任萍，初立森，董添，李邓超，毕庆生

（1.吉林省电力科学研究院有限公司，吉林长春 130021；2.长春工程学院能源与动力工程学院，吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，吉林长春 130012）

吉林省电网电源结构的研究

任萍1，初立森1，董添1，李邓超2，毕庆生2

（1.吉林省电力科学研究院有限公司，吉林长春 130021；2.长春工程学院能源与动力工程学院，吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，吉林长春 130012）

在分析了吉林省电网结构在电力体制改革后形成的不合理结构的基础上，针对具有一定容量规模的电网，提出了电网中多种电源结构合理匹配数学模型；并根据该数学模型，结合吉林省电网电源结构现状分析了目前吉林省电网电源的合理匹配性及原因，最后提出了吉林省未来电源布置原则及发展方向。

电网；电源结构；合理匹配；数学模型

吉林电网始于解放前的日伪时期发展至今，日本占领东北为更加高效快速掠夺资源，在我省自然资源丰富地区先后投建了二道江、辽源、蛟河、龙井、长春一热等多个火力发电厂，并在吉林丰满兴建了当时全国最大的水电站，并逐渐形成了东北电网的雏形，老百姓曾有句歇后语“小丰满拉电闸东北三省全闭”说明当时丰满电站的地位在东北电网举足轻重。

解放后实施第一个五年计划，由前苏联援建的项目中，吉林省兴建了我国第一批火电项目，吉林热电厂共计7台总计225 MW高温高压双抽供热机组，配套为吉化供工业抽汽和周边居民冬季采暖使用，也是在相当长的一段时期内省内最大热电厂；同期还有长春一汽配套使用的2台12 MW双抽供热机组投产为一汽提供工业用汽。

由于吉林省是农业大省，工业用电量增长缓慢，到20世纪70年代末期才陆续有6台100 MW机组投产，80年代末期才有6台200 MW机组陆续投产，而到了90年代末期，吉林电网只有双辽的4台国产300 MW机组投入运行，在厂网没有分开之前，装机容量与用电量之间的比例基本合理，机组利用率一直处于70%以上，年运行时间大于7 000 h；供热机组占比很低，火电厂主要以发电为主，多数是凝汽式发电机组，发电装机与用电容量增长基本处于相对均衡发展状态。

2003年电力体制改革发生了巨大变化，厂网分开，发电企业形成多个发电集团，新体制下的原本竞价上网的机制并没有实质性开展起来，各发电集团之间的装机容量竞争却逐渐越演越烈，吉林电网装机容量的增长速度已经远远高于用电增长，电力建设规划处于无序失控状态；为了增加利用小时数和利于上报项目核准通过，出现了一批300 MW供热机组，原有的一些凝汽式机组也都创造条件改造成供热机组，供热机组的占比逐年上升，电网调峰越来越受供热的制约；与此同时，风电等新能源建设成本大幅降低，国家对新能源在政策上的大力倾斜，使得吉林省西部风电装机容量逐年迅速增长，到了2007年冬季，吉林电网结构已经凸显出严重不合理的状态，而且这种不合理的状态持续至今越演越烈，已经影响到各个方面，主要表现在如下几个突出的问题：

1）冬季供热期间电网调峰出现严困难，由于大型供热机组占比大，发电负荷调整受供热负荷制约，尤其是节假日期间电网调峰与满足供热矛盾加剧。

2）调峰影响机组供热，由于供热机组占比大，为满足供热负荷加大了开机方式，全省整体火电机组负荷率偏低，夜间运行需要进一步深度调峰压低电负荷来满足电网稳定运行，供热质量因调峰受到影响。

3）风电机组受限于电网调峰和供热影响，冬季供热期间，也是省内比较适于风力发电季节，风电逆向调峰多有发生，目前虽然电网已经尽最大可能利用现有条件消纳，但仍然发生很大比例弃风功率。

如何解决上述问题，不仅是解决当前影响吉林电网的安全稳定运行的首要问题，也是关系到吉林省居民采暖供热质量，关系到绿色能源利用率提高，降低电力生产过程中的污染物排放，提高电力生产运行效率，减少电力建设投资盲目性等的问题。区域电网中电源结构合理匹配，是解决问题的关键[1-9]。本文阐述了不同种类电源在区域电网中如何匹配才能使得各方效益得到发挥，才能使得电力生产、热力生产、以及绿色能源利用都得到安全、稳定、合理的运行。

