陳文靜

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅嘉峪關 735100）

引言

大力推廣和使用新能源是“減碳”重要舉措，在我國“十三五”期間，持續(xù)推進可再生能源開發(fā)，通過加大投入力度、出臺政策文件等多措并舉的手段，使新能源在技術領域、裝機容量等方面都取得了舉世矚目的成績。新能源新增年均裝機容量6 036 萬kW，裝機規(guī)模累計突破4.5 億kW，使新能源成為超過水電成為第二大電力來源［1］。進入“十四五”期間，由于市場環(huán)境、區(qū)域經濟和產業(yè)政策的調整，新能源電價下調，“棄風”“棄光”問題一直存在，使得新能源的發(fā)展面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。在“碳達峰”“碳中和”和能源安全新戰(zhàn)略“四個革命、一個合作”的引領下，新能源必將迎來一個新的高速發(fā)展時期。但是，伴隨著裝機規(guī)模的快速增長，大規(guī)?！皸夛L”“棄光”的問題是否會再次卷土重來，是我們必須要考慮的一個問題。一方面加大新能源領域的建設投入，一方面因各種問題而“棄風”“棄光”，新能源產業(yè)左右為難。因此，加大新能源消納的水平，是我國能源產業(yè)高質量發(fā)展道路上的關鍵。甘肅省嘉峪關市酒鋼宏晟電熱公司的火力發(fā)電機組承擔了嘉酒地區(qū)的新能源消納，為了提升新能源消納水平，保障火力發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，進行了關于高比例新能源消納對火力發(fā)電機組影響的關鍵因素分析，并根據問題提出了相應的解決辦法。為進一步研究新能源消納提供幫助。

1 新能源消納的現(xiàn)狀

1.1 我國新能源消納的現(xiàn)狀

在“雙碳”背景下，我國新能源發(fā)展迅速，累計裝機總容量位居世界之首。作為發(fā)展中國家，新能源的總體滲透率要遠遠高于同期部分發(fā)達國家，新能源產業(yè)的發(fā)展成效有目共睹。但是，作為新能源主體的風能、光能在產生機制上具有一定的隨機性和波動性，能源整體消納水平有限。隨著裝機容量的總體提升，“棄風”“棄光”的問題愈發(fā)嚴重，受到了國家及各領域的重點關注。據統(tǒng)計顯示，我國電網谷峰間的差距可達到30%以上，與電力系統(tǒng)平衡的基本原則不相符。新能源波動會呈現(xiàn)出反調峰特性，進而影響到裝機容量。新能源進入到電力系統(tǒng)中，使常規(guī)電源負荷總量隨能源負荷的變化而不斷改變，進一步增加電力系統(tǒng)調節(jié)的負擔。為保證電力系統(tǒng)的動態(tài)平衡特性，在新能源出力過大時，會出現(xiàn)大量“棄風”“棄光”的現(xiàn)象。因此，如何進行高比例新能源消納，緩解地區(qū)電網平衡與能源消納之間的矛盾，是切實提升經濟效益與服務效益，做好能源開發(fā)利用的重要舉措。

1.2 甘肅省新能源發(fā)展現(xiàn)狀

甘肅省地處中國西北，風力資源豐富，因此主要關注新能源中風電的相關問題。甘肅省能源種類齊全，資源較為豐富，是國家重要的陸上能源輸送大通道和綜合能源基地，整體新能源可開發(fā)量居全國前列。風電資源主要集中在河西地區(qū)，根據國家氣象局的資源評估，能源開發(fā)量為5.6 億kW，居全國第四。隨著酒泉至湖南±800 kV 特高壓直流輸電工程的建成，能源配置的格局發(fā)生了重大變化，新能源將不斷推動能源體制的改革，并為甘肅省經濟發(fā)展提供有力支撐。甘肅省能源發(fā)展面臨的矛盾是各類能源之間發(fā)展的不平衡、不充分。在能源轉型的過程中，消費性能源的增速下降，實現(xiàn)能源穩(wěn)定發(fā)展的不確定因素增多。風電和光伏發(fā)電的內在波動性、間歇性問題給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了不確定性。凸顯了調峰能力的短板和電力系統(tǒng)缺乏靈活性的特點弊端。亟需協(xié)調的是新能源大規(guī)模開發(fā)和輸送消納之間的關系。

