基于多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰模型的區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)電接納能力評(píng)估方法研究

張明理,李青春,張 楠

(1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006)

隨著我國(guó)政府對(duì)開發(fā)利用可再生能源的高度重視及 《可再生能源法》的頒布實(shí)施,包括風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)電在近幾年得到了較快的發(fā)展。其中,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的能源發(fā)電方式之一,其發(fā)展速度居于各種可再生能源之首。截至2009年底,全國(guó)風(fēng)電場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)已達(dá)到2 600萬(wàn)kW,居世界第二位;到2015年,全國(guó)風(fēng)電開發(fā)建設(shè)規(guī)模有望達(dá)到15 000萬(wàn)kW。在江蘇沿海和 “三北”風(fēng)能資源豐富地區(qū)建成10多個(gè)百萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地和7個(gè)千萬(wàn) kW級(jí)風(fēng)電基地,形成若干個(gè) “風(fēng)電三峽”,風(fēng)電在局部地區(qū)電力供應(yīng)中達(dá)到較高比例。

電網(wǎng)能夠承受的風(fēng)電裝機(jī)容量[1-5]與所在電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)模、電源結(jié)構(gòu)和布局、負(fù)荷特性等密切相關(guān)。風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展后,必然要參與系統(tǒng)電力平衡,由此將帶來(lái)調(diào)峰問題,若系統(tǒng)無(wú)足夠的調(diào)峰容量,將必然導(dǎo)致風(fēng)電出力受到限制。當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電同時(shí)率較高時(shí),風(fēng)電出力的變化將對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊,系統(tǒng)需要留有足夠的備用容量來(lái)平衡風(fēng)電的波動(dòng),以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,對(duì)于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電源結(jié)構(gòu)固定的區(qū)域電網(wǎng),風(fēng)電的接納能力是有一定極限的,盲目接入風(fēng)電是不科學(xué)的。

本文基于電網(wǎng)多目標(biāo)調(diào)峰模型提出一種新的區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的評(píng)估方法。根據(jù)該方法可以針對(duì)省級(jí)區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估結(jié)果可以為風(fēng)電規(guī)劃容量提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰模型的確定

1.1 機(jī)組類型及參與調(diào)峰能力

a. 火電機(jī)組在我國(guó)電網(wǎng)中裝機(jī)容量最多,通過調(diào)整機(jī)組出力參與電網(wǎng)調(diào)峰。一般參與程度為裝機(jī)容量的30% 50%。

b. 熱電機(jī)組在我國(guó)北部電網(wǎng)裝機(jī)容量較多,冬季依據(jù) “以熱定電”原則,參與調(diào)峰容量較小。一般參與調(diào)峰容量為10%左右。

c. 水電機(jī)組在夏季豐水期時(shí),水電機(jī)組主要參與電網(wǎng)的基荷平衡,一般不參與調(diào)峰;枯水期水電機(jī)組僅在負(fù)荷峰值時(shí)參與調(diào)峰,最大可以達(dá)到100%參與調(diào)峰。

d. 核電機(jī)組單機(jī)容量較大,在電網(wǎng)運(yùn)行中主要參與基荷平衡,一般不參與調(diào)峰平衡。

e. 抽水蓄能電站主要參與電網(wǎng)調(diào)峰平衡,參與程度達(dá)到200%。

f. 風(fēng)電機(jī)組出力隨機(jī)性較大,可控性較差,完全受風(fēng)能變化的影響,在電網(wǎng)調(diào)峰中主要按照反調(diào)峰考慮。

1.2 發(fā)電成本目標(biāo)函數(shù)

電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰研究[6、10]的主要內(nèi)容之一是考慮機(jī)組間的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。設(shè)一電網(wǎng)n臺(tái)機(jī)組t時(shí)刻向總供電負(fù)荷為PL.sum(t)的電網(wǎng)供電,電網(wǎng)平均網(wǎng)損率為 ρloss,平均廠用電率為 ρgen,第 i(1≤i≤n)個(gè)發(fā)電廠t時(shí)刻發(fā)電功率為Pi(t),其相應(yīng)的發(fā)電費(fèi)用為Fcost(pi(t)),在滿足功率平衡的約束條件下,求一組功率值Pi(t)(i=1,2,3,…,n),使t時(shí)刻全網(wǎng)發(fā)電費(fèi)用最小。即:

式中:Fcost(p)為發(fā)電成本目標(biāo)函數(shù),式 (1)滿足不等式約束:

式中:Pmax為機(jī)組最大出力,Pmin為機(jī)組最小出力。

系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束:

式中:PG.sum(t)為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的發(fā)電電力。

1.3 電網(wǎng)的網(wǎng)損約束

在考慮機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)要考慮電網(wǎng)的網(wǎng)損,如A、B兩個(gè)電廠假設(shè)裝機(jī)容量、機(jī)組性能、耗量特性等均相同,但由于在電網(wǎng)中所處的位置不同,對(duì)電網(wǎng)的網(wǎng)損引起的變化就會(huì)有所不同。因此單獨(dú)考慮機(jī)組或電廠的經(jīng)濟(jì)性并不能代表電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。考慮機(jī)組或電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí),必須考慮使網(wǎng)損盡可能小,即:

式中:Floss(p)為網(wǎng)損目標(biāo)函數(shù);Floss(pi(t))為i電廠t時(shí)刻出力變化對(duì)應(yīng)的網(wǎng)損電力的函數(shù)表達(dá)式。

