计算和评价电网消纳新能源能力的方法研究

周脉玉 任普春 白宏坤

【摘要】准确衡量电网消纳新能源的能力是进行新能源规划、电网运行方式和调度计划安排的基础。本文在总结现有的评价电网消纳新能源能力方法的基础上，提出了一种分析计算电网消纳新能源能力的新方法。该方法是以电网年内消纳的新能源发电量作为评价指标，且该发电量是根据全年365天的开机平衡、逐小时的电力电量平衡及合理安排抽水蓄能运行方式计算的。根据该方法计算的电网年内消纳的新能源发电量的变化情况，可以确定新能源发电装机的合理规模。该方法与常规方法相比，能够大幅度地提高计算电网消纳新能源数量的准确性。该方法对准确评价电网消纳新能源电量的能力及制定新能源发电规划具有指导意义。

【关键词】新能源；消纳能力；开机平衡；发电量

引言

大规模新能源的开发和利用一直是世界各国普遍关注的焦点。当新能源发电装机规模较小时，电力系统能够充分消纳新能源的并网电量；而当新能源发电装机达到一定规模后，由于部分新能源电站出力具有间歇性、波动性等特点，能否完全被消纳取决于电力系统的电源结构、电网状况、负荷特性等客观条件。如果电网内新能源发电装机容量超越这些客观条件，将导致电网运行困难，且出现新能源发电量不被电网消纳的情况；如果新能源电站装机过小，又不能充分利用新能源。因此，必须正确评估电网对新能源发电量的消纳能力，指导新能源电站的规划和建设，取得经济效益、环保效益和社会效益的统一。

在评估电网消纳新能源的能力时，目前国内采用的常规方法，是以设计水平年或典型季节的电网典型日的负荷及峰谷差为边界条件计算电网的调峰裕度；进一步根据典型日新能源电站增大峰谷差的值占新能源电站装机容量的比例系数，确定电网可接纳新能源发电的装机容量。

常规方法较为粗放，且不合理，主要体现在两个方面：首先，从电网调峰裕度看，即使相同的开机方式，每日的调峰裕度也是不同的，且每日新能源增大峰谷差的值占新能源装机容量的比例系数也不同。以典型日的负荷及峰谷差为边界条件将造成计算结果误差颇大；其次，开发新能源，特别是风电和太阳能，主要目的是获得电量效益，减少化石燃料的消耗量，提高环保效益，而常规方法并不能得出电网一年内消纳新能源发电量的准确数量。

为了正确计算及评估电网消纳新能源的能力，因此，探寻一种较为合理且精确的电网消纳新能源能力的评价新方法尤其必要。

1、计算和评价电网消纳新能源能力的新方法

首先，采用在一定新能源电源装机情况下，电网每年消纳新能源的发电量作为评价指标。

其次，进行无新能源电源时，全年365天的开机平衡及逐小时电力电量平衡。在进行开机平衡时，必须满足以下条件：

（1）满足电网及电厂的安全要求；

（2）供热及其他要求的最小开机方式；

（3）满足火电机组的启停费用及燃料费用最优要求；

（4）开机容量必须满足以下条件：

式中：PYmax为每日发电负荷最大值（有时也包括联络线输入及输出电力）及系统的运行备用；Pimax为机组i运行时的最大技术出力；为电网的开机容量的最大出力。

第三，根据电网的8760小时负荷曲线、新能源8760小时出力曲线、计算风电及光伏电源的有效出力及电网为了消纳新能源而增加的备用（其最大值为每日参加系统平衡的有效出力）。

第四，在保持启停费用不变的情况下，进行有新能源发电装机时，全年365天开机平衡。

在此时，式（1）中的PYmax为经新能源电站出力修正后的数值。

第五，采用生产模拟方法，进行电网全年逐小时电力电量平衡；

在进行电力电量平衡时，修正后的系统日负荷曲线每小时的负荷值必须满足以下条件

式中：PYi是经新能源电站出力修正后系统的每小时的负荷值；Pi为机组i的实际出力，且Pimin≤Pi≤Pimax；Pimin为机组i的最小技术出力。

在进行电力电量平衡时，抽水蓄能电站先按备用考虑，然后，根据初步平衡结果确定抽水蓄能电站抽水和发电的时间。当净负荷小于开机机组的最小出力时，抽水蓄能电站抽水运行；当净负荷大于开机机组的最大出力时，抽水蓄能电站必须发电运行；当净负荷大于开机机组的最小出力，而小于开机机组的最大出力，抽水蓄能电站根据消纳新能源电量及备用的需要综合考虑确定是发电运行还是停机备用。

