全球能源互联背景下山东电网调峰策略分析

牟 宏 ，汪 湲 ，许乃媛 ，刘晓明 ，魏 鑫

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021）

·电网技术·

全球能源互联背景下山东电网调峰策略分析

牟 宏1，汪 湲1，许乃媛1，刘晓明2，魏 鑫2

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021）

全球能源互联背景下，新能源的快速发展使得山东电网调峰压力逐渐增大。对各种调峰手段做详细的技术经济比较，并结合山东电网实际，提出了山东电网调峰策略。最后，对核电机组是否参与电网调峰做敏感性分析。分析结果对提高山东电网调峰能力及运行经济性具有较为重要的意义。

全球能源互联；新能源；调峰策略

0 引言

为统筹解决能源和环境问题，破除经济发展瓶颈，国家电网公司提出构建全球能源互联网的构想，促进新能源大规模开发、大范围配置、高效率利用，实现能源与政治、经济、社会、环境协调发展，保障能源安全、清洁、高效、可持续供应［1］。

近年来，我国新能源发展迅速。新能源的快速发展，在增加社会节能减排效益的同时，其出力不确定性也给电网调峰带来较大压力。文献［2］分析了影响水电/火电机组调峰能力的6项重要因素，提出机组调峰能力的模糊综合评价方法，并建立机组调峰能力经济激励机制数学模型。文献［3］探讨了基于调峰形势的联络线受电优化模型，采用分时电价计算方法，综合考虑电网内机组的发电、联络线受电和调峰能力三者的关系，在保证电网安全的条件下，得到了经济效益优化的受电曲线。文献［4］通过负荷日前起停计划、日内滚动调节，将负荷作为可调节对象纳入电力系统协调控制，可实现电网与需求侧联合调峰。文献［5］结合西北水电资源丰富、调节性能好的特点，考虑负荷特性、电源特性等，提出了水电与风电协调运行的思路，给出了水电、火电为风电调峰的调峰能力计算方法。

本文介绍了山东新能源发展现状及规划，分析了各类调峰手段的技术经济性，提出山东电网调峰策略。最后，对核电机组参与调峰做初步探讨。

1 山东新能源发展现状及规划

目前，山东新能源主要包括风电、光伏发电等。截至2016年底，山东并网风电、光伏分别达到839万kW、455万kW，“十二五”以来的年均增长率分别达到35.1%、149.2%。山东并网风电、光伏规划到2020年将分别达到 1 400万 kW、1 000万 kW，2030年达到2 300万kW、2 500万kW。

山东省内目前无投运核电机组，海阳核电一期、荣成高温气冷堆示范工程正在建设。山东核电装机容量规划到2020年达到270万kW，到2030年将达到1 550万kW。

2 各类调峰手段技术经济性比较

2.1 火电机组调峰特性

火电机组都具有一定的调峰能力，不同容量机组调峰深度如表1所示。锅炉燃烧的稳定性限制着机组的最低负荷，调峰幅度由机组最小技术出力决定。当机组运行在可调深度范围内时，不考虑调峰成本。当火电机组出力减至正常运行区间之下时为深度调峰，深度调峰导致机组发电效率显著下降并需额外燃油，大幅增加发电成本。因此，需要额外计算调峰成本。提高火电机组可用率和用电高峰时段的机组出力水平，精心制定发电机组检修计划，充分利用节假日等负荷低谷，安排发电机组消除缺陷，对于提高电力系统调峰能力具有重要意义。

表1 不同容量机组可调峰深度

燃煤火电机组热态启动一次需要2 h左右，在一天的时间跨度上最多启或停一次，启停成本较大。一般情况下，燃煤机组的深度调峰成本小于开停成本，所以深度调峰往往先于开停，即机组的开停容量需从其深度调峰下限往下减。国内外超临界燃煤火电机组的调峰深度可达50%以上，出力调整速率约为每分钟3%~5%。当前煤电机组最大向上爬坡速率可达 10%［6］。

