高比例清洁能源电网灵活调节方法*

葛维春， 刘前卫， 刘富家， 王顺江， 崔 岱

(1. 国网辽宁省电力有限公司 科技信通部， 沈阳 110006； 2. 国家电网有限公司 科技部， 北京 100031)

对于冬季北方电网，大规模清洁能源的接入和热电联产机组并网运行会给电网安全稳定运行带来许多不确定因素，造成大量弃风，为此，需要投入大量储能技术和可时移负荷，使电网运行特性发生巨大变化.以往只调节水、火、电就能实现的调频和联络线控制已经远远不能满足电网安全稳定运行的要求，必须从多源、多荷调节能力入手，监测电网的调度控制能力.

但上述方法与电网实际结合不够，考虑问题不够全面，没有从多源多荷有机协调角度全面分析各源与各荷运行特性及其相互关系.本文从电网正常调控的多源协调[8]到异常调控的多源与多荷协调，到紧急控制的限核与弃风，从电网运行的灵活性角度分析了电网调控能力[9]，结合实例展示了电网灵活性对消纳高比例接入清洁能源的效果.

1 电网灵活调节能力分析模型

对高比例接入清洁能源电网，电网灵活调节能力是指电网在正常调节时，水电、火电、联络线、可时移负荷和频率的调节预度[10].无调节预度，电网进入异常调节.异常调节预度是火电机组非常规调峰和储能投入的预度，异常调节有调节预度，则电网仍有接纳清洁能源能力；没有异常调节预度，电网进入紧急控制域.紧急控制域的初始调节预度是核电的调节预度，核电没有调节预度时，只有弃风电.如何对这些具有调节能力的多源与多荷进行量化是本文研究的重点.

电网正常调节主要以水电、火电、联络线和频率为主.火电是最常规电源，其正常调节能力为其运行上限与下限的差值，设PhM为火电机组的最大发电能力，通常是额定功率；Phm为火电机组的最小发电能力，不同机组、不同时期，其值不同，通常是额定容量的50%.所以，一旦火电机组组合确定，PhM和Phm即为确定值，火电运行曲线Ph(t)就要求在PhM和Phm之间运行.

火电的正常调节预度δh可表示为

(1)

式中，Nh为火电厂节点数.

火电机组非常规调峰能力可表示为

(2)

式中，Phmmk为火电机组深度调峰下限.

同样，水电的调节预度δs可表示为

(3)

式中：Psm为水电出力下限，通常为零；Ns为水电厂节点个数.

联络线Pll下调出力预度可表示为

δll=Pll-Pllm

(4)

式中，Pllm为联络线计划下限.

频率上调预度表示为

δf=PfM-Pf

(5)

式中，PfM为基于频率的出力上限.

由式(1)～(3)可知，Phm和Psm越小，δh和δs越大，电网调节能力越强；对于水电机组，不考虑经济性时，其Psm基本为零，不需考虑.现阶段对于Phm的研究越来越多，各发电厂都采取了积极的措施，例如通过建立电锅炉、改造低压缸、改造旁路、改造双背压和减温减压等，这些都大幅降低了火电机组的最小出力，有的个别机组甚至可降到零.由式(4)、(5)可以看出，δll越小愈好，而δf需要根据负频特性确定.

可时移负荷突出特点是时段运行，这个时段通常小于电网低谷运行时间，即只在电网低谷时段运行，享受低谷电价，通常为9～10 h.

对于大部分工业负荷PLs，其负荷体现出时段性，如果运行期间包括全部低谷时段，则可时移负荷调节预度δL1表达式为

(6)

式中：PLsM为可时移负荷幅值；tN为电网低谷运行时段.这类负荷可以安排在以低谷为中心，晚上低谷时段刚开始(21时)为起点，以早晨6时或7时为终点，使其运行在整个低谷期间，对电网调峰极为有利.

2 储能调节预度模型

对于高比例清洁能源接入电网，为提高其消纳能力，必须配备足够大容量的储能设备，不同的技术、不同的安装地点，其分析模型是不一样的.

2.1 大容量集中式电储热调节预度模型

对于由电网控制的大容量电储热装置，通常都安装在热电厂内，是按电网调控指令投切的，调度通常在检测到常规调节能力丧失后，根据电网当前运行状态，决定是否投入电储热装置.电储热功率Pc表达式为

(7)

式中，Nc为储热单元数.电储热调节预度δc表达式为

(8)

式中，PcM为储热装置的最大容量.

可见储热装置容量越大，调节预度也越大.针对亿兆瓦级弃风电量，储热容量至少要达到百兆瓦级，才会对风电起到消纳作用.

2.2 小容量分布式电储热调节预度模型

对于北方冬季供暖的分布式电储热装置，其在低谷时段开始运行.由于单体容量较小，只以总容量计算，则调节预度δc1就等于总容量PcZ.

电网对于这类负荷是非常欢迎的，首先，它的容量时序性强；其次是大小可控，投入多少，退出多少，这对电网安排日计划是非常有益的.

