韓 水，苑 舜，張近朱

(1.國家電力監(jiān)管委員會東北監(jiān)管局，遼寧 沈陽 110006;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的若干問題

韓 水1，苑 舜1，張近朱2

(1.國家電力監(jiān)管委員會東北監(jiān)管局，遼寧 沈陽 110006;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

東北電網(wǎng)目前正面臨著電源結(jié)構(gòu)不合理、風(fēng)電發(fā)展迅速及冬季供熱機(jī)組容量大和運行時間長等問題，因而使得電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻壓力很大。在這種情況下，加快開展東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，確保電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定發(fā)展，已成為電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)、電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)、發(fā)電企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)等各個方面都極為關(guān)切并亟需采取措施解決的迫切問題。

電網(wǎng)安全;電源結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;抽水蓄能

近年來東北地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)增長速度較快，人民生活水平不斷提升，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，發(fā)電裝機(jī)容量也隨之不斷擴(kuò)大。在東北電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)中，火電機(jī)組裝機(jī)容量和發(fā)電量占有非常大的比重;水電裝機(jī)容量和發(fā)電量都很小;風(fēng)電的發(fā)展非常迅速，風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量已經(jīng)在東北電網(wǎng)中占據(jù)了很大份額，但風(fēng)電的隨機(jī)性和不確定性嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運行;東北地區(qū)冬季漫長、寒冷，供熱機(jī)組運行時間長且容量大。這些問題疊加在一起，使得系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻困難凸現(xiàn)。

1 東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)所面臨的問題

1.1 電源結(jié)構(gòu)不合理

東北地區(qū)一次能源結(jié)構(gòu)可以基本概括為：多煤、多風(fēng)、多油 (但石油主要供應(yīng)關(guān)內(nèi)地區(qū))、少水、少氣。一次能源的狀況決定了東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)的特點。截至到2010年末，東北電網(wǎng)火電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的80.2%，發(fā)電量占全網(wǎng)總發(fā)電量89.3%;東北電網(wǎng)水電機(jī)組裝機(jī)容量僅占總裝機(jī)容量的7.8%。而且，東北電網(wǎng)水電裝機(jī)比重呈逐年下降的趨勢，2020年和2030年將分別僅有4.5%和3.2%。這種狀況將使電網(wǎng)的調(diào)峰工作更加困難。東北電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到1 058萬kW，占全網(wǎng)裝機(jī)容量11.8%;發(fā)電量占全網(wǎng)總發(fā)電量5.1%，在全國各區(qū)域電網(wǎng)中比例最高。風(fēng)電已成為東北電網(wǎng)第二大電源。2010年東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)及發(fā)電量如表1所示。

表1 2010年東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)及發(fā)電量

1.2 系統(tǒng)調(diào)峰容量不足

東北地區(qū)的自然資源特點導(dǎo)致了風(fēng)電發(fā)展迅速，但風(fēng)電尤其是在冬季部分低谷時間呈現(xiàn)出來的反調(diào)峰性，加大了電網(wǎng)調(diào)峰及調(diào)頻難度;在東北地區(qū)冬季時期，占全網(wǎng)近50%運行容量的發(fā)電機(jī)組參與供熱。為保證供熱要求，供熱機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力大幅度下降，導(dǎo)致系統(tǒng)低谷時段調(diào)峰困難。這些情況疊加在一起，加劇了東北電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻壓力。如果系統(tǒng)調(diào)峰困難的情況在一定時期內(nèi)不能改善，將會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運行。

2 優(yōu)化東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)的重要途徑

2.1 仿真計算

圖1為東北電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線。由于缺乏調(diào)峰、調(diào)頻能力，在一些特定時段，為保證電網(wǎng)的運行，不得不實行棄風(fēng)，通過犧牲風(fēng)電的利益來保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。由于缺乏調(diào)峰能力，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期間，大容量火電機(jī)組也不得不降低效率，被迫采取非常規(guī)調(diào)峰的手段，參與電網(wǎng)調(diào)峰。

圖1 東北電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線

2.1.1 發(fā)電機(jī)組最小出力確定條件

在發(fā)電機(jī)組最小出力的確定條件中不考慮風(fēng)電機(jī)組的出力，不考慮火電機(jī)組的啟停情況。

a. 常規(guī)火電機(jī)組。東北全網(wǎng)常規(guī)火電機(jī)組調(diào)峰出力率按57%考慮，各省區(qū)火電機(jī)組的最小出力可通過對2010年及以前各省調(diào)火電機(jī)組調(diào)峰能力統(tǒng)計得出;2010年后投產(chǎn)的大型火電機(jī)組按70%最小技術(shù)出力考慮。

b. 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。擬定每年11月至次年3月為供熱期。供熱期供熱機(jī)組開機(jī)容量根據(jù)《東北電網(wǎng)火電廠最小運行方式 (2011)》確定。

