湖北新能源出力特性分析及对电网的影响研究

赵　璐，程　杰，宋　周，鲜　杏

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040)



湖北新能源出力特性分析及对电网的影响研究

赵璐，程杰，宋周，鲜杏

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040)

摘要：新能源出力特性的研究对于低碳经济发展大背景下电力系统的规划运行至关重要。由于新能源出力的不确定性和随机性将对传统电网规划、设计和运行带来一定的影响。湖北风能和太阳能资源较为丰富，发展较为迅速。根据湖北新能源发电和负荷的历史统计数据，详细分析了影响电网的相关因素，包括新能源出力特性、湖北电网负荷特性、湖北电网调峰能力等，并指出新能源会恶化负荷特性，减小火电利用小时数，恶化系统的调峰能力等。这些结果对电网的规划设计和调度运行提供一定的依据。

关键词：新能源；出力特性；调峰平衡；电网影响

0引言

新能源是能源体系的重要组成部分，具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可持续利用的特点，是有利于人与自然和谐发展的能源资源[1，2]。湖北省能源资源匮乏，缺煤、少油、乏气，水电资源开发将尽，能源自给率不足20%，人均用电量不及全国平均水平的三分之二，经济社会可持续发展长期受到能源特别是电力供应紧张制约。大力发展新能源已成为湖北省加强能源供应保障能力建设的迫切需要和必然选择，同时也是保护环境、应对气候变化，建设资源节约型和环境友好型社会的重要途径。

随着国家关于新能源利好政策的不断推出，新能源建设迎来了高峰。根据湖北省物价局和能源局文件《关于对新能源发电项目实行电价补贴有关问题的通知》(鄂价环资[2015]90号)，对新能源发电在标杆电价外给予额外的电价补贴。同时湖北省发改委和能源局下发《关于做好可再生能源电力配额考核准备工作的通知》(鄂发改能源[2015]115号)，要求各发电集团在湖北省新能源装机占该集团在湖北省权益发电装机(主要指火电装机和新能源装机)的比重达到10%。

由于新能源出力的随机性和间歇性，将对电网的可靠性、电能质量、调峰和调度运行带来较大的影响[3-6]。本文通过分析湖北省新能源的储量和“十三五”的发展规模，根据现有的新能源运行数据，统计分析湖北新能源的出力特性，并根据“十三五”末期的建设规模，分析对电网的影响。深入研究湖北新能源相关问题，对湖北省接纳新能源能力、指导本省电网规划具有重要意义。

1湖北新能源开发现状及规划

湖北地处江汉平原地区，风能和太阳能资源储量在中部地区中较为丰富，开发潜力巨大。据估计，湖北风能资源总储量为1 320万kW，技术可开发容量为685万kW，主要分布在鄂东北岗地、鄂东南山区以及江汉平原地区；太阳能年辐射总量为3 963～4 455 MJ/m2，年日照时间为1 400～2 100 h，属于我国太阳能辐射一般地区，少数地区太阳能资源较差。

截止到2014年底，湖北风电装机容量为99.74万kW，光伏总装机容量约为25.5万kW，新能源占全省统调装机(不含三峡)的3.8%左右。

“十三五”期间，湖北新能源发展迅速。根据《湖北“十三五”清洁能源发展规划》，预计2020年，湖北风电规模将达到522.7万kW，光伏规模将达到380万kW，新能源占全省统调装机(不含三峡)的16.5%。

2新能源出力特性分析

2.1特性指标

风电的出力特性指标主要包括出力分布特性和出力时间特性两方面。出力分布特性主要是指风电保证出力与有效容量。由于风电的随机性和不确定性，没有一个典型的日出力特性，但通过大量的统计数据可以得出每个月典型的日风电出力特性曲线[6]。光伏的出力指标与风电的出力指标基本一致。

2.2风电出力特性

由于湖北省的风资源条件一般，年利用小时在1 800～2 200 h之间，其中S地区风电场为全省风资源最好的风电场，故以S地区风电场的出力特性进行分析。

对S地区风电场实际出力进行统计和分析，具体见图1所示。S地区风电场全年41%的时间(3 592 h)，出力小于装机容量的10%，超过80%的出力全年仅占5.6%(490 h)，其中高于90%出力的时间为1.33%(116 h)。

图1　风电年出力分布曲线

S地区风电场各月日平均出力见图2所示。从各月出力日变化曲线上看，S风电还是呈现了一定的规律，基本呈现“一峰一谷”的特性，一般20点至凌晨6点出力较大，11点至17点出力较小。

