宁夏电力系统接纳新能源能力研究

第 34 卷 第 11 期 电 网 技 术 Vol. 34 No. 11 2010 年 11 月 Power System Technology Nov. 2010 文章编号 1000-3673（ 2010） 11-0176-06 中图分类号 TM 61 文献标志码 A 学科代码 4704051 宁夏电力系统接纳新能源能力研究 魏磊，姜宁，于广亮，高媛媛，孙川永，张琳 （西北电网有限公司，陕西省 西安市 710048） Research on Ningxia Power Grid’s Ability of Admitting New Energy Resources WEI Lei, JIANG Ning, YU Guangliang, GAO Yuanyuan, SUN Chuanyong, ZHANG Lin Northwest China Grid Company Limited, Xi’an 710048, Shaanxi Province, China ABSTRACT Ningxia Hui Autonomous Region is rich in resources of wind energy and solar energy, so the new energy resources-based generation develops rapidly in Ningxia. According to the historical statistical data of new energy resource-based generation and load in Ningxia region as well as the prediction data of Ningxia power grid planning, the related factors impacting Ningxia region’s ability of admitting new energy resources, including output characteristics of new energy resources, load characteristics in Ningxia region, performance of generation units in Ningxia power grid and the channel to transmit power outwards from Ningxia power grid, are analyzed in detail. It is pointed out that when new energy resources take part in peak-load regulation the annual network loss can be reduced and the power transmission outwards by HVDC power transmission will arise the peak load regulation ability of new energy resource-based generation provided by power grid; however, the complementarity between wind power generation and photovoltaic generation is not satisfied and it is not favorable to power grid to admit new energy resource, otherwise, the load characteristic of power grid will usually be deteriorated under the connection of new energy source-based generation with power grid. These research results could be available for further research on Ningxia power grid’s ability to admit new energy resource-based generation and the dispatching of Ningxia power grid while new energy resource-based generation is connected to Ningxia power grid. KEY WORDS Ningxia power grid; new energy resource-based generation; admitting ability; wind power generation; photovoltaic generation 摘要 宁夏风能、太阳能资源丰富，新能源发电发展迅速。 