风电供热提高低谷风电消纳能力评估
聂国坚
内蒙古粤电蒙华新能源有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000
摘要：目前我国风电并网容量位居世界第一。风电出力的波动性和间歇性使得大规模风电并网要求电力系统留有足够的备用和调峰电源，因此未来电网面临着风电消纳、接入方式及送出通道等方面的挑战。结合案例，就风电供热提高低谷风电消纳能力进行了相关探究。
关键词：风电供热；低谷风电；消纳能力；评估 中图分类号：TU995；TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-5799（2016）26-0170-02
风力发电是目前可规模化开发且大规模并入电网的新能源发电方式。近年来，我国风电并网装机年平均增长速度高达75%，风电的发电量年平均增速为80%。2014年底，我国的风电装机9637万kW ，占总体发电装机容量的7%，占全球风电装机的27%；上网电量1534亿kW ×h ，占总发电量的2.78%。根据国家新能源规划，2015年和2020年风电装机容量将分别达到1亿kW 和2亿kW ，“三北”地区集中式开发为主和中东部地区分布式开发为主的发展特点进一步凸显。我国电源结构较为单一，调节灵活性不足，风电大规模并网消纳压力较大。尤其是风电发展缺乏统一规划，导致电网建设滞后于电源建设，且跨区电网互联规模不足，风电无法在更大范围内消纳。随着装机规模的不断扩大，风电消纳形势愈加严峻。
1 风电供热现状分析
根据我国风电出力及冬季负荷特性，风电供热试点普遍采用蓄热式的电加热技术。在负荷低谷期启动电加热设备，供热的同时储热热量用于白天供热，不仅可以增加低谷期电网负荷，还可以享受电网低谷电价。试点工程主要采取的运行模式是风电供暖项目确定合作意向后，风电企业需要出资兴建热力站，购买电蓄热锅炉等供热设备并与电网公司、热力公司签订协议。设备到位后，供热站按照峰谷电价政策购电，使用电力生产热量供应给热力公司。由于热力站的初期投资较大，在热价不高于燃煤锅炉的前提下，如果单独核算热力站的经营效益会处于亏损状态，需要对风电企业进行电量补偿，即通过增加风电企业上网电量，减少其弃风损失来补偿热力站的亏损。在实际运行过程中，按照现行的用户电价、热价以及风电上网电价计算，参与供暖的风电企业需多发1倍于热力站所需的电量才能保证盈利，显然这种方式只有通过挤占其他电源的发电计划额度才能实现。由于项目所在地区调峰困难本已较为明显，其结果必然加剧对其他电源调度的难度，失去了增加电网调峰能力的意义。
根据目前试点项目采用的电网低谷期加热和蓄热、全天供热的方式进行锅炉和蓄热系统设计建设，每万平方米供热面积的设备投入费用为120～150万元，近两年实际供热收入折合成供热企业用电价格为0.15～0.20元／（kW ·h ），考虑到设备折旧和运行维护成本，保证供热企业独立核算而不亏损，购入电价不能超过约0.06元／（kW ·h ）。按照输电费用（含国家各种税费）约0.20元／（kW ·h ）计算，风电企业需要以不超过0.14元／（kW ·h ）的价格售电才能保证供热企业不亏损。按照东北地区风电价格和脱硫标杆电价计算，只有第Ⅳ类资源区的风电场享受国家可再生能源发展基金的补贴大于0.14元／（kW ·h ），而大部分风电场属于第Ⅲ类及以上的资源区，必然缺乏参与这种直购电方式的积极性，还需有相应的财政激励政策。
2 影响风电消纳的主要因素
2.1 系统调峰能力
随着国民经济产业结构的优化调整，人民生活水平的提高，社会用电结构发生了较大变化，电网峰谷差逐步加大，部分地区的用电峰谷差率已达到40%。我国以煤电为主的电源结构（煤电装机占发电总装机的71%，其中风电富集地区调峰能力差的热电联产机组占相当比重），调峰能力较差，