图2　风电日平均出力分布曲线

2.3光伏出力特性

由于湖北省目前投产的大型光伏电站数量有限，年利用小时在900～1 000 h之间。主要以S地区10万kW地面集中式光伏电站为主，鉴于S地区光照资源较好，对规划具有一定的代表性，故以S地区光伏为主进行分析。

对S地区光伏实际出力进行统计分析，具体见图3所示。S地区光伏全年69%的时间(6 033 h时)，出力小于装机容量的10%，超过装机容量80%的出力全年仅占0.04%(3.5 h时)，其中高于90%出力的时间为零。

图3　光伏年出力分布曲线

S地区光伏电站各月日平均出力见图4所示。从各月出力日变化曲线上看，S地区光伏基本呈现“一峰”的特性，一般中午11点～14点出力较大。

图4　光伏日平均出力分布曲线

3新能源对负荷特性的影响

3.1湖北负荷特性分析

湖北负荷特性良好，年负荷特性呈现夏冬双高峰特点，最大负荷一般出线在夏季7～8月份。湖北电网典型日负荷特性见图5所示。

图5　湖北电网典型日负荷率

湖北电网日负荷变化率较为平稳，一般凌晨负荷较小，其余时间负荷率均在80%以上；夏季最大负荷出现在晚上21～22时，最小负荷出现在凌晨4时，日最小负荷率为72%；冬季最大负荷出现在晚上19～20时，最小负荷也出现在凌晨4时，日最小负荷率为60%。

3.2新能源对负荷特性的影响

以S电网为例，分析风电和光伏单独接入对电网负荷特性的影响。2014年S地区最大负荷为65万kW，风电装机30万kW，光伏装机10万kW。负荷特性取最大负荷日的典型负荷特性，风电和光伏的出力取典型出力特性。风电和光伏参与后的负荷曲线见图6所示。

在新能源接入前，典型日的最大峰谷差率为28%，仅风电接入后，最大峰谷差率为50%，仅光伏接入后最大峰谷差率为29%。由此可见，风电具有明显的反调峰特性，扩大峰谷差，而光伏在白天负荷较大的时候，具有一定削峰作用。

图6　新能源参与后的负荷曲线

3.3风光互补对负荷特性的影响

还以S地区为例，2020年S电网最大负荷93万kW，风电装机123万kW，光伏104万kW。选取夏季和秋季负荷较小日为典型日，新能源出力取最大典型出力，分析见图7所示。

图7　风光互补后负荷曲线

由上图可知，S春季和秋季小负荷期，电力存在外送现象，春季和秋季上午10时至12时电网外送最大，其中秋季外送最大。由于光伏和风电的规模基本为1∶1，在考虑互补出力后，将校核电网最大外送时间为上午10时至12时。

4新能源对电网运行的影响

4.1新能源对火电运行效益的影响

4.1.1湖北电力系统规划

“十二五”期间，湖北省的经济处于工业化终期后半阶段向工业化后期前半阶段过渡时期，其主要发展方向从基础设施、原材料工业、能源重化工等行业向加工装配业过渡，预计“十三五”期间负荷和电量还将有明显的持续增长。湖北省的电力需求预测见表1所示。

表1　湖北省电力需求预测

根据湖北省大型火电规划和水电站建设规划，结合目前项目的进度和核准进度，湖北省“十三五”期间将新建大型火电1 100万kW，大中型水电站99万kW。预计到2020年，湖北省统调电源总装机为5 872万kW，其中火电3 391万kW、水电1 452万kW、抽蓄127万kW，新能源(仅风电和光伏)900万kW。

根据现有的湖北电网规划[7～9]，考虑到特高压交直流建设的不确定性，本文仅考虑湖北维持现有省间电力交换能力，其中荆门特高压交流枯期输送电力300万kW，川渝水电丰期输送电力200万kW。

4.1.2火电运行效益分析

根据前文分析，湖北电网2020年用电量约为2 069亿kW·h，接受外区电量100亿kW·h，本区需要电量 1 969亿kW·h，年最大负荷利用小时数约为4 965 h。湖北的风电年平均利用小时数约为1 800 h，光伏年平均利用小时数约为900 h。

由于新能源和水电电力为清洁能源，考虑优先全额消纳，分析得出新能源全额消纳对湖北省火电利用小时数的影响。具体见表2所示。

表2　新能源对火电效益影响分析　h

通过分析，2020年，当湖北省900万kW电力全额消纳后，新能源生产的电量占全省用电量的7%左右，同时火电的年利用小时数降低约为400 h。新能源全额消纳对湖北省火电的效益带来不利影响。

