何 叶，张 亮

(1. 南京交通职业技术学院，南京 211188；2. 国网天津市电力公司城南供电分公司，天津 300201)

考虑风电接入的调峰调频电源配置

何 叶1，张 亮2

(1. 南京交通职业技术学院，南京 211188；2. 国网天津市电力公司城南供电分公司，天津 300201)

为满足大规模风电的接入，必须进一步在系统内规划或引入新的调峰调频容量。将风电当作负的负荷，提出了风电场等效调峰调频容量的概念，风电接入后的风电场等效调峰调频容量体现了风电接入后对系统调峰的影响，根据Pweq来决定调峰调频容量的配置。不仅依靠传统方法增加电源侧调节机组，还从风电出力波动角度考虑增加储能系统的手段解决风电接入后对系统调峰调频的影响。

风力发电；调峰调频；电源配置

风电出力的多变性是风力发电和其他能源发电方式之间最大的不同，目前对风电接入后的电源规划研究主要关注增加系统的备用容量。然而，风电接入系统不会增加系统的最大负荷，反而在一定程度上减小供电压力，不需要考虑增加备用容量。

风电的波动性很大，并且一般负荷特性往往与风电功率特性相反，或称之为风电的反调峰特性，风电接入增加了负荷波动的不确定性，在并网风电容量较低的时候，风电的出力波动对系统的影响微乎其微，当并网风电规模增加到一定程度，对系统调峰调频能力的要求有所提高。因此实际系统中应关注对风电的出力波动率进行分析和评估，研究系统是否需要增加额外的调峰调频机组进行更快更深的调节。

1 风电场等效调峰调频容量

目前在规划中采用基于确定性的方法对由风电接入后引起的调峰调频问题进行分析，认为风电接入后系统需要增加与风电等容量的调峰调频容量[1]。而实际上，风电日内出力曲线变化多端，各种出力方式下风电对常规电源调峰调频容量的需求也不尽相同，并且在短期内引入大量调峰调频容量的难度较大。

系统调峰调频容量由负荷的变化率所决定，风电作为电源可以看作是一个负的负荷，系统负荷L减去风电出力PW后的净负荷为等效负荷L＇，风电场等效调峰调频容量Pweq定义为：

Pweq=△Pmax-△Pmax＇

(1)

式中 △Pmax——原始负荷10 min变化率的最大值；△Pmax＇——等效负荷10 min变化率的最大值，Pweq>0，说明风电场并网在某种程度上减小系统负荷变化率；否则，说明风电场并网对系统起负面作用，对系统调峰调频电源提出了更高的要求。

以某年江苏省南通市全年负荷数据作为依据，全年负荷曲线如图1所示。

图1 南通市全年负荷曲线

以江苏省沿海城市南通市如东风场同年的风机出力数据为例(最大出力为96 MW，最小出力为0 MW，10 min出力上升最大幅度为64 MW)，南通市如东风电场全年出力曲线如图2所示。

图2 某年南通市如东风场机组出力曲线

如东风场前4个月的总装机量为62 MW，平均出力率为22%；后8个月总装机提高到100 MW，而平均出力率为13.7%。将如东风电场出力反向叠加到原本的负荷曲线上，得到等效负荷曲线(见表1)。

表1 南通市负荷特性和等效负荷特性分析 MW

等效负荷特性与原始负荷特性相比，最大负荷和最小负荷没有变化，最大负荷变化率减小了3 MW。即如东风场的等效调峰调频容量Pweq=3 MW。同比放大如东风场的出力数据，分析其等效调峰调频容量见表2。

表2 不同装机容量下的风电场等效调峰调频容量 MW

当风电场装机容量为1 200 MW时(占比约30%)，等效调峰调频容量为-599.97 MW。虽然表2中数据存在局限性，但是可以看出：并网风电场容量越大，其对调峰调频电源的要求越高。因此，可以采取相关调节措施以平衡风电出力对电网的影响，保证对负荷安全可靠地供电。

2 风电接入后的系统调峰调频电源配置

风电接入后的风电场等效调峰调频容量Pweq与负荷波动以及风电出力波动有关，故可以考虑从减少负荷侧负荷波动以及平滑风电场出力的角度寻找解决方法。由于可中断负荷的响应速度很快，可以作为瞬时备用，但对于频繁发生的备用需求，采用可中断负荷措施在技术上和经济上都不合理，而且其控制精度不高，过控(或欠控)程序较严重。因此，从配置储能系统和常规机组角度考虑增加系统调峰调频容量。

