供需側調峰方式對電力系統能效影響研究

田娜

(國網天津市電力公司 濱海供電分公司,天津 300450)

0 引言

電力改革是我國政府應對氣候變化與能源問題所采取的重要舉措。將可再生能源(風能、光能、水能)引入電力系統實現多類型的能源互補，高效利用可再生能源，降低一次能源(煤炭)的消耗是電力改革的核心[1]。由于我國目前仍以煤炭發電為主，在短期內不會改變電力供應的格局，并且在技術層面受可再生能源自身條件的約束，無法滿足直接應用的電力需求，為此傳統能源與可再生能源相結合的電力功能模式是當前能源綜合應用的重點方向[2]。其中，傳統能源與可再生能源聯合調峰是促進能源合理利用、電力系統節能減排的關鍵。

1 供應側調峰方式及容量優化對系統調峰能耗的影響

隨著我國電力改革的不斷深化，我國可再生能源的開發進入了快速發展時期，但是收可再生能源開發條件的影響，導致能源遠離負荷中心，就地消納存在困難，并且能源具有較強的間歇性、誤差性和反調峰特性，系統調度安排較為困難[3]。為此，將可再生能源發電引入現有發電機組需要對供應測調峰方式及機容量優化進行研究，其對于節能潛力的挖掘和可再生能源的吸納具有非常重要的研究價值。

1.1 聯合發電機組運行分析模型

各類可再生能源應用于電力系統均有一定的自身特性，如：風能具有隨機性、波動性、間歇性，光能具有波動性、不確定性，水能具有不均衡性。為了保證電力供應的穩定性的，可再生能源的應用性需要輔助調峰機組參與來降低其對電力系統的沖擊。當調峰機組參與調峰時勢必會對發電能效造成影響，所以需要制定一定的補償機制。構建可再生能源與傳統能源發電系統聯合運行分析模型，設在供應測增加z臺風電機組和l個光伏電站，其均具有反調峰的特征，設置系統功率約束條件和系統備用容量條件，系統功率約束為式(1)[4]。

(1)

t=1,2,…,h

其中，PTh,it為第i臺煤電機組在t時刻的負荷，PH,jt為第j臺水電機組在t時刻的負荷，PW,ft為第f臺風電機組在t時刻的負荷，PV,gt為第g臺光伏電站在t時刻的負荷。

系統備用容量為式(2)。

(2)

t=1,2,…,h

其中，RTh,it為第i臺煤電機組在t時刻提供的備用容量，RH,jt為第j臺水電機組在t時刻提供的備用容量，L為煤電和水電波動備用系數，kW為風電波動系數，kV為光電波動系數。

構建可再生能源與傳統能源發電系統聯合運行分析模型，以電力系統消耗燃煤量最小為優化目標，構建目標函數表達為式(3)。

(3)

其中，ai、bi、ci為系統機組i的燃煤消耗量與功率P之間的關系系數。

當總負荷PDt一定時，聯合機組可再生能源機組出力增加，煤電機組出力減少。因為風能和光能間歇性特征，在其利用增加時，考慮系統調峰備用容量的分配，同時還要考慮水電機組調峰容量與煤電機組啟停煤耗及負均衡性等的影響，燃煤量的減少量是可再生能源發電的替代收益。

1.2 某區域電力系統調峰方式及容量優化綜合分析

以某區域電力系統為分析對象，該機組構成如表1所示[5]。

表1 機組構成

光伏發電單日出力與負荷的變化規律保持一致，風力發電白天時段高峰負荷出力不足，而夜晚時段低谷負荷出力豐富。該區域電力系統某日負荷曲線如圖1所示。

設定兩種調峰方案，即：

(1) 不包括供熱機組，供熱機組按凝氣式機組分析；

(2) 所有機組為非供熱機組，按凝氣式機組調峰優化[6]；

圖1 日負荷曲線

方案(1)與方案(2)比較，煤電機組供電煤耗率變化曲線如圖2所示：

方案(1)

方案(2)

當可再生能源接入電力系統后，煤電機組能耗減少，系統備用能耗增加，電網熱效率降低，煤耗率增高。方案(1)每臺煤電機組都平均分配發電計劃，可再生能源比例增加會使煤電負荷率下降，電網熱效率降低，煤耗率增高。方案(2)實施煤電機組兩班制調峰優化，通過調整機組出力滿足可再能源發電并網運行，電網熱效率高于方案(1)，煤耗率低于方案(1)。

2 需求側調峰優化對系統能效的影響分析

2.1 需求側分析

在需求側的管理中，通過激勵用戶改變用電方式和行為促進可再生能源的利用效率。在進行優化時對負荷需求的時間與水平，“削峰填谷”優化負荷分配，改變用戶負荷需求時間分布[7]，提升夜間的負荷需求，改善可再生能源電能的反調峰特性，提升可再生能源替代率，根據可再生能源與傳統能源發電系統聯合運行分析模型，在政府干預和市場引導的下，通過發電廠并網運行管理規定《關于促進電力調度公開、公平、公正的暫行辦法》[8]綜合分析需求側優化對系統能效的影響，提升電力系統尖峰負荷時的可再生能源利用率，提升可再生能源發電量。

2.2 某區域電力系統需求側優化對系統能效影響分析

同樣以某區域電力系統需求側負荷時間與水平優化為研究對象，其機組構成如表1所示，日負荷曲線如圖2所示，將供應測方案(1)作為基本形式進行分析，根據可再生能源與傳統能源發電系統聯合運行分析模型，煤電尖峰負荷削減對系統能耗影響和煤電低谷負荷提高對系統能耗影響如表2、表3所示。

表2 尖峰負荷削減對系統能耗影響

表3 低谷負荷提高對系統能耗影響

用戶接入可再生能源發電，會減少對燃煤發電的需求，降低電力系統的能耗，隨著尖峰負荷削減系統煤耗率降低，燃煤機組的煤耗率增高，當低谷負荷提高系統煤耗率升高，燃煤機組的煤耗率降低。

3 供需聯合調峰優化分析

3.1 供需聯合調峰優化方案

此次研究利用方案(2)實施煤電機組兩班制調峰優化與需求側可中斷負荷變化優化聯合運行。隨著可再生能源發電并網比例不斷的增加，供應側系統煤耗率與煤電機組煤耗率降低，需求側可中斷負荷調整幅度增大，系統煤耗率隨著可再生能源發電并網比例的增加而下降，而煤電機組煤耗率則增高。

3.2 某區域電力系統供需聯合調峰優化對系統能效影響分析

同樣以某區電力系統為研究對象，其機組構成如表1所示，日負荷曲線如圖2所示。供應測優化與可中斷負荷變化影響下的系統能耗變化曲線如圖3所示：

圖3 供應測優化與可中斷負荷變化影響下的系統能耗變化曲線

與單獨供應測優化和單獨需求側優化相比，供需聯合調峰優化煤耗率的變化曲線有相類似的變化規律，在能效提升與吸納潛力方面，聯合調峰優化要優于單獨的供應測側優化和需求側優化。

4 總結

本文分析了可再生能源供電與傳統煤炭能源供電協同的供應測電力系統能效優化方案和改變系統負荷需求的需求側電力系統優化方案。并進一步探討了供需聯合調峰的優化，證明了將兩班制調峰優化與需求側可中斷負荷變化優化聯合運行，供需聯合調峰的優化與單獨供應測優化和單獨需求側優化相比，供需聯合調峰優化煤耗率的變化曲線有相類似的變化規律，但在能效提升與吸納潛力方面略有優勢。