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电网调峰矛盾突出。
2.2 系统备用水平
为保证电力系统安全稳定运行，系统须预留有足够的备用容量，包括负荷备用、事故备用和检修备用。风电由于自身的间歇性和波动性特点，不适合承担系统备用容量，需要其他常规机组留有足够的备用，以应对风电波动性出力，保证风电波动不影响用户的正常需求。
2.3 电网网架约束与送出
我国风能资源分布与电力负荷中心分布不一致，大规模集中开发并外送将成为我国风电的主要利用方式。“三北”地区是我国最大的成片风能资源丰富带，具备基地式、大规模开发的条件，适合建设百万kW 级、千万kW 级的大型风电基地。受当地电力需求水平、电网规模等因素的制约，就地消纳风电的能力十分有限，需要同步加强跨省跨区的电网互联，扩大风电的消纳范围和规模。
2.4 负荷水平
近年来，受经济增速放缓影响，全社会用电量和电网负荷增长缓慢，尤其在风电富集地区，负荷增长速度明显落后于风电的增长速度，加之常规电源的开发，挤占了风电接纳空间。2013年以来，“三北”地区电网最高用电负荷同比增长在4%以下，远低于风电装机25%的增速，系统调峰难度进一步增加。
2.5 风电出力特性
随着风电的快速增长，其波动性对电网安全稳定运行的影响日益增加。“三北”地区风电最大日内波动幅度占当日最大负荷的比例均超过系统预留的备用容量，系统实时调度运行压力不断增大。同时，风电的反调峰特性使得部分电网等效负荷峰谷差率大幅升高，进一步增加了调峰压力。
3 案例分析
我们利用算例量化的办法来对风电供热提高风电消纳能力的潜力进行评估。为了确保仿真风电数据能够尽量的体现出风电的典型特征。我们选取若干个地理位置分散且季节特性较为类似的风电场。风电的总装机容量为399.7MW 。取供暖的时间为当年的10月15日至次年的4月15日，总共183天。选取风电低谷限电时段为当日的22：00——次日的05：00。电热锅炉在低谷的时段内制热供暖，并同时为其他时段供暖进行蓄热，低谷时段之外，电锅炉停止运行。
3.1 风电运行特性分析
供暖其低谷时段内，风电的出力特性主要用于对风电供热电量和电热锅炉规模进行测算。因此选取风电数据的供暖其低谷限电时段出力特性来作为分析的依据。同时利用经验分布函数，来对风电出力分布的概率密度分布情况进行拟合。经验分布函数不会对模型的概率分布函数形式进行任何的假设，而是基于历史值的基础上，经过计算得到变量的概率分布模型。因为风电的功率的影响因素较多，目前也没有一种特定的分布形式能够对其进行准确的描述。因此这里仅仅利用经验分布模型来对风电功率的概率分布进行构建。
3.2 根据供热需求计算低谷风电供热电量的提高风电消纳能力测算
该方案主要基于供热负荷需求的前提条件，利用给定的
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电设备的运行安全，因此，应加强对机电设备的安全管理，完善机电设备的应用及维护，不断进行技术升级，使机电设备监控系统朝着集中化、一体化方向发展。
3.5 PLC技术
PLC 可编程逻辑控制器，是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，主要具有逻辑控制、数字量智能系统控制、数据采、模拟量闭环控制及监控功能，已经广泛地应用于工业控制的各个领域。在PLC 技术出现之前，一般要采用成千上万的计数器和继电器，才能组成具有同等功能的自动化系统，随着PLC 技术的产生和发展，经过编程能够以可编程控制器模块来取代这些大型的装置。PLC 技术系统程序不断发展和完善，用户能够根据自己的要求，编程适合自身需求的程序，以满足不同行业的生产要求。