河北省南部电网“十三五”调峰能力研究

秦梁栋,李洪涛,师立涛,冯任卿,宋 静

(1.国网河北省电力公司，石家庄 050021；2.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；3.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050071)

河北省南部电网“十三五”调峰能力研究

秦梁栋1,李洪涛1,师立涛2,冯任卿2,宋 静3

(1.国网河北省电力公司，石家庄 050021；2.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；3.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050071)

介绍电网负荷特性、电源结构及调峰能力，针对河北省南部电网负荷峰谷差大、供热机组占比高的情况，在对不同季节负荷水平、开机方式、风电、光伏出力特性研究的基础上，提出了一种时间概率条件下的电网调峰能力测算方法。

调峰能力；负荷特性；出力特性；风电接纳能力

我国《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》指出，到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，到2030年非化石能源占比达到20%。该文以河北省南部电网(简称“河北南网”)调峰能力为研究对象，针对“十三五”期间河北南网发展规划，在重点分析负荷水平、风电、光伏出力特性基础上，对电网调峰能力进行测算，研究得出了风电可接纳装机空间，为河北省南部地区新能源及电网规划提供了依据。

1 负荷特性

河北南网2015年，统调最大负荷31 945 MW(7月13日)，同比增长5.56%；平均最大负荷23 295 MW，同比增长0.24%；最小负荷9 632 MW(出现在9月3日)，同比下降8.46%；平均最小负荷15 074 MW，同比增长4.0%；平均负荷率82.33%，比同期升高0.6%。

2015年，最大峰谷差12 257 MW(出现在7月27日)，最大峰谷差率42.85%，平均峰谷差8 252 MW，平均峰谷差率35.34%。年负荷特性见图1,春、夏、冬、春节典型日负荷曲线见图2，可以看出，日负荷曲线在一天内出现早高峰、晚高峰2个峰值。通过对2011-2015年5个年份8 760 h负荷数据进行统计整理，得到全年春、夏、冬和节假日(春节)负荷与最大负荷比率的平均值以及峰谷差率的平均值,如表1所示。

图1 全年最大负荷曲线

图2 春、夏、冬、春节典型日负荷曲线

表1 全年负荷特性系数

春季夏季冬季节假日季节最大负荷率0.841.000.900.55最大峰谷差率0.380.420.400.30

2 电源结构及调峰能力

截至2015年底，河北南网全口径发购电容量35 587.93 MW，其中统调发购电容量32 981.93 MW，非直调地方和自备电厂装机容量2 606 MW。统调发购电容量中，省调直调装机容量31 931.93 MW(含锦界、府谷3 600 MW)，外购电容量1 050 MW。

河北南网省调直调电厂按机组类型可分为：火电机组容量为28 330 MW，占直调容量的88.72 %，其中纯凝机组容量18 610 MW，占比58.28%，供热机组容量共9 720 MW，占比30.44%；水电装机容量1 101.9 MW(抽水蓄能容量4×250 MW)，占直调容量的3.45%；风电装机容量938.8 MW，占比2.94%；光伏装机容量1 387.23 MW，占比4.34%，生物质等其它新能源电站容量174 MW，占直调容量的0.54%。河北南网调峰机组主要是火电机组，火电机组主要包含供热机组和纯凝机组，供热煤电在供热期[1-2]调峰能力一般为20%，非供热期为40%，300 MW级以上纯凝机组调峰能力一般为60%，100～300 MW纯凝机组调峰能力一般为50%，不足100 MW纯凝煤电采用启停调峰。

3 新能源出力特性

3.1 风电

3.1.1 风电年出力特性

对全网风电出力数据处理分析，河北南网风电月最大出力分布情况见图3。可以看出，风电出力一年内最大出力变化较大，从全年出力数据分析，呈现一定的季节特征，风电在春冬两季大发，在夏季有明显低谷，年出力特性上呈现“高-低-高”的特点，春冬季最大出力可达到装机容量的82%左右，夏季最大出力仅达到装机容量的42 %左右，这与全年负荷呈现反向变化趋势，全年负荷和风电出力对比曲线见图4。

图3 风电月最大出力曲线

图4 全年负荷和风电出力对比

定义1%时间概率最小保证出力系数P1%[3-4]：横坐标为87.6(8 760×1%)时对应的风电场出力。同理，可以定义P5%、P10%、P30%……。以调峰最为困难的冬季为研究时段，风电冬季出力系数-时间概率曲线中，最大出力系数PMAX=0.83，1%时间概率最小保证出力系数P1%=0.77，5%时间概率最小保证出力系数P5%=0.67，10%时间概率最小保证出力系数P10%=0.60，60%时间概率最小保证出力系数P60%=0.24，80%时间概率最小保证出力系数P80%=0.11。风电冬季出力系数-时间概率分布曲线见图5。

