远距离外送风电配套运行抽水蓄能电站经济规模分析

李星锐，吕朝阳

(1.武汉大学，湖北武汉430071；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)



远距离外送风电配套运行抽水蓄能电站经济规模分析

李星锐1，吕朝阳2

(1.武汉大学，湖北武汉430071；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

以风力发电特性、抽水蓄能运行特点为基础，分析抽水蓄能配合风电运行方式，构建配套运行的抽水蓄能经济规模相关模型，论证风电远距离外送配套一定规模抽水蓄能的经济可行性，以保障风电远距离外送的利用效率，促进我国风电可持续开发建设。

风电；抽水蓄能；经济规模；配套运行

1　研究背景

我国华北、东北、西北地区风能资源丰富，风电所在区域能源消纳空间有限，风电外送是主要措施。但由于风电具有间歇性、随机性等特点，大规模接入对电网运行将产生较大的影响，以保障电网安全经济运行为基础，风电外送电量弃电现象较为显著。我国华北、东北、西北弃风限电较严重，尤其以河北省张家口、吉林省、内蒙古自治区锡林郭勒盟、呼伦贝尔市和兴安盟等地最为严重，2014年上半年，全国风电弃风电量175亿kW·h，平均弃风率15.2%。

可见，风电与电网的适应性问题已成为限制风电发展和使用的重要影响因素。为更好地利用风能资源，促进可再生能源发展，根据风力发电特性，本文分析研究配套的抽水蓄能经济规模，以合理减轻风电并入电网对电力系统的影响，提高我国风电利用效率，促进风电可持续开发建设。

2　配合风电外送电源运行方式分析

2.1风电特性

风电出力具有不完全随机性，“随机性”体现在其具有较大的波动性和间歇性，“不完全”是体现在风电出力具有可预报性和明显的地理、季节特性[1]。风电出力具备随机性，为电力系统提供的有效容量小。

2.2抽水蓄能电站运行特性分析

抽水蓄能电站机组启停迅速，快速增减负荷能力强，能够很好的适应负荷的瞬时变化，是理想的平抑负荷波动的快速反应电源。

抽水蓄能电站在风电出力高峰时段，可作为泵站，利用系统多余电能抽水，将多余的风电电能储存；在风电出力低谷时，抽水蓄能则以发电工况为主，平衡风电出力小的问题。抽水蓄能调峰又填谷的双重作用，是抽水蓄能电站特有的功能，是其他类型电源无法代替的。

抽水蓄能电站和常规水电站一样，启动灵活迅速，从启动到满负荷只需2 min，由抽水运行转换到发电工况也仅需3～4 min，是承担系统快速反应容量和调频任务的理想电源。如风电出力的随机波动性，特别是短时间内发电出力变化较大时，会对电力系统短时间的有功功率平衡及频率稳定产生影响，为维持系统频率稳定，需要电网配备充足的快速反应容量。抽水蓄能电站承卸负荷迅速灵活，能适应负荷的急剧变化，调频性能好，可以很好的承担电网快速负荷跟踪和维持电网频率稳定任务。

另外，风电出力过程中无功功率的变化，将会导致系统各节点电压改变，而电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证风电连网电压接近额定值是风电大规模外送运行调度的基本任务之一。当风电并网无功不足或多余时，抽水蓄能电站能迅速调整无功出力或吸收无功，有效控制系统节点电压水平，实现电网无功功率平衡和电压稳定，提高电网的电能质量。

2.3燃煤火电运行特性分析

目前进口及国产大容量燃煤火电机组的调峰幅度可在50%以上，600 MW以上机组甚至可达到60%。一般单机容量在100 MW及以下的机组也可实施两班制开停调峰运行，随着小火电机组的逐渐退役，开停机组的量越来越小。网内大容量燃煤火电机组由于燃煤供应与设计煤种有时差别很大，火电机组很难达到设计的调峰幅度，而且考虑到火电机组调峰运行的经济性，其综合经济调峰幅度不宜太高。

