张鸿鹄，张刚，韩永军，杜培东，郑晶晶，岳林

(1.国网甘肃省电力公司渭源县供电局，甘肃定西748200;2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州730050)

大规模新能源并网后用户参与调峰及系统仿真

张鸿鹄1，张刚2，韩永军2，杜培东2，郑晶晶2，岳林2

(1.国网甘肃省电力公司渭源县供电局，甘肃定西748200;2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州730050)

大规模新能源并网后，对电网形成巨大的冲击，随之出现诸多问题，如弃风弃光电量不断增长、调峰缺口不断增大，对电网的安全稳定形成隐患，同时也形成一种资源浪费。面对这些问题，尝试从高载能企业出发，建立大规模新能源并网后高载能用户参与调峰的分析模型，包括调峰需求能力评估模型、调峰能力评估模型、调峰缺口计算方法、高载能调峰分析模型，并针对甘肃典型高载能企业进行实例计算和分析。基于综合集成平台，采用组件搭建方式构建了大规模新能源并网后高载能用户参与调峰的仿真系统，对高载能调峰结果进行仿真，结果表明，高载能具有很大的调峰能力，通过引入高载能进行调峰，可以很大程度上增加电网对新能源的消纳能力，为高载能消纳新能源提供了前期探索经验。

新能源;调峰;高载能;综合集成平台;系统仿真

0 引言

我国能源问题与环境问题日渐突出，开发利用可再生能源、减少化石能源消耗，成为能源战略的重要组成部分。作为新能源的一支潜力股，风电的发展可谓是如火如荼。截至2013年全国风力发电新

增装机达1610万kW，累计装机容量已超过9000万kW。根据可再生能源发展规划，在内蒙古、甘肃、新疆、河北、吉林和江苏等风能资源丰富地区建成8个千万千瓦级风电基地。

甘肃地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带，其独特的地形地貌及气候特点，造就了其得天独厚的风电和光电资源。甘肃风能资源总储量23.7亿kW，占全国总储量的7.3%，技术可开发量4亿kW，占全国的10.6%。

截至2013年底，甘肃省电风机累计装机容量达到709万kW。具有丰富风能资源的酒泉风电基地位于河西走廊，是我国规划建设的第一座千万千瓦级可再生能源示范基地，也是国家继西气东输、西油东输、西电东送和青藏铁路之后，西部大开发的又一标志性工程。2014年底河西风电装机容量已达到1007万kW，可再生能源规模呈逐年快速增长态势。

在风电热火朝天建设的同时，诸多问题也随之暴露出来。据相关统计［1］，2012年全国弃风电量约200亿kW时，北方部分省区弃风比例超过25%。由中国循环经济协会可再生能源专业委员会等单位编写发布的《2014中国风电发展报告》中指出，2013年，我国风力发电上网电量约1350亿(kW·h)，连续第二年成为继火电、水电之后的第三大电源。殊不知，还有多达162亿(kW·h)无法消纳的弃风电量，约占风力发电总量的10%。甘肃风电基地作为西北的“陆上三峡”，2013年弃风率达到20.65%，如此巨大的弃风量，不仅给发电企业造成巨大损失，也是国家新能源投资中的一种浪费。就甘肃而言，弃风问题的主要原因可以归结为以下几个方面［2］:风电出力的随机性和波动性较大，从技术经济角度被视为劣质能源，受端电网普遍对外送负荷特性存在疑虑，使得风电外送存在阻力;外送通道容量目前还不够;酒泉风电基地处于电网末端，距离任一负荷中心距离都在1000km以上，考虑到网络损耗、输电成本以及风电上网电价，在终端市场价格竞争力有限;调峰能力有限，处于供不应求状态。

从甘肃风电当前发展角度出发，只有最大程度的消纳现有的风电，才能将损失降至最低;从风电发展的长远角度出发，必须将风电送出去，才能解决弃风问题。风电具有反调峰特性［3］，无论是本地消纳还是风电送出，必须有足够的调峰能力，调峰能力不足，无法并网，也会给电网安全和稳定造成隐患;调峰能力不足，风电也很难送出去。