2.3 电池式储能电站调节预度模型

对电池式储能电站，电池的投入和退出都是在电网调度指令下进行的，在电网确定投入储能充电模式时，电池充电预度δc2表示为

(9)

式中：Pc2M为电池每个单元的容量；Nc2为电池单元个数.电池储能具有杠杆作用，在其容量能够达到影响电网时，电池对电网会产生非常积极的影响.在电网尖峰时，δc2具有发电能力，如果在δc2容量较少的机组，则在电网低谷时段就会提升50%的δc2负荷，电池的调节预度修正为

(10)

由式(10)可以看出，电池保守可以达到1.5倍的杠杆作用，所以，应该大力开发电池储能技术，形成规模化效应.

2.4 核电调节预度模型

核电的调节预度δhd可表示为

(11)

式中：Nhd为核电机组数；Phdm为核电机组出力下限.核电是有调节能力的，但是只有当其他调节能力丧失时，才会使用核电调节.

2.5 电网灵活调节预度模型

根据前面的分析可知，电网灵活调节预度δ可表示为

δ=δh+δs+δhs+δf+δll+δL1+δc+δc1+δc2+δhd

(12)

式(12)包含了电网正常调节时的水、火电调节预度指标，还包括了电网在异常调节时的火电非常规调节裕度指标，储能和可时移负荷调节预度指标.利用δ可时刻监视电网的调节能力，在电网丧失调节能力之前，采取切实可行的措施，保证大电网安全稳定运行.

电网调节预度又可按调节域划分为正常调节预度δNM、异常调节域δON和紧急控制域δCT，分别表示为

δNM=δh+δs+δll+δf+δL1

(13)

δON=δhs+δc+δc1+δc2

(14)

δCT=δhd

(15)

δNM、δON和δCT三个调节预度充分体现了电网调节能力.

3 电网典型实例分析

以某日一省级电网运行数据为例，其全网发电、联络线注入、火电和水电功率曲线如图1所示.最大负荷为250 GW，发生在21时；最小负荷为200 GW，最小负荷时段是2时至6时；火电发电电力总和最大为150 GW，最小为88 GW；联络线最大负荷为84 GW，最低负荷为54 GW；水电基本没发电.图2为清洁能源发电曲线，从图2可以看出，0时开始，风力发电曲线增长较快，同核电叠加后超过50 GW，到中午12时，风电达到最大55 GW，又叠加10 GW的光伏，核电一直运行在34 GW，运行在正常调峰范围内，使清洁能源叠加负荷接近100 GW，此时，清洁能源发电量达到总发电电力的40%.

从这个案例可以看出，电网清洁能源叠加才是对电网消纳清洁能源影响最大的因素，而叠加时间点不是晚间低谷时段，而是中午低谷时段.

图1 电网运行曲线Fig.1 Operation curves of power grid

图2 清洁能源发电曲线Fig.2 Generation curves of clean energy

三个热电厂电储热总容量950 MW投入运行后，电储热叠加曲线如图3所示.

图3 热电厂储热装置投入运行曲线Fig.3 Operation1 curves of thermal storage device input in thermal power plant

从图3可以看出，储热从0时就开始少量投入250 MW，2时950 MW全部投入，9时开始减少直到480 MW后，就又相继投入运行，在11时40分全部投入运行，直到16时负荷增加，18时风电出力减小，整个过程全部结束.实验结果表明，当光伏容量超过百万千瓦时，必须有应对的风电、核电和光伏叠加等影响措施，即保证电网安全，又消纳大量风电、核电和光伏，充分体现电网通过储能对清洁能源的调节作用.

图4为热电厂储热和出力运行曲线，在储热投入时，热电厂等效出力下降，提供更多空间消纳风电.10时左右储能部分的退出是因为电储热装置因为连续储热而达到其储热上限，需要暂停输入，致使电储热装置停止供电，但是输出热量的过程还在继续，装置并未停止运行.

图4 热电厂储热和出力运行曲线Fig.4 Operation curves of thermal storage and output of thermal power plant

图5是电网中没有储能设备运行，弃风日风电实际处理曲线.从图5可以看出，夜间时段弃风量最大，其它时段也有大量弃风，最大弃风电电力超过4 000 MW.

图5 弃风日风电实际处理曲线Fig.5 Actual processing curves of wind power on abandoned wind days

图6统计了不同城市储能随着弃风的变化过程.从图6可以看出，弃风电出现后，在晚上低谷时段电储热投入容量最大，其它时段也有投入，但投入容量不大，较好地反应了储能跟随弃风电的能力和对弃风电的消纳作用.

图6 各储能根据弃风情况投入曲线图Fig.6 Input curves of various energy storages according to abandoned wind conditions

4 结 论

本文提出了高比例接入清洁能源电网的多源多域多荷的灵活分析模型，给出了提高电网灵活性裕度计算方法，并结合电网运行实例证明：高比例接入清洁能源电网只有在清洁能源发电叠加时，才会对电网造成冲击.但本文模型具有足够的调节能力，特别是具有足够的发电机深度调峰、储能和可时移负荷时，即使清洁能源发电有叠加，也能保证清洁能源全额发电和电网安全稳定运行，对高比例接入清洁能源电网规划和运行具有借鉴价值.