风电对调峰的影响及其合理利用模式研究
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Fig. 3 The Relation Between Pumped-Storage Capacity and Abandoned Wind Power
图 4 允许弃风与不允许弃风条件下燃煤机组 年启停调峰次数比较
Fig. 4 Comparison of Frequency of Coal Unit Start Stop Peak Regulation Between Conditions of Wind Power Abandonment
风电消纳困难的主要原因是电力系统调峰能力 无法满足大规模风电出力的波动，导致负荷低谷时 段不得不切除部分风电[6]。文献[7−9]研究表明风电 接入后，系统对调峰容量的需求的分散性增强，风 电极端出力方式下对系统调峰能力要求极高。
* 该文荣获中国电机工程学会第十一届青年学术会议（2010，北京）一 等奖。
由此可见，在上述特定系统里风电引发的调峰 问题属于小概率事件。本文的后面部分将运用基于
20
南方电网技术
第4卷
电力系统生产模拟进行更加详细的定量研究。
3 基于生产模拟的弃风实证研究
本文利用清华大学开发的电力规划决策与评估 GOPT5.0 软件系统[20]，采用考虑风电接入的时序生 产模拟技术，从系统调峰角度出发，以江苏电力系 统 2020 年为研究对象实证研究，系统最大负荷约 125 000 MW，规划燃煤机组占总装机 80%左右，核 电约 8 000 MW。运行模拟中设定燃煤机组调峰能 力 50%，并允许 200 MW 以下火电机组启停调峰， 并计及启停调峰成本，核电不参加调峰。其余边界 条件见文献[19]。
风电对调峰的影响及其合理利用模式研究*
张谦，李琥，高松
（江苏省电力公司电网规划研究中心, 南京 210024）
摘要：要解决风电消纳困难问题必须研究大规模风电接入对电力系统调峰的影响。鉴此，以概率化分析方法进行此项研 究，考虑风电接入的时序生产，分析江苏电网 2020 年调峰能力与弃风电量以及系统运行成本的关系。结果表明，允许 适度（少量）弃风可大大减少系统抽水蓄能装机需求，使系统调峰运行更加优化，减少燃煤机组的启停次数和降低系统 的总体运行成本。因此，建议我国在“风电全额收购”的框架下进行政策微调，充分考虑电力系统多样性，允许根据实 际情况采取适度弃风策略。 关键词：风力发电；调峰；弃风；生产模拟
Abstract: In order to resolve the difficult problem of wind power consumption, the impact of large scale wind power integration on power system peak shaving should be studied. Using the probabilistic analysis method and taking time-series production in wind power integration into account, this paper analyzes the relations between peak shaving capacity and abandoned wind power as well as system operation cost of Jiangsu Power System in 2020. The results show that to permit moderate wind power abandonment can decrease the requirement of pumped-storage power greatly, optimize the peak-shaving operation and reduce the coal-fired unit starts/stop times and the total operation cost. So it is proposed to take policy fine-turning to the “full acquistion of wind power” policy in our country, and to permit moderate wind power abandonment according to the variety of power systems and the actual situation. Key words: wind power prodution; peak load regulation; wind abandoning; production simulation
风电的规划建设规模应与电力系统的规模相优 化匹配。风电发展初期，其容量占系统总量的比例 小，对系统安全稳定和调峰影响不大，对风电的全 额收购政策容易得到完全彻底的实施，但随着我国 千万千瓦级风电基地规划的逐步落实，风电在各电 力系统的容量比例越来越大，全额收购的难度也将 越来越大[7−8]，这是一个值得深入探讨的问题[10−14]。