甘肃省高载能产业主要包括电解铝、碳化硅、铁合金等，现已具备一定规模，具备加快发展的工业基础，绝大部分高载能负荷用户采用330/750kV高压直供用电模式。2014年底，如果仅考虑河西电网750kV直供的大容量集中接入的高载能负荷，则以750kV敦煌变电站为风光电集群点的碳化硅负荷将达到130万kW，以750kV酒泉变电站为风光电集群点的电解铝/铁合金负荷将达到310万kW，合计440万kW。如此大容量的高载能负荷如果具备调节潜力，在可再生能源大发期间提高负荷功率，将可以显著提高可再生能源的消纳能力。

正常运行情况下，高载能负荷在额定负荷水平运行。实际生产调节记录表明，电解铝负荷可按照电解槽进行离散投退，同时还具有在90%～100%范围内的连续调节能力;碳化硅可按照炼硅炉进行离散投退，同时还具有在80%～120%范围内的连续调节能力。

综上所述，大规模新能源并网后，电网调峰缺口增大，难以消纳现有新能源。而高载能企业既具有调峰能力，又具有新能源的消纳能力，且符合就地消纳原则。因此，高载能用户参与新能源调峰与消纳是可行的。本文基于上述论证结果，研究大规模新能源并网后，用户未参与及用户参与两种条件下，电网调峰缺口的变化过程，计算用户参调峰的能力，并基于知识可视化综合集成平台，以组件搭建的方式构建用户参与的调峰仿真系统，对高载能用户参与新能源调峰进行仿真，验证用户参与调峰的可行性和有效性。

1 大规模新能源并网后用户参与调峰的分析模型建立

大规模新能源并网后，调峰缺口发生变化，高载能用户参与调峰后，调峰缺口再次发生变化。对此进行分析，首先应对调峰需求进行评估，然后对现有的调峰能力进行评估，通过两者的评估结果计算调峰缺口，然后计算高载能的调峰能力，再次计算调峰缺口，对比前后调峰缺口的变化，验证高载能参与电网调峰的有效性。

1.1 调峰需求评估模型

在大规模新能源接入电网的条件下，电网的调峰需求在考虑常规条件下负荷峰谷差的基础上，还要受到新能源并网之后出力特性的影响，其中包括风电出力的反调峰特性和光伏发电出力的正调峰特性。调峰需求评估模型如下:

式中:Preq为调峰需求量;PLmax、PLmin分别为最大负荷和最小负荷;Pwind为风电出力;Ppv为光伏出力;k为系统旋转备用率，取15%。

1.2 调峰能力评估模型

在不考虑负荷侧参与调峰的条件下，电力系统中常规电厂的调峰主要包含两方面，即火电厂和水电厂的调峰能力。火电厂的安全下限，一般在60%～70%，火电厂的调节能力模型如下:

水电厂的调节能力较强，安全下限很低，而且启停调节的速度很快，也不需要额外的费用。其调节能力模型如下:

则整个系统的调峰容量Pbalance就是所有火电机组的调峰容量与水电机组的调峰容量之和:

1.3 新能源发电并网调峰缺口计算方法

调峰缺口实际上就是考虑了新能源并网的调峰需求与电力系统常规调峰的调峰容量之差，根据以上研究内容可以得出调峰缺口Prne的表达式为:

1.4 考虑高载能用户参与的调峰效果量化

据高载能负荷特性，高载能负荷可以在系统存在调峰缺口时调节其负荷功率，从而参与系统调峰。本文主要考虑电解铝和碳化硅以及铁合金这三种典型高载能负荷的负荷调节特性。三种高载能负荷的负荷调节特性均可近似用以下负荷模型表示:

对于电解铝厂，其负荷母线电压调整的极限值为0.1p.u.，根据电解铝负荷调节特性，其有功功率最多可以调整到其额定的(100－a)%，调节能力为a%。

对于碳化硅厂，其负荷母线电压调整的极限值为0.11p.u.计算，其有功功率最多可以调整到其额定的(100－b)%，调节能力为b%。

同样的方法，按照铁合金负荷的母线电压调整的极限值为0.11p.u.计算，其有功功率最多可以调整到其额定的(100－c)%，调节能力为c%。

因此，3种高载能负荷的日内调节能力可以表示为:

定义1（敏感话题（ST））系统提供的可能涉及到个人隐私的话题，这些内容是关于用户个人信息的，当被他人得到将有可能会滥用并影响到用户。

如果考虑碳化硅和铁合金负荷日前启停计划，这两种负荷的调节范围为100%。因此，高载能负荷的日前调峰能力为:

那么，高载能负荷的总的调峰能力Preg就是日内调节能力和日前启停能力之和，表达式如下:

如果该调节能力大于系统的调峰缺口，则表明在高载能负荷参与下，系统具备足够的调峰能力应对负荷波动和新能源的出力波动。

2 应用实例

通过对甘肃酒泉风电基地出力特性和甘肃电网负荷特性分析，根据大规模新能源发电并网调峰缺口理论及估算方法，分析计算甘肃酒泉风电接入引起的调峰缺口和变化规律。

2.1 常规调峰措施下的甘肃电网调峰分析

(1)调峰需求分析

根据调峰需求评估模型，将2011年甘肃电网调峰情况代入公式(1)中，可得出2011年全年12个月对应的调峰需求量，计算结果如表1所示。

表1 甘肃电网2011年各月份调峰需求计算结果万kW

(2)调峰能力分析

水电调峰能力分析:2011年甘肃电网水电装机容量5275MW，除黄河、白龙江梯级水电具备调峰能力外，其余约1780MW小水电均为径流式水电站，基本不具备调峰能力。但水电受来水、防凌、下游灌溉用水等因素的影响，全年调峰能力差异较大。

火电调峰能力分析如下:2011年甘肃电网火电装机容量为13800MW，其中供热电厂装机容量为3495MW，在供热期，供热机组需要维持基本出力，调峰能力很小。

在分析全网调峰能力时，按照全网发用电基本平衡、火电机组40%调峰能力、全网峰谷差按照最大及平均分别考虑、风电机组按照电网送出能力在低谷时段大发、高峰时段全停，高峰期间火电旋转备用容量按600MW考虑。

根据对甘肃电网调峰能力分析情况可以看出:甘肃电网风电大量并网后，在低谷期风电大发，高峰期间风电全停方式下，甘肃电网调峰能力不能满足电网调峰需要。在风电反调峰2000MW左右时，全网调峰能力可以满足电网调峰需要。

将2011年该电网调峰情况代入公式(4)中，可得出2011年全年12个月对应的调峰需求量，计算结果如表2所示。

(3)调峰缺口分析

根据式(5)计算调峰缺口如表3所示。

表2 常规调峰措施下电网调峰能力计算结果万kW

表3 常规调峰措施下电网调峰缺口计算结果万kW

通过调峰缺口的计算可以看出，有大规模新能源接入的甘肃省电网，由于风电的反调峰特性，使得其调峰压力变大，常规的调峰措施并不能够满足系统的调峰需求。

这时，如果通过用户需求侧响应，降低低谷负荷时的电价，鼓励高载能企业参与电网调峰，就可以有效改善电网负荷特性，降低系统调峰容量的要求，提高风电接纳能力。

2.2 高载能负荷参与调峰效果量化

以甘肃河西电网750kV酒泉变电站为上网点的酒钢公司的电解铝/铁合金负荷及以750kV敦煌变电站为上网点的三新硅公司的碳化硅为测试对象，研究其电压特性系数。

经过测试，所研究的电解铝负荷的电压特性系数取1.78;铁合金和碳化硅负荷的电压特性系数取2.03。我们假设甘肃地区所有电解铝、铁合金、碳化硅负荷总的额定功率分别为1750MW、500MW、500MW。

则根据式(6)可以求得三种负荷的调节能力为:PAl=2070MW，PSi=618MW，PFe=618MW。

对于电解铝厂，其负荷母线电压调整的极限值为0.1p.u.，根据电解铝负荷调节特性，其有功功率最多可调整到额定的82.7%，调节能力17.3%。对于碳化硅和铁合金，按照其电压调整的极限值为0.11p.u.计算，其有功功率最多可以调整到其额定的81.0%，调节能力为19%。

代入式(7～9)得到，Pregu=593MW，Pregf= 1594MW，从而Preg=2187MW。

根据2011年该电网各月份调峰情况，将上面求得的高载能负荷总的调峰容量考虑到系统调峰之中，可以计算得到计及高载能调峰的调峰缺口如表4所示。

表4 计及高载能调峰的调峰缺口万kW

从表4中可以看出，加入了高载能调峰之后，系统的调峰缺口减小了很多或变成了负值，说明在大规模新能源并网的条件下，高载能负荷可以参与系统调峰并明显改善调峰效果。

3 基于综合集成平台的调峰系统仿真

大规模新能源并网后的用户参与调峰需要一个灵活的仿真系统，系统中的各种数据和功能模块可能随时变动。因此，本文采用基于综合集成平台的组件搭建仿真系统［4－5］来对调峰应用进行仿真。