1 多种电源结构合理匹配数学模型

对于具有一定容量规模的电网运行能否达到安全稳定经济运行，除了与电网输送构架分布密切相关外，电网内电源点规划和各发电机组运行调节特性也影响电网安全稳定性，也直接影响电力输送及发电运行经济性。对于北方寒冷地区有大量带采暖热负荷和工业热负荷的热电联产机组，大型火力凝汽式发电机组，风力发电机组，水电等多种类发电机组的区域性电网而言，不同种类电源的合理匹配组合不仅能够优化电网电源规划和电网构架，优化电网线路容量分配，实现电网安全稳定经济运行，同时可以最大限度发挥热电联产机组效益，提高热网运行安全稳定性和可靠性，保证供热质量，还可以最大限度提高清洁能源和可再生能源发电设备的利用率，达到节能减排的目的[10-14]。

1.1 多种电源结构合理匹配数学模型

为了实现上文所述的目标，针对具有一定容量规模的电网，提出了电网中多种电源结构合理匹配数学模型，如图1所示，发电机组负荷单位均为MW。

图1 电网单日负荷电源组合曲线示意图Fig.1 Diagram of the power supply combination of the daily load of the power grid

有公式如下：

式中：Nbase为日基本负荷；Nrmin为供热机组保证供热质量下的最低负荷；Nwind为风电负荷；Nb为核电机组负荷；Ng为生物质能负荷；Nn0.5为垃圾焚烧电站负荷；Nnu为大容量凝汽式发电机50%负荷（调峰运行）。

式中：Nmin为日低谷负荷；Nps为抽水蓄能消耗负荷。

式中：Nmax为日尖峰负荷；Nrmax为热电联产机组最大负荷；Nn（＞0.5）为凝汽式机组大于50%以上负荷；Nhymax为水电最大负荷。

1.2 电源运行方式

1）当电网的负荷参数N满足关系式Nmax＞N＞Nmin=Nbase时，按照建立的数学模型运行，刚好满足配置，这是既节能又安全的模式。

2）当电网的负荷参数N满足关系式N=Nmin＜Nbase时，使用抽水蓄能电站等具有储能作用的电站消耗电能，将Nbase提高到Nmin，平安的度过低谷。

3）当电网的负荷参数N满足关系式N=Nmax＞Nmin=Nbase时，大容量凝汽式发电机组和大型供热机组以及部分水电机组承担电网增长的负荷。

4）当电网的负荷参数N满足关系式N=Nmin＜Nbase时，且Nwind=0（由于风力不适等自然条件原因）时，由大型火电凝汽式发电机组承担风电退出负荷[15]。

由上分析可知，具有一定容量规模的电网电源理想配置模式能够保证在电网低谷运行期间吸纳更多的风电容量，供热机组能够带上足够的热负荷，核电机组能够带上恒定的发电负荷，同时运行的大型凝汽式发电机组在各自额定容量的50%幅度以内调整就能够满足电网峰值容量的需要，这种电源模式配置的电网具备了经济调度的基本条件。

2 吉林省电网电源结构现状及合理匹配性分析

2.1 吉林省电网电源结构现状（2014年底）

目前东北电网并网发电机组基本上由火电机组、水电机组、风电机组、核电机组和燃气轮机组构成，垃圾电站和生物质能电站与火电机组除了燃料不同，其生产工艺基本相同，属于火电机组。火电机组目前仍然是电网的主要电源，其容量占比在总装机容量90%以上，火电机组有64.97%的容量是供热机组。因此，我们研究的电源匹配重点仍然是围绕火电供热机组。

截至2014年底，吉林省电源结构见表1。

表1 吉林省电源结构表（2014年底）Tab.1 The power structure of Jilin province（by the end of 2014）

从表1中可知，吉林省电网供热机组装机容量占总装机量的64.97%，风电装机占电网总容量的19.96%，均高于其他省份电网，形成了特有的风电、供热机组占比高的电网。