2.1 储能系统

储能技术按原理可分为电磁能储能、超级电容储能、蓄电池、抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能。电磁能储能和超级电容储能的响应速度快、寿命长，适合于瞬时平滑风电场出力，但受制于高昂的成本。蓄电池的响应速度能够满足瞬时平滑风电场出力的要求，并且成本效益较高，是目前较为常用的风电场储能配置，但存储容量受限制。飞轮储能响应速度快，可适用于瞬时平滑风电场出力，但是起成本高、容量小。抽水蓄能和压缩空气储能由于存储容量大，适合存储大规模的风电，但是应用受到地理条件、转化效率等方面制约较大，故综合考虑，采取压缩空气储能系统来平滑风电场出力。

采用压缩空气储能系统对风电场功率进行集中补偿，要求储能单元能够有效地吸收波动功率以平抑风电场输出的功率波动，故将其输出功率设计为[2]：

(2)

式中PW——风电场滤波前的有功功率输出，即将其通过一阶高通滤波器后的输出为储能单元的输出功率。

忽略系统损耗，则注入电网的有功功率

(3)

τ=1/(2πfc)

式中fc——滤波器截止频率。

分析式(3)采用离散化出力，在时域中可得：

(4)

式中t——控制采样间隔，取5 min。

考虑风电注入功率波动最大允许值，由式(4)可得：

(5)

式中 ΔPMAX——风电场注入功率10 min变化率最大允许值。

2.2 常规机组

电力系统中常规发电机组一般分为水电机组、火电机组和核电机组3种。水电机组出力调整范围大、速度快，并且运行成本低，环境污染少，但受限于地理位置。核电机组适于承担系统基本负荷，不适合作为调峰调频机组运行。

火电机组一般分为常规火电机组、供热机组和燃气轮机。供热机组在热电联产时经济性高，一般担任基荷运行，不适合作为调峰调频机组。燃气轮机启动快、可以频繁启动，适于作为调峰调频机组，但是燃气资源太少。常规火电机组运行在额定出力或接近额定出力时经济性较好，并且常规火电机组启停周期长，不宜频繁启动，在风电大规模并网后系统调峰调频压力很大的情况下，一般以牺牲常规火电机组的部分经济性为代价，以热备用的形式参与调峰。

风电接入后，需要配置相应的调节机组ΔP，其机组出力要求如下：

(6)

式中 ΔPmax与ΔPmin——调节机组的最大出力与最小出力。

系统的调峰能力，往往受到发电机组爬坡能力的限制。其上下坡速率需要满足：

(7)

式中 ΔRu，ΔRd——调节机组的上坡速率限值和下坡速率限值(以10 min为单位)；ΔPumax，ΔPdmax——系统等效负荷在10 min内的最大增量和最大降幅；Riu，Rid——机组i的上坡速率限值和下坡速率限值。

大型机组的调峰能力一般只有17%～23%，目前国内外超临界燃煤火电机组的调峰深度可达50%以上，出力调整速率约为每分钟3%～5%。

3 调峰调频电源规划

以如东风场的出力数据和南通市的负荷数据作为研究对象，对其进行调峰调频电源进行规划，目标函数为系统总支出费用最小(包括固定成本和可变成本两部分)。

储能系统

由于CAES的存储功率PCAES输出量依据风电场的容量系数通常为0.4PWMAX。国家电网公司《风电场接入电网技术规定》中的要求：对于大于150 MW装机容量的风电场，其10 min功率最大变化率不得超过100 MW。以如东风场装机容量为400 MW为例，考虑在10 min内风电场注入功率线性递增，则有

(8)

这表明时间常数τ=3.2可平抑风电功率数十分钟级的波动，实现投资成本的最小化。

(9)

风电场装机容量为400 MW时，配置CAES前后的系统负荷变化见表3。

表3 400 MW风电场配置CAES前后的系统负荷变化

则Pweq由-87.97 MW变为4.02 MW。根据这些方法，依据风电场的容量系数为0.4PWMAX建设压缩空气储能系统对如东风场进行集中补偿，其设计使用寿命为30年，假设压缩空气储能电站容量系数为0.4，则年均发电量为(0.4PWMAX×0.4×8 760)MWh。压缩空气储能电站的投资成本约为700 $/kW[3]，每年的运行维护费用约为1.35 $/kW(30年的设计使用寿命)。可变成本为压缩空气储能电站的供电成本，压缩空气储能电站的燃气轮机组以天然气为燃料，供电成本约为0.053 7 $/kWh[4]。计算不同风电场装机容量下储能系统容量配置和储能系统建设成本结果见表4。