1abandonedwindpowerandsystemoperationcostunderdifferentwindpenetrationandpumpedstoragecapacity风电装机比例5风电装机比例10风电装机比例20抽水蓄能电源装机mw年切除风电量mwh年切除风电量比例年切除风电的天数年燃煤机组启停次数年运行成本亿元年切除风电量mwh年切除风电量比例年切除风电的天数年燃煤机组启停次数年运行成本亿元年切除风电量mwh年切除风电量比例年切除风电的天数年燃煤机组启停次数年运行成本亿元10001594801071857631264352019721474094255202034193496921220001209800861847586843805013719073722213364029142886890140004577800012475368593120023337321612729601769168336600000027498611279000177280878003201054367851800000007462300017239838796900521367380第6期张谦等
由图 2 中可见几种类型的概率基本呈标准正态 分布，规律性佷强。其中，对于电力系统运行最不 利的情况是负调峰（强）类型，但该情况的出现概 率仅有 8.2％左右。 2.4 风电对系统调峰影响的概率
风电运行引起系统调峰问题，可以归纳为两个 概率事件的重叠，即系统日负荷峰谷差率极大的同 时，风电本身又运行在负调峰（强）的方式下，再 考虑风电相对于系统总规模的比例问题，则不难粗 略的计算出风电对于系统调峰影响的概率。以江苏 2020 年为例，该系统由于风电运行而引起调峰问题 的概率应该不大于 8.2% ×1.65% = 0.134% 。
Research on the Impact of Wind Power on Peak Load Regulation and Its Rational Utilization Mode
ZHANG Qian, LI Hu, GAO Song
(Power System Planning Research Center, Jiangsu Electric Power Company , Nanjing 210024, China)
6 d，仅占全年的 1.64%。 2.3 风电日出力曲线的调峰分类和概率分布
随机波动使风电出力既有可能增加系统峰谷 差，也可能减小系统峰谷差。对风电出力进行统计 分析，可把日风电出力对系统调峰贡献的不同类型 划分为 5 种：正调峰（强），正调峰（弱），平出力， 负调峰（弱），负调峰（强）。其中，风电正调峰是 指风电日内出力增减趋势与系统负荷基本相同，且 风电出力峰谷差小于系统负荷峰谷差，风电接入后 系统等效负荷曲线峰谷差减小；风电负调峰是指风 电日内出力增减趋势与系统负荷曲线相反，风电接 入后系统等效负荷曲线峰谷差增大；平出力是指风 电出力在日内没有明显的峰谷特性，对系统负荷峰 谷差基本没有影响。
图 1 江苏电网 2020 年峰谷差率概率分布
Fig. 1 Probability Distribution of Load Peak-Valley Ratio of Jiangsu Province, 2020
由图 1 可见，系统日负荷峰谷差率分布于 15%～37.5%之间，负荷峰谷差率超过 35%的天数为
Allowed and Forbidden
表 1 不同风电装机比例以及抽水蓄能规划方案下系统弃风情况及运行成本分析
“系统日负荷峰谷差率”是指系统日最大负荷 与最小负荷的差值占日最大负荷的比率，该指标表 征了系统的调峰难度。根据对江苏电网负荷的分析， 全年 365 天的日负荷峰谷差率具有概率分散性，负 荷峰谷差率主要集中在分布区间中部，峰谷差率出 现极大与极小的情况概率很小，呈近似 Weibull 分 布。根据对江苏电网 2020 年负荷特性的预测，江苏 电网日负荷峰谷差率概率分布如图 1 所示。
首先在调度运行中允许风电弃风，研究在不同 风电装机比例（风电装机容量占系统总装机容量的 百分比）条件下，不同抽水蓄能规划对系统弃风以 及调峰成本的影响。计算结果如表 1 所示。图 3 则 对比了不同抽水蓄能以及风电装机容量情况下系统 弃风电量的变化趋势。
其次，在调度运行中不允许弃风，并允许所有 火电机组启停调峰，研究系统不允许弃风时综合经 济性的变化。根据生产模拟结果，统计各种抽水蓄 能以及风电装机容量情况下的系统燃煤机组启停次 数以及系统调峰成本，计算结果如表 2 所示。图 4 对比了风电装机比例为 10%情况下，允许弃风与不 允许弃风条件下燃煤机组年启停调峰次数，图 5 对 比了允许弃风与不允许弃风条件下系统运行成本。
1 风电规模与运行特性
1.1 电力系统中风电装机比例 根据相关规划[15]，江苏省 2020 年风电装机将
达到 10 380 MW，风电装机比例将达到 3.32%。在 国际上通常以一个电力系统中风力发电量占整个系 统总的负荷电量的比例来衡量风电规模的大小。根 据有关研究资料和运行经验[16−17]，一个电力系统中
