上海电网调峰及资源共享机制研究

陈博，徐逸清，黄一超，陶彦峰

（1.国网上海电力公司电力经济技术研究院，上海 200002；2.华东电力设计院，上海 200063）

上海电网处于华东电网的受端，是全国负荷密度最高的地区。由于冬季取暖和夏季空调负荷对气温变化非常敏感，上海的用电负荷水平受气温影响较大。近年来上海电网整体用电需求增长趋缓，尤其是低谷时段用电负荷增长很小甚至零增长、用电峰谷差不断增大。2013年上海统调最大用电峰谷差已达12 024 MW，较2012年增加了约1 100 MW。尽管市内300 MW及以上的公用电厂机组均已实现60%的调峰能力，但在轻负荷及节假日期间仍需要调停部分机组[1-3]。

由于三峡、向家坝等区外水电一般不参与调峰运行，考虑到未来复奉直流达到满送、风电装机容量逐渐增加、最小负荷率降低等情况，上海电网的调峰压力将进一步增大。因此，有必要充分研究上海电网调峰资源的发展规模、调峰能力及共享机制，以把握未来上海电网调峰平衡的基本格局，提出上海电网调峰资源的合理发展模式。

1 上海电网调峰现状

1.1 上海市外来电参与调峰现状

至2013年底，送入上海电网的市外电力包括华东直代管电力，即新富水电、天荒坪、桐柏、琅琊山、响水涧、秦山核电、皖电一期等电源的分电，以及华东区外4回直流，即±500 kV葛南直流、宜华直流、林枫直流和±800 kV复奉直流，其双极额定容量分别为1 200 MW、3 000 MW、3 000 MW、6 400 MW。

2012年部分市外来电典型日的送电曲线见图1—图3。

从季节性供电看，各水电直流夏季基本都可以接近或达到最大送电容量；秋季差异较大，如复奉和葛南直流可达满容量，而宜华直流只送60%额定功率；春、冬季的送电容量基本较低，最低不到额定容量的20%。

图1 2012年葛南直流典型日送电曲线Fig.1 Ge’nan HVDC power transmission curve in a typical day in 2012

图2 2012年宜华直流典型日送电曲线Fig.2 Yihua HVDC power transmission curve in a typical day in 2012

图3 2012年复奉直流典型日送电曲线Fig.3 Fufeng HVDC power transmission curve in a typical day in 2012

从日调峰特性上看，各水电直流夏、秋季均不参加日调峰，而冬、春季最大的日调峰幅度也不超过额定容量的15%。

1.2 上海市内电源调峰情况调研

上海电网发电机组以火电为主，由燃煤和燃气电厂构成，另有少量风电。

燃煤机组方面，上海电网内300 MW以上的公用燃煤发电厂的调峰能力均可达到60%额定容量，企业自备电厂根据各自负荷特点能提供的调峰容量不等，在0~40%。

燃气机组方面，简单循环燃气轮机技术上深度调峰能力接近100%，而燃气—蒸汽联合循环燃机的调峰能力各有不同：

1）配置有烟气旁路的联合循环燃机可以利用烟气旁路实现燃机的单循环启动、运行，理论上可达到单循环燃机的深度调峰能力。

2）无烟气旁路的联合循环燃机把燃机、余热锅炉、蒸汽轮机组成了一个整体，其调峰性能主要取决于汽机、余热锅炉等常规机组的调节性能，深度调峰能力比单循环差。

3）供热负荷的联合循环机组，机组按照“以热定电”的原则运行，机组不同时段的最小出力由实际热负荷曲线决定，当热负荷较高时，调峰能力将明显降低。

4）由于部分类型的燃机在低负荷状态下存在燃烧不稳定安全隐患，许多燃气电厂在实际运行中并不会让机组工作在深度调峰状态，而采用启停调峰，启停调峰的等效调峰深度为100%。

