江蘇鹽城地區(qū)新能源消納能力計(jì)算研究

肖 凌，陶 冶

(江蘇科能電力工程咨詢(xún)有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

風(fēng)力、光伏發(fā)電是可再生能源發(fā)電技術(shù)中具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，江蘇鹽城地區(qū)新能源資源豐富，新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，截至2019年底，鹽城新能源并網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到777.2萬(wàn)kW，位居江蘇全省第一，2019年鹽城新能源發(fā)電量為135.83億kWh，占全市全社會(huì)用電量的41.45%，位居全省第一，2020年鹽城地區(qū)新能源裝機(jī)將達(dá)千萬(wàn)千瓦。

鹽城新能源的快速發(fā)展，給電網(wǎng)送出消納帶來(lái)巨大壓力，截至2018年底，鹽城新能源裝機(jī)已超過(guò)地區(qū)最高負(fù)荷，在此背景下，研究地區(qū)新能源出力特性及負(fù)荷特性，分析新能源送出潮流最大場(chǎng)景下風(fēng)電、光伏出力及負(fù)荷大小，得到風(fēng)電-光伏-負(fù)荷時(shí)序耦合系數(shù)，對(duì)研究地區(qū)電網(wǎng)新能源消納能力，促進(jìn)地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃與新能源發(fā)展相適應(yīng)，具有十分重要的意義。

1 研究方法

江蘇新能源主要分布在蘇北、蘇中，因此從江蘇全省層面分析，影響新能源消納的因素包括蘇北、蘇中地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)，風(fēng)電、光伏出力特性，省內(nèi)關(guān)鍵輸電斷面輸電能力(如過(guò)江通道輸送能力)，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力(包含區(qū)外及省內(nèi)的調(diào)峰能力和調(diào)頻能力)等，江蘇各市的新能源消納能力之和不應(yīng)超過(guò)全省新能源消納能力。

本文重點(diǎn)研究規(guī)劃年份新能源大發(fā)時(shí)鹽城電網(wǎng)外送潮流，以此可確定電網(wǎng)新能源消納能力。

影響新能源消納能力因素主要有500 kV變電站升壓能力、電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及線路輸電能力、地區(qū)負(fù)荷水平、風(fēng)電光伏及常規(guī)機(jī)組出力特性等。500 kV變電站升壓能力、電網(wǎng)網(wǎng)架及線路輸電能力通常都是明確的，但風(fēng)電、光伏、常規(guī)機(jī)組出力大小及負(fù)荷水平選擇具有很大的不確定性，本文主要研究鹽城電網(wǎng)潮流外送時(shí)各變量的計(jì)算系數(shù)，不同系數(shù)取值對(duì)新能源消納水平有非常大的影響，另外各類(lèi)電源及負(fù)荷對(duì)地區(qū)電網(wǎng)外送功率影響大小由其規(guī)模決定，因此對(duì)不同地市有必要單獨(dú)進(jìn)行風(fēng)電-光伏-負(fù)荷時(shí)序耦合分析。

根據(jù)地區(qū)電力平衡原則，當(dāng)?shù)貐^(qū)220 kV電網(wǎng)內(nèi)電源出力大于同時(shí)刻該地區(qū)負(fù)荷水平時(shí)，地區(qū)出現(xiàn)電力盈余，盈余電力通過(guò)500 kV主變升壓及220 kV聯(lián)絡(luò)線外送，如圖1所示。

圖1 地區(qū)新能源送出示意圖

地區(qū)電源外送功率=風(fēng)電出力+光伏出力+常規(guī)機(jī)組出力-負(fù)荷。

地區(qū)盈余電力外送功率取決于該時(shí)刻地區(qū)電源出力和負(fù)荷水平，其中：常規(guī)電廠應(yīng)參與調(diào)峰[1]，出力一般與負(fù)荷水平相適應(yīng)；風(fēng)電、光伏出力主要取決于氣候條件，無(wú)明顯時(shí)序規(guī)律，短期內(nèi)可認(rèn)為年時(shí)序特性變化不大；地區(qū)負(fù)荷水平由經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況決定，負(fù)荷時(shí)序特性由經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)決定，短期內(nèi)認(rèn)為負(fù)荷水平逐年增長(zhǎng)，年時(shí)序特性變化不大。