根据宁夏新能源发电和负荷的历史统计数据、规划预测数 据，详细分析了影响电网接纳新能源能力的相关因素，包括 新能源出力特性、负荷特性、机组性能和外送通道，并指出 基金项目 国家电网公司科技项目 SGKJJSKF[2008]509。 Project Supported by Science and Technology Project of SGCC SGKJJSKF[2008]509. 新能源参与系统调峰，年电量损失较小；风电与光伏发电互 补性差，不利于电网接纳；新能源并网通常会恶化负荷特性； 直流外送将提高电网为新能源提供的调峰能力。这些结果为 进一步研究宁夏电网接纳新能源能力、宁夏新能源并网调度 运行奠定了基础。 关键词 宁夏电力系统；新能源发电；接纳能力；风力发电； 光伏发电 0 引言 清洁能源的大规模开发与利用，是保障我国能 源安全、优化一次能源结构、发展低碳经济的重要 举措，其中新能源发电尤其是风力发电已经成为发 展最快、技术最成熟、商业化前景最好的清洁能源 开发方式 [1-7] 。 与水电、火电等常规电源相比，风能、太阳能 等新能源发电最根本的不同点在于其有功出力的 随机性、间歇性、波动性 [8-15] 。这一特点造成了新 能源大规模开发面临接入、调度及消纳困难等一系 列复杂的技术经济问题。为妥善解决这些问题，需 做好新能源出力特性、负荷特性、机组性能和外送 通道等影响电网接纳新能源能力的相关因素研究。 宁夏自治区风能、太阳能等资源丰富、开发潜 力大，具有良好的发展前景。与甘肃酒泉 10 GW 级 风电基地“集中接入电网”方式不同，宁夏新能源 接入电网具有“分散接入为主，局部集中接入”的 特点，因此，深入研究宁夏电力系统接纳新能源能 力的有关问题，不仅对于确定本省接纳新能源能 力、指导本省电网规划具有重要意义，而且对于新 能源接入方式相同的其它省区具有借鉴意义。 1 宁夏新能源开发现状及规划 宁夏风能、太阳能等新能源储量丰富，开发潜 力大，应用前景广阔。风能资源总储量为 22.53 GW， 第 34 卷 第 11 期 电 网 技 术 177 技术可开发量为 12.14 GW，主要分布在贺兰山、青 铜峡、石嘴山惠农、麻黄山等地区；太阳能年辐射 总量为 4 9506 100 MJ/m 2 ，年日照时数为 2 250 3 100 h，日照百分率为 5069，属于我国太阳辐 射的高能区。 截止 2009年底， 宁夏风电装机容量为 537 MW， 占总装机容量的 5.46，光伏电站装机容量约为 3 MW。 “十二五”期间，宁夏新能源发展迅速。根据 宁夏新能源产业发展规划，各规划水平年的新能源 装机容量如表 1 所示。 表 1 宁夏新能源发电发展规划 Tab. 1 Development plan of new energy power in Ningxia 年份 风电场装机容量 /GW 光伏电站装机容量 /GW 2010 年 1 0.16 2015 年 3 0.69 2020 年 5以上 2.11 2 影响新能源接纳能力有关问题分析 电力系统接纳新能源的能力主要由电网调峰 能力、电网网架适应性决定，而影响这 2 个方面的 因素包括新能源出力特性、负荷特性、机组性能、 外送通道等。 1）新能源出力特性包括新能源发电的电量、 电力分布及相关性等。研究新能源出力特性，可揭 示新能源接入对电网的各种影响、提高新能源功率 预测系统的精度、指导坚强智能电网网架的建设， 以适应新能源接入和优化运行。 2）负荷特性受经济发展、产业结构、天气状 况、节假日等影响较大，是决定系统调峰能力的关 键因素之一。新能源作为一种新型电源，可当作一 种常规电源，也可看作一个负的负荷。如果将其作 为负荷，负荷特性还将受新能源出力特性的影响。 3）机组性能。新能源机组是否具有良好的有 功、无功功率控制功能及低电压穿越能力，对于新 能源并网后电力系统的电能质量、电压波动、频率 稳定等影响较大。 4）外送通道。外送通道，即外送负荷会影响 电力系统的总负荷。一般而言，总负荷越大，常规 电源机组的出力率越高，为新能源提供的调峰容量 也越大，电网接纳新能源能力也越强。 3 新能源发电出力的特性分析 3.1 历史出力数据 3.1.1 风电场电量分布 本文的研究数据来源于 2008 年 11 月 2009 年 10 月宁夏现有的长山头、贺兰山、红寺堡、宁东、 太阳山、青铜峡 6 个风电场和银川 330 kW 光伏电 站每 15 min 记录 1 次的历史出力数据。 