但由于燃气轮机额定工况的设计温度为25℃，因此在高温日（35℃）约有10%出力受阻，导致高温季节燃气轮机与煤机降出力运行的最大调峰能力差异不大，均为60%左右。

5）燃气轮机具有启停迅速和调节速度快的特点，启停调峰运行时能够发挥100%容量的调峰能力，但会增加额外的成本。

据统计，2013年上海市内煤电机组的平均最低技术出力率约为0.44，所有火电机组的平均最低技术出力率约为0.35。

风电方面，上海风电一年最大出力可能在冬季或是春季，夏季最大出力可达冬季出力的25%~75%，秋季最大出力可达冬季出力的40%~66%；日运行中，出力方式变化很多，极端方式可为高峰出力（为0）、低谷出力为100%，或高峰出力为100%、低谷出力为100%。

对于上海接受的华东直属核电、抽水蓄能、常规水电和煤电，核电机组不参与日调峰，常规水电机组提供100%的调峰容量，抽水蓄能机组提供200%的调峰容量。

2 上海电网调峰格局

2.1 计算方法和条件

采用华中科技大学开发的联合电力系统运行模拟软件（WHPS2000）对上海电网进行调峰计算。将2015年和2020年预测负荷、现状和规划电源及相关特性参数录入软件后，通过自动计算可得到上海电网2015年和2020年的电力、电量和调峰平衡结果[4-5]。

关键计算原则：

1）上海市内机组调峰能力。现有火电机组的最小技术出力按各电厂实际最小技术出力考虑，新建的600 MW及以上常规火电机组最小技术出力按0.4考虑，燃机电厂中除热电联供机组外其他机组的最小技术出力按0.3考虑。

2）风电和太阳能等新能源高峰时按0出力、低谷时按100%出力参加电力平衡。

3）考虑以下2种区外送电调峰方式。①理想方式。区外火电与网内火电机组一起调峰，最小技术出力率0.5；区外水电按原始水文特性安排工作位置。②严重方式。区外火电最小技术出力率0.8；区外水电考虑丰水期调节性能为零（送电曲线为直线），其余月份根据年发电量相等原则修正水文特性曲线，并按新水文特性安排工作位置。

2.2 调峰平衡结果

在区外送电理想方式下，2015年与2020年上海电网均不存在调峰缺口，在优先安排燃机调峰的方式下，煤电基本全部承担基荷。

在区外送电严重方式下，2015年上海电网仍然具备足够的调峰容量，最低综合煤电出力率出现在8月，为61.3%；而2020年调峰控制月为10月，存在约689 MW的调峰缺口。

导致2020年上海电网出现调峰缺口的主要原因是规划安排的特高压交流电力规模较大，2020年实际备用率达27%，而优先受进区外煤电后，只能安排市内装机大量空闲，无法发挥市内机组的调峰能力。

2.3 敏感性分析

2.3.1 特高压交流来电推迟

考虑2020年特高压交流来电推迟，仅考虑上海在安徽建设的皖电二期机组，电力缺口通过市内备选电源填补。2015、2020年上海电网调峰平衡结果如表1所示。

表1 2015年、2020年上海电网调峰平衡结果Tab.1 Peak load balancing result of Shanghai power grid in 2015 and 2020 MW

根据计算结果，当特高压送电推迟后，由于电力盈余减少，市内煤电机组空闲容量减小，整体调峰能力提升，上海电网2020年不再存在调峰缺口，整体调峰裕度较大。

2.3.2 煤电机组运行特性变化

虽然大型煤电机组的最大调峰能力可达60%，但其在深度调峰时煤耗较高、运行效率较差，且存在导致脱硝装置退出运行的风险。因此，考虑到实际运行中节能减排的要求，计算中有必要考虑大型煤电机组调峰深度受限的场景。

本节计算了大型煤机最大调峰能力从60%降低到50%时上海电网的调峰情况。根据计算结果，2020年区外送电严重方式下，7月—11月均出现了调峰缺口，其中10月的最大调峰缺口增加至约1 045 MW；而2015年由于煤电调峰裕度较大，调整后仍然没有调峰缺口。

2.3.3 燃气机组运行方式

由于燃气轮机在降出力过程中发电效率显著降低、能耗迅速上升，因此实际运行中往往安排燃机机组启停调峰运行，既能提供更多的调峰容量，又能节省发电能耗和运行费用。

根据计算结果，当燃机采用启停调峰方式后，即使大型煤机仅按50%调峰能力考虑，2020年上海电网也不存在调峰缺口。2020年上海电网调峰平衡结果汇总如表2所示。

表2 2020年上海电网调峰平衡结果汇总（敏感性方式）Tab.2 Peak load balanced summary of results（sensitivity）of Shanghai power grid in 2020 MW