图5 风电冬季出力系数-时间概率曲线

3.1.2 风电日出力特性

对全年日出力最大时刻数据统计分析，河北南网风电最大出力时间分布情况见图6。

从风电日最大出力时间统计分布可以看出，365天中风电最大出力出现的时间分布中，17:00到次日8:00共计16 h中最大出力出现的概率达到86%，9:00-16:00共计8 h中最大出力出现的概率仅为15%，风电出力呈现大概率的“昼低夜高”反调峰特性。

图6 风电最大出力时间分布

3.1.3 风电反调峰特性分析

在电力系统中，常规发电机组的输出功率需要跟随负荷的波动而及时调整变化出力。风电接入系统后，由于风电的间歇性、随机性、波动性，常规电源除了需要跟踪负荷变化的同时，还要承受风电功率波动。风电接入电网时，相当于系统等效负荷发生了变化，风电相当于负的负荷，设系统新的等效负荷Pequ为系统原始负荷功率Pload减去风电输出功率Pwind。根据风电对等效负荷Pequ峰谷差的改变不同，风电日出力可能出现调峰特性分为反调峰、正调峰、过调峰3种情形，根据河北南网风电的出力特性和当前典型负荷曲线，风电接入以反调峰为主要特征，图7为风电反调峰特性图，图中叠加后等效负荷的峰谷差明显增大，从而加大了系统调峰难度。

图7 河北南网日负荷和风电日出力曲线

风电增大的峰谷差，即风电的反调峰出力应满足下式：

(1)

3.2 光伏

3.2.1 光伏年负荷特性

对全网光伏出力数据处理分析，河北南网光伏月最大出力分布情况见图8，可以看出，光伏出力一年内日最大出力变化很大，呈现一定的季节特征。光伏年出力特性上仍呈现“高-低-平”的特点，光伏春季最大出力可达到装机容量的75%左右，夏季最大出力仅达到装机容量的41%左右，冬季光伏出力一般，为装机容量的60%左右，这与全年负荷呈现一定的反向变化趋势，全年负荷和光伏出力曲线对比曲线见图9。

图8 光伏月最大出力曲线

图9 全年负荷和光伏出力曲线对比

与风电类似，引入概率出力系数作为分析指标。但与风电不同之处在于，光伏仅在白天发电，且与负荷变化趋势一致，因此，时间概率基数应为所研究时段的一半。全年1%时间概率最小保证出力系数P1%：横坐标为87.6(8 760×1%)时对应的光伏出力。同理，可以定义P5%、P10%、P30%……。在光伏冬季出力系数-时间概率曲线中，最大出力系数PMAX=0.59，1%时间概率最小保证出力系数P1%=0.53，5%时间概率最小保证出力系数P5%=0.39，10%时间概率最小保证出力系数P10%=0.27，60%时间概率最小保证出力系数P60%=0.04。

3.2.2 光伏日出力特性

对全年春、夏、冬季光伏典型日出力特性进行分析，如图10所示。

图10 光伏典型日出力曲线

从日出力特性上看，光伏出力呈平滑分布，日最大出力均出现在午间日最大负荷时间段，起到明显的削峰作用，日出力特性与日负荷变化趋势基本一致，因此，光伏的日负荷特性具有较好的正调峰作用。

3.2.3 光伏正调峰特性分析

与风电对系统调峰原理类似，光伏调峰同样存在3种可能性，即：反调峰、正调峰、过调峰3种情形。按照目前河北南网的典型负荷曲线，光伏接入系统后，光伏出力增减趋势与系统负荷基本相同，且光伏在一定容量范围内，光伏出力峰谷差小于系统负荷峰谷差，系统等效负荷曲线峰谷差减小，光伏呈现出正调峰特性。需要指出的是，未来随着诸如峰谷电价、鼓励新能源电力消纳等激励政策和措施的出台，负荷曲线可能出现反转，光伏也可能呈现出反调峰特性。

与风电类似，光伏与系统负荷叠加，光伏相当于负的负荷，系统新的等效负荷Pequ为系统原始负荷功率Pload减去光伏输出功率Psolar。

根据河北南网光伏的出力特性，光伏接入以正调峰为主要特征，图11体现了光伏正调峰特性，图中叠加后等效负荷的峰谷差明显减小，有利于系统调峰。

图11 河北南网日负荷和光伏日出力曲线对比

光伏减小的峰谷差，即光伏的正调峰出力应满足下式：

(2)

4 调峰能力分析

4.1 调峰能力计算流程

由负荷特性分析可以看出，不同季节的负荷水平和峰谷差存在较大差异，一年中系统开机方式必然受负荷水平、季节、经济性等因素影响[5-6]，不同的开机方式对系统调峰能力带来直接影响，因此，调峰能力计算应首先针对不同时段进行电力平衡计算以确定开机方式，再根据开机方式确定机组及其调峰能力。