2 高比例新能源消納的影響

相較于光電，風電的隨機性和波動性更強，風電場輸出功率也具有隨機性和波動性，大規(guī)模風電并網后，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、保護防御體系、有功功率控制、無功電壓等都會因風力發(fā)電的穿透率而受到影響［2］。

2.1 暫態(tài)穩(wěn)定問題

隨著新能源裝機容量規(guī)模的增長，風電機組的并網和切除會嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加劇有功功率失衡。針對這一問題，對風機低壓穿越的技術要求越來越高。當系統(tǒng)因故障而導致電壓快速下降時，準備切除的風機不但不能退出運行，還要向系統(tǒng)注入無功電流，來幫助系統(tǒng)恢復，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。系統(tǒng)的抗擾動能力和穩(wěn)定能力，在極大程度上取決于風機低壓穿越的能力。

2.2 對繼電保護及相關保護防御策略性能的影響

新能源在普及應用的過程中，遠距離輸送是關鍵環(huán)節(jié)。由于風速受季節(jié)及時間影響存在不確定的波動性，并網時輸電線路中可能出現(xiàn)雙向流動的潮流，潮流給電力系統(tǒng)繼電保護造成巨大壓力。風電機組的結構和特性異于常規(guī)的同步發(fā)電機組，結構的差異會導致風電機組大量并網時造成系統(tǒng)臨界切除時間變短、暫態(tài)穩(wěn)定性變差等突出問題。風電機組規(guī)模增加后，由于原有系統(tǒng)的繼電保護配置整定不能滿足新的風電機組規(guī)模，若短路發(fā)生時，短路電流、電壓特性受到潮流影響而變得不明顯，同時，受到臨界切除時間變短和風機低壓穿越能力的影響，造成繼電保護系統(tǒng)不動作或誤動作，使系統(tǒng)存在巨大的潛在風險。經過綜合分析，對繼電保護系統(tǒng)造成影響的擾動因素包括：（1）不同類型的風機穩(wěn)定性不同，例如變速風機的暫態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)于定速風機；（2）風能的波動性和不可控性使風電場動態(tài)與系統(tǒng)動態(tài)的相互影響；（3）并網電流波動使以電流速斷保護為主的線路保護性能下降，故障后動作不可靠；（4）我國電網經常采用的三段電流保護，以及分布式電源的容量大小、接入位置不同及類型差異的影響；（5）季節(jié)影響及源荷模式等。以上這些擾動因素均會在不同程度上導致繼電保護裝置的不正確動作。因此，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需對原有系統(tǒng)的保護策略進行修改，深入分析特定節(jié)點與重要饋線的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應，根據現(xiàn)實情況提出新的低頻減載策略，設置頻率偏移繼電保護整定參數(shù)［3］。

2.3 有功平衡問題

風電受季節(jié)、氣壓、溫度等影響，在日內、日間都有不同，其波動特性會隨著時間兩級尺度的加大而改變，一般時間尺度越大，波動越明顯。這對系統(tǒng)有功平衡的實現(xiàn)提出了更高要求。有效的調峰、調頻能夠提高系統(tǒng)對新能源的消納能力。以分鐘量級的風速波動，會對系統(tǒng)的頻率調節(jié)造成影響；以小時量級的風速波動會對功率的經濟調度產生影響；日以上量級的時間尺度會對機組的啟停計劃造成影響。在風電機組擴大規(guī)模時，系統(tǒng)中提供備用功率的機組不變，高滲透率的新能源電能導致系統(tǒng)的頻率問題突出，調頻難度加大［4］。若高比例新能源不參與系統(tǒng)的調壓、調頻，則會導致系統(tǒng)整體的轉動慣量下降，抗擾動能力下降，造成聯(lián)鎖事故的概率大為提升。電力電網中，若只依靠同步發(fā)電機組控制頻率，會大幅增加系統(tǒng)的頻率變化率，超出范圍的頻率變化率數(shù)值，可能使系統(tǒng)的頻率響應特性變差，引發(fā)同步發(fā)電機組切機，進而引發(fā)大量切負荷動作，使系統(tǒng)面臨崩潰的風險。