2.2 抽水蓄能机组调峰特性

灵活的抽水、发电工况转换能力以及快速的机组启停是抽水蓄能机组不同于常规机组的最大优点，也是其为理想调峰机组的原因。一般可在2 min内由静止到发电空载运行，再经10~30 s即可满出力运行。在缩减负荷峰谷差方面有双倍的调峰能力，是其他机组无法比拟的优点。抽水蓄能机组出力大小和持续时间取决于其发电／电动机功率及水库库容。当前使用最多的抽水蓄能机组为可逆式机组，即二机式水泵水轮机。其正向运行时为水轮机，反向运行时为水泵。抽水工况下功率取值是离散的，大小由电网需求来选择。当前山东泰山抽水蓄能电站具有4×250 MW装机容量，上水库发电库容为895万m3。抽水蓄能机组在负荷低谷时作为负荷抽水，在尖峰及火电爬坡困难的时段发电出力。可以通过考虑其发电效率损失，计算其调峰成本。在调度时间T内，满足

式中：Ef和Ep分别为抽水蓄能机组的发电量和抽水电量；Em为受库容限制的抽水蓄能电站最大允许发电量；ηpu为抽水蓄能电站的转化效率。因每蓄单位电量需消耗1／ηpu的电量，单位调峰容量对应的成本为（1／ηpu－1）Cpu，Cpu为单位用电量成本。

电网运行中要合理安排抽水蓄能机组运行方式，优化发电抽水调度，结合天气及电网预测负荷，调整上下库水位，充分发挥其快速调峰和事故备用作用。应充分利用节假日等负荷低谷时期安排发电机组消除缺陷，在迎峰度夏高峰负荷期间不安排发电机组和电网设备计划检修，保证负荷高峰时期的电力供应。

2.3 燃气机组调峰特性

燃气电站建设成本较高，其运行特点为启停迅速、操作灵活、运行过程的性能稳定可靠、负荷升降速率快，其从并网到满负荷需要半小时左右，滑压运行的机组每分钟负荷变化率可达8%~12%。在电力系统负荷尖峰到来时，可迅速投入，缓解负荷压力，特别适合参与调峰，是缺少水电且电力负荷峰谷差较大的电力系统的理想电源。对于燃气机组而言，原则上可实现快速频繁启停，但考虑到机组工况与实际运行情况，一般一天之内最多只启停一次。

从我国的实际情况看，燃气机组的发电成本要远高于常规燃煤机组，若不需通过燃气机组启停来满足系统调度要求，则不会优先安排燃气机组发电。燃气机组开停将带来额外的发电成本增量。在有气源保障的前提下可适度发展燃气机组。燃气机组投运后，落实好天然气资源，充分发挥燃气机组的快速调峰作用有利于提高电网调峰能力。

2.4 联络线参与调峰

新能源并网调峰通常采用本地调峰电源和跨大区调峰容量等方式进行。随着特高压交直流接入山东电网，山东电网接受外电不断增加。系统受电容量会影响全网机组的开机容量，进而影响系统调峰能力。考虑未来接入山东电网的风电、光伏等可再生能源的波动性和随机性，未来电网备用需求将增加，调峰压力进一步加大。可考虑在签订联络线购电合同时，根据山东电网负荷特性和调峰需求，调整购电策略，将联络线送电作为调峰资源，以应对可能的调峰不足。同时，也可在调峰不足等紧急情况下，以联络线输送功率为紧急支援，提高系统安全性。

2.5 需求侧管理和风功率控制参与调峰

电力需求侧管理和风电场出力控制是调峰不足情况下确保系统安全稳定的最后防线。在负荷侧可通过负荷日前启停计划、日内滚动调节，将电解铝、碳化硅、铁合金等高载能负荷作为可调节对象纳入电网协调控制，有效实现大规模风电和高载能企业的优势互补、协调发展，实现电网与需求侧联合调峰。可充分利用价格杠杆引导电力需求，进一步移峰填谷，解决尖峰时刻电力供应紧张局面。在采取常规手段不能满足要求时，为确保电网安全稳定运行，风电机组被迫参与电网调峰。风电机组按日前计划运行，在不满足全额收购上网电量的时段，实施部分弃风限电。