风电是用之不竭的低碳能源[1−2]，在未来对抗 全球气候变化中将发挥重要作用。我国政府出台了 《中华人民共和国可再生能源法》和相关规划，同 时出台了风电优惠价格政策等措施，为风力发电及 其相关设备制造产业发展创造了良好的政策环境。 该政策颁布实施以来，我国风电产业迅速发展[3−5]， 但目前出现了风电消纳困难的问题。
2010 年 第 4 卷 第 6 期 2010，Vol. 4，No. 6
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHN010)06-0018-05
中图分类号：TM614；TM715
低碳电力 Low-Carbon Electricity
文献标志码：A
本文利用文献[18−19]提出的风电场运行模拟 方法及相关参数，对江苏省 2020 年风电基地进行运 行模拟。统计风电对调峰贡献的分类及概率分布， 结果如图 2 所示。
图 2 江苏省 2020 年风电对日调峰贡献的分类概率分布
Fig. 2 Classification and Probability Distribution of Wind Power Contribution to Peak Regulation in Jiangsu Province, 2020
4 适度弃风政策分析
4.1 风电全额收购的困难 保证风电“绝对”收购，从调峰角度看就意味
着要满足“所有可能出现的小概率下”的系统调峰 需要。具体讲，就是满足电力系统峰谷差率最大日 的低谷时段风电出现 100%出力（即 100%反调峰） 的极端小概率情况，这必须建设足够多的调节电源 才能得以实现。
图 3 抽水蓄能装机容量与弃风电量的关系图
第6期
张谦，等：风电对调峰的影响及其合理利用模式研究
19
风电装机比例超过 10%，其影响将不容忽视，风电 渗透率超过 20%，系统将难以满足风电极端出力情 况下的调峰需求，不可避免地出现弃风现象。 1.2 风电的运行特性
风电来自于风能，其发电出力具有随机性强， 波动性大，难以有效控制的特点。在电力系统运行 中风电基本无法与负荷匹配，不能削峰填谷，属于 不可调电源。从电源可靠度角度看，风电仅提供电 量而不能提供与其装机容量相匹配的容量。
2 风电对调峰影响的概率化分析
2.1 电力系统调峰运行的机理 电力系统负荷曲线一般都有高峰和低谷的周期
变化规律。运行在电力系统中的各类电源，必须在 其安全和经济运行能力的允许范围内，跟踪日负荷 曲线变化，不断地调节自身的发电功率以维持系统 的功率平衡。一旦调峰需求超出了电源调节能力， 则会导致运行经济性下降、发电设备受损、燃煤机 组被迫停机调峰等情况，甚至威胁到整个系统运行 的安全可靠性。由于风电出力在谷荷时较大，峰荷 时出力为零，对系统调峰需求较大，系统因无法提 供足够的调峰容量而在谷荷时不得不部分弃风。 2.2 系统日负荷峰谷差率的概率分布
图 4 允许弃风与不允许弃风条件下燃煤机组 年启停调峰次数比较
Fig. 4 Comparison of Frequency of Coal Unit Start Stop Peak Regulation Between Conditions of Wind Power Abandonment
风电消纳困难的主要原因是电力系统调峰能力 无法满足大规模风电出力的波动，导致负荷低谷时 段不得不切除部分风电[6]。文献[7−9]研究表明风电 接入后，系统对调峰容量的需求的分散性增强，风 电极端出力方式下对系统调峰能力要求极高。
* 该文荣获中国电机工程学会第十一届青年学术会议（2010，北京）一 等奖。
由此可见，在上述特定系统里风电引发的调峰 问题属于小概率事件。本文的后面部分将运用基于
20
南方电网技术
第4卷
电力系统生产模拟进行更加详细的定量研究。
3 基于生产模拟的弃风实证研究
本文利用清华大学开发的电力规划决策与评估 GOPT5.0 软件系统[20]，采用考虑风电接入的时序生 产模拟技术，从系统调峰角度出发，以江苏电力系 统 2020 年为研究对象实证研究，系统最大负荷约 125 000 MW，规划燃煤机组占总装机 80%左右，核 电约 8 000 MW。运行模拟中设定燃煤机组调峰能 力 50%，并允许 200 MW 以下火电机组启停调峰， 并计及启停调峰成本，核电不参加调峰。其余边界 条件见文献[19]。
风电对调峰的影响及其合理利用模式研究*
张谦，李琥，高松
（江苏省电力公司电网规划研究中心, 南京 210024）
摘要：要解决风电消纳困难问题必须研究大规模风电接入对电力系统调峰的影响。鉴此，以概率化分析方法进行此项研 究，考虑风电接入的时序生产，分析江苏电网 2020 年调峰能力与弃风电量以及系统运行成本的关系。结果表明，允许 适度（少量）弃风可大大减少系统抽水蓄能装机需求，使系统调峰运行更加优化，减少燃煤机组的启停次数和降低系统 的总体运行成本。因此，建议我国在“风电全额收购”的框架下进行政策微调，充分考虑电力系统多样性，允许根据实 际情况采取适度弃风策略。 关键词：风力发电；调峰；弃风；生产模拟
