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根据上述流程,合理消纳率与方案增量总成本直接相关,总成本包括消纳成本NF和弃电成本ND两部分(如图2所示),主要计算方法如下。
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电网消纳成本计算采用相对年费用法,即将参加比较的方案计算期的全部支出费用折算成等额年费用后进行比较,年费用采用如下公式进行计算:
$$ {N_{\rm{F}}} = Z\left[ {\dfrac{{{r_0}{{(1 + {r_0})}^n}}}{{{{(1 + {r_0})}^n} - 1}}} \right] + u $$ 式中:
NF ——方案的年费用;
Z ——方案总投资(动态投资);
u ——方案年运行费(考虑维护费和电能损失费,维护费按工程总投资的2%计,电价0.5元/kWh计);
r0 ——电力工业投资回收率,按8%考虑;
n ——工程经济适用年限(输变电取25年)。
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对于陆上风电和光伏,主要是电网建设投资,为新建/升容线路、扩建间隔、新增变电容量等的本体投资。
对于海上风电,除了上述电网建设投资,还包含海上电缆投资。
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运行成本包含运行维护费和电能损耗费用两部分。
其中,电能损耗费和相对有功损耗及损耗小时数相关,损耗小时数和新能源的出力特性相关,随新能源年利用小时数的变化而变化。
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弃电成本包含弃电直接损失和间接损失两部分。
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弃电直接损失=系统中煤电平均运行成本×弃电电量;
其中,煤电平均运行成本=燃料单价×煤耗+附加运行费用。
弃电电量和方案的设定、新能源的出力特性均相关。新能源的利用小时数以及电量分布情况,均会影响弃电率。
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弃电间接损失主要指系统碳排放成本的增加。
碳排放成本=弃电量×碳排放因子×碳价
上述碳排放因子、碳价、燃料单价、煤电运行成本等均根据实际情况进行取值。
综上,合理消纳率的主要相关因素如下:
➢消纳单位kW新能源新增电网投资
➢新能源年利用小时数
➢新能源电量分布特性
➢新能源损耗小时数
➢通道/断面输送能力(应综合考虑热稳、静稳和暂稳极限)
➢系统平均煤耗
➢煤燃料单价
➢碳排放因子
➢碳价
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以广东某海上风电场为例,进行合理消纳率计算分析。该海上风电项目一期装机容量60万kW,扩容项目装机容量30万kW,年利用小时数为2 680 h左右。
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该风电场电量-出力率关系统计结果如图3所示。可以看出,海上风电位于高出力段的电量占比较少,弃电5%对应的出力率为76%,弃电10%对应的出力率为63%,若弃掉一部分电量,则可以大大降低电网送出需求,甚至可以利用现有网架送出。
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一期(60万kW)项目通过1回2×400 mm2线路送出(已投产),扩容项目(30万kW)可考虑通过如下3种方案送出,见表1:
表 1 各方案弃电率
Table 1. Abandonment rate for each scheme
参数 方案1 方案2 方案3 通道容量/MVA 579 770 579+579 海上风电场出力率/% 64.3 85.6 100 弃电率/% 9.6 2.96 0 方案1(利用现有网架送出):扩容项目与一期项目打捆,通过已投产2×400 mm2线路送出。
方案2(升容现有线路送出):扩容项目与一期项目打捆,送出线路由2×400 mm2更换为2×400 mm2耐热。
方案3(新增通道送出):新建1回线路送出扩容项目,新建线路长度为54 km,导线截面暂按2×400 mm2考虑。
本研究中煤耗暂按270 g/kWh,标准煤单价按800元/t;碳价按58元/t测算,碳排放因子为当年该省份的电网平均碳排放因子,如广东2025年电网碳排放因子按0.35 kgCO2/kWh计算。按照第2节所述的方法进行各方案增量总成本计算,主要数据如表2所示。
表 2 各方案增量总成本比较
Table 2. Comparison of total incremental cost of the schemes
万元 项目 方案1 方案2 方案3 消纳成本NF 0 3 044 5 562 其中:相对总投资 0 19 907 50 423 弃电成本ND 6 433 1 983 0 其中:弃电直接成本 5 962 1 838 0 碳排放成本 471 145 0 增量总成本 6 433 5 027 5 562 注:总投资包含海缆投资,消纳成本采用相对年费用法计算,以方案1为比较基准。 从消纳成本来看,方案3(新增通道方案)投资最高,相对于方案1总投资多5亿元左右,消纳成本最高。对于海上风电送出来说,海缆投资占主导地位,若弃掉一部分电量,可降低海上风电有效容量,从而大大节省海缆投资。