根据表1数据，无抽水蓄能消耗负荷，经上述公式计算得出日基本负荷与日低谷负荷同为15 779.7 MW，日尖峰负荷计算得出17 993.5 MW。

2.2 吉林省电网电源结构合理匹配性分析

由图2及前面计算结果可知，Nmax≈7 500 MW≤17 993.5 MW Nmin≈4 800 MW≤15 779.7 MW，远远不符合合理匹配数学模型。分析原因有以下4点：

图2 吉林省电网冬季采暖期典型日负荷曲线Fig.2 The typical daily load curve of Jilin power grid in winter

1）电源建设增长速度大于用电负荷的增长，且新增电源结构不合理。

2）供热机组所占火电机组的比例增大。

3）风电机组容量逐年骤增。

4）经济发展缓慢，社会用电量增长缓慢，导致电网负荷的峰谷差增大，在电网低谷负荷时段发电能力过剩，而供热量增长较快，供热机组难以满足最小供热开机方式[15]。

最终的结果是：电网调峰困难；受电网峰谷影响，居民采暖供热质量受影响；弃风时有发生；各类电源都存在投资浪费比较严重现象。

3 电网运行安全稳定的充分必要条件

电力生产具有生产和使用同时性的特点，所以决定了电网与电源之间的高度统一协调至关重要，各电源点在电力调度中心的协调统一指挥下每时每刻都在维持着发供电之间的平衡，确保全电网提供的电能质量满足国家规定标准，电能质量指标为电压、周波（频率），电力用户增减负荷直接对发电机组的输出电压和频率产生影响，并网机组无论是人工调节还是通过调频调压自动调节的手段即刻作出反应，调节发电机输出功率适应变化，满足电压、频率保持在允许范围内。

电网常规的大幅度波动在于用电高峰和用电低谷之间，还有就是大型用电设备的启停与随机故障突然停机，或者是大型发电机组故障甩负荷，这些都是非常规波动。

宏观上来讲，电网容量大的条件下，发电或用电单机容量占电网总体容量比例相对降低，发供电设备出现故障时对电网稳定性冲击相对较小，目前吉林电网处于东北电网中间地区，电网对抗单机故障干扰能力相对较强，但是由于占比较大的大型供热机组调峰容量不足，使得常规电网峰谷调整遇到困难。

所以，热电联产机组无论是新建还是改造项目，其投产后运行的一个当前往往被视而不见的必要条件就是电网调峰是否能够满足项目的运行需要，这就是当前吉林电网发展遭遇调峰与供热之间尖锐矛盾的关键所在。

电网安全稳定运行的必要条件是有充足的调峰能力和响应速度。由于电力生产和电力消费具有同时性的特点，因此并网运行的发电机容量出满足正常负荷需求外，在运行中有大型用电设备的启动或大型发电机组故障停机时，系统中会出现暂时的功率缺额，频率下降，需要并网的同步发电机及时调整出力，使系统频率恢复到额定值，这就需要在系统中留有足够的热备用容量（即调峰容量）。启动发电机组一般需要2 h左右，根本无法适应负荷急剧变化的需要。热电联产机组受以热定电的影响，调峰能力有限，以吉林省为例，供热中期日最大最小负荷相差40%～50%，也就是需要较大的调峰能力，而供热机组的调峰能力也就20%～30%，又因为东北电网装机容量大，无法运行纯凝机组，造成电网的调峰能力不足，将威胁电网的安全稳定运行[16]。

4 吉林省未来电源布置原则及发展方向

根据2012—2013年度采暖期统计数据，吉林省推算的可能居民采暖集中供热平均热负荷为15.83 GW，按照正态分布推算到装机容量热负荷需求为26.38 GW，当前供热机组装机提供的能力是12.87 GW，按照热电联产配备装置热负荷缺13.51 GW；这就意味着如果按照目前的热电机组配置规模再增加一倍，才能满足省内热用户的需求，而按照目前电网的用电增长态势，或是按照近10年用电增长率的推算，都不可能有热电联产机组的发展空间。然而，供热需求对于寒冷地区的冬季是刚性增长，必须在统筹兼顾的基础上，研究妥善的供热方案，来满足冬季居民采暖的需要，盲目地对大型凝汽式发电机组供热改造，和兴建大型供热机组的做法，会使当前原本紧张的供热与发电矛盾更加恶化，最终很难达到预期效果。因此，吉林省未来的热电发展原则应主要从如下几个方向来考虑：