Abstract: In order to resolve the difficult problem of wind power consumption, the impact of large scale wind power integration on power system peak shaving should be studied. Using the probabilistic analysis method and taking time-series production in wind power integration into account, this paper analyzes the relations between peak shaving capacity and abandoned wind power as well as system operation cost of Jiangsu Power System in 2020. The results show that to permit moderate wind power abandonment can decrease the requirement of pumped-storage power greatly, optimize the peak-shaving operation and reduce the coal-fired unit starts/stop times and the total operation cost. So it is proposed to take policy fine-turning to the “full acquistion of wind power” policy in our country, and to permit moderate wind power abandonment according to the variety of power systems and the actual situation. Key words: wind power prodution; peak load regulation; wind abandoning; production simulation
风电的规划建设规模应与电力系统的规模相优 化匹配。风电发展初期，其容量占系统总量的比例 小，对系统安全稳定和调峰影响不大，对风电的全 额收购政策容易得到完全彻底的实施，但随着我国 千万千瓦级风电基地规划的逐步落实，风电在各电 力系统的容量比例越来越大，全额收购的难度也将 越来越大[7−8]，这是一个值得深入探讨的问题[10−14]。
1abandonedwindpowerandsystemoperationcostunderdifferentwindpenetrationandpumpedstoragecapacity风电装机比例5风电装机比例10风电装机比例20抽水蓄能电源装机mw年切除风电量mwh年切除风电量比例年切除风电的天数年燃煤机组启停次数年运行成本亿元年切除风电量mwh年切除风电量比例年切除风电的天数年燃煤机组启停次数年运行成本亿元年切除风电量mwh年切除风电量比例年切除风电的天数年燃煤机组启停次数年运行成本亿元10001594801071857631264352019721474094255202034193496921220001209800861847586843805013719073722213364029142886890140004577800012475368593120023337321612729601769168336600000027498611279000177280878003201054367851800000007462300017239838796900521367380第6期张谦等
由图 2 中可见几种类型的概率基本呈标准正态 分布，规律性佷强。其中，对于电力系统运行最不 利的情况是负调峰（强）类型，但该情况的出现概 率仅有 8.2％左右。 2.4 风电对系统调峰影响的概率
风电运行引起系统调峰问题，可以归纳为两个 概率事件的重叠，即系统日负荷峰谷差率极大的同 时，风电本身又运行在负调峰（强）的方式下，再 考虑风电相对于系统总规模的比例问题，则不难粗 略的计算出风电对于系统调峰影响的概率。以江苏 2020 年为例，该系统由于风电运行而引起调峰问题 的概率应该不大于 8.2% ×1.65% = 0.134% 。
Research on the Impact of Wind Power on Peak Load Regulation and Its Rational Utilization Mode
ZHANG Qian, LI Hu, GAO Song
(Power System Planning Research Center, Jiangsu Electric Power Company , Nanjing 210024, China)
6 d，仅占全年的 1.64%。 2.3 风电日出力曲线的调峰分类和概率分布
随机波动使风电出力既有可能增加系统峰谷 差，也可能减小系统峰谷差。对风电出力进行统计 分析，可把日风电出力对系统调峰贡献的不同类型 划分为 5 种：正调峰（强），正调峰（弱），平出力， 负调峰（弱），负调峰（强）。其中，风电正调峰是 指风电日内出力增减趋势与系统负荷基本相同，且 风电出力峰谷差小于系统负荷峰谷差，风电接入后 系统等效负荷曲线峰谷差减小；风电负调峰是指风 电日内出力增减趋势与系统负荷曲线相反，风电接 入后系统等效负荷曲线峰谷差增大；平出力是指风 电出力在日内没有明显的峰谷特性，对系统负荷峰 谷差基本没有影响。