c. 水電機(jī)組。擬定每年11月至次年3月水電機(jī)組在負(fù)荷高峰時按50%裝機(jī)容量出力，8月份在負(fù)荷高峰時按滿發(fā)容量出力，其余月份在負(fù)荷高峰時按70%裝機(jī)容量出力。

d. 抽水蓄能機(jī)組。負(fù)荷高峰時為高效調(diào)峰電源，全部參與系統(tǒng)調(diào)峰;負(fù)荷低谷時按容量進(jìn)行抽水，作為負(fù)荷考慮。

e. 核電機(jī)組。正常情況下不參與系統(tǒng)調(diào)峰。

2.1.2 仿真計算的數(shù)學(xué)模型

全年棄風(fēng)電量與風(fēng)電可發(fā)電量的比值即為Qq/Qw。

2.2 基于棄風(fēng)電量的分省區(qū)仿真計算結(jié)果

由圖1日負(fù)荷曲線可知24時至5時期間為負(fù)荷低谷時期，但與此同時，風(fēng)電恰在此期間容易達(dá)到較大功率，因而適當(dāng)?shù)卦黾映樗钅軝C(jī)組用于低谷抽水，可以減少棄風(fēng)，緩解電網(wǎng)運行壓力。針對東北電網(wǎng)的特點，實現(xiàn)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整的最有效途徑就是加快抽水蓄能電站建設(shè)，增大抽水蓄能發(fā)電機(jī)組在電源結(jié)構(gòu)中所占的比例，減輕電網(wǎng)目前所遇到的調(diào)峰調(diào)頻壓力，大幅度減少受電網(wǎng)制約所導(dǎo)致的棄風(fēng)電量，確保電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運行。

2.2.1 遼寧電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整情況

a. 2015年遼寧電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2015年遼寧電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到54.63億kWh，遼寧電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到1.25億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到遼寧電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的2.29%，將有81天會發(fā)生棄風(fēng)。若增加50萬kW抽水蓄能機(jī)組，可做到基本不棄風(fēng)。表2為分別增加30萬kW、40萬kW和50萬

表2 2015年遼寧電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

kW的抽水蓄能機(jī)組后遼寧電網(wǎng)的棄風(fēng)情況。

b. 2020年遼寧電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2020年遼寧電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到63.4億kWh，遼寧電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到1.32億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到遼寧電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的2.07%，將有80天會發(fā)生棄風(fēng)。到2020年，遼寧電網(wǎng)將有200萬kW抽水蓄能機(jī)組投產(chǎn)，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時抽水填谷，使得遼寧電網(wǎng)2020年時低谷棄風(fēng)情況大為減少。若再增加60萬kW抽水蓄能機(jī)組，可做到基本不棄風(fēng)。表3為分別增加30萬kW、50萬kW、60萬kW抽水蓄能機(jī)組后遼寧電網(wǎng)的棄風(fēng)情況。

表3 2020年遼寧電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

2.2.2 吉林電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整情況

a. 2015年吉林電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2015年吉林電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到64億kWh，吉林電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到1.28億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到吉林電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的1.99%，將有38天會發(fā)生棄風(fēng)。若增加30萬kW的抽水蓄能機(jī)組，可做到基本不棄風(fēng)。表4為分別增加15萬kW、30萬kW的抽水蓄能機(jī)組后吉林電網(wǎng)的棄風(fēng)情況。

表4 2015年吉林電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

b. 2020年吉林電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2020年吉林電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到163.2億kWh，吉林電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到1.34億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到吉林電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的0.82%，將有93天會發(fā)生棄風(fēng)。若增加90萬kW抽水蓄能機(jī)組，棄風(fēng)情況將大大緩解。表5為分別增加30萬kW、60萬kW和90萬kW的抽水蓄能機(jī)組后吉林電網(wǎng)的棄風(fēng)情況。

表5 2020年吉林電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

2.2.3 黑龍江電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整情況

a. 2015年黑龍江電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2015年黑龍江電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到35.0億kWh，黑龍江電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到3.95億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到黑龍江電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的11.28%，預(yù)計有146天會發(fā)生棄風(fēng)。若增加80萬kW抽水蓄能機(jī)組，棄風(fēng)情況可減為最小。表6為黑龍江電網(wǎng)分別增加60萬kW，70萬kW，80萬kW抽水蓄能機(jī)組后的棄風(fēng)情況。

表62015年黑龍江電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

b. 2020年黑龍江電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2020年黑龍江電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到43.7億kWh，黑龍江電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到2.19億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到黑龍江電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的5.01%，預(yù)計將有146天會發(fā)生棄風(fēng)。在增加了30萬kW抽水蓄能機(jī)組后，棄風(fēng)情況大大減少。表7為黑龍江電網(wǎng)分別增加了20萬kW、30萬kW抽水蓄能機(jī)組的棄風(fēng)情況。

表72020年黑龍江電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

2.2.4 蒙東電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整情況

a. 2015年蒙東電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2015年蒙東電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到75.17億kWh，蒙東電網(wǎng)棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到4.45億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到蒙東電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的5.92%，預(yù)計將有164天會發(fā)生棄風(fēng)。若增加80萬kW抽水蓄能機(jī)組，棄風(fēng)電量比例可以降到更低。表8為蒙東電網(wǎng)分別增加40萬kW、60萬kW、80萬kW抽水蓄能機(jī)組后棄風(fēng)情況。