1.4 電網(wǎng)的安全穩(wěn)定約束

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題包括:嚴(yán)重故障方式下的暫態(tài)穩(wěn)定、輕微故障的小干擾穩(wěn)定、潮流的熱穩(wěn)定等。為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,調(diào)度部門根據(jù)電網(wǎng)存在的具體問題提出限制機(jī)組出力、電網(wǎng)受入或送出功率大小等技術(shù)措施,在考慮機(jī)組或電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí),必須考慮全網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)盡可能小,即:

式中:Fse(p)為安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)目標(biāo)函數(shù);Fse(pi(t))為i電廠t時(shí)刻出力變化對(duì)電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的影響系數(shù)函數(shù)。

2 經(jīng)濟(jì)調(diào)峰平衡分析

在考慮以上經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的同時(shí),電網(wǎng)調(diào)峰平衡還應(yīng)考慮機(jī)組調(diào)峰深度、機(jī)組爬坡能力、區(qū)域電網(wǎng)備用容量和受入送出電力等因素。本文僅對(duì)調(diào)峰過程進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

假設(shè)電網(wǎng)運(yùn)行的典型日最大供電負(fù)荷為PL.max,最小供電負(fù)荷為PL.min,根據(jù)式 (3)對(duì)應(yīng)的最大發(fā)電電力為PG.max,最小發(fā)電電力為PG.min,在滿足式 (1)的條件下,有n臺(tái)機(jī)組向電網(wǎng)供電,在典型日負(fù)荷峰值時(shí),經(jīng)濟(jì)調(diào)峰平衡應(yīng)滿足式 (6):

式中:P備用為電網(wǎng)中的負(fù)荷備用和旋轉(zhuǎn)備用之和,其中負(fù)荷備用占總負(fù)荷的3% 5%;旋轉(zhuǎn)備用一般不小于電網(wǎng)中的單機(jī)最大容量;Pi.max為第i臺(tái)機(jī)組的最大出力。

在典型日峰值負(fù)荷滿足式 (6)同時(shí),負(fù)荷低谷時(shí)應(yīng)滿足式 (7)要求。

式中:λi為第i臺(tái)機(jī)組參與調(diào)峰的比例,一般根據(jù)機(jī)組類型不同各不相同,火電機(jī)組最大達(dá)到0.6,水電機(jī)組最大達(dá)到1。

在考慮地區(qū)電網(wǎng)受入電力Pin和外送電力Pout條件下,機(jī)組出力與負(fù)荷平衡關(guān)系如下:

設(shè)區(qū)域電網(wǎng)t時(shí)刻受入電力為Pin(t),外送電力為Pout(t),典型日峰值負(fù)荷和低谷負(fù)荷時(shí)發(fā)電電力滿足:

式中:t1為負(fù)荷峰值時(shí)刻。

式中:t2為負(fù)荷低谷時(shí)刻。

調(diào)峰盈余為

當(dāng)P盈余≥0時(shí),說明機(jī)組調(diào)峰能力能夠滿足調(diào)峰平衡要求。

當(dāng)P盈余≤0時(shí),說明機(jī)組調(diào)峰能力不能夠滿足調(diào)峰平衡要求,這時(shí)調(diào)峰就會(huì)出現(xiàn)困難,需要在一定程度上限制供電負(fù)荷。

3 基于多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰模型的區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)電接納能力評(píng)估方法

3.1 多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰模型[11-13]

研究電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行涉及因素較多,實(shí)際研究過程中比較復(fù)雜,對(duì)某些因素只能簡(jiǎn)化、抽象處理。對(duì)于發(fā)電成本、網(wǎng)損和安全穩(wěn)定約束3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的表述為

令F′r為minFr在約束條件下的優(yōu)越解,在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中由于在約束條件下,一般不可能全網(wǎng)發(fā)電成本最小、全網(wǎng)網(wǎng)損最小和全網(wǎng)安全系數(shù)最大同時(shí)達(dá)到目標(biāo)。所以電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰中期望找到滿足約束條件下得到目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)越解。

3.2 基于調(diào)峰盈余的風(fēng)電接納能力

電網(wǎng)接納風(fēng)電能力受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷水平、聯(lián)絡(luò)線輸送能力、網(wǎng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組調(diào)峰能力以及系統(tǒng)備用容量的制約。本文主要考慮由于調(diào)峰平衡制約區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的分析原則。

a. 區(qū)域電網(wǎng)在典型日負(fù)荷方式下,負(fù)荷峰值時(shí)除留有正常的旋轉(zhuǎn)備用和負(fù)荷備用外,所有運(yùn)行機(jī)組均滿出力運(yùn)行。

b. 在保證不對(duì)火電和熱電機(jī)組開停機(jī)進(jìn)行調(diào)峰平衡方式下,負(fù)荷低谷時(shí),所有運(yùn)行機(jī)組調(diào)峰盈余決定電網(wǎng)風(fēng)電接納能力。即典型日峰值負(fù)荷時(shí)所有運(yùn)行機(jī)組調(diào)峰能力之和與發(fā)電負(fù)荷峰谷差的差值決定了風(fēng)電接納能力的大小。

考慮區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)所有風(fēng)電同時(shí)率為 α,所有風(fēng)電反調(diào)峰率為 β,所以考慮基于調(diào)峰平衡的風(fēng)電接納能力為

從以上的分析結(jié)果可以看出,影響風(fēng)電接納能力的因素較多,其中主要包括:機(jī)組調(diào)峰能力、負(fù)荷峰谷差、受電及外送潮流波動(dòng)、風(fēng)電同時(shí)率及風(fēng)電反調(diào)峰率等,對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力進(jìn)行分析需要綜合考慮以上各種因素。

4 基于接納能力的風(