4.2 电力平衡计算

4.2.1 电力平衡原则及边界条件

装机备用取12%进行平衡计算;常规水电按100%容量受阻计算，抽水蓄能全部容量参与平衡;按照60%时间概率参与电力平衡，风电冬季按24%容量参与平衡;按照60%时间概率参与电力平衡，光伏冬季按4%容量参与平衡;热电机组供热期受阻按照供热机组容量5%计算;联网电力流考虑规划特高压、点对网及500 kV网间联络线的边界条件;在根据电力平衡确定开机时，当电力存在缺额，按照机组全部开机考虑；当电力盈余，机组开机优先安排大型机组，供热期优先保障热电机组。

4.2.2 电力平衡分析及开机方式确定

根据调峰实际，冬季供热期热电机组可调出力最小，尤其是在节假日(春节)时期，负荷维持在较低水平，其他调峰机组开机较少，是调峰最困难时期，因此，重点对节假日(春节)进行重点计算。

2015-2020年节假日开机方式见表2，在河北南网2015-2020年冬季负荷条件下，除2015年电力存在缺额外，其余年份电力供应相对宽松，根据负荷情况适当考虑退出部分纯凝机组，而供热机组不受影响，可通过表2中“电力平衡校验”检验开机基本满足需求。

表2 2015-2020年节假日开机方式 MW

年份2015年2018年2020年需要工作容量184002328527720发电负荷164292079024750备用容量197124952970系统装机容量284933601338649受阻容量293864148800外受电4650771011170装机盈余118051402413299煤电开机方式确定供热煤电97201305213052纯凝煤电33006001320电力平衡校验956762

4.3 调峰能力计算

4.3.1 调峰计算原则及边界条件

调峰平衡计算所采用的边界条件如下：

各类机组调峰安排考虑到网络的安全约束;旋转备用(热备用)根据国调要求不应低于全网最大负荷需求的3%;根据经验统调负荷按照全社会最大负荷预测的95%考虑;区外受电点对网调峰能力按60%考虑，跨区联络线调峰能力按50%考虑，特高压按35%参与调峰;燃气机组不考虑启停调峰(1～3 h)，调峰能力按机组容量的70%;风电冬季参与反调峰取值最大出力83%;光伏冬季按照60%时间概率参与正调峰出力系数取4%;生物质能发电及综合利用机组不考虑其调峰能力。

4.3.2 调峰能力裕度

河北南网2015-2020年节假日调峰能力分析见表3。

表3 2015-2020年节假日调峰能力 MW

指标2015年2018年2020年统调季节最大负荷164292079024750季峰谷差率0.300.300.30季峰谷差492962377425规划并网光伏正调峰49129194旋转备用率3%3%3%调峰需求537367317973系统最大调峰能力8609903910797规划并网风电反调峰77918582439不考虑已规划风电调峰能力裕度323623072823考虑已规划风电后调峰能力裕度2457449384

节假日(春节)河北南网最大负荷较低，峰谷差值相对较小，纯凝机组退出较多，供热煤电调峰率较低，经计算，调峰能力在一年中属最弱时期，2015-2020年河北南网总计调峰空间在2 307～3 236 MW。

5 结论

从出力特性上可知，风电具有反调峰作用，光伏具有正调峰作用，并提出了在一定时间概率条件下的风电、光伏最小保证出力系数，在调峰能力测算中充分利用了上述研究成果。通过测算，提出了河北南网风电可接纳装机容量空间，对今后电网发展规划和新能源发展规划工作发挥重要指导作用。参考文献：

[1] 赵 冰.以调峰能力为约束的辽宁电网风电接纳能力研究[D].吉林东北电力大学，2010.

[2] 马晓迪.调峰约束条件下的电网接纳风电能力研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[3] 大规模风电并网条件下的电力系统有功功率平衡理论研究[D].大连：大连理工大学，2011.

[4] 衣立东.风电并网后西北电网调峰能力的计算方法[J].中国能源，2014,36(9):39-42.

[5] 叶 斌,葛 菲.安徽电网电源规划及调峰能力平衡研究[J].安徽电力,2011，28(3):81-84.

[6] 刘德伟.考虑调峰和电网输送约束的省级系统风电消纳能力分析[J].电力系统自动化，2011,35(22):77-81.

本文责任编辑：靳书海

Research on Peaking Capacity of Hebei South Grid During 13th Five-year Plan Period

Qin Liangdong1,Li Hongtao1,Shi Litao2,Feng Renqing2,Song Jing3

(1.State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021,China；2.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China;3.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Electric Supply Branch,Shijiazhuang 050071,China)

In this paper,considering the load level,power running mode in different seasons,wind power and solar power output characteristics,it proposes a method that based on the probability of a certain period of the new power onthe grid peaking capability of calculation.

peaking capacity;load characteristic;power characteristic;wind power absorb capacity

2016-08-30

秦梁栋(1978-)，男，工程师，主要从事电力系统规划设计与研究工作。

TM727.2

A

1001-9898(2016)06-0001-04