表8 2015年蒙東電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

b. 2020年蒙東電網(wǎng)棄風(fēng)電量計算及電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過仿真計算，2020年蒙東電網(wǎng)的年風(fēng)電發(fā)電量預(yù)計將達(dá)到284.3億kWh，蒙東電網(wǎng)的棄風(fēng)電量預(yù)計將達(dá)到50.4億kWh，棄風(fēng)電量將達(dá)到蒙東電網(wǎng)年風(fēng)電發(fā)電量的17.73%，預(yù)計將有244天會發(fā)生棄風(fēng)。蒙東電網(wǎng)的風(fēng)電比例過高，風(fēng)電的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運行形成非常大的影響。雖然，2020年蒙東的電力外送通道容量較2015年增加一倍多，但同期增建的風(fēng)電容量太大，調(diào)峰電源又非常有限，如果僅靠自身消化，將導(dǎo)致不僅是在負(fù)荷低谷時會有嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象，即使是在風(fēng)電大發(fā)的日子，幾乎全天都會發(fā)生嚴(yán)重的棄風(fēng)情況。在這種情況下，除了要加快建設(shè)風(fēng)電外送輸電通道的建設(shè)，更好發(fā)揮蒙東地區(qū)作為東北電網(wǎng)的電源基地作用外，也可以發(fā)揮電價的引導(dǎo)作用，適當(dāng)考慮在該地區(qū)增加一些工業(yè)用電負(fù)荷，從用電結(jié)構(gòu)調(diào)整來支持蒙東電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)調(diào)整。表9為蒙東電網(wǎng)分別增加300萬kW和400萬kW抽水蓄能機(jī)組后棄風(fēng)情況。

表92020年蒙東電網(wǎng)增加不同抽水蓄能發(fā)電容量后棄風(fēng)情況

2.2.5 仿真計算結(jié)果匯總與分析

通過對三省一區(qū)分別調(diào)峰時棄風(fēng)情況的仿真計算和分析，將各省區(qū)及東北全網(wǎng)所需增建抽水蓄能容量進(jìn)行匯總，結(jié)果見表10。在東北全網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰時，不考慮聯(lián)絡(luò)線的約束，聯(lián)合調(diào)峰所需增建抽水蓄能電站容量要小于三省一區(qū)各自獨立調(diào)峰時容量之和。由表10可知，若東北全網(wǎng)實行聯(lián)合調(diào)峰，考慮聯(lián)絡(luò)線束縛時，2015年和2020年分別需要建設(shè)抽水蓄能發(fā)電容量220萬kW和470萬kW;不考慮聯(lián)絡(luò)線束縛時，2015年和2020年分別需要建設(shè)抽水蓄能發(fā)電容量200萬kW和250萬kW。

表10 各省區(qū)需要增建抽水蓄能發(fā)電容量 萬kW

3 結(jié)束語

在目前的狀況下，努力增大電網(wǎng)接納風(fēng)電等可再生能源的程度，減少棄風(fēng)電量，增強(qiáng)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力，已成為電網(wǎng)必須認(rèn)真解決的重要問題。通過仿真計算，可以看到加快抽水蓄能發(fā)電容量建設(shè)可以大大減少棄風(fēng)電量，有效提高東北電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。這應(yīng)是近期東北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整的重要工作。針對東北電網(wǎng)和東北地區(qū)電源結(jié)構(gòu)的具體特點，除加快發(fā)展抽水蓄能電站，增大抽水蓄能發(fā)電容量外，發(fā)揮電價的市場機(jī)制，引導(dǎo)局部地區(qū)適當(dāng)增加用電負(fù)荷，減輕電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻壓力，這也同樣應(yīng)是電網(wǎng)企業(yè)及有關(guān)方面應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮的重要工作。

On Structural Optimization and Adjustment of the Northeast Grid Power Supply

HAN Shui1，YUAN Shun1，ZHANG Jin-zhu2
(1.Northeast China Bureau of Electricity Regulatory Commission of China，Shenyang，Liaoning 110006，China;2.Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

Northeast Grid is facing problems such as irrational power supply structure，rapid wind electricity grow and heavy load requirement and long running hours in winter.Therefore it is under great pressure in terms of peak and frequency regulation for the grid.In this case，it is urgent for the electricity regulation organizations，grid manage enterprises，generating electricity enterprises and electricity power research institute to take active measures to conduct structural adjustment and optimization of the northeast grid power supply to ensure the security，cost effective and sustainable development of the grid.

Grid security;Power supply structure;Structural optimization;Pump water storage energy

TM732

A

1004-7913(2012)06-0001-04

韓 水 (1957—)，男，工學(xué)博士，教授級高級工程師，主要從事區(qū)域電力監(jiān)管工作。

2012-03-04)