第六，计算不被电网消纳的新能源发电量

当在时刻t时，如果，说明在此时段不存在新能源发电量不被电网消纳的情况；如果，说明在此时段存在新能源发电量不被电网消纳的情况或需要火电机组停机调峰。在火电机组不参加启停调峰情况下。当时，则 为在时刻t时，没有被电网消纳的新能源发电量；且当时，则为在时刻t时，火电机组不参加系统启停调峰时，没有被电网消纳的新能源发电量；为在时刻t时，新能源所有机组的总出力。

第七，计算在火电机组不参加启停调峰情况下电网消纳的新能源发电量

电网消纳的新能源发电量=新能源电站理论发电量-不被電网消纳的新能源发电量。

第八，计算火电机组启停调峰的费用及火电机组启停调峰一次多消纳新能源发电量及效益。通过效益分析，确定通过火电机组启停调峰多消纳的新能源发电量。

2、算例

本文以东北电网某省网2020年为例评价电网消纳风电的能力及确定合理的风电装机规模。

2.1采用新方法计算电网消纳风电的能力及确定合理的风电装机规模

2.1.1边界条件

（1）电力需求：2020年电网的用电量约为1069.88亿千瓦时；电网的最大用电负荷（包括发电厂用电和网损）约为16764.02MW。

（2）电网8760负荷曲线

（3）电网常规电源现状

到2020年，电网的装机容量为24845MW，其中：常规燃煤机组3910MW，供热燃煤机组12257MW，生物质装机440MW，垃圾发电66MW，抽水蓄能电站1700MW，常规水电站6472MW。

（4）供热期：为10月20日至来年4月10日，共计6个月；

（5）火电机组的最大出力和最小出力：在供热期内，供热机组的最大出力为额定容量的95%；最小出力为额定容量的70%。非供热期，供热机组的最大出力为额定容量；最小出力额定容量55%。常规煤电的最大出力为额定容量；最小出力额定容量50%。

（6）负荷旋转备用按最大负荷的7%考虑，风电和光伏增加的旋转备用按风电及光伏有效出力的50%考虑。

（7）在供热期，供热机组全部开机

（8）电网风电出力特性：风电8760小时的风场出力情况，年发电小时约为2114小时。

2.1.2电网消纳风电的能力计算及合理的风电装机规模确定

当电网2020年风电装机规模为12000MW时，如果开机机组的最小出力大于电网的负荷时，采取风电停机调峰措施，则2020年电网消纳的风电电量为240.36亿千瓦时，风电场全年平均利用小时数约为2003小时，全年弃风电量比例为5.25%。每月电网消纳的风电电量情况见表1和表2。

如果风电装机减少2000MW，总规模为10000MW，则2020年电网消纳的风电电量变为207.34亿千瓦时，减少了33.10亿千瓦；全年的弃风电量为4.11亿千瓦时，减少了9.21亿千瓦时。也就是说当风电装机容量从10000MW增加到12000MW，电网消纳风电电量的增加额是弃风电量增加额的3.6倍。

当风电装机增加2000MW风电装机时，总规模为14000MW时，则2020年电网消纳的风电电量变为262.38亿千瓦时，增加了22.02亿千瓦；全年弃风电量为33.57亿千瓦时，增加了20.25亿千瓦时，电网消纳风电电量的增加额和弃风电量的增加额几乎相等。

综上所述，电网2020年合理的风电装机规模约为12000MW。

2.2采用常规方法分析电网消纳风电的能力情况

根据常规算法，2020年365天的电网的调峰裕量见表3。从表3中可以看出，在一年内，每天的调峰裕量差别很大，同时考虑到，每天风电增大峰谷差的值占风电装机容量的系数也差别很大。因此，选取哪一天的数据作为评价标准都会造成误差颇大，如果选择调峰裕量最大的值作为标准，将导致电网风电装机容量过大，如果选择了调峰裕量最小的值作为标准，将导致电网风电装机容量过小

3、结束语

该文提出了评价电网消纳新能源能力的一种新方法。该方法是以电网消纳的新能源的年发电量作为主要评价指标，通过365天的逐日开机平衡及8760小时的电量平衡，精确计算电网消纳新能源的发电量。通过实例计算，某电网在2020年，风电装機容量为12000MW为合理装机。如果采用常规方法评价电网消纳风电的能力，得出的数据，不是大于12000MW，就是小于12000MW，导致电网不能合理的开发新能源。因此，本文提出的方法对于准确评估电网消纳新能源的能力及合理安排新能源的发电装机具有很好的借鉴意义。

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