未来在电力体制改革背景下，用户的用电行为会逐渐趋于智能用电方式，用电效率大大提高，合理实施峰谷电价，将有利于提高负荷率，降低电网最大负荷，缩小峰谷差，从而使负荷曲线得到优化。

3 山东电网调峰策略分析

前述各类调峰手段中，火电机组和抽水蓄能机组参与调峰是传统的调峰手段，在山东电网调峰中被广泛采用。因山东地区水电资源很少，研究中不考虑常规水电参与调峰。近年来，山东电网最大峰谷差逐年增加，加大了调峰难度。正常情况下，机组的负荷调节能力可以满足次日的系统调峰需要；对于因天气变化等导致的连续多日负荷水平单调急剧变化，需采用泰山抽水蓄能电站机组发电迎峰、抽水填谷；个别情况下，还需要火电机组开停调峰。随着风电、光伏以及核电的进一步发展，未来山东电网调峰压力会进一步加大。若不充分、合理利用可用的调峰资源，为维持系统安全稳定，未来将不得不采取需求侧管理和风功率控制等具有较高经济成本的措施，不利于可再生能源充分利用和经济社会发展。

基于前述各调峰手段的技术经济性分析，考虑山东电网的调峰现状及大规模可再生能源接入导致备用需求增加、调峰压力增大等问题，全球能源互联背景下山东电网适用的调峰策略为：

1）制定考虑新能源出力特性、季节和日负荷变化的联络线输送功率计划，以配合电网调峰。

2）调峰过程中优先利用火电机组可调深度，再利用深度调峰资源，调用过程中优先以不承担基荷的小容量火电机组参与调峰，再调用可用的大容量机组。

3）若火电调峰不足以满足调峰要求，在保证备用水平情况下，调用抽水蓄能电站削峰填谷。

4）若前3项措施仍不能满足调峰要求，则先进行燃气机组的开停以应对调峰需求，之后进行燃煤机组开停。

5）最后考虑风电出力控制和负荷需求侧管理，即限制风电出力和实行有序用电。

6）若基于当前制定的调峰策略过多地采用了高成本调峰资源，则应综合考虑联络线功率输送和高成本调峰资源的技术经济性，考虑重新制定联络线输送功率计划。

调峰策略对应的调峰过程如图1所示。

图1 山东电网调峰策略

4 核电机组调峰可行性分析

随着核电、风电和光伏发电的发展建设，仅靠火电和抽水蓄能机组进行调峰将难以满足电网负荷变化的需要。必要时候，可探讨核电机组参与电网调峰。通过对核电与其他调峰电源的联合调峰运行的优化，可有效解决系统低谷调峰容量不足的问题，并对火电机组爬坡及风、光等新能源接纳有积极作用。

压水堆是目前世界上应用最为广泛的核电站反应堆型，其功率调节范围一般为额定容量的30%~100%。A模式压水堆机组在80%循环寿期内，能够进行出力方式为“12-3-6-3”的运行模式。即在负荷高峰时带12 h满出力，晚间负荷下降时用3 h线性减负荷，在低功率平台上（一般为50%FP）上运行6 h，最后在早间用3 h线性加负荷至满出力。此外，还具有5%FP／min的线性功率变化及10%FP阶跃功率变化的调节能力。G模式在A模式基础上可以进行快速日负荷跟踪，按照“16-8”的出力方式，还可在50%FP、75%FP两种功率平台上进行长期低功率运行。我国自主研发的二代加CPR1000核电技术所采用的即是G模式。EPR、AP1000机组拥有更优异的负荷调节能力。目前山东地区规划建设的海阳核电站、石岛湾核电、乳山红石顶核电都计划采用AP1000核电技术。