宁夏风电场 2008 年 11 月 2009 年 10 月总发 电量为 697 GW⋅h，风电利用小时数是 1 716 h。 12 月 风电总发电量最大，达到 76.488 GW⋅h； 6 月总发电 量最小，其值为 45.467 GW⋅h。全年最大日电量 7.031 2 GW⋅h 出现在 10 月，最小日电量 3.7 万 kW⋅h 出现在 3 月，且日电量越小，出现的天数越多，日 电量越大，出现的天数越少。 3.1.2 风电场出力分布 全年风电最大出力为 46.28 万 kW，最小出力 为 0，年平均出力为 7.96 万 kW。月平均出力显示， 12 月份的风电月平均出力最大， 6 月份的风电月平 均出力最小。图 1 给出了 2008 年 11 月 2009 年 10月宁夏风电场出力的概率分布。 从图 1可以看出， 047.5 MW 的出力区间接近 45，且出力越大，概 率越小。 出力区间 /MW 概率 / 0.0 0 45.7 0.1 0.2 0.4 0.5 0.3 45.7 92.1 92.1 138.4 138.4 184.8 184.8 231.1 231.1 277.5 277.5 323.8 323.8 370.1 370.1 416.5 416.5 462.8 图 1 2008 年 11 月 2009 年 10 月 宁夏风电场出力的概率分布 Fig. 1 Probability distribution of active power of wind farms in Ningxia from November in 2008 to October in 2009 3.1.3 风电场出力与电量的关系 由于风电出力越大，概率越小，其累计电量也较 小，因此，风电出力与其对应的累计电量呈相反的 变化趋势。风电场限制出力与损失电量关系见表 2。 由表 2 可知，若按照全年出力的 95概率限制出力， 则限制后的最大出力占装机的比例为 60，损失电 量占全年总发电量 2.47，其他以此类推。 表 2 宁夏风电场限制出力与损失电量的关系 Tab. 2 Relation between limited active power and electric quantity loss of wind farms in Ningxia 概率 / 限制出力占装机比例 / 损失电量所占比例 / 95 60.0 2.47 90 49.3 6.41 85 41.9 11.07 3.1.4 风电场月出力特性 通过对每月各时刻的月平均出力曲线分析可 知， 59 月的月平均出力曲线在凌晨出现峰值， 1、 178 魏磊等宁夏电力系统接纳新能源能力研究 Vol. 34 No. 11 4 月的月平均出力曲线平缓，其它月份的月平均出 力曲线在午后出现峰值。限于篇幅，图 2 只给出了 11 月份的月平均出力曲线。 时刻 出力 /M W 40 0000 60 80 120 100 0300 0600 0900 1200 1500 1800 2100 2400 图 2 宁夏风电场 11 月的月平均出力曲线 Fig. 2 Monthly mean active power of wind farms of Ningxia in November 3.1.5 风电场与光伏电站的总出力特性 由于风电场和光伏电站装机容量相差较大，因 此，在分析风电场与光伏电站总出力特性和相互作 用关系时，本文对数据进行归一化处理，即用各风 电场和光伏电站的出力数据除以相应的装机容量。 定义影响因子为光伏电站装机容量与风电场 装机容量的比值。对于午后出现低谷的风电场出力 曲线，适度的影响因子会使其趋于缓和，就是说， 适度的光伏电站出力会减小风电出力的峰谷差。但 在绝大部分情况下，光伏电站的出力会增大风电出 力的峰谷差，即风电与光伏发电不具备互补性，且 影响因子越大，峰谷差越大，如图 3 所示。 时刻 归一化的总出力 0.0 0000 0.1 0.2 0.4 0.3 0300 0600 0900 1200 1500 1800 2100 2400 0.5 影响因子为 0 影响因子为 5 影响因子为 10 影响因子为 30 影响因子为 20 图 3 不同影响因子下 11 月风电场与光伏电站的总出力 Fig. 3 Total monthly mean active power of wind farms and photovoltaic plants in November under different impact factors 3.2 规划水平年出力特性 本文选用 2008 年 11 月 2009 年 10 月的初始 场数据，利用天气研究与预测 weather research and forecasting， WRF数值模式进行气象模拟计算，得 出 2010、 2015 和 2020 年各规划风电场地区的平均 风速和各规划光伏电站地区的太阳辐射照度等气 象数据，并结合风机典型出力曲线和光伏电站历史 拟合出力曲线确定这 3 个规划水平年的风电场和光 伏电站每 15 min 记录 1 次的出力数据。 