遠(yuǎn)距離外送風(fēng)電配套運(yùn)行抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

李星銳，呂朝陽(yáng)

(1.武漢大學(xué)，湖北武漢430071；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

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遠(yuǎn)距離外送風(fēng)電配套運(yùn)行抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

李星銳1，呂朝陽(yáng)2

(1.武漢大學(xué)，湖北武漢430071；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

以風(fēng)力發(fā)電特性、抽水蓄能運(yùn)行特點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析抽水蓄能配合風(fēng)電運(yùn)行方式，構(gòu)建配套運(yùn)行的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模相關(guān)模型，論證風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送配套一定規(guī)模抽水蓄能的經(jīng)濟(jì)可行性，以保障風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送的利用效率，促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電可持續(xù)開(kāi)發(fā)建設(shè)。

風(fēng)電；抽水蓄能；經(jīng)濟(jì)規(guī)模；配套運(yùn)行

1　研究背景

我國(guó)華北、東北、西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電所在區(qū)域能源消納空間有限，風(fēng)電外送是主要措施。但由于風(fēng)電具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行將產(chǎn)生較大的影響，以保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為基礎(chǔ)，風(fēng)電外送電量棄電現(xiàn)象較為顯著。我國(guó)華北、東北、西北棄風(fēng)限電較嚴(yán)重，尤其以河北省張家口、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟、呼倫貝爾市和興安盟等地最為嚴(yán)重，2014年上半年，全國(guó)風(fēng)電棄風(fēng)電量175億kW·h，平均棄風(fēng)率15.2%。

可見(jiàn)，風(fēng)電與電網(wǎng)的適應(yīng)性問(wèn)題已成為限制風(fēng)電發(fā)展和使用的重要影響因素。為更好地利用風(fēng)能資源，促進(jìn)可再生能源發(fā)展，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電特性，本文分析研究配套的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模，以合理減輕風(fēng)電并入電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提高我國(guó)風(fēng)電利用效率，促進(jìn)風(fēng)電可持續(xù)開(kāi)發(fā)建設(shè)。

2　配合風(fēng)電外送電源運(yùn)行方式分析

2.1風(fēng)電特性

風(fēng)電出力具有不完全隨機(jī)性，“隨機(jī)性”體現(xiàn)在其具有較大的波動(dòng)性和間歇性，“不完全”是體現(xiàn)在風(fēng)電出力具有可預(yù)報(bào)性和明顯的地理、季節(jié)特性[1]。風(fēng)電出力具備隨機(jī)性，為電力系統(tǒng)提供的有效容量小。

2.2抽水蓄能電站運(yùn)行特性分析

抽水蓄能電站機(jī)組啟停迅速，快速增減負(fù)荷能力強(qiáng)，能夠很好的適應(yīng)負(fù)荷的瞬時(shí)變化，是理想的平抑負(fù)荷波動(dòng)的快速反應(yīng)電源。

抽水蓄能電站在風(fēng)電出力高峰時(shí)段，可作為泵站，利用系統(tǒng)多余電能抽水，將多余的風(fēng)電電能儲(chǔ)存；在風(fēng)電出力低谷時(shí)，抽水蓄能則以發(fā)電工況為主，平衡風(fēng)電出力小的問(wèn)題。抽水蓄能調(diào)峰又填谷的雙重作用，是抽水蓄能電站特有的功能，是其他類型電源無(wú)法代替的。

抽水蓄能電站和常規(guī)水電站一樣，啟動(dòng)靈活迅速，從啟動(dòng)到滿負(fù)荷只需2 min，由抽水運(yùn)行轉(zhuǎn)換到發(fā)電工況也僅需3～4 min，是承擔(dān)系統(tǒng)快速反應(yīng)容量和調(diào)頻任務(wù)的理想電源。如風(fēng)電出力的隨機(jī)波動(dòng)性，特別是短時(shí)間內(nèi)發(fā)電出力變化較大時(shí)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)短時(shí)間的有功功率平衡及頻率穩(wěn)定產(chǎn)生影響，為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，需要電網(wǎng)配備充足的快速反應(yīng)容量。抽水蓄能電站承卸負(fù)荷迅速靈活，能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化，調(diào)頻性能好，可以很好的承擔(dān)電網(wǎng)快速負(fù)荷跟蹤和維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定任務(wù)。

另外，風(fēng)電出力過(guò)程中無(wú)功功率的變化，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓改變，而電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，保證風(fēng)電連網(wǎng)電壓接近額定值是風(fēng)電大規(guī)模外送運(yùn)行調(diào)度的基本任務(wù)之一。當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)無(wú)功不足或多余時(shí)，抽水蓄能電站能迅速調(diào)整無(wú)功出力或吸收無(wú)功，有效控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓水平，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功功率平衡和電壓穩(wěn)定，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2.3燃煤火電運(yùn)行特性分析