目前，我国机电工程设计中，PLC 都具有A/D、D/A算术功能和转换功能，形成了一个模拟量闭环控制系统。在机电设备的速度控制和运动控制方面，PLC 技术的应用，能够实现高速脉冲输出及接收功能，且配备了相应的传感器和伺服设备。PLC 技术的应用，能够实现数字量智能控制，在可编程序终端设备联系应用中，能够实现数据的实时采集及显示，方便设备管理人员对各类数据进行统计和分析，进而以PLC 的自检信号来实现对机电工程系统的监控。同时，PLC 技术在应用过程中，表现出较强电热锅炉容量来对供热的风电发电量进行测算。给定的电热锅炉的容量（Pgl ）为80MW ，则在整个供暖期内，可以按照如下步骤进行计算：
供暖期内的电热锅炉所需要消耗的供热电量的需求为：Egl=Pgl×Th ×Dh=102480MW·h ，依据90%的电热锅炉效率来进行计算，则其所对应的供热量Eheat 为92232MW ·h 。然后依据供暖期，整个限电时段的风电出力概率的分布情况可以得到，供暖其内的风电出力要高于80MW 的概率β为79.8%。可测算风电可用于供热的发电量（Ewheat ）。根据风电低谷时段的等效利用小时数（Thhe ）526.5h ，低谷时段风电总发电量（EwTh ）177575.2MW ·h ，可计算实际用于供热的低谷风电电量（Ewheat ）为69509.4MW ·h ，占低谷风电发电量的比例为39.1%，占供热需求电量的比例67.8%。
案例的计算结果显示：在依据地区热负荷的实际需求而并非风电低谷出力分布特性来确定电热锅炉容量的时候，实际的供热需电量主要利用低谷风电的比例只有67.8%，补足供热需求的其余电量则主要由电热锅炉通过小黄常规的电
通信功能，从而实现了顺序控制、运动控制、数据处理、闭环过程控制和通信联网等基本使用功能的需求。
4 结语
机电工程作为我国社会经济发展的一个重要组成部分，虽然经过几十年的发展已经取得了相当不错地成绩，为社会繁荣做出了巨大贡献。但是我们依然要清醒地认识到，我国的机电工程技术和世界先进国家相比还存在很大地差距，即使是对本国而言，随着社会的进步和科技的发展，机电工程在发展过程中也呈现了多样化的问题，只有更好地将解决这些问题，并准确分析出机电工程今后的发展趋势，才能更好地促进社会经济的快速健康发展。
参考文献
[1]汤飞. 浅谈机电一体化技术的现状与发展趋势[J].中国机械，2014（6）：141.
[2]邴业华. 浅谈机电一体化技术现状和发展趋势[J].中国科技博览，2013（12）：179.
[3]訾鹏. 浅谈机电一体化技术的现状和发展趋势[J].时代报告：学术版，2015（4）：271.
[4]姜风阁. 浅谈机电一体化的现状及发展趋势[J].中国电子商务，2011（7）：287.
[5]景德斌，孔松，徐超. 浅谈机电一体化技术的发展现状和趋势[J].工业，2015（24）：299.
源发电来予以实现，低谷风电的供热电量只占据风电低谷总发电量的39.1%。就电热锅炉容量和供热电量的需求出发，依据电量的对等原则，推算出低谷时段的供电风电场的规模是不合理的。
总的来说，利用风电供热，可实现社会效益，促进了风电的发展，加快了可再生能源对化石能源替代进程，环境保护效果显著，提高了清洁资源的利用率，改善了的当地民生的发展。文章结合案例分析了风电供热的低谷消纳能力进行了分析，期望能够起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1]褚洪川. 基于风电供热的消纳弃风方案研究[D].大连理工大学，2015.
[2]高长征，王爽，毕正军. 风电供热运行机制研究[J].吉林电力，2016（1）.
[3]白建华. 我国风电消纳形势及展望[J].风能产业，2013（12）.