另外，从燃煤火电本身运行条件看，燃煤火电从冷态至满负荷运行时间约6～8 h，从温态至满负荷运行时间约3 h，从热态至满负荷运行时间约1.5～2 h，机组负荷每分钟爬峰约额定容量的3%～5%。可见，燃煤火电在负荷变化时间反应上面存在较大限制，适应风电出力间歇性、随机性能力有限，主要考虑燃煤火电平稳出力为主。

3　配合运行数学模型分析

3.1风电并网容量分析

风电外送并网容量大小与其经济合理利用密切相关，考虑风电对受端电网负荷调峰的影响，低谷、高峰时段风电并网容量也需重点对待。根据我国相关风电基地风电场出力过程现状，风电场电量集中在较小出力区段，当风电上网容量为其装机容量的50%～70%时，并网弃风率约20%～3%，此特性有利于合理弃风，减少电网配套投资。

3.2抽水蓄能经济规模原理分析

基于风电并网容量的合理弃风情况，风电弃风量存在合理弃风研究空间。本文研究主要为抽水蓄能电站降低风电弃风率，提高输变电通道经济利用小时数，为受端电网提供更多电力电量，以替代受端电网燃煤火电规划建设及其发电量等。抽水蓄能经济规模研究分析原理如下。

(1)随着抽水蓄能配合运行规模增大，风电弃风率将随之减小。

(2)以弃风率最小方案为参照对象，以同等要求满足受端电网电力电量为前提条件，以送端抽水蓄能规划建设及运行费用、受端替代火电规划建设及费用为研究对象。

(3)随着送端配合抽水蓄能电站规模增加，受端规划建设燃煤火电将随之减少，据此规律分析论证各方案费用现值情况，分析各方案的经济性，以论证抽水蓄能经济规模。

(4)具体计算分析为，拟定送端配套运行方案(抽蓄规模占风电规模比例由0%开始按5%为等差逐渐增大)→综合考虑送端和受端同等电力电量为前提，弃风量减少，受端规划建设火电减少→计算各运行方案送端和受端的项目经济费用现值→选择费用现值最小方案为推荐方案。

3.3数学模型分析

基于上述分析成果，构建风电外送配合抽水蓄能电站经济规模分析数学模型如下

上述数学模型中，抽水蓄能电站、受端电网燃煤火电的投资及运行费用水平均需根据实际情况选取。

4　应用分析

4.1案例概况

某风电基地风能资源十分丰富，被国家确定为7大千万千瓦级风电基地之一，该风电基地外送电网为华中电网，外送风电规模为8 000 MW，输变电通道容量为直流输送容量为8 000 MW，考虑配套火电装机8 000 MW。

4.2配合运行电源分析

4.2.1风电

该区域一年四季典型日风电出力分布如图1所示。

图1　外送风电出力及电量分布统计

4.2.2燃煤火电

燃煤火电在负荷变化时间反应上面存在较大限制，适应风电出力间歇性、随机性能力有限，主要考虑燃煤火电平稳出力为主。同时考虑送端电网环境保护、水资源条件、充分利用清洁可再生能源等因素，燃煤火电装机利用小时数按4 300 h控制。

4.2.3抽水蓄能

基于抽水蓄能特点，抽水蓄能电站在风电外送中，充分发挥风电高峰时段抽水蓄能，低谷时段发电运行作用，以积极减少风电弃风电量，提高风电开发利用效率，保障电网安全经济运行。

4.3抽水蓄能经济规模分析

4.3.1不同比例方案配合运行分析

基于该风电配套电源情况，火电技术出力系数按0.5考虑，风电最大上网容量率则为50%，该风电配套运行外送运行方式如图2所示。

图2　风电外送配套电源后综合出力过程示意

4.3.2经济规模分析

4.3.2.1方案分析

基于上述配合电源运行方式分析，考虑抽水蓄能占风电比例按0、5%、10%、15%、20%、25%、30%(即方案1～7)拟定模拟计算分析，各方案对应减少风电弃风量成果表1所示。