目前進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)大容量燃煤火電機(jī)組的調(diào)峰幅度可在50%以上，600 MW以上機(jī)組甚至可達(dá)到60%。一般單機(jī)容量在100 MW及以下的機(jī)組也可實(shí)施兩班制開(kāi)停調(diào)峰運(yùn)行，隨著小火電機(jī)組的逐漸退役，開(kāi)停機(jī)組的量越來(lái)越小。網(wǎng)內(nèi)大容量燃煤火電機(jī)組由于燃煤供應(yīng)與設(shè)計(jì)煤種有時(shí)差別很大，火電機(jī)組很難達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)峰幅度，而且考慮到火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，其綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度不宜太高。

另外，從燃煤火電本身運(yùn)行條件看，燃煤火電從冷態(tài)至滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間約6～8 h，從溫態(tài)至滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間約3 h，從熱態(tài)至滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間約1.5～2 h，機(jī)組負(fù)荷每分鐘爬峰約額定容量的3%～5%?？梢?jiàn)，燃煤火電在負(fù)荷變化時(shí)間反應(yīng)上面存在較大限制，適應(yīng)風(fēng)電出力間歇性、隨機(jī)性能力有限，主要考慮燃煤火電平穩(wěn)出力為主。

3　配合運(yùn)行數(shù)學(xué)模型分析

3.1風(fēng)電并網(wǎng)容量分析

風(fēng)電外送并網(wǎng)容量大小與其經(jīng)濟(jì)合理利用密切相關(guān)，考慮風(fēng)電對(duì)受端電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰的影響，低谷、高峰時(shí)段風(fēng)電并網(wǎng)容量也需重點(diǎn)對(duì)待。根據(jù)我國(guó)相關(guān)風(fēng)電基地風(fēng)電場(chǎng)出力過(guò)程現(xiàn)狀，風(fēng)電場(chǎng)電量集中在較小出力區(qū)段，當(dāng)風(fēng)電上網(wǎng)容量為其裝機(jī)容量的50%～70%時(shí)，并網(wǎng)棄風(fēng)率約20%～3%，此特性有利于合理?xiàng)夛L(fēng)，減少電網(wǎng)配套投資。

3.2抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模原理分析

基于風(fēng)電并網(wǎng)容量的合理?xiàng)夛L(fēng)情況，風(fēng)電棄風(fēng)量存在合理?xiàng)夛L(fēng)研究空間。本文研究主要為抽水蓄能電站降低風(fēng)電棄風(fēng)率，提高輸變電通道經(jīng)濟(jì)利用小時(shí)數(shù)，為受端電網(wǎng)提供更多電力電量，以替代受端電網(wǎng)燃煤火電規(guī)劃建設(shè)及其發(fā)電量等。抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模研究分析原理如下。

(1)隨著抽水蓄能配合運(yùn)行規(guī)模增大，風(fēng)電棄風(fēng)率將隨之減小。

(2)以棄風(fēng)率最小方案為參照對(duì)象，以同等要求滿足受端電網(wǎng)電力電量為前提條件，以送端抽水蓄能規(guī)劃建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用、受端替代火電規(guī)劃建設(shè)及費(fèi)用為研究對(duì)象。

(3)隨著送端配合抽水蓄能電站規(guī)模增加，受端規(guī)劃建設(shè)燃煤火電將隨之減少，據(jù)此規(guī)律分析論證各方案費(fèi)用現(xiàn)值情況，分析各方案的經(jīng)濟(jì)性，以論證抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

(4)具體計(jì)算分析為，擬定送端配套運(yùn)行方案(抽蓄規(guī)模占風(fēng)電規(guī)模比例由0%開(kāi)始按5%為等差逐漸增大)→綜合考慮送端和受端同等電力電量為前提，棄風(fēng)量減少，受端規(guī)劃建設(shè)火電減少→計(jì)算各運(yùn)行方案送端和受端的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)費(fèi)用現(xiàn)值→選擇費(fèi)用現(xiàn)值最小方案為推薦方案。

3.3數(shù)學(xué)模型分析

基于上述分析成果，構(gòu)建風(fēng)電外送配合抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析數(shù)學(xué)模型如下

上述數(shù)學(xué)模型中，抽水蓄能電站、受端電網(wǎng)燃煤火電的投資及運(yùn)行費(fèi)用水平均需根據(jù)實(shí)際情況選取。

4　應(yīng)用分析

4.1案例概況

某風(fēng)電基地風(fēng)能資源十分豐富，被國(guó)家確定為7大千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地之一，該風(fēng)電基地外送電網(wǎng)為華中電網(wǎng)，外送風(fēng)電規(guī)模為8 000 MW，輸變電通道容量為直流輸送容量為8 000 MW，考慮配套火電裝機(jī)8 000 MW。

4.2配合運(yùn)行電源分析

4.2.1風(fēng)電

該區(qū)域一年四季典型日風(fēng)電出力分布如圖1所示。

圖1　外送風(fēng)電出力及電量分布統(tǒng)計(jì)

4.2.2燃煤火電

燃煤火電在負(fù)荷變化時(shí)間反應(yīng)上面存在較大限制，適應(yīng)風(fēng)電出力間歇性、隨機(jī)性能力有限，主要考慮燃煤火電平穩(wěn)出力為主。同時(shí)考慮送端電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)、水資源條件、充分利用清潔可再生能源等因素，燃煤火電裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)按4 300 h控制。