1）根据消纳风电的需要，扩建去华北的电力输送通道，提高电力远途输送的能力，使得我省丰沛的风电资源得到更加充分地利用。

2）因地制宜地增设蓄热式电热锅炉，一方面补充部分时段的供热需求，增加电网受电量，抬高低谷电力，另一方面可以降低风电弃风量，实现清洁能源有效利用。

3）对于大型供热机组所带的大型热网，根据国家关于热电联产的相关政策要求，在热网末端或合理位置，配置效率和环保指标满足要求的集中供热调峰锅炉并入热网运行，努力降低热电联产的热化系数，一方面有利于电网调峰安全稳定运行，另一方面确保供热质量，提高热网运行安全可靠性。

4）对于大型凝汽式发电机组供热改造，由于在电网中改变了机组的功能，机组运行特性也发生了很大变化，应制定相关政策，例如，必须经过相关各方联合审批，在电网公司根据现有电源配置情况和运行状况，核定预期具备供热方式运行条件才可以进行改造，要严格限制以热抢电的大型供热改造工程投产。

5）在核定预期具备供热方式运行条件才可以进行大型凝汽式发电机组供热改造，严格禁止以热抢电的大型供热改造工程投产；对已投产的大型热电联产供热机组，在规定的2～3年内不能达到规定的热电比指标的热电厂，应重新核定其用途，将热负荷改由其它途径供应为主，为风力发电消纳及电网调峰运行创造条件。

6）供热机组的发展必须与区域用电发展相协调；必须建设抽水蓄能电站；按照“十一五”用年电量772.8亿kW·h，用电年平均增长率8.99%推算，预计到2025年用电量有可能达到1 188.5亿kW·h，全省小型热电机组年发电量占比约10%，考虑风电消纳20%，按全省现有火力发电机组装机15 420 MW不再新增容量计算，年等效运行时间将达5 549 h，负荷率79.2%，才达到“十一五”期间新投产机组的盈亏平衡点。基于上述估算结果，在2025年前，我省不应该再投建大型机组，靠每年的用电的平均增长率逐渐消化“十一五”过剩的投资容量来实现供需平衡。

5 结论

本文在分析了电力体制改革后吉林省电网电源结构不合理的基础上，得出以下几点结论：

1）本文建立的电网中多种电源结构合理匹配数学模型及列出四种不同状态的电源运行方式对具有一定容量规模的电网电源合理匹配具有一定的指导意义。

2）通过对吉林省电网电源结构现状及合理匹配性分析，提出了电网安全稳定运行的必要条件。

3）针对吉林省未来电源布置原则及发展方向，提出了6点意见，其对北方寒冷地区的区域电网电源结构布局具有借鉴意义。

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（编辑 黄晶）

Study of Power Supply Structure of the Power Grid in Jilin Province

REN Ping1，CHU Lisen1，DONG Tian1，LI Dengchao2，BI Qingsheng2
（1.Jilin Electric Power Research Institute，Changchun 130021，Jilin，China；2.Jilin Building Energy Supply and Indoor Environment Control Engineering Research Center，Dept of Energy and Power Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，Jilin，China）

Based on an in-depth analysis of the irrational structure of the power grid in Jilin Province which is formed after the power reform，this paper proposes a reasonable matching mathematical model for the structure of the multiple power supply grid of a certain capacity.According to the mathematical model and the current power supply structure of the grid，the paper explores and analyzes the reasonable matching of the power supply in the province and provides convincing causes，and finally puts forward the principle and development direction of the future power supply in Jilin province.

power grid；power supply structure；reasonable matching；mathematical model

吉林省科技厅项目（20100638）；吉林省教育厅项目（20158305）。

Project Supported by the Department of Science and Technology of Jilin Province（20100638）；the Education Department of Jilin Province（20158305）.

1674-3814（2016）08-0062-05

TM715；TM73

A

2016-01-15。

任 萍（1969—），女，管理学博士，研究方向为技术经济及管理；

初立森（1960—），男，工学学士，电厂热能动力工程，研究方向为火力发电厂汽轮机性能测试与节能分析；

董 添（1986—），男，工学硕士，研究方向为自动化与控制技术；

李邓超（1993—），男，硕士，研究方向为供热、供燃气、通风及空调工程；

毕庆生（1968—），男，副教授，现主要从事研究方向为汽轮机技术，节能热力系统。