表1不同抽水蓄能方案风电弃风成果统计

方案火电利用小时数/h输电线路利用小时数/h输电线路增加小时数/h弃风率/%减少弃风电量/亿kW·h143006115—13.85—2430062921779.28143430064683535.72284430066205051.56415430067085930.35476430067166010.00487430067166010.0048

4.3.2.2经济规模分析

基于上述分析成果，经济规模分析原则与前提为：受端电网以火电电源作为补充方案，由于送端火电配套容量与输变电通道容量相当，故本研究只考虑电量效益补充(煤耗315 g/kW·h，标煤价格900元/t)，以方案7为参照对象，方案1～方案6受端电网分别需要补充燃煤火电电量24.4亿、17.9亿、11.5亿、5.3亿、1.6亿、0 kW·h。

方案1～方案7送端电网需建设抽水蓄能规模分别为0、400、800、1 200、1 600、2 000、2 400 MW，送端抽水蓄能单位容量投资4 500元/kW，年运行费率2.5%，厂用电率0.25%。社会折现率按8%计算。

综合上述前提与抽水蓄能经济规模数学模型，按各方案同等满足受端电力系统要求为基础，对各方案费用现值进行分析，结果如表2所示。

表2　各方案费用现值成果对比　亿元

4.3.2.3小结

综上所述，基于该风电出力特性、配合电源运行、受端电网替代电源及外送通道情况，结合本论文提出的计算分析方法，该风电基地打捆运行的抽水蓄能经济规模约为1 200 MW，占外送风电比例约为15%。

由于风电打捆外送受电源特性、规模及输变电通道运行限制等因素，不同风电基地出力特性存在一定差别，抽水蓄能电站配备的经济规模比例将有所不同，需据各边界条件分析论证。

5　结　论

随着我国环境保护力度日益增大，清洁可再生能源在我国已全面快速发展建设。风电为作为清洁可再生能源中的重要组成部分，在我国已得到大规模开发建设，但由于其具有随机性、间歇性和不可控性等特点，大规模外送对电网运行会产生较大影响，风电弃风现象较为显著。为更好地利用风能资源，促进可再生能源发展，本论文根据风力发电特性，分析抽水蓄能配合风电运行方式，构建配套运行抽水蓄能经济规模数学模型，论证风电大规模外送配套一定规模抽水蓄能的合理可行性。论文以我国某重要风电基地为案例，对配备不同抽水蓄能方案进行分析计算，得到该风电基地外送8 000 MW风电配合运行的抽水蓄能经济规模约为1 200 MW，占外送风电比例约为15%。另外，由于风电出力特性、输变电通道运行限制等因素变化，不同风电基地外送配套的抽水蓄能电站经济规模比例将有所不同。

[1]吕朝阳， 张丹庆， 李怀玉. 我国风电大规模外送协同运行方式研究[J]. 水电能源科学， 2012， 30(9)： 202- 205．

[2]徐飞， 陈磊， 金和平， 等. 抽水蓄能电站与风电的联合优化运行建模及应用分析[J]. 电气系统自动化， 2013(1)： 149- 153．

[3]汪宁渤. 风电与火电打捆外送相关问题研究[J]. 中国能源， 2010(6)： 18- 20．

[4]尹明， 王成山， 葛旭波. 风电并网经济技术评价研究综述[J]. 电力系统及其自动化学报， 2010(5)： 102- 105．

[5]石恒初， 剡文林， 刘和森. 风电并网对电力系统的影响初探[J]. 云南电力技术， 2009(37)： 8- 10．

[6]靳亚东， 董化宏， 马登清. 建设蓄能电站解决风电消纳经济性分析[J]. 水力发电， 2011， 37(10)： 8- 10．

(责任编辑高瑜)

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

李星锐(1995—)，男，湖南长沙人，研究方向为电气工程与自动化、电力系统运行与管理等．

TV213.1

A

0559- 9342(2016)05- 0095- 04