4.2.3抽水蓄能

基于抽水蓄能特點(diǎn)，抽水蓄能電站在風(fēng)電外送中，充分發(fā)揮風(fēng)電高峰時(shí)段抽水蓄能，低谷時(shí)段發(fā)電運(yùn)行作用，以積極減少風(fēng)電棄風(fēng)電量，提高風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用效率，保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.3抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

4.3.1不同比例方案配合運(yùn)行分析

基于該風(fēng)電配套電源情況，火電技術(shù)出力系數(shù)按0.5考慮，風(fēng)電最大上網(wǎng)容量率則為50%，該風(fēng)電配套運(yùn)行外送運(yùn)行方式如圖2所示。

圖2　風(fēng)電外送配套電源后綜合出力過(guò)程示意

4.3.2經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

4.3.2.1方案分析

基于上述配合電源運(yùn)行方式分析，考慮抽水蓄能占風(fēng)電比例按0、5%、10%、15%、20%、25%、30%(即方案1～7)擬定模擬計(jì)算分析，各方案對(duì)應(yīng)減少風(fēng)電棄風(fēng)量成果表1所示。

表1不同抽水蓄能方案風(fēng)電棄風(fēng)成果統(tǒng)計(jì)

方案火電利用小時(shí)數(shù)/h輸電線路利用小時(shí)數(shù)/h輸電線路增加小時(shí)數(shù)/h棄風(fēng)率/%減少棄風(fēng)電量/億kW·h143006115—13.85—2430062921779.28143430064683535.72284430066205051.56415430067085930.35476430067166010.00487430067166010.0048

4.3.2.2經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

基于上述分析成果，經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析原則與前提為：受端電網(wǎng)以火電電源作為補(bǔ)充方案，由于送端火電配套容量與輸變電通道容量相當(dāng)，故本研究只考慮電量效益補(bǔ)充(煤耗315 g/kW·h，標(biāo)煤價(jià)格900元/t)，以方案7為參照對(duì)象，方案1～方案6受端電網(wǎng)分別需要補(bǔ)充燃煤火電電量24.4億、17.9億、11.5億、5.3億、1.6億、0 kW·h。

方案1～方案7送端電網(wǎng)需建設(shè)抽水蓄能規(guī)模分別為0、400、800、1 200、1 600、2 000、2 400 MW，送端抽水蓄能單位容量投資4 500元/kW，年運(yùn)行費(fèi)率2.5%，廠用電率0.25%。社會(huì)折現(xiàn)率按8%計(jì)算。

綜合上述前提與抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模數(shù)學(xué)模型，按各方案同等滿足受端電力系統(tǒng)要求為基礎(chǔ)，對(duì)各方案費(fèi)用現(xiàn)值進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2　各方案費(fèi)用現(xiàn)值成果對(duì)比　億元

4.3.2.3小結(jié)

綜上所述，基于該風(fēng)電出力特性、配合電源運(yùn)行、受端電網(wǎng)替代電源及外送通道情況，結(jié)合本論文提出的計(jì)算分析方法，該風(fēng)電基地打捆運(yùn)行的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模約為1 200 MW，占外送風(fēng)電比例約為15%。

由于風(fēng)電打捆外送受電源特性、規(guī)模及輸變電通道運(yùn)行限制等因素，不同風(fēng)電基地出力特性存在一定差別，抽水蓄能電站配備的經(jīng)濟(jì)規(guī)模比例將有所不同，需據(jù)各邊界條件分析論證。

5　結(jié)　論

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)力度日益增大，清潔可再生能源在我國(guó)已全面快速發(fā)展建設(shè)。風(fēng)電為作為清潔可再生能源中的重要組成部分，在我國(guó)已得到大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)，但由于其具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性等特點(diǎn)，大規(guī)模外送對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大影響，風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)象較為顯著。為更好地利用風(fēng)能資源，促進(jìn)可再生能源發(fā)展，本論文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電特性，分析抽水蓄能配合風(fēng)電運(yùn)行方式，構(gòu)建配套運(yùn)行抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模數(shù)學(xué)模型，論證風(fēng)電大規(guī)模外送配套一定規(guī)模抽水蓄能的合理可行性。論文以我國(guó)某重要風(fēng)電基地為案例，對(duì)配備不同抽水蓄能方案進(jìn)行分析計(jì)算，得到該風(fēng)電基地外送8 000 MW風(fēng)電配合運(yùn)行的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模約為1 200 MW，占外送風(fēng)電比例約為15%。另外，由于風(fēng)電出力特性、輸變電通道運(yùn)行限制等因素變化，不同風(fēng)電基地外送配套的抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模比例將有所不同。

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(責(zé)任編輯高瑜)

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

李星銳(1995—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c自動(dòng)化、電力系統(tǒng)運(yùn)行與管理等．

TV213.1

A

0559- 9342(2016)05- 0095- 04