国外核电机组调峰运行实例如表2所示［8］。

表2 国外核电机组调峰运行实例

我国目前除秦山一期、大亚湾、岭澳一期核电机组在近两年春节、国庆等特殊负荷日降负荷运行以参与调峰（其中秦山一期机组一般降功率至200 MW运行，大亚湾、岭澳一期机组一般降至760 MW，也有降至500 MW的运行实例）外，其他核电机组无论堆形和容量大小，均未参加电网调峰。然而，随着核电在电网中比重的增长、负荷峰谷差的日益增大，以及风、光等可再生能源的加入，电网调峰形势越来越严峻，国内许多单位已开展了关于核电参与电网调峰的可行性研究，已在理论分析证明了核电参与调峰的可行性与经济性［9］。

核电具有较大的调峰容量，其调峰深度和速度受到安全性和经济性的影响，不适宜做频繁的出力调节，但可以按照“12-3-6-3”的方式参与电网日负荷调峰。因此，在未来山东电网调峰压力日益增大，利用常规调峰手段在经济性或稳定性方面无法满足电网运行需要时，可考虑使核电以“12-3-6-3”的运行方式参与调峰。

5 结语

本文首先介绍了山东新能源发展现状及规划，指出新能源快速发展使得山东电网调峰压力逐渐增大。接着，对火电机组、抽水蓄能机组、燃气机组、联络线控制、需求侧管理等各种调峰手段做详细的技术经济比较。结合山东电网实际，提出了山东电网调峰策略。最后，对核电机组是否参与电网调峰做敏感性分析，指出在利用常规调峰手段在经济性或稳定性方面无法满足电网运行需要时，可考虑使核电以“12-3-6-3”的运行方式参与调峰。分析结果对提高山东电网调峰能力及运行经济性具有较为重要的意义。

［1］刘振亚.全球能源互联网［M］.北京：中国电力出版社，2015.

［2］谢俊，白兴忠，甘德强.水电／火电机组调峰能力的评估与激励［J］.浙江大学学报（工学版），2009，43（11）：2 079-2 084.

［3］秦春申，叶春，翟海青.基于调峰形势的联络线受电模型及其优化［J］.电力系统自动化，2004，28（2）：67-69.

［4］何桂雄，曹年林，蒋利民，等.风电富裕区域高载能负荷参与电网调峰研究［J］.可再生能源，2015，33（4）：491-496．

［5］衣立东，朱敏奕，魏磊，等.风电并网后西北电网调峰能力的计算方法［J］.电网技术，2010，34（2）：129-132．

［6］薛禹胜，谢东亮，薛峰，等.智能电网运行充裕性的研究框架（一）要素与模型［J］.电力系统自动化，2014，38（10）：1-9，48．

［7］陈启鑫，康重庆，夏清.碳捕集电厂的运行机制研究与调峰效益分析［J］.中国电机工程学报，2010，30（7）：22-28．

［8］马晓东.核电参与电网调峰的运行策略研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2015.

［9］赵洁，刘涤尘，杨楠，等.核电机组参与电网调峰的运行方式及效益分析［J］.电网技术，2012，36（12）：220-255．

Analysis of Peak Regulation Strategy in Shandong Power Grid under the Background of Global Energy Interconnection

MU Hong1，WANG Yuan1，XU Naiyuan1，LIU Xiaoming2，WEI Xin2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

Under the background of global energy interconnection，the rapid development of new energy sources issued higher requirement peak regulation to power grid operation of Shandong.The detailed technical and economic comparison are made between different peak regulation methods.The peak regulation strategy of Shandong power grid is put forward taking the current condition of Shandong power grid.Finally，the nuclear power plant is involved in peak regulation sensitivity analysis.The analysis results have important significance for improving the peak regulation capacity and economic operation of the Shandong power grid.

global energy interconnection;new energy;peak regulation strategy

TM715

A

1007－9904（2017）11－0001－04

2017-06-26

牟 宏（1968），男，高级工程师，从事电网规划工作。