图 1 江苏电网 2020 年峰谷差率概率分布
Fig. 1 Probability Distribution of Load Peak-Valley Ratio of Jiangsu Province, 2020
由图 1 可见，系统日负荷峰谷差率分布于 15%～37.5%之间，负荷峰谷差率超过 35%的天数为
Allowed and Forbidden
表 1 不同风电装机比例以及抽水蓄能规划方案下系统弃风情况及运行成本分析
“系统日负荷峰谷差率”是指系统日最大负荷 与最小负荷的差值占日最大负荷的比率，该指标表 征了系统的调峰难度。根据对江苏电网负荷的分析， 全年 365 天的日负荷峰谷差率具有概率分散性，负 荷峰谷差率主要集中在分布区间中部，峰谷差率出 现极大与极小的情况概率很小，呈近似 Weibull 分 布。根据对江苏电网 2020 年负荷特性的预测，江苏 电网日负荷峰谷差率概率分布如图 1 所示。
首先在调度运行中允许风电弃风，研究在不同 风电装机比例（风电装机容量占系统总装机容量的 百分比）条件下，不同抽水蓄能规划对系统弃风以 及调峰成本的影响。计算结果如表 1 所示。图 3 则 对比了不同抽水蓄能以及风电装机容量情况下系统 弃风电量的变化趋势。
其次，在调度运行中不允许弃风，并允许所有 火电机组启停调峰，研究系统不允许弃风时综合经 济性的变化。根据生产模拟结果，统计各种抽水蓄 能以及风电装机容量情况下的系统燃煤机组启停次 数以及系统调峰成本，计算结果如表 2 所示。图 4 对比了风电装机比例为 10%情况下，允许弃风与不 允许弃风条件下燃煤机组年启停调峰次数，图 5 对 比了允许弃风与不允许弃风条件下系统运行成本。
1 风电规模与运行特性
1.1 电力系统中风电装机比例 根据相关规划[15]，江苏省 2020 年风电装机将
达到 10 380 MW，风电装机比例将达到 3.32%。在 国际上通常以一个电力系统中风力发电量占整个系 统总的负荷电量的比例来衡量风电规模的大小。根 据有关研究资料和运行经验[16−17]，一个电力系统中
风电是用之不竭的低碳能源[1−2]，在未来对抗 全球气候变化中将发挥重要作用。我国政府出台了 《中华人民共和国可再生能源法》和相关规划，同 时出台了风电优惠价格政策等措施，为风力发电及 其相关设备制造产业发展创造了良好的政策环境。 该政策颁布实施以来，我国风电产业迅速发展[3−5]， 但目前出现了风电消纳困难的问题。
2010 年 第 4 卷 第 6 期 2010，Vol. 4，No. 6
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHN010)06-0018-05
中图分类号：TM614；TM715
低碳电力 Low-Carbon Electricity
文献标志码：A
本文利用文献[18−19]提出的风电场运行模拟 方法及相关参数，对江苏省 2020 年风电基地进行运 行模拟。统计风电对调峰贡献的分类及概率分布， 结果如图 2 所示。
图 2 江苏省 2020 年风电对日调峰贡献的分类概率分布
Fig. 2 Classification and Probability Distribution of Wind Power Contribution to Peak Regulation in Jiangsu Province, 2020
4 适度弃风政策分析
4.1 风电全额收购的困难 保证风电“绝对”收购，从调峰角度看就意味
着要满足“所有可能出现的小概率下”的系统调峰 需要。具体讲，就是满足电力系统峰谷差率最大日 的低谷时段风电出现 100%出力（即 100%反调峰） 的极端小概率情况，这必须建设足够多的调节电源 才能得以实现。
图 3 抽水蓄能装机容量与弃风电量的关系图
第6期
张谦，等：风电对调峰的影响及其合理利用模式研究
19
风电装机比例超过 10%，其影响将不容忽视，风电 渗透率超过 20%，系统将难以满足风电极端出力情 况下的调峰需求，不可避免地出现弃风现象。 1.2 风电的运行特性
风电来自于风能，其发电出力具有随机性强， 波动性大，难以有效控制的特点。在电力系统运行 中风电基本无法与负荷匹配，不能削峰填谷，属于 不可调电源。从电源可靠度角度看，风电仅提供电 量而不能提供与其装机容量相匹配的容量。
2 风电对调峰影响的概率化分析
2.1 电力系统调峰运行的机理 电力系统负荷曲线一般都有高峰和低谷的周期
变化规律。运行在电力系统中的各类电源，必须在 其安全和经济运行能力的允许范围内，跟踪日负荷 曲线变化，不断地调节自身的发电功率以维持系统 的功率平衡。一旦调峰需求超出了电源调节能力， 则会导致运行经济性下降、发电设备受损、燃煤机 组被迫停机调峰等情况，甚至威胁到整个系统运行 的安全可靠性。由于风电出力在谷荷时较大，峰荷 时出力为零，对系统调峰需求较大，系统因无法提 供足够的调峰容量而在谷荷时不得不部分弃风。 2.2 系统日负荷峰谷差率的概率分布