因此，規(guī)劃年風(fēng)電—光伏—負(fù)荷時(shí)序耦合特性可參考?xì)v史年的耦合特性，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，研究規(guī)劃年的外送潮流。

2 風(fēng)電出力特性分析

1)風(fēng)電數(shù)據(jù)采樣

采樣原則：鹽城地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)眾多，通過(guò)選取典型風(fēng)電場(chǎng)為代表，獲取風(fēng)電場(chǎng)出力數(shù)據(jù)，選取的單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量應(yīng)較大，同時(shí)全年裝機(jī)容量不變、全年運(yùn)行正常。

采樣容量：2016年風(fēng)電場(chǎng)采樣7座、容量1 568 MW，2017年風(fēng)電場(chǎng)采樣12座、容量2 335 MW，2018年風(fēng)電場(chǎng)采樣16座、容量3 007 MW(采樣率58.9%)。

采樣數(shù)據(jù)：按照時(shí)間間隔5 min進(jìn)行采樣，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)一年的采樣數(shù)據(jù)，2016年有105 408個(gè)，2017和2018年分別有105 120個(gè)。

2)不同年份風(fēng)電場(chǎng)出力特性對(duì)比

三個(gè)年份鹽城風(fēng)電出力概率分布高度相似，表明鹽城風(fēng)電出力逐年統(tǒng)計(jì)特性具有一致性，如圖2所示。

圖2 不同年份鹽城風(fēng)電場(chǎng)出力系數(shù)概率圖

3)風(fēng)電大發(fā)時(shí)序特性分析

逐月大發(fā)場(chǎng)景分析：鹽城風(fēng)電在各個(gè)季節(jié)均有可能大發(fā)，相對(duì)而言，冬春季大發(fā)的概率要高一些，如圖3所示。

圖3 鹽城風(fēng)電大發(fā)數(shù)據(jù)逐月散點(diǎn)圖

日內(nèi)大發(fā)場(chǎng)景分析：鹽城風(fēng)電場(chǎng)在日內(nèi)各時(shí)段均可能大發(fā)，相對(duì)而言，夜間大發(fā)的概率要高一些，如圖4所示。

圖4 鹽城風(fēng)電大發(fā)數(shù)據(jù)逐小時(shí)散點(diǎn)圖

4)海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電出力比較

2018年采樣16座風(fēng)電場(chǎng)，其中陸上風(fēng)電場(chǎng)14座、裝機(jī)2 603 MW，海上風(fēng)電場(chǎng)2座、裝機(jī)404 MW。海上風(fēng)電出力系數(shù)較大的概率高于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電95%概率大的出力系數(shù)約90%、陸上風(fēng)電95%概率大的出力系數(shù)約70%，如圖5所示。

圖5 鹽城海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電出力概率圖

選取單座風(fēng)電場(chǎng)比較，鹽城響水陸上風(fēng)電(214 MW)與鹽城響水海上風(fēng)電(202 MW)，響水海上風(fēng)電95%概率大的出力系數(shù)接近95%，陸上風(fēng)電95%概率大的出力系數(shù)約75%，如圖6所示。

圖6 鹽城響水單座海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電出力概率圖

5)風(fēng)電出力特性分析結(jié)論

鹽城市全年風(fēng)電出力系數(shù)主要集中在0～15%之間，概率約42%；全年風(fēng)電最大出力系數(shù)為93%，出力系數(shù)大于80%的概率為3.35%、大于90%的概率為0.38%；年平均出力系數(shù)在25%左右，海上風(fēng)電出力一般要高于陸上風(fēng)電。