限于篇幅，本文只给出 2015 年宁夏新能源发 电的出力特性分析结果。 风电场全年总发电量为 5.17 TW⋅h，风电利用 小时数为 1 879 h。 12 月份风电总发电量最大 619.03 GW⋅h； 8月份总发电量最小 27 875万 kW⋅h。 光伏发电站全年总发电量为 0.96 TW⋅h，年利用小 时数为 1 410 h，平均月电量为 79.886 GW⋅h。 5 月 份电量最大， 12 月份电量最小。 风电场全年最大出力为 2.758 8 GW，最小出力 为 0。月平均出力显示， 4 月份风电场平均出力最 大， 8 月份风电场平均出力最小。光伏发电站全年最 大出力为 680 MW，最小出力为 0，年平均出力为 109.2 MW， 5 月份光伏发电站平均出力最大， 12 月 份光伏发电站平均出力最小。 风电场 10、 11 月份的月平均出力曲线在午后 出现峰值， 2、 9 月份的月平均出力曲线平缓，其它 月份的月平均出力在凌晨出现峰值。光伏电站各月 月平均出力曲线趋势相同，各月最大值均出现在 12001300，日出前与日落后出力均为 0，如图 4 所示。 时间 /h 出力 /M W 0 100 200 400 300 600 244 500 8 12 16 20 图 4 宁夏光伏电站月平均出力曲线 Fig. 4 Monthly mean active power of photovoltaic plants in Ningxia 4 负荷特性分析 4.1 负荷特性 宁夏负荷特性良好，工业用电占全社会用电的 90以上，其中连续生产高耗能工业负荷占 70。 年负荷特性曲线呈现出冬季、夏季双高峰的特点， 年最大负荷出现在冬季 11 月份。宁夏电网典型日 负荷特性曲线如图 5 所示。由图 5 可知宁夏电网 日负荷变化较为平稳，除凌晨负荷较小外，其余时 段的负荷率均在 0.94 以上； 冬季典型日最大负荷出 现在 1800，最小负荷出现在 0800，日最小负荷率 时间 /h 负荷率 0.80 0.85 0.90 1.00 0.95 244 1.05 8 12 16 20 冬季 夏季 图 5 宁夏电网典型日负荷率 Fig. 5 Daily load rate of Ningxia power grid 第 34 卷 第 11 期 电 网 技 术 179 为 0.872；夏季典型日最大负荷出现在 2100，最小 负荷出现在 0400，日最小负荷率为 0.88。 4.2 新能源并网对负荷特性的影响 4.2.1 风电并网的影响 以新能源历史出力数据为基础，将新能源作为 负的负荷，分别分析风电、新能源 风电与光伏发电 总和 并网后对电网负荷峰谷差的影响。风电并网后 电网负荷峰谷差的变化情况如图 6 所示。由图 6 可 知，风电增大负荷峰谷差的概率超过 68.2，即大 部分情况下风电将恶化负荷峰谷差。 时间 /d 峰谷差变化值 /M W −200 0 200 400 3651 92 183 274 图 6 风电并网对宁夏电网负荷峰谷差的影响示意 Fig. 6 A sketch map of influence of wind farms on peak-valley difference of load in Ningxia power grid 此外，风电占负荷比例越大，对负荷峰谷差的 影响越大。研究发现，风电占宁夏电网最大负荷的 10时，负荷峰谷差恶化率不超过 8；风电占占 宁夏电网最大负荷的 20时，负荷峰谷差恶化率不 超过 16；风电占宁夏电网最大负荷的 30时，负 荷峰谷差恶化率不超过 18；风电占宁夏电网最大 负荷的 40时，负荷峰谷差恶化率不超过 32。 4.2.2 新能源并网的影响 光伏电站的历史出力非常小，并网后对电网负 荷特性几乎无影响。为分析未来光伏增加后新能源 并网对负荷特性的影响，本文采用归一化处理方 法。风电装机按最大负荷的 20考虑，光伏装机按 风电装机的 20考虑，图 7 给出了只有风电并网、 风电与光伏同时并网对负荷特性的影响。 