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风电供热提高低谷风电消纳能力评估
聂国坚
内蒙古粤电蒙华新能源有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000
摘要：目前我国风电并网容量位居世界第一。风电出力的波动性和间歇性使得大规模风电并网要求电力系统留有足够的备用和调峰电源，因此未来电网面临着风电消纳、接入方式及送出通道等方面的挑战。结合案例，就风电供热提高低谷风电消纳能力进行了相关探究。
关键词：风电供热；低谷风电；消纳能力；评估 中图分类号：TU995；TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-5799（2016）26-0170-02
风力发电是目前可规模化开发且大规模并入电网的新能源发电方式。近年来，我国风电并网装机年平均增长速度高达75%，风电的发电量年平均增速为80%。2014年底，我国的风电装机9637万kW ，占总体发电装机容量的7%，占全球风电装机的27%；上网电量1534亿kW ×h ，占总发电量的2.78%。根据国家新能源规划，2015年和2020年风电装机容量将分别达到1亿kW 和2亿kW ，“三北”地区集中式开发为主和中东部地区分布式开发为主的发展特点进一步凸显。我国电源结构较为单一，调节灵活性不足，风电大规模并网消纳压力较大。尤其是风电发展缺乏统一规划，导致电网建设滞后于电源建设，且跨区电网互联规模不足，风电无法在更大范围内消纳。随着装机规模的不断扩大，风电消纳形势愈加严峻。
1 风电供热现状分析
根据我国风电出力及冬季负荷特性，风电供热试点普遍采用蓄热式的电加热技术。在负荷低谷期启动电加热设备，供热的同时储热热量用于白天供热，不仅可以增加低谷期电网负荷，还可以享受电网低谷电价。试点工程主要采取的运行模式是风电供暖项目确定合作意向后，风电企业需要出资兴建热力站，购买电蓄热锅炉等供热设备并与电网公司、热力公司签订协议。设备到位后，供热站按照峰谷电价政策购电，使用电力生产热量供应给热力公司。由于热力站的初期投资较大，在热价不高于燃煤锅炉的前提下，如果单独核算热力站的经营效益会处于亏损状态，需要对风电企业进行电量补偿，即通过增加风电企业上网电量，减少其弃风损失来补偿热力站的亏损。在实际运行过程中，按照现行的用户电价、热价以及风电上网电价计算，参与供暖的风电企业需多发1倍于热力站所需的电量才能保证盈利，显然这种方式只有通过挤占其他电源的发电计划额度才能实现。由于项目所在地区调峰困难本已较为明显，其结果必然加剧对其他电源调度的难度，失去了增加电网调峰能力的意义。
根据目前试点项目采用的电网低谷期加热和蓄热、全天供热的方式进行锅炉和蓄热系统设计建设，每万平方米供热面积的设备投入费用为120～150万元，近两年实际供热收入折合成供热企业用电价格为0.15～0.20元／（kW ·h ），考虑到设备折旧和运行维护成本，保证供热企业独立核算而不亏损，购入电价不能超过约0.06元／（kW ·h ）。按照输电费用（含国家各种税费）约0.20元／（kW ·h ）计算，风电企业需要以不超过0.14元／（kW ·h ）的价格售电才能保证供热企业不亏损。按照东北地区风电价格和脱硫标杆电价计算，只有第Ⅳ类资源区的风电场享受国家可再生能源发展基金的补贴大于0.14元／（kW ·h ），而大部分风电场属于第Ⅲ类及以上的资源区，必然缺乏参与这种直购电方式的积极性，还需有相应的财政激励政策。
2 影响风电消纳的主要因素
2.1 系统调峰能力
随着国民经济产业结构的优化调整，人民生活水平的提高，社会用电结构发生了较大变化，电网峰谷差逐步加大，部分地区的用电峰谷差率已达到40%。我国以煤电为主的电源结构（煤电装机占发电总装机的71%，其中风电富集地区调峰能力差的热电联产机组占相当比重），调峰能力较差，