3 光伏出力特性分析

1)光伏數(shù)據(jù)采樣

采樣原則：鹽城地區(qū)光伏電站眾多，選取典型的集中光伏電站，光伏電站需全年裝機(jī)容量不變、全年運(yùn)行正常，獲取光伏出力數(shù)據(jù)。

采樣容量：2016年光伏電站采樣12座、容量504 MW，2017年光伏電站采樣17座、容量729 MW，2018年光伏電站采樣18座、容量765 MW(采樣率 41.8%)。

采樣數(shù)據(jù)：按照時(shí)間間隔5 min進(jìn)行采樣，每個(gè)光伏電站一年的采樣數(shù)據(jù)，2016年有105 408個(gè)，2017和2018年分別有105 120個(gè)。

2)不同年份光伏出力特性對(duì)比

三個(gè)年份鹽城光伏出力概率分布高度相似，表明鹽城光伏出力逐年統(tǒng)計(jì)特性具有一致性，如圖7所示。

圖7 不同年份鹽城光伏出力系數(shù)概率圖

3)光伏大發(fā)時(shí)序特性分析

逐月大發(fā)場(chǎng)景分析：鹽城光伏在各個(gè)月份均有大發(fā)的可能，相對(duì)而言，春季大發(fā)的概率要高一些，如圖8所示。

圖8 鹽城光伏大發(fā)數(shù)據(jù)逐月散點(diǎn)圖

日內(nèi)大發(fā)場(chǎng)景分析：鹽城光伏在日內(nèi)不同時(shí)點(diǎn)出力具有明顯的規(guī)律，主要在9～14時(shí)之間大發(fā)，如圖9所示。

圖9 鹽城光伏大發(fā)數(shù)據(jù)逐小時(shí)散點(diǎn)圖

4)光伏出力特性分析結(jié)論

鹽城市全年光伏不出力及小出力的概率為60%左右；全年最大出力系數(shù)為80%，出力系數(shù)大于70%的概率較小，為0.76%；年平均出力系數(shù)在13%左右。

4 地區(qū)負(fù)荷特性分析

1)負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣

取2016、2017、2018年三個(gè)年份鹽城市負(fù)荷，按照時(shí)間間隔5 min進(jìn)行采樣，2016年負(fù)荷采樣數(shù)據(jù)有105 408個(gè)，2017和2018年分別有105 120個(gè)。

2)不同年份負(fù)荷特性對(duì)比

三個(gè)年份鹽城負(fù)荷統(tǒng)計(jì)特性基本相似，表明鹽城負(fù)荷特性具有一致性，如圖10所示。

圖10 不同年份鹽城負(fù)荷系數(shù)概率圖

3)負(fù)荷時(shí)序特性分析

逐月負(fù)荷分析：鹽城全年最高負(fù)荷在7～8月，12～1月也會(huì)出現(xiàn)高負(fù)荷水平的情況，如圖11所示；全年最低負(fù)荷在2月，5、10月也會(huì)出現(xiàn)低負(fù)荷水平的情況，如圖12所示。

圖11 鹽城高負(fù)荷數(shù)據(jù)逐月散點(diǎn)圖

圖12 鹽城低負(fù)荷數(shù)據(jù)逐月散點(diǎn)圖

日內(nèi)負(fù)荷分析：鹽城日內(nèi)不同時(shí)點(diǎn)均有高負(fù)荷水平的情況，相對(duì)而言，19:00～22:00、10:00～13:00高負(fù)荷概率較高，如圖13所示；鹽城日內(nèi)低負(fù)荷主要在23:00～6:00和12:00～16:00，如圖14所示。

圖13 鹽城高負(fù)荷數(shù)據(jù)逐小時(shí)散點(diǎn)圖

圖14 鹽城低負(fù)荷數(shù)據(jù)逐小時(shí)散點(diǎn)圖

4)負(fù)荷特性分析結(jié)論

鹽城全年最小負(fù)荷為最大負(fù)荷的30%左右，負(fù)荷低于40%的概率約1%；全年負(fù)荷主要集中在50%～70%之間，概率達(dá)到75%，年平均負(fù)荷系數(shù)為60%左右；鹽城年負(fù)荷系數(shù)大于80%的概率約5%，大于90%的概率約0.5%。