从图 7 可以看出，与只有风电并网相比，风电 与光伏同时并网导致负荷峰谷差恶化概率略有增 峰谷差恶化率 / 概率 / 0 − 6 − 4 10 20 30 − 2 0 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 16 18 18 20 − 4 − 2 0 2 14 16 风电 风电与光伏 图 7 只有风电并网、风电与光伏同时并网 对负荷特性的影响 Fig. 7 The influence of wind farms with and without photovoltaic plants on peak-valley difference of load in Ningxia power grid 加。这表明，光伏发电并网后会加重负荷特性的恶 化。因此，宁夏新能源并网后，绝大部分情况下会 增大电网负荷峰谷差，恶化负荷特性。 4.3 负荷特性的敏感性分析 由于高耗能工业负荷所占比重较大，宁夏负荷 特性良好。然而，随着国家对高耗能行业宏观调控 力度的加大和“保护生态环境、发展低碳经济”口 号的提出，宁夏高耗能行业的发展将受到制约，产 业结构也将进行调整，这会导致工业用电负荷比重 下降，进而导致电网负荷特性发生变化。 负荷特性变化将影响电网为新能源提供的调 峰容量，进而影响电网接纳新能源能力，因此，需 对电网负荷特性进行敏感性分析。 宁夏电网 20132015 年及 2020 年的研究结果 表明，当冬季日最小负荷率由 0.872 下降为 0.85 时， 电网为新能源提供的调峰容量将下降约 350 MW； 当冬季日最小负荷率下降为 0.8 时，调峰容量将下 降约 1.08 GW。粗略估计，宁夏电网未来 10 a 内， 如果日最小负荷率下降 0.01，电网为新能源提供的 调峰容量将下降约 152 MW。 5 外送通道的影响 5.1 直流外送通道 根据宁夏电网外送电规划和建设进度，宁东 青岛 660 kV 直流联网工程在 2010 年实现单极投 运，在 2011 年实现双极运行，送电容量达到 2 GW； 太阳山 绍兴 800 kV 直流联网工程在 2012 年实 现单极投运、送电容量大 3.8 GW，在 2013 年实现 双极运行，送电容量达到 7.6 GkW。 宁夏电网直流外送容量与最大负荷的比值较 大，尤其是 2013 年，该比值达 87.2，如表 3 所示。 表 3 宁夏电网最大负荷与直流外送容量 Tab. 3 Peak load and external DC transmission capacity in Ningxia power grid 相关参数 2010 年 2011 年 2012 年 2013 年 最大负荷 /GW 8.58 9.42 10.28 11.01 直流外送容量 /GW 2.0 2.0 5.8 9.6 直流外送容量与最大负荷之比 / 23.3 21.2 56.4 87.2 5.2 外送通道对调峰能力的影响 直流外送对调峰能力的影响程度与外送运行 方式密切相关。外送运行方式可分为满负荷平送、 为受端调峰外送 2 种方式。 本文将宁东 青岛 660 kV 直流通道选择为满 负荷平送方式，对太阳山 绍兴 800 kV 直流通道 分 2 种外送运行方式进行讨论。 180 魏磊等宁夏电力系统接纳新能源能力研究 Vol. 34 No. 11 当太阳山 绍兴 800 kV 直流通道选择为满负 荷平送方式时，宁夏电网为新能源提供的调峰能力 见表 4。从表 4 可看出，在满负荷平送方式下，直 流外送大幅提高了电网为新能源提供的调峰能力。 表 4 直流满负荷平送方式下 宁夏电网为新能源提供的调峰能力 Tab. 4 Ability of peak load regulation provided for new energy power in Ningxia power grid with constant rated external transmission capacity of DC power 直流满负荷平送 年份 不考虑直流外送 /GW 调峰能力 /GW 提高比例 / 2010 年 0.60 0.87 45.0 2011 年 0.71 1.29 81.7 2012 年 0.88 2.60 195.5 2013 年 1.03 5.29 413.6 2014 年 1.06 4.70 343.4 2015 年 1.31 4.42 237.4 2020 年 2.68 7.89 194.4 对比表 3、 4 可知，一般而言，外送容量与最 大负荷比值愈大，直流外送提高电网调峰能力的比 例愈大。 当太阳山 绍兴 800 kV 直流通道选择为受端 调峰外送方式，即大负荷方式满送、小负荷方式降 低送电时，电网为新能源提供的调峰能力见表 5。 