2.4 上海电网调峰资源配置和发展策略

在不考虑煤电机组启停运行的前提下，当上海电网调峰容量不足时，建议通过新建调峰电源来满足调峰需要。

从满足电力需求、改善能源结构、提高全社会节能减排效益的角度，上海市可安排建设一定规模的燃气电站，但从解决调峰问题的角度宜选择调峰能力更强、运行费用更低的抽水蓄能电站作为专门的调峰电源。上海本地没有抽水蓄能电站建设条件，可考虑在厂址资源丰富的浙江省和安徽省参与抽蓄电站的投资。除现状及已核准的天荒坪、桐柏、响水涧、琅琊山、仙居等抽水蓄能电站以外，浙江省目前尚未开发、具备建设条件的抽水蓄能电站的厂址资源还包括：天二（2 000 MW）、方溪（1 800 MW）、乌龙山（2 40 0MW）、茶山（1 400 MW）等；同时也可考虑购买金寨（1 200 MW）、绩溪（1 800 MW）等前期工作开展较快的抽水蓄能电站的电力。

2020年，上海电网考虑已获得核准和路条市内电源及规划市外受电，电力存在较大盈余；若不计特高压交流电力，但还缺少电源建设空间。考虑到煤电机组深度调峰不利于节能降耗和减少污染物排放，而燃气机组可通过启停运行发挥优秀的调峰性能，提高网内煤电的平均出力率。

因此，考虑到电网发展的不确定性，建议上海电网结合市外来电投运时间和送电方式，及时有序地参与和开展华东网内抽水蓄能电站和市内燃气电站的前期工作，为电网安全可靠的运行提供保障。

3 上海电网调峰资源共享机制

3.1 调峰资源共享原则

在电网实际运行中，电源方案和构成相对确定，但电网的负荷容易受到天气等因素的影响，存在一定的波动，同时在目前的规划中也较少涉及到周负荷特性的预测，但此类特殊的负荷变化或特性将对电网调峰造成显著的影响。

在常规的电网运行模拟计算中，一般是选取每个月的最大负荷日作为研究对象。然而，考虑到一周内的负荷同样存在波动，周末的负荷将明显低于工作日负荷，根据电网运行经验，调峰压力最大的时段一般为周一凌晨；若在夏季高开机方式下发生气温骤降等特殊情况，可能导致最小负荷率进一步降低，给电网调峰带来额外的压力。

对于低温或台风导致最小负荷率突然降低的场景，若开机机组已达到其调峰能力极限，运行中一般将采取紧急安排调停机组的手段来补充调峰缺口。而对于周负荷特性，需重点关注的问题是：当周末最高和最低负荷均降低但电网仍维持较高负荷日的开机方式时，电网的调峰缺口将较典型日（最大负荷日）时有所增加。

表3对调峰缺口最大的上海10月典型日进行了周负荷特性分析，计算了当周日最高负荷率为周最大日的0.8~0.95，最小负荷率和开机方式均维持不变时，上海电网调峰缺口的变化情况。

表3 周负荷特性对调峰缺口的影响分析Tab.3 Analysis of the impact of load characteristics on the peak week gap

当周日最高负荷降低到最大负荷日的0.80~0.95，10月的最大调峰缺口增加了约800~3300MW。对于此类特殊日导致的调峰不足，若通过建设调峰电源来补充是不合适的，会造成较大的资源浪费，在实际运行中，电网运行人员一般会优先安排市内机组调停，但从资源优化配置的角度，在华东电网整体调峰资源存在富余的情况下，宜考虑向华东网调申请安排调峰电源支援、修改联络线功率，或者向国调申请直流降功率运行。

3.2 华东网内调峰资源综合利用

华东现行的抽水蓄能调度模式是将各抽水蓄能电站的容量按预定分电比例划归到各省市，各自参与电力和调峰平衡。若考虑华东全网抽水蓄能资源联合统筹利用，联合调度，实施各省市调峰资源的余缺互济，则能达到调峰资源的优化利用。