5 鹽城新能源消納各變量系數(shù)分析

影響江蘇省新能源消納的因素包括蘇北、蘇中地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)，風(fēng)電、光伏出力特性，省內(nèi)關(guān)鍵輸電斷面輸電能力，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力(調(diào)峰能力和調(diào)頻能力)等，江蘇各市的新能源消納能力之和不應(yīng)超過(guò)全省新能源消納能力。電力系統(tǒng)接納風(fēng)電能力研究時(shí)，風(fēng)電按照95%～99%概率中的低值來(lái)確定有效容量[2]；在光伏電站接入設(shè)計(jì)時(shí)，光伏出力為最大值[3]。

本文針對(duì)鹽城市電網(wǎng)外送潮流進(jìn)行分析，風(fēng)電、光伏、常規(guī)機(jī)組、負(fù)荷影響大小與各自的相對(duì)規(guī)模及特性有關(guān)，通過(guò)利用歷史實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃年份的時(shí)序耦合分析，可獲得電網(wǎng)實(shí)際可能的最大外送潮流以及各變量的系數(shù)。

根據(jù)2016～2018年鹽城電源、負(fù)荷數(shù)據(jù)分析結(jié)果，不同年份電源出力及負(fù)荷特性具有一致性，故可取采樣率最高的2018年歷史數(shù)據(jù)為參照。

根據(jù)規(guī)劃[4]，2021年鹽城海上風(fēng)電裝機(jī)3 606 MW、陸上風(fēng)電裝機(jī)4 183 MW、光伏裝機(jī)2 012 MW，常規(guī)機(jī)組維持1 590 MW不變，地區(qū)最大負(fù)荷6 310 MW。

按照“規(guī)劃年份220 kV地區(qū)外送(受進(jìn))潮流=現(xiàn)狀新能源出力系數(shù)×規(guī)劃新能源裝機(jī)規(guī)模+現(xiàn)狀常規(guī)機(jī)組出力系數(shù)×規(guī)劃常規(guī)機(jī)組裝機(jī)-現(xiàn)狀負(fù)荷系數(shù)×規(guī)劃年最大負(fù)荷”的計(jì)算方法，進(jìn)行一年105 120個(gè)時(shí)點(diǎn)電力平衡，可得到各個(gè)時(shí)刻鹽城電網(wǎng)受進(jìn)或外送潮流，將鹽城外送潮流較大的數(shù)據(jù)(取外送潮流大于最大外送潮流值的70%)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到風(fēng)電、光伏、常規(guī)機(jī)組出力及負(fù)荷系數(shù)的耦合結(jié)果。

由于光伏日內(nèi)出力有明顯的規(guī)律性，而風(fēng)電日內(nèi)各時(shí)段均可能大發(fā)，夜間大發(fā)概率相對(duì)較高，因此將一年大于70%最大外送潮流的數(shù)據(jù)分為全年每日9:00～14:00和15:00～8:00兩種場(chǎng)景，相應(yīng)的各變量系數(shù)概率分布見(jiàn)表1、表2，統(tǒng)計(jì)如下：

表1 場(chǎng)景1全年每日9:00～14:00風(fēng)光荷時(shí)序耦合表 %

表2 場(chǎng)景2全年每日15:00～8:00風(fēng)光荷時(shí)序耦合表 %

1)鹽城外送潮流大于最大外送潮流值的70%的時(shí)間全年共有128 h，約占一年8 760 h中的1.5%，即所取潮流數(shù)據(jù)為全年外送潮流98.5%概率的大值，其中9:00～14:00之間有65h、15:00～8:00之間有63h。