从弃电直接成本来看,方案1弃电量最高,弃电直接成本最高;方案3不需要弃电,无弃电成本。从碳排放成本来看,方案1弃电9.6%,此部分电量需要传统电源来替代,增加了全网的碳排放成本,增量约471万元;方案2次之;方案3无新增碳排放成本。
综合消纳成本和弃电成本计算结果,方案2总增量成本最小,方案3次之,方案1总增量成本最大。从全社会角度,方案2为经济性最优方案,对应合理弃电率为2.96%。
可以看出,此情景下,一味地弃电或者增加电网投资都不是最优的选择,在电网消纳成本和弃电成本之间存在一个平衡点,见图4。
Research on Reasonable Consumption Rate of New Energy Transmission Under the New Power System
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摘要:
目的 大规模新能源渗透是未来新型电力系统的重要特征,新能源高比例消纳和电力系统的安全经济高效运行之间存在一定矛盾,从系统整体经济性角度出发,提出了一种新能源送出合理消纳率的计算方法。 方法 该方法以新能源接入的增量总成本最低为目标,综合考虑了电网消纳成本、新能源弃电成本和环保成本等,系统研究了合理消纳率关键影响因素。 结果 通过实际海上风电、陆上风电及光伏等算例验证了该方法的有效性,并通过多算例的集中探索,总结新能源送出合理消纳率及送出方案选择的一般性规律。 结论 所提方法为未来高比例新能源接入下的电网规划提供新思路,为指导后续新能源接入系统、调度运行等提供了重要参考。 Abstract:Introduction Large-scale new energy penetration is an important feature of the new power system. There is a certain contradiction between the high proportion of new energy consumption and the safe, economical and efficient operation of power system. From the point of view of the overall economy of the system, this study puts forward a calculation method of the reasonable consumption rate of new energy transmission. Method This method aimed to minimize the incremental total cost of new energy access, comprehensively considered the cost of power grid consumption, the cost of new energy abandonment and environmental protection, and systematically studied the key influencing factors of reasonable consumption rate. Result The effectiveness of this method is verified by practical examples of offshore wind power, onshore wind power and photovoltaic, and the general rules of reasonable consumption rate and selection of new energy transmission scheme are summarized by concentrated exploration of multiple examples. Conclusion The proposed method provides a new idea for power grid planning with high proportion of new energy access in the future, and provides an important reference for guiding the follow-up new energy access system and dispatching operation. -
表 1 各方案弃电率
Tab. 1. Abandonment rate for each scheme
参数 方案1 方案2 方案3 通道容量/MVA 579 770 579+579 海上风电场出力率/% 64.3 85.6 100 弃电率/% 9.6 2.96 0 表 2 各方案增量总成本比较
Tab. 2. Comparison of total incremental cost of the schemes
万元 项目 方案1 方案2 方案3 消纳成本NF 0 3 044 5 562 其中:相对总投资 0 19 907 50 423 弃电成本ND 6 433 1 983 0 其中:弃电直接成本 5 962 1 838 0 碳排放成本 471 145 0 增量总成本 6 433 5 027 5 562 注:总投资包含海缆投资,消纳成本采用相对年费用法计算,以方案1为比较基准。 -
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