，但由于其具有隨機性、間歇性和不可控性等特點，大規模外送對電網運行會產生較大影響，風電棄風現象較為顯著。為更好地利用風能資源，促進可再生能源發展，本論文根據風力發電特性，分析抽水蓄能配合風電運行方式，構建配套運行抽水蓄能經濟規模數學模型，論證風電大規模外送配套一定規模抽水蓄能的合理可行性。論文以我國某重要風電基地為案例，對配備不同抽水蓄能方案進行分析計算，得到該風電基地外送8 000 MW風電配合運行的抽水蓄能經濟規模約為1 200 MW，占外送風電比例約為15%。另外，由于風電出力特性、輸變電通道運行限制等因素變化，不同風電基地外送配套的抽水蓄能電站經濟規模比例將有所不同。

[1]呂朝陽， 張丹慶， 李懷玉. 我國風電大規模外送協同運行方式研究[J]. 水電能源科學， 2012， 30(9)： 202- 205．

[2]徐飛， 陳磊， 金和平， 等. 抽水蓄能電站與風電的聯合優化運行建模及應用分析[J]. 電氣系統自動化， 2013(1)： 149- 153．

[3]汪寧渤. 風電與火電打捆外送相關問題研究[J]. 中國能源， 2010(6)： 18- 20．

[4]尹明， 王成山， 葛旭波. 風電并網經濟技術評價研究綜述[J]. 電力系統及其自動化學報， 2010(5)： 102- 105．

[5]石恒初， 剡文林， 劉和森. 風電并網對電力系統的影響初探[J]. 云南電力技術， 2009(37)： 8- 10．

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(責任編輯高瑜)

Matching Economic Scale Analysis for Pumped-storage Power Station with Long-distance Wind Power

LI Xingrui1, Lü Zhaoyang2

(1. Wuhan University, Wuhan 430071, Hubei, China;2. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, Hunan, China)

Based on the characteristics of wind power and pumped-storage operation, the operation mode of pumped-storage power station which matching the operation of wind power is analyzed, and the economy model for determining the economic scale of pumped-storage power stations is also established. The economic feasibility for the system of long-distance wind power matched with a certain scale of pumped-storage power station is demonstrated which can guarantee the utilization efficiency of long-distance wind power and promote the sustainable development and construction of wind power in China．

wind power; pumped storage; economic scale; matching operation

2016- 01- 12

李星銳(1995—)，男，湖南長沙人，研究方向為電氣工程與自動化、電力系統運行與管理等．

TV213.1

A

0559- 9342(2016)05- 0095- 04