系统的实现主要包括以下几个步骤:

(1)数据集成。对电网调峰数据进行集成，主要包括水电数据、火电数据、风电数据、光伏发电数据、电网数据、高载能数据和其他辅助数据;

(2)业务应用模块划分。主要包括水电调峰能力计算模块、火电调峰能力计算模块、电网调峰需求计算模块、电网调峰缺口计算模块、高载能调峰能力计算模块，采用java语言对这些模块进行实现;

(3)组件的封装。采用组件技术、Web Service技术和SOA架构将前述的调峰数据和业务应用模块封装成相对独立的组件，并对组件进行分类，入库成为组件库;

(4)在UDDI上对组件库进行注册，并发布，形成可以共享应用服务;

(5)在综合集成平台之上，绘制大规模新能源并网后用户参与的调峰应用流程知识图，并从组件库定制对应的组件，添加至知识图，形成仿真系统，点击每个组件即可运行。

从系统仿真界面中可以看出，调峰能力远不能满足调峰需求，需要增加电网的调峰能力。通过加入高载能企业进行调峰，从而减小调峰缺口。通过用户参与调峰后，调峰缺口大大较小，已经有剩余调峰能力，说明高载能企业参与调峰，就地消纳新能源，能大大缓解电网调峰压力。

4 结语

大规模新能源并网后，电网出现诸多问题，如弃风弃光电量增加、电网调峰能力不足。针对这些问题，对高载能企业进行分析，认为高载能企业具有一定的调峰能力和对新能源的消纳能力，并对此结论进行验证。建立考虑高载能消纳的电网调峰分析模型，并采用模型对电网需求能力、电网调峰能力、高载能调峰能力进行评估，计算新能源并网后高载能参与调峰的调峰缺口变化规律。基于综合集成平台，采用组件技术、Web Service技术和SOA架构对调峰应用进行封装，成为组件库，并采用组件搭建的方式构建调峰仿真系统。应用该系统对调峰结果进行仿真，结果表明，大规模新能源并网后，调峰缺口增大，而通过高载能用户参与调峰，可以大大提高电网调峰能力，减小调峰缺口，为高载能用户参与电网调峰提供了可以借鉴的经验。

［1］辛颂旭.水电与风电联合运行分析［J］.中国电力，2013，46(8): 85－89.

［2］徐伟，杨玉林，李政光，等.甘肃酒泉大规模风电参与电力市场模式及消纳方案［J］.电网技术，2010，34(6):71－77.

［3］Goransson L.Johnsson J F.Large scale integration of wind power moderating thermal power plant cycling［J］.Wind Energy Conversion，2004，19(3):641－646.

［4］张刚，刘福潮，解建仓，等.高耗能企业能效评价系统开发及应用［J］.电力信息与通信技术，2014(2):69－73.

［5］杨列銮，张刚，王维洲，等.水电厂能效评估研究及系统开发［J］.电力信息与通信技术，2014(10):95－99.

Users take part in peak load regulating and system simulation under circumstances of large－scale new energy grid

Large－scale new energy integration forms the huge impact for power grid，and many problems emerges，such as power of discarding wind and light increasing，the peak shaving gap growing，the problems brings risks for grid security and stability，but also forms a waste of resources.Faced with these problems，it attempts to start from the high energy enterprises to establish the peaking analysis model involved by high energy consuming users after the new energy integration，including the peaking need capacity assessment model，peaking assessment model，peaking gap calculation method，high energy consuming peak analysis model，and the paper takes the Gansu typical high energy consuming enterprises examples to calculate and analyze.Based on the comprehensive integration platform，using component to build the simulation system participated by high energy consuming users after the new energy integration，so as to simulate the peaking result.The result shows that high energy has great peaking capacity，and it largely increases the grid absorbability for new energy through the introduction of high energy consuming to peak，meanwhile it provides a preliminary exploration experience for high energy consuming absorbing new energy.

new energy;peak load regulating;high energy consuming trade;comprehensive integrated platform;system simulation

TK81

B

1674－8069(2015)04－001－05

2015-04-08;

2015-05-24

张鸿鹄(1965-)，男，甘肃兰州人，工程师，从事电网调度研究工作。E－mail:zhanggang3463003@163.com

中国博士后科学基金面上资助项目(2014M552556XB);国家电网公司科技项目(52272214002W;52272214002W;52272214002B)