170 2016年26期
电网调峰矛盾突出。
2.2 系统备用水平
为保证电力系统安全稳定运行，系统须预留有足够的备用容量，包括负荷备用、事故备用和检修备用。风电由于自身的间歇性和波动性特点，不适合承担系统备用容量，需要其他常规机组留有足够的备用，以应对风电波动性出力，保证风电波动不影响用户的正常需求。
2.3 电网网架约束与送出
我国风能资源分布与电力负荷中心分布不一致，大规模集中开发并外送将成为我国风电的主要利用方式。“三北”地区是我国最大的成片风能资源丰富带，具备基地式、大规模开发的条件，适合建设百万kW 级、千万kW 级的大型风电基地。受当地电力需求水平、电网规模等因素的制约，就地消纳风电的能力十分有限，需要同步加强跨省跨区的电网互联，扩大风电的消纳范围和规模。
2.4 负荷水平
近年来，受经济增速放缓影响，全社会用电量和电网负荷增长缓慢，尤其在风电富集地区，负荷增长速度明显落后于风电的增长速度，加之常规电源的开发，挤占了风电接纳空间。2013年以来，“三北”地区电网最高用电负荷同比增长在4%以下，远低于风电装机25%的增速，系统调峰难度进一步增加。
2.5 风电出力特性
随着风电的快速增长，其波动性对电网安全稳定运行的影响日益增加。“三北”地区风电最大日内波动幅度占当日最大负荷的比例均超过系统预留的备用容量，系统实时调度运行压力不断增大。同时，风电的反调峰特性使得部分电网等效负荷峰谷差率大幅升高，进一步增加了调峰压力。
3 案例分析
我们利用算例量化的办法来对风电供热提高风电消纳能力的潜力进行评估。为了确保仿真风电数据能够尽量的体现出风电的典型特征。我们选取若干个地理位置分散且季节特性较为类似的风电场。风电的总装机容量为399.7MW 。取供暖的时间为当年的10月15日至次年的4月15日，总共183天。选取风电低谷限电时段为当日的22：00——次日的05：00。电热锅炉在低谷的时段内制热供暖，并同时为其他时段供暖进行蓄热，低谷时段之外，电锅炉停止运行。
3.1 风电运行特性分析
供暖其低谷时段内，风电的出力特性主要用于对风电供热电量和电热锅炉规模进行测算。因此选取风电数据的供暖其低谷限电时段出力特性来作为分析的依据。同时利用经验分布函数，来对风电出力分布的概率密度分布情况进行拟合。经验分布函数不会对模型的概率分布函数形式进行任何的假设，而是基于历史值的基础上，经过计算得到变量的概率分布模型。因为风电的功率的影响因素较多，目前也没有一种特定的分布形式能够对其进行准确的描述。因此这里仅仅利用经验分布模型来对风电功率的概率分布进行构建。
3.2 根据供热需求计算低谷风电供热电量的提高风电消纳能力测算
该方案主要基于供热负荷需求的前提条件，利用给定的
（下转第 172 页）
电设备的运行安全，因此，应加强对机电设备的安全管理，完善机电设备的应用及维护，不断进行技术升级，使机电设备监控系统朝着集中化、一体化方向发展。
3.5 PLC技术
PLC 可编程逻辑控制器，是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，主要具有逻辑控制、数字量智能系统控制、数据采、模拟量闭环控制及监控功能，已经广泛地应用于工业控制的各个领域。在PLC 技术出现之前，一般要采用成千上万的计数器和继电器，才能组成具有同等功能的自动化系统，随着PLC 技术的产生和发展，经过编程能够以可编程控制器模块来取代这些大型的装置。PLC 技术系统程序不断发展和完善，用户能够根据自己的要求，编程适合自身需求的程序，以满足不同行业的生产要求。目前，我国机电工程设计中，PLC 都具有A/D、D/A算术功能和转换功能，形成了一个模拟量闭环控制系统。