新建高载能用电负荷提升本地风电消纳容量途径研究

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来源: | 作者: | 发布时间: 2021-03-10 | 64 次浏览 | 分享到:

　　国网甘肃省电力公司电力科学研究院杨勇郑晶晶安亮亮彭晶李鹏飞

　　1 引言

　　甘肃河西走廊风力资源丰富，大部分地区处于太阳能辐射资源丰富区和较丰富区，拥有发展新能源得天独厚的综合优势。2014年，甘肃省内光伏、风电装机容量分别突破500万千瓦和1000万千瓦，分别居全国第一位和第二位。根据酒泉新能源基地总体规划，到2020年装机容量将达到2000万千瓦，酒泉和河西走廊将成为世界上最大的新能源基地。

　　随着酒泉地区新能源发电规模的不断扩大，对电网的影响也日益凸显。当接入电网的常规能源调峰能力无法满足河西地区新能源发展的时候，可以利用高载能负荷来平抑风电波动，使大规模新能源发电能就地消纳，从而起到削峰填谷的作用。但是，由于不同的高载能负荷接入电网的方式，会对电网产生不同的影响，并且会对电能的供需平衡和电网的网损产生较大影响[1]，因此需要对高载能负荷平抑风电波动的适应性及控制策略进行研究。

　　2 高载能负荷平抑风电波动的影响分析

　　在对高载能负荷对风电波动的适应性及其平抑风电波动的控制策略开展研究的基础上，对高载能负荷合理控制，能够在实现大规模新能源就地消纳的同时，缓解常规电源的调峰压力，提高电网的调峰能力，避免因新能源波动给电网运行调度带来的不利影响[2]。

　　2.1 高载能负荷对酒泉地区风电消纳的影响分析

　　酒泉地区风电装机容量巨大，且较为集中，由于风电场远离用电负荷中心，而且嘉峪关和酒泉地区消纳风电的能力非常有限，大量风电无法实现就地消纳[3]。目前主要通过双回750kV线路向省外输送，考虑系统运行稳定的需要，实际输送能力仅约300万千瓦，大量风电出力受限。在目前外送能力不足、新的外送通道建设周期较长的情况下，就地消纳是需要重点考虑的途径[4]。而发展中小企业，用电负荷较小，对消纳大量富裕的风电作用不大，因此，重点考虑发展用电负荷较大的高载能工业来消纳风电将更加有效。

　　嘉峪关和酒泉地区加快发展现代高载能产业具有以下优势：

　　第一，矿产资源的种类和储量非常丰富，仅酒泉瓜州县以白色大理岩为主的硅石资源储量就达10亿立方米，柳园地区硅石资源远景储量达10亿吨以上；

　　第二，发展现代高载能产业就地消纳富余电力，变能源输出为产品输出，是将能源优势转化为经济优势的有效途径；

　　第三，加快发展现代高载能产业是落实国家承接产业转移政策的实际行动；

　　第四，高载能产业是甘肃省的传统优势产业，高载能产业总资产、工业增加值、利润总额等都超过全省工业总量的80%以上。因此，加快发展现代高载能产业，扩大产业规模，提升产业经济总量，促进产业升级，是推动甘肃省工业实现跨越发展的重大举措。

　　2.2 高载能负荷对平抑风电波动的影响分析

　　由于锅炉、汽轮机等设备受交变应力的限制，调整速度较慢，一般凝汽式机组每分钟仅可调整装机容量的1%左右，对于热电联产机组，其最小出力和调整速度还要受供热的限制。由此可以看出，常规电源参与调峰的能力无法满足河西地区风电的发展，需要研究风电“直供”和就地转化的途径，发展适应新能源发电出力特性的高科技、高附加值的载能产业。

　　现有的研究成果表明氯碱和铝电解等高载能负荷的生产均能较好地适应风电特性，生产过程中的电压或电流波动，只影响产品的产量，不影响产品的质量和工艺流程；双路供电时，网电自动为风电补充，保证了电解槽的稳定生产。因此，可以在电网调峰能力不足的情况下，通过控制高载能负荷来平抑风电波动，从而起到削峰填谷的作用。

　　3 高载能负荷平抑风电波动控制方案研究

　　通过对高载能负荷对风电波动的适应性研究可知，在高载能负荷的生产过程中，电压或者电流的波动不影响产品的质量。因此，当电网的调节能力不足以应对风电的波动时，可以通过短时间中断高载能负荷来平抑风电波动[5]。高载能负荷平抑风电波动控制方案解决的主要问题是在保证系统安全稳定运行的前提下，通过控制高载能负荷的投切来平抑风电波动，最大限度地利用风电。控制目标包括：保证系统可靠、稳定运行；提高风电利用率；当高载能负荷的中断时间和中断次数达到上限时，能采取措施以保证负荷的稳定供电；确保在系统故障情况下，能够快速隔离故障、减小对负荷供电以及整个供电系统运行的影响。

　　高载能负荷平抑风电波动控制与电网控制的目的一致，但是控制手段不同。通过高载能负荷来平抑风电波动的控制方法是从充分利用风电的角度出发，最大限度地减少对风电场出力的限制，尽可能多地发出风电[6]。因此，对于高载能负荷平抑风电波动控制而言，通过切除或接入负荷实现较大幅度的有功功率调节以适应风电的波动是主要的控制手段，也就是说，有功功率控制主要对象不是风电场，而是高载能负荷[7]。

　　结合高载能负荷的运行特点以及风电功率预测的研究成果，以风电利用最大化为目标，制定了通过高载能负荷平抑风电波动的三级控制策略，包括预测控制、常规电源控制和高载能负荷控制。具体控制策略流程示意见图1。