江苏、浙江、安徽电网在2020年均存在一定的调峰裕度，天荒坪、桐柏、响水涧、琅琊山、仙居等机组的装机容量为6 100 MW，计划分配给上海电网的容量为2 080 MW。假设没有机组检修，在满足自身调峰平衡的基础上，10月份华东电网总共可额外为上海提供约2 970 MW的抽水蓄能装机容量（其中江苏670 MW、浙江约1 300 MW、安徽1 000 MW），相应的调峰容量效益可达约6 000 MW，可以完成在紧急情况下给予调峰支援的任务。

3.3 华东全网联合调度

2020年抽水蓄能占华东全网装机的比例仅在4%左右，而火电装机占比为75%。根据调峰平衡的结果，当上海和福建电网出现调峰缺口时，江苏、浙江、安徽电网的煤电机组尚未达到最大调峰能力，因此华东电网整体的调峰能力由于调度方式的限制未能完全发挥。

2020年华东电网各省市同时率为0.96，且受到检修和开机安排方式、区外送电特性的影响，2020年华东各省调峰控制月不尽相同，上海为10月、江苏为6月，浙江为8月、安徽为4月、福建为7月。同时率的存在和调峰控制月的不同为各省间调峰资源相互支援提供了条件。

因此，除华东统调的抽水蓄能机组可相互支援之外，若华东全网所有机组联合调度运行，充分利用低谷之间省间的电力交换能力，即使考虑最苛刻的运行方式，2020年各省也均不存在调峰缺口，全网煤电的最低出力率也能有明显提升，有利于系统运行的节能环保。而当上海电网特殊负荷日下出现调峰缺口时，也可通过向上一级调度部门申请临时修改联络线功率来缓解调峰的压力。

3.4 市外来电参与调峰

根据华东和上海现状各条水电直流的送电曲线实绩，目前运行的主要水电直流在丰水期基本不参与日调峰，加重了受端电网的调峰压力。

2020年的上海电网，在常规负荷特性下，靠充分挖掘市内机组的调峰能力即可保证电网不出现调峰缺口。但是，当电网出现一些可以预见的——如节假日，或不可预见的——如极端天气等状况，导致负荷特性恶化，当市内机组的调峰能力已完全发挥，煤电机组调停等措施又受电网正备用的限制发挥不出更大的能力时，除利用华东网内的调峰资源以外，还可以直接提出申请直流降功率运行作为紧急调峰手段（2013年端午节三峡大发时华东电网曾有过降功率的记录）。由于直流功率较大，参与调峰后即使不能达到水能特性曲线的程度，也能够极大地减轻电网的调峰压力。

3.5 相关配套措施和建议

3.5.1 推进跨省跨区统一的调峰辅助服务市场交易及补偿机制建设

调峰问题是由电源侧和负荷侧的固有特性引起的，电力系统作为一个运行整体，发电企业、用户、电网运营者都有义务参与调峰，共同维护系统安全稳定运行。

一方面，上海电网已受入了大量的市外来电，未来的受电比例还将进一步增加，市外来电的调峰特性、送电曲线对于上海电网的调峰平衡影响很大。现状水电直流丰水期“一条直线”的送电方式给上海电网调峰带来很大压力，因此建议研究探索跨区域调峰辅助服务补偿机制，公平分摊辅助服务义务，充分调动电网企业和发电企业的调峰积极性。

另一方面，目前对华东区域发电厂的辅助服务补偿、分摊、结算是按调度管辖范围划分的6个独立考核区。分开考核不能反映实际运行中的调峰能力的相互支援。为合理的均摊发电企业的调峰成本，进一步挖掘调峰潜力，实现调峰资源跨省调剂，建议研究推进跨省的调峰辅助服务市场交易及补偿机制建设。

3.5.2 新增抽水蓄能等调峰电源采用联合调度方式

华东四省一市年负荷特性、日负荷特性均存在差异，峰谷月份、时段有所不同。各省市电源结构也不同。联合调度可用充分利用这些差异，实现调峰资源在更大范围内优化利用，充分利用区间联络通道输电能力，实现相互支援，将产生显著的节能降耗效益。