在机电设备的速度控制和运动控制方面，PLC 技术的应用，能够实现高速脉冲输出及接收功能，且配备了相应的传感器和伺服设备。PLC 技术的应用，能够实现数字量智能控制，在可编程序终端设备联系应用中，能够实现数据的实时采集及显示，方便设备管理人员对各类数据进行统计和分析，进而以PLC 的自检信号来实现对机电工程系统的监控。同时，PLC 技术在应用过程中，表现出较强电热锅炉容量来对供热的风电发电量进行测算。给定的电热锅炉的容量（Pgl ）为80MW ，则在整个供暖期内，可以按照如下步骤进行计算：
供暖期内的电热锅炉所需要消耗的供热电量的需求为：Egl=Pgl×Th ×Dh=102480MW·h ，依据90%的电热锅炉效率来进行计算，则其所对应的供热量Eheat 为92232MW ·h 。然后依据供暖期，整个限电时段的风电出力概率的分布情况可以得到，供暖其内的风电出力要高于80MW 的概率β为79.8%。可测算风电可用于供热的发电量（Ewheat ）。根据风电低谷时段的等效利用小时数（Thhe ）526.5h ，低谷时段风电总发电量（EwTh ）177575.2MW ·h ，可计算实际用于供热的低谷风电电量（Ewheat ）为69509.4MW ·h ，占低谷风电发电量的比例为39.1%，占供热需求电量的比例67.8%。
案例的计算结果显示：在依据地区热负荷的实际需求而并非风电低谷出力分布特性来确定电热锅炉容量的时候，实际的供热需电量主要利用低谷风电的比例只有67.8%，补足供热需求的其余电量则主要由电热锅炉通过小黄常规的电
通信功能，从而实现了顺序控制、运动控制、数据处理、闭环过程控制和通信联网等基本使用功能的需求。
4 结语
机电工程作为我国社会经济发展的一个重要组成部分，虽然经过几十年的发展已经取得了相当不错地成绩，为社会繁荣做出了巨大贡献。但是我们依然要清醒地认识到，我国的机电工程技术和世界先进国家相比还存在很大地差距，即使是对本国而言，随着社会的进步和科技的发展，机电工程在发展过程中也呈现了多样化的问题，只有更好地将解决这些问题，并准确分析出机电工程今后的发展趋势，才能更好地促进社会经济的快速健康发展。
参考文献
[1]汤飞. 浅谈机电一体化技术的现状与发展趋势[J].中国机械，2014（6）：141.
[2]邴业华. 浅谈机电一体化技术现状和发展趋势[J].中国科技博览，2013（12）：179.
[3]訾鹏. 浅谈机电一体化技术的现状和发展趋势[J].时代报告：学术版，2015（4）：271.
[4]姜风阁. 浅谈机电一体化的现状及发展趋势[J].中国电子商务，2011（7）：287.
[5]景德斌，孔松，徐超. 浅谈机电一体化技术的发展现状和趋势[J].工业，2015（24）：299.
源发电来予以实现，低谷风电的供热电量只占据风电低谷总发电量的39.1%。就电热锅炉容量和供热电量的需求出发，依据电量的对等原则，推算出低谷时段的供电风电场的规模是不合理的。
总的来说，利用风电供热，可实现社会效益，促进了风电的发展，加快了可再生能源对化石能源替代进程，环境保护效果显著，提高了清洁资源的利用率，改善了的当地民生的发展。文章结合案例分析了风电供热的低谷消纳能力进行了分析，期望能够起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1]褚洪川. 基于风电供热的消纳弃风方案研究[D].大连理工大学，2015.
[2]高长征，王爽，毕正军. 风电供热运行机制研究[J].吉林电力，2016（1）.
[3]白建华. 我国风电消纳形势及展望[J].风能产业，2013（12）.
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