表4 不同装机容量下储能系统容量配置和储能系统建设成本

采用超临界燃煤火电机组作为调峰调频电源，其调节深度可达50%以上。故可按照风电场等效调峰调频容量Pweq的2倍来配置火电机组的容量，其设计使用寿命为30年。在我国燃煤调峰电站的投资成本约为770 $/kW[5]，而脱硫装置的安装建设成本约为73 $/kW，燃煤调峰电站每年的运行维护费用约为1.05 $/kW(火电机组寿命一般定为30年)。可变成本为火电机组的供电成本，火电机组的供电成本约为$0.052 1/kWh。不同风电场容量下，火电机组容量配置和建设成本如表5所示。

表5 不同风电场容量下火电机组容量配置和建设成本

不同风电场容量下的储能电站和火电机组配置的总成本如图3所示。

图3 储能电站和火电机组的配置总成本

由图3可得，当并网风电场容量较小时，配置火电调峰调频机组的固定成本和建设储能电站差不多；当并网风电场容量较大时，配置火电调峰调频机组的固定成本比建设储能电站成本要高；储能电站的可变成本和火电调峰调频机组的可变成本差不多，风电场容量较大时，储能电站的可变成本比火电机组的可变成本略高一些。

4 结语

目前对规模风电接入后的电源规划还在探索期间，需要进行更深入一步的研究，才能获得成熟而高效的规划方案。本文在已有的数据基础上分析调峰调频电源的配置情况，比较有局限性，可进一步分析风电场出力和负荷的分布，模拟其出力进而配置调峰调频电源；调峰调频电源中还有很多电源类型没有考虑在内，如水电、核电等都可以和风电形成互补的能源系统，并且可以允许所作决策在一定程度上不满足约束条件，并采用可中断负荷作为补偿手段，可能会得到经济上的更加优化的规划方案。

[1] 张 宁,周天睿,段长刚, 等.大规模风电场接入对电力系统调峰的影响[J].电网技术,2010,34(1): 152-158.

ZHANG Ning, ZHOU Tian-rui, DUAN Chang-gang, et al. Impact of Large-Scale Wind Farm Connecting With Power Grid on Peak Load Regulation Demand[J]. Power System Technology, 2010，34(1)：152-158．

[2]谭 靖,李国杰,唐志伟.基于压缩空气储能的风电场功率调节及效益分析[J].电力系统自动化,2011,35(8):33-37.

TAN Jing, LI Guo-jie, TANG Zhi-wei. Design and economic analysis of compressed air energy storage based wind farm power regulation system[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(8): 33-37.

[3]ERVIN SPAHIC，GERD BALZER，BRITTA HELLMICH，et al．Wind Energy Storages-Possibilities[C]．Power Tech，IEEE，July 2007，Lausanne.

[4]ALFRED CAVALLO. Controllable and affordable utility-scale electricity from intermittent wind resources and compressed air energy storage (CAES) [J]. Energy，2007，32：120-127.

[5]刘文毅，杨勇平．压缩空气蓄能电站综合效益评价研究[J]．工程热物理学报，2007，28(3)：373-375.

LIU Wen-Yi, YANG Yong-Ping. Calculations and analysis of overall benefit for compressed air energy storage(CAES) power plant[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2007,28(3):373-375.

(本文编辑：赵艳粉)

Peak Regulation Capacity Configuration Considering Wind Power Integration

HE Ye1, ZHANG Liang2

(1.Nanjing Traffic Vocational and Technical College, Nanjing 211188, China; 2. Chengnan Power Supply Branch, Tianjing Municipal Electric Power Company, Tianjing 300201, China)

In order to meet the needs of large-scale wind power integration, we must further the system planning or introduce a new peak regulation capacity. Taking wind power as the negative load, this paper puts forward the concept of equivalent peak regulation capacity of wind power: equivalent peak regulation capacity of wind power reflects the influence of large-scale wind power integration on system peak load regulation, and the peak regulation capacity configuration is determined according to Pweq. It is suggested to not only rely on the traditional method to increase the power-side adjustment units, but also considering wind power output fluctuation, to increase wind energy storage systems to resolve the impact of large-scale wind power integration on system peak load regulation.

wind power; peak load and frequency regulation; power configuration

10.11973/dlyny201606005

何 叶(1988)，女，硕士，主要研究方向为电网规划。

TM73

A

2095-1256(2016)06-0686-04

2016-10-13