抽水蓄能电站的联合优化调度还可降低电网的能耗、提高供电质量。目前抽水蓄能电站采用租赁模式，以及今后可能采取电网全资建设经营的模式均适应于联合调度。在租赁模式下，电站投资方收取的年租赁费基本固定，无论是采取各省市各自调度方式还是全华东联合调度方式，对电站各投资方的收益不会产生大的影响。各自调度或联合调度方式对于不同省市电力公司和发电企业承担的租赁费用分摊比例会产生一定影响。可进一步研究抽水电量的跨省市交易结算机制。

因此，建议华东地区新增以500 kV电压等级接入电网的抽水蓄能机组均采用在全华东范围内联合调度方式，根据区外来电、区内电源、区内负荷特性的特点，科学制定抽水蓄能联合调度规则，合理优化调度运行蓄能机组，充分发挥抽水蓄能电站在电力系统中的综合效益。

3.5.3 继续加强需求侧管理

通过需求侧管理措施，如峰谷电价等，使负荷特性能和上海电网电源的经济运行的方式相接近，这将是优化上海电网调峰资源利用的最优措施。但由于终端电力负荷具有分散、容量大小各异、特性因用途的不同而不同、预测存在偏差的特点，完全靠负荷侧管理以维持上海电网的调峰平衡，在管理和调控方面还有相当的难度[6-8]。

3.5.4 鼓励调峰新技术的研发和应用

目前，除抽水蓄能、燃机等常规调峰电源之外，也出现了一些新的调峰电源类型，例如蓄电池组、压缩空气蓄能调峰电站、超导、飞轮等，但均尚不具备大规模应用的条件。此外，未来电动汽车、蓄热蓄冷技术的大规模应用也将改变电网用电方式，通过适当的机制和技术实现系统范围内智能化的削峰填谷，将大大改善电网的调峰压力。建议在上海地区选取具有应用前景的技术路线，适时开展调峰新技术的试验示范项目，使上海地区走在电力行业新技术领域的前沿。

4 结语

4.1 上海电网调峰格局和调峰资源配置

按照已核准及获得路条的市内电源和规划市外来电，2015年上海电网能够满足调峰需求；2020年，上海电网增加受入了规划的特高压交流电力，考虑其仅有20%调峰能力的条件下，上海电网存在700~1 100 MW的调峰缺口，该缺口可以通过市内燃机启停调峰的运行方式填补，否则需要补充建设部分调峰电源。若特高压送电推迟，上海建设市内电源填补电力缺口，或者特高压交流电力以常规煤电机组的能力参与调峰运行，上海电网2020年将不存在调峰缺口。

从趋势上看，随着区外来电规模的不断增加，上海电网调峰压力将逐渐加重，建议上海电网结合区外来电的落点、容量、建设时序和调峰特性等条件，在厂址资源丰富的浙江省或安徽省积极参与建设抽水蓄能电站作为备用调峰电源；同时，积极开展市内调节能力优异的燃气电站的前期工作，提升上海电网整体的调峰能力。

4.2 上海电网调峰资源共享机制

2020年华东电网除福建外，浙江、江苏、安徽等省均存在一定的调峰裕度，除计划分配给上海电网的抽水蓄能机组之外，其他抽水蓄能机组理论最大可为上海电网提供超过5 000 MW的调峰容量。另外，各省同时率的存在和调峰控制月的不同，也为各省间调峰资源相互支援提供了条件，将资源共享范围扩大为华东网内所有类型机组，实现华东全网机组联合调度，在解决各省调峰问题的同时，还可提升全网煤电机组的平均出力率，降低全社会能耗、提高供电质量。

当上海电网在调峰较困难的时段突然出现低温或台风特殊天气、节假日等情况导致系统负荷骤降时，仅靠市内机组紧急安排调停机组的手段已无法满足此类极端条件下的调峰要求，此时上海电网可采取向华东网调申请安排调峰电源支援、修改联络线功率，或者向国调申请直流降功率运行等手段，利用华东和区外共享的调峰资源解决问题。

4.3 提高上海电网调峰能力的相关政策建议

建议积极推进跨省跨区统一的调峰辅助服务市场交易及补偿机制建设；建议加强峰谷电价等需求侧管理措施；建议在上海地区选取具有应用前景的技术路线，适时开展电动汽车、蓄热蓄冷技术等新技术的试验示范项目。

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