2.4 無功電壓問題

風電并網時，小型風電場與大型風電場的接入方式不同。小型風電場直接接入地區(qū)的配電網，并網時主要是電能質量問題。大型風電場則采用接入高壓輸電網的形式并網，大型風電場并網帶需要考慮的主要問題是電壓穩(wěn)定問題。制約新能源并網容量的重要因素是電壓穩(wěn)定問題，在大型風場接入高壓電網時，若進行大功率遠距離傳輸，吸收的無功功率多，局部電網電壓預留裕度不足，無法滿足風場出力對無功調節(jié)速度的要求。風電的無功電壓波動問題主要是由風機的特性引起的，需配置動態(tài)無功補償裝置來解決遠距離傳輸時的局部裕量不足問題［5］。配置無功補償裝置時，要考慮風電接入電壓等級、電網地區(qū)無功裕度、風場規(guī)模大小等因素。

3 新能源消納下系統(tǒng)深度調峰特性分析

3.1 火電機組深度調峰對環(huán)境的影響

“雙碳”背景下，新能源的優(yōu)勢越發(fā)凸顯，2022年冬奧會上對綠色能源的使用已彰顯我國大力發(fā)展和推廣普及新能源的能力和決心。隨著電網接入新能源電能的比例不斷加大，調峰的壓力也隨之增大。在多種形式電力能源并存的地區(qū)，各類機組共同分擔新能源接入電網時的調峰壓力。但是甘肅省地處西北，主要的發(fā)電形式以火電為主，在大力發(fā)展新能源的當下，緩解調峰壓力的主要任務由火電承擔。酒鋼宏晟電熱公司的火電機組承擔了嘉酒地區(qū)的新能源消納，根據酒鋼集團公司“十四五”期間新能源發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，在未來一段時期內，宏晟電熱公司的火電機組要承擔更高比例的新能源消納。利用火電機組進行消納，在調峰過程中會消耗大量的煤炭能源，煤炭燃燒時會產生大量污染物，這與清潔能源環(huán)境保護的宗旨是相矛盾的。因此，必須對火力發(fā)電機組深度調峰的策略上進行改進和優(yōu)化，找到新能源消納和煤炭消耗的平衡點，來降低煤炭的消耗量，進而減少污染物的產生。

3.2 火電機組深度調峰對新能源消納的影響

新能源消納的比例是由火電機組的調峰容量決定的。根據《甘肅省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》統(tǒng)計數(shù)據，“棄風”“棄光”在最嚴重時可達43%和30%，造成了巨大的資源浪費。通過優(yōu)化系統(tǒng)配置有效改善火電機組的調峰能力，是打破瓶頸，提高新能源消納比例的關鍵環(huán)節(jié)。

3.3 深度調峰對火電機組的影響

根據火電機組的能耗特性和運行狀態(tài)，可以通過常規(guī)調峰（regular peak regulation，RPR）、不投油深度調峰（deep peak regulation without oil，DPR）、投油深度調峰（deep peak regulation with oil，DPRO）三種方式進行調峰。假設用Pa代表DPR 的最低穩(wěn)定出力，Pb代表DPRO 的穩(wěn)燃極限出力，Pmax表示火電機組的最大運行出力，Pmin表示機組的最小運行出力［6］。四者之間的關系可以表示為圖1。

圖1 火力發(fā)電機組調峰階段示意圖

酒鋼宏晟電熱公司的發(fā)電機組共有12 臺，其中包括6 臺350 MW、4 臺300 MW、2 臺125 MW。300 MW及以上火電機組在設計時，考慮了新能源消納問題，帶有一定的調峰能力。但是125 MW 小容量火電機組建造的時間較早，受技術、機組容量等多方面因素限制，并不具備深度調峰的能力。因此，新能源消納的任務主要由300 MW 和350 MW 的機組承擔。隨著新能源規(guī)模的不斷增大，調峰深度也不斷增大，為配合甘肅省對新能源消納的統(tǒng)一調度，需增加機組調峰的靈活性，因此，機組處于不同的調峰階段的運行成本也會發(fā)生改變。首先增加的是火電機組的煤耗成本，其次是油耗成本，第三是對機組自身的損壞。