表 5 直流为受端调峰外送方式下 宁夏电网为新能源提供的调峰能力 Tab. 5 Ability of peak load regulation provided for new energy power in Ningxia power grid with variable external transmission capacity of DC power 为受端调峰外送 /GW 年份 不考虑外 送 /GW 小方式 80 小方式 70 小方式 60 小方式 50 2010 年 0.60 0.87 0.87 0.87 0.87 2011 年 0.71 1.29 1.29 1.29 1.29 2012 年 0.88 1.77 1.37 1.00 0.62 2013 年 1.03 3.76 3.00 2.24 1.48 2014 年 1.06 3.05 2.29 1.55 0.79 2015 年 1.31 2.79 2.02 1.25 0.70 2020 年 2.68 6.38 5.62 4.86 4.08 由表 5 可知，直流为受端调峰外送方式时，直 流外送提高电网调峰能力与否以及提高程度受小 负荷方式送电比例影响较大。一般而言，小负荷方 式下的送电比例越低，直流外送提高电网调峰能力 的程度越低，极端情况下，直流外送会降低电网调 峰能力。 6 结论及建议 通过研究分析，本文得出的结论如下 1）宁夏新能源发电利用小时数偏低。历史风 电利用小时数为 1 716 h；规划水平年风电利用小时 数约 1 850 h，光伏发电约 1 410 h。 2）新能源参与系统调峰，年电量损失较小。 风电出力越大，概率越小， 95概率下风电最大出 力占装机比例约为 60。风电按此出力参与系统调 峰，年电量损失约为全年总发电量的 2.47。 3）风光互补性差，不利于电网接纳。在绝大 部分情况下，光伏电站的出力都会增大风电出力的 峰谷差，且光伏电站出力越大，风电出力峰谷差 越大。 4）在大部分情况下，新能源并网会增大电网 负荷峰谷差，恶化负荷特性。而负荷特性恶化将降 低电网为新能源提供的调峰容量。粗略估计，未来 10 a 内，如果日最小负荷率下降 0.01，宁夏电网为 新能源提供的调峰容量将下降约 152 MW。 5）直流外送运行方式对电网为新能源提供的 调峰能力影响较大。直流满负荷平送方式提高电网 调峰能力的程度最高；直流为受端调峰外送方式 时，小负荷方式送电比例越低，直流外送提高电网 调峰能力的程度越低。 通过研究分析，本文给出如下建议 1）进一步开展火电机组特性研究，全面掌握 宁夏电网内火电机组的实际调峰深度、启停性能， 提高火电机组可为新能源提供的调峰能力。 2）在满足受端电网电量需求和调峰要求基础 上，进一步开展直流外送运行方式优化研究，以保 证新能源本地消纳和外送的技术经济指标最优。 3）进一步开展负荷特性研究。跟踪高耗能产 业制约、低碳经济发展等导致的地区产业结构调整 动态，掌握未来电力需求，借鉴国外和东南沿海发 达地区的负荷特性，最终确定宁夏电网的规划负荷 特性。 4）加快坚强智能送端电网建设，强化地区电 网中的薄弱网架，满足大规模新能源送出的网架适 应性要求。 参考文献 [1] Chai C， Lee W J， Fuangfoo P， et al． System impact study for the interconnection of wind generation and utility system[J]． IEEE Trans on Industry Applications， 2005， 411 163-168． [2] 屠强，衣立东，尚勇，等．电网区域化综合测风系统在风电开发 中的应用研究 [J]．电网与水力发电进展， 2008， 241 3-7． Tu Qiang， Yi Lidong， Shang Yong， et al． Research on the application of power grid based synthetical regional wind power measurement system[J]． Advances of Power System Hydroelectric Engineering， 2008， 241 3-7in Chinese． [3] 邢文琦，晁勤．含不同风电机组的风电电网仿真研究 [J]．电网技 术， 2009， 337 103-106． Xing Wenqi， Chao Qin． Simulation study on wind power system containing various wind turbine generators[J] ． Power System 第 34 卷 第 11 期 电 网 技 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