2)鹽城電網(wǎng)中午(9:00～14:00)風(fēng)光大發(fā)時(shí)刻，出現(xiàn)全年最大外送潮流。

3)鹽城地區(qū)最大外送潮流時(shí)刻(4月6日，13：05)，陸上風(fēng)電出力系數(shù)83%、海上風(fēng)電出力系數(shù)93%、光伏出力系數(shù)72%、常規(guī)機(jī)組出力系數(shù)36%、負(fù)荷系數(shù)52%，此時(shí)的最大外送潮流為5 565 MW(見(jiàn)表3)。

因某一時(shí)刻的風(fēng)電出力、光伏出力、常規(guī)機(jī)組出力及負(fù)荷大小存在很大的隨機(jī)性，可通過(guò)選取多個(gè)時(shí)刻各變量的平均值，作為新能源消納分析的計(jì)算系數(shù)。

選取鹽城外送較為嚴(yán)重的場(chǎng)景1，對(duì)該場(chǎng)景65 h的780個(gè)數(shù)據(jù)(注：數(shù)據(jù)采樣5 min時(shí)間間隔，65 h有780個(gè)數(shù)據(jù))進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)變量出力系數(shù)的平均值(表3)，即陸上風(fēng)電出力系數(shù)79%、海上風(fēng)電出力系數(shù)90%、光伏出力系數(shù)49%、常規(guī)機(jī)組出力系數(shù)42%、負(fù)荷系數(shù)60%，此時(shí)鹽城電網(wǎng)外送潮流為4 418 MW。

表3 場(chǎng)景1鹽城電網(wǎng)風(fēng)光荷等系數(shù) %

6 結(jié)語(yǔ)

在風(fēng)電、光伏大規(guī)模發(fā)展的背景下，地市新能源消納能力成為抑制規(guī)劃新能源并網(wǎng)的重要前置條件，傳統(tǒng)新能源消納分析時(shí)(針對(duì)單個(gè)地市)，并未考慮各類(lèi)電源出力及負(fù)荷水平之間的實(shí)際耦合特性，一般風(fēng)電、光伏按各自最大出力考慮，負(fù)荷取全年最低負(fù)荷，即風(fēng)電滿發(fā)(或90%出力)、光伏滿發(fā)(或90%出力)、負(fù)荷極端低谷(30%最大負(fù)荷)、常規(guī)電廠一半機(jī)組調(diào)峰的方式，該方式計(jì)算出的鹽城電網(wǎng)最大外送潮流達(dá)到8 700 MW(或7 700 MW)，以此計(jì)算出的新能源消納能力偏小，結(jié)論過(guò)于保守。

文中對(duì)鹽城地區(qū)大量的風(fēng)電、光伏及負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)分析，采用“規(guī)劃年份220 kV地區(qū)外送(受進(jìn))潮流=現(xiàn)狀新能源出力系數(shù)×規(guī)劃新能源裝機(jī)規(guī)模+現(xiàn)狀常規(guī)機(jī)組出力系數(shù)×規(guī)劃常規(guī)機(jī)組裝機(jī)-現(xiàn)狀負(fù)荷系數(shù)×規(guī)劃年最大負(fù)荷”，通過(guò)篩選外送潮流數(shù)據(jù)，可得到鹽城電網(wǎng)外送潮流的各種場(chǎng)景，對(duì)數(shù)據(jù)整理后即可得到各變量的計(jì)算系數(shù)，利用該系數(shù)計(jì)算出的外送潮流是符合電網(wǎng)實(shí)際最大外送功率。

文中鹽城電網(wǎng)外送數(shù)據(jù)選取70%以上最大外送潮流值的數(shù)據(jù)，該時(shí)段約占全年時(shí)間的1.5%，即鹽城電網(wǎng)外送潮流98.5%概率大值。根據(jù)得到的鹽城電網(wǎng)各個(gè)變量的出力系數(shù)，再考慮鹽城電網(wǎng)網(wǎng)架等因素，可計(jì)算出鹽城電網(wǎng)新能源消納能力。