3.3.1 深度調峰的煤耗成本

宏晟電熱公司的動力煤來源主要是廣匯煤、哈動煤及其他劣質煤種，主要采用優(yōu)質煤和劣質煤摻燒的模式。通過煤耗查定實驗，對機組在不同負荷率下進行供電煤耗測量，根據火電機組煤耗特性參數(shù)［4］，得到第i 臺火電機組在t 時刻的煤耗成本如式（1）所示：

式中：P——實際輸出功率；

Scoal——原煤的采購價格，元/t；

a、b、c——機組的煤耗特性參數(shù)。

在深度調峰的過程中，需要對機組的運行狀態(tài)和輸出進行調整，大大低于設計功率，低負荷狀態(tài)使機組的煤耗成本增大。

3.3.2 深度調峰的油耗成本

宏晟電熱公司的發(fā)電機組在經過微油點火項目改造后，柴油用量大大降低，但是，在新能源消納的投油深度調峰DPRO 階段，深度調峰使得燃燒不穩(wěn)定，通過投油進行燃燒調整，保護機組穩(wěn)定出力，第i臺火電機組在第t時刻投油成本如式（2）所示。

式中：h′(Pi，t)——第i臺機組在DPRO階段的運行時間；

costoil——單臺機組在DPRO 階段的每小時投油噸數(shù)；

Soil——每噸的油價。

3.3.3 機組自身損耗

在深度調峰時，需主動壓低火電機組的整體出力，這將導致火電機組轉子的熱應力過大，進一步帶來蠕變損耗和低周疲勞壽命損耗，嚴重時將會導致主機本體變形或斷裂，降低了使用壽命。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，降低火電機組的出力來進行新能源消納，會受到多種條件的限制，主要包括：機組設計為非調峰機組，參與深度調峰會影響設備的安全穩(wěn)定運行；受制于鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負荷的限制；受制于脫硝入口溫度的限制；受制于汽輪機低壓缸最小出力的限制；受制于電網參與調峰穩(wěn)定性的限制等。而深度調峰背景下對主機所造成的損耗主要包括：對鍋爐的影響主要體現(xiàn)在低負荷下燃燒的穩(wěn)定性降低，水動力的穩(wěn)定行降低，受熱面超溫，承壓部件金屬產生疲勞裂紋等；對汽輪機的影響主要體現(xiàn)在快速變負荷會引起溫度劇烈變化，汽輪機動靜部分變形甚至碰磨，抽汽回熱系統(tǒng)效率降低，低壓缸小流量運行問題凸顯等。對發(fā)電機的影響主要體現(xiàn)在定子鐵芯溫差增加、加劇絕緣老化，定子線圈槽內松動、匝間絕緣磨損，氫氣溫度壓力波動、造成漏氫量增加，低負荷下脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；端部線圈發(fā)熱損傷可能性增大，轉子高應力區(qū)加快疲勞，氫氣密封元件老化加快，機內進油等。這些問題的產生都會影響發(fā)電機組的實際使用壽命，處理不當還可能造成非計劃停機，影響產量和經濟效益。

4 火電機組快速調峰的策略研究

通過上述分析，結合宏晟電熱公司火力發(fā)電機組的特點和嘉酒地區(qū)新能源建設的規(guī)劃，為提調峰能力，可以針對提升變負荷能力，對火電機組進行升級改造，使火電機組可以在短時間內快速調整出力，利用變負荷運行抑制新能源消納過程中產生的波動性。這個方法的缺點是投資較大，需要專業(yè)的團隊對機組改造進行設計，這是當下火力發(fā)電占主導地位的前提下最安全可行的方案。除此之外，還可以通過提高氣象預測精度，預測風電出力的波動性和隨機性，預測精度的提高，將會大大減少火電機組及電力系統(tǒng)功率調度的復雜性［6］。

5 結束語

高比例新能源消納是“十四五”期間能源產業(yè)的必然趨勢。在限制火電項目，大力發(fā)展新能源的當下，對新能源消納主要依靠現(xiàn)有的火力發(fā)電機組，要深入了解火電機組的調峰特性，以及快速、深度調峰時對火電機組造成的影響，才能在保障火電機組安全穩(wěn)定的同時，提高消納能力。