4.2新能源对调峰能力影响分析

4.2.1湖北负荷峰谷差分析

由于负荷特性影响，湖北省近些年来负荷峰谷差持续增大，其增长率远大于负荷增长率，峰谷差较大要求电网具备足够的调峰电源。湖北省近几年负荷峰谷差逐年增加，2010年，最大峰谷为727万kW，2014年最大峰谷差达到了1 051万kW，年均增长率为9.6%，远高于负荷5.6%的增长率，峰谷差逐步拉大。

新能源出力的间歇性、随机性和不可控性，需要配置大量的调峰备用容量才能保证电网的安全稳定运行。

4.2.2湖北电源调峰能力分析

目前，湖北可用于调峰的电源主要包括：有库容的水电站、大型火电机组、抽水蓄能电站和燃机电站。根据对电厂和调度中心的调研，湖北机组(不含三峡)调峰能力见表3所示。

由于湖北电网水电比重较大，调峰能力较强的水电不多，且由于湖北水电开发程度已经较高，后期开发潜力不大，今后大型火电将承担主要的调峰能力。

表3　电源调峰能力分析

4.2.3湖北电网调峰能力分析

根据统计，湖北电网最大峰谷差一般出现在冬季最大负荷期间或者夏季大负荷期间，故对这两个时期进行分析计算，得出湖北电网夏季和冬季最大的调峰能力，具体见表4所示。

表4　湖北电网调峰能力分析　万kW

通过上表分析，湖北2020年夏季调峰盈余约为779万kW，冬季调峰盈余为897万kW，在保持现有的调峰基础上，考虑新能源出力的季节性差异，2020年，湖北电网基本可以满足900万kW新能源的调峰需求[10]。

4.2.4新能源对其他电源调峰的影响

依据规划，在“十三五”末期和“十四五”期间，湖北将建设咸宁大畈核电、陕北至武汉特高压直流工程、白鹤滩至鄂东特高压直流工程、渝鄂背靠背直流工程等。

根据经验，核电和特高压直流均带基础负荷，且调峰能力有限，并需要电网提供大容量的调峰备用。由上节分析得出，湖北的调峰能力仅能维持规划容量的新能源接入，如果核电和特高压直流工程建设，势必造成湖北省调峰能力不足，会对本省的新能源接入和消纳带来不利影响。故需特高压直流和核电具有一定的调峰能力，同时在本省内新建其他调峰电源(如抽水蓄能电站)。

5结论

本文采用历史统计数据分析湖北新能源的出力特性，具有一定的代表性，风电呈现一峰一谷的特性，夜晚出力较大，白天较小，风电全年出力在10%装机以下的时间占到40%左右，大出力时间较短；光伏在中午辐射较大时出力较大，光伏全年出力在10%装机以下的时间占60%，大出力时间也较短，新能源出力呈现间歇性和不可控性。

在新能源出力特性的基础上分析对负荷特性的影响，得出新能源会恶化负荷特性峰谷差将会扩大。在现有规模新能源建设后，湖北火电的利用小时数将降低400 h，会影响火电企业发电的积极性。同时现有湖北电网的调峰能力可以满足规划的新能源规模，但是随着特高压直流工程和核电的建设，湖北的调峰能力将不足，会影响新能源的发展规模，需要进一步研究特高压直流和核电的调峰性能。

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Analysis on the Characteristics of New Energy Output in Hubei and Impact on Power Grid

ZHAO Lu, CHENG Jie, SONG Zhou, XIAN Xing(Hubei Electric Power Survey and Design Institute, Wuhan 430040,China)

Abstract：with the development of low-carbon economy, it is essential to study the output characteristics of new energy for the power system planning and operation. Hubei province is rich in resources of wind and solar energy, so the new energy resources-based generation develops rapidly in Hubei. According to the historical statistical data of new energy resource-based generation and load in Hubei region as well as the prediction data of Hubei power grid planning, the related factors impacting Hubei ability of admitting new energy resources, including output characteristics of new energy, load characteristics in Hubei region, performance of generation units in Hubei power grid and the channel to transmit power outwards from Ningxia power grid, are analyzed in detail. The uncertainty and randomness of new energy output of will have a certain influence on traditional network planning and operation. The research results could be available for further study on Hubei power grid’s ability to admit new energy resource-based generation and the dispatching of Hubei power grid while new energy resource-based generation is connected to Hubei power grid.

Keywords：new energy; output characteristic; peak shaving balance; grid impact

中图分类号:TM71

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.010

作者简介：赵璐(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统规划、新能源接入电网研究，E-mail:ceeeboy@qq.com。

收稿日期：2016-01-08。