　　（1）预测控制

　　根据风电场出力短期预测曲线和负荷预测曲线，将风电场出力定义为一个负的负荷，叠加在原有负荷上，形成等效负荷曲线。

　　（2）常规电源控制

　　通过常规电源平抑风电波动的控制策略包括：根据等效负荷曲线，在考虑水火电机组的运行情况和机组约束条件的基础上，安排水电机组和火电机组的发电计划；根据火电机组的发电计划和额定容量，确定火电机组的备用容量，留取一部分备用容量为风电调峰，另一部分作为备用容量裕度；当风电波动时，根据火电机组为风电调峰的备用容量大小，通过调整火电机组的输出功率来平抑风电波动。

　　（3）高载能负荷控制

　　采用高载能负荷平抑风电波动的控制策略包括：当火电调峰能力无法满足风电波动时，通过分组投切高载能负荷来平抑风电波动；当风电场的实际出力与预测出力存在偏差时，采用火电机组留有的备用容量裕度来调节输出功率，从而实现整个系统的功率平衡。

　　4 新能源与高载能负荷分层分区协调控制策略研究

　　4.1 新能源与高载能负荷分层协调控制策略研究

　　为了研究新能源与高载能负荷分层控制协调方法。首先需要将电网按电压等级分成若干层，再对每层的子电网建立分层拓扑模型，并根据拓扑结构中线路的输电容量及节点负荷，计算每个子电网中应该接入的高载能负荷的容量及位置。当某一节点负荷发生波动时，利用在同一层级的新能源电厂与高载能负荷的调节与消纳能力，使得这一节点及层级的功率保持在一个稳定的水平[8-9]。

　　（1）高载能负荷接入容量及位置的计算方法

　　为了计算分层后的子电网所接入的高载能负荷的大小及位置，需要求出该层各级、各节点可接入高载能的负荷值。并且要按照线路的输电容量大小对负荷进行分配。

　　对于一个电网络，应满足如下性质：上级节点的负荷等于与之相连的所有下级节点的负荷之和加上它们之间所有弧的负荷之和，即：

　　计算的过程中可以算出各个节点负荷的值。当某一节点的负荷产生波动的时候，就需要电厂与高载能负荷进行调节。使得层内新能源与负荷达到供需平衡，这样就使电网相对稳定。

　　（2）新能源与高载能负荷分层控制协调策略

　　图2给出电网分层控制策略流程：将河西地区电网按电压等级分成不同的层级；建立子电网的分层模型；计算拓扑结构中各个节点的可接入的负荷值的范围。若高载能负荷接入容量大于节点所求的可接入的负荷值，高载能负荷就不可建设在此节点。当高载能负荷接入容量小于节点所求的可接入的负荷值时，若高载能负荷加上该节点原有的负荷大于该节点与上级对应节点之间线路的最大输电容量，则也不可以建设在此点；得到高载能负荷所接入层级容量的大小及节点位置的方案；当某一节点负荷发生波动时，利用在同一层级的新能源电厂与高载能负荷的调节与消纳能力，使得这一节点及层级的功率保持在一个稳定的水平。

　　4.2 新能源与高载能负荷分区协调控制策略研究

　　为了研究新能源与高载能负荷分区控制协调方法，首先要根据新能源所在的地理位置及风电场的接入方式，采用聚类分析方法对电网进行分区，然后计算每个区域内的高载能负荷接入容量和位置，以实现区域内的功率平衡。当区域内、区域间的负荷产生波动的时候，根据需要对新能源与高载能负荷进行调节，使电网中的供需基本保持平衡。

　　（1）新能源与高载能负荷分区控制策略研究

　　按K-means聚类算法进行系统分区之后，需计算各个区域之内所需要接入的高载能负荷值。

　　在相应的区域中接入高载能负荷，当区域内的负荷有波动的时候，就可以调整所在区域的发电厂和高载能负荷，使得发出的功率与所消纳的功率相平衡。当新能源电厂发出功率波动时，可调节高载能负荷所消纳的功率，使得系统分区中的供需基本平衡[10-11]。调节送、受端电厂输出功率就可以使两个区域供负荷电厂的功率平衡。互联电网联络线功率优化模型与本区电网内各新能源电厂对联络线的实际贡献率有密切联系。优化配置电网内各新能源电厂的发电功率方案，合理调配电厂与联络线功率的关联因数，协调发电出力，即可实现减少受各种电力规约限制的联络线有功功率的平衡。

　　（2）新能源与高载能负荷分区控制协调策略新能源与高载能负荷分区控制流程见图3。

　　分区控制策略流程：按河西地区的风电汇集接入点划分电网；利用电厂之间的电气距离为指标的K-means聚类算法，将电网进行重新分区。从而得到紧凑而独立的区域。并将区域间的联络线等值成所在区的负载；计算接入不同的区域中的新能源电厂的总输出电能和总负荷值，进而求出需接入的高载能负荷值；区域内的负荷有波动的时候，就可以调整所在区域的新能源电厂和高载能负荷。当新能源电厂发出功率波动时，可调节高载能负荷所消纳的功率，使得系统分区中的供需基本平衡；区域间的协调控制，当某一区域有负荷波动情况时，利用本节定义的灵敏度系数较大的电厂进行区域间的功率调节，使之保持系统的稳定性。

　　5 结语

　　河西地区电网及电源配置结构特殊，现有的常规能源调峰能力无法满足当地大量新能源接入后电网的安全稳定运行要求。合理发展利用高载能负荷可以有效地平抑风电波动，使大规模新能源发电能就地消纳，从而起到削峰填谷的作用，弥补常规电源不足的缺陷。但是，不同的高载能负荷接入电网的方式，将会对电网产生不同的影响，并且会对电能的供需平衡和电网的网损产生较大影响。因此要根据分层分区的原则，制定合理的协调控制策略，以达到最佳的平抑效果。