新疆电网调峰需求及储能电源配置

傅 旭王莹玉张雨津

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司,陕西省 西安市 710075)

0 引言

我国已经成为了全球风电和光伏发电装机容量最大的国家,弃风弃光等问题日益突出[1-7]。为提高电网接纳新能源能力,在充分发挥常规的水电、火电机组调峰能力的基础上,广大电力科技工作者对抽水蓄能、电化学储能等调峰电源进行了大量的研究[8-16]。文献[17]研究了抽水蓄能电站的运行方式对降低弃风电量的影响。文献[18]对新疆电网发展光热的效益进行了研究,分析了光热电站在新疆电网的容量效益和电量效益及其国民经济性。文献[19]以弃风最小为优化目标,建立风电和抽水蓄能协调运行的混合整数规划模型。文献[20]提出了基于成本效益分析的风蓄联合运行的机组组合模型。文献[21-22]研究了青海高比例新能源电力系统中新能源与各类储能电源的协调运行及其经济性。文献[23]对陕西电网电化学储能进行了全生命周期的效益评估。文献[24]分析了储能电站对购电特性的影响。文献[25]利用电化学储能的快速响应特性和功率双向调节能力,将其纳入频率安全第3 道防线中,应对大功率缺额引起的低频问题。文献[26]探讨了利用储能的闲置容量和功率参与电力能源市场和备用辅助服务市场的可行性和兼容性,以提高储能利用率。文献[27]对高比例新能源系统中储能电源的配置进行了研究。

在“双碳”目标引领下,可再生能源装机将迅猛发展,电力系统调峰资源日趋紧张。电化学储能和抽水蓄能作为解决可再生能源并网利用的关键,是提高电网运行经济性和安全性的有效途径。本文以新疆电网为研究对象,分析新疆电网远景年调峰需求和储能电源的配置方案。将调峰平衡问题分为2个子问题考虑。首先是关注短时间尺度的负荷调峰问题,该问题主要回答电源装机方案能否正常跟随日负荷的变化。其次是分析长时间尺度的新能源调峰问题,即分析弃水、弃风、弃光的情况。

1 数学模型

1.1 研究方法

对于高比例新能源系统,以一个典型日或者以每月一个典型日分析调峰问题不够全面。同时,传统的调峰平衡分析只关注高峰、低谷这2个时间点的负荷电源运行情况,忽略了光伏等运行在负荷腰荷的电源。传统的调峰平衡较难给出现有装机水平下系统弃风、弃光的情况。

新能源出力受到自然资源条件的影响较大,通常通过统计年8 760 h出力特性,获得其电量累计特性,以确定其有效容量。某地区新能源电量累积特性如图1所示。对应100%电量的有效容量系数为0.64,表明该新能源全年任何时刻出力不大于装机的0.64。对应95%电量的有效容量系数为0.38,表明全年出力不超过0.38的时段的累计发电量占全年的95%。

图1 新能源电量累积特性示意图Fig.1 Schematic diagram of new energy power accumulation characteristics

从系统调峰平衡角度考虑,新增新能源电源会增加等同于其有效容量的系统向下调峰需求,由于之前系统调峰基本盈亏平衡,因此配置的储能电源功率应当等于新增新能源电源有效容量,才能保持系统调峰平衡。储能的功率选择取决于新能源有效容量系数的选择,等容量下储能电源应尽量选择大功率,因此应当考虑选取接近或等于100%电量对应的有效容量系数。选定储能功率后,其储能时长应当根据系统的需求通过生产模拟确定,保证系统新能源弃电率满足要求。计算流程如图2所示。

图2 计算流程Fig.2 Calculation process

1.2 全时段生产模拟程序

通过逐周进行的时序生产模拟,进行了高时间分辨率的生产模拟计算,以系统运行成本最低为目标,建立了包括常规机组和多种可再生能源出力模型,详细安排了各类机组出力计划,为电力系统优化规划提供了重要的参考。

综合考虑新能源弃电量和发电煤耗,在满足负荷需求约束下,尽量减少新能源弃电量和系统发电煤耗,目标函数为

目标函数的约束条件包括系统平衡约束、电站/机组运行约束、地区间联络线功率约束等,具体表达式可见文献[28-30]。

2 新疆电网调峰需求分析

2.1 边界条件

新疆电网负荷和新能源预测如表1所示。

表1 新疆电网负荷和新能源装机规模预测Table 1 Load forecast and new energy installed scale forecast of Xinjiang power grid

2.2 新疆电网调峰缺口测算

2.2.1 负荷及外送直流的调峰缺口测算

结合负荷及直流的调峰需求及电源调峰能力,先不考虑新能源,将外送直流与内用负荷统一考虑,分析新疆电网的调峰缺口。不考虑新能源的调峰平衡原则为:

(1) 负荷峰谷差通过季不均衡系数和日最小负荷率测算;

(2) 直流峰谷差通过直流曲线测算;

(3) 旋转备用仅考虑网内负荷,取5%;

(4) 水电工作位置由生产模拟程序测算;

(5) 抽蓄调峰能力按容量2倍考虑。

2030、2035年新疆电网负荷及外送直流调峰结果见表2,可以看出新疆电网调峰盈余分别为19.85、34.40 GW。

表2 新疆电网2030、2035年调峰平衡情况Table 2 Balance situation of peak load regulation of Xinjiang power grid in 2030 and 2035 GW

2.2.2 新能源调峰缺口测算

采用全时段生产仿真模拟程序,计算2030、2035年的新疆电网新能源调峰缺口,计算结果如表3所示。

由表3可以看出,2030、2035年新能源弃电率分别为18.1%和10.0%。按照新能源弃电率不超过5%考虑,2030年新疆电网调峰缺口为13.10 GW,2035年调峰缺口为8.65 GW。

表3 新疆电网2030、2035年新能源调峰缺口估算值Talbe 3 Estimated new energy peak load gap of Xinjiang Power Grid in 2030 and 2035

2.3 新疆调峰资源配置方案

新疆2030年的生产模拟结果见表4。2030年新疆火电全部灵活性改造完成,并增加4 GW×2 h储能电源后,系统弃电率不超过5%,新能源消纳占比34%,可再生电量占比可达42%。若采用抽水蓄能电站作为储能电源,则需要配置2.4 GW×8 h的抽水蓄能电站。

表4 新疆电网2030年储能方案生产模拟结果Table 4 Production simulation results of energy storage scheme of Xinjiang power grid in 2030

新疆电网2035年的生产模拟结果见表5。火电灵活性改造后,增加16.0 GW×2 h的储能电源后,系统弃电率不超过5%,新能源发电量占比为39%,可再生电量占比超过45%。若采用抽水蓄能电站作为储能电源,则分需要配置8.4 GW×8 h的抽水蓄能电站。

表5 新疆电网2035年储能方案生产模拟结果Table 5 Production simulation results of energy storage scheme of Xinjiang power grid in 2035

3 结论

对新疆电网2025—2035年调峰需求进行了研究。计算中考虑采用基于数学优化的全时段生产模拟仿真程序,可考虑火电灵活性改造、储能电源跨日调节等。研究成果表明:

(1)2030年,新疆火电全部灵活性改造,并增加4.0 GW×2 h的储能电源后,系统新能源利用率超过95%,若采用抽水蓄能电站作为储能电源,则需要配置2.4 GW×8 h的抽水蓄能电站。

(2)2035年,新疆增加16.0 GW×2 h的储能电源后,系统新能源利用率超过95%,若采用抽水蓄能电站作为储能电源,则需要配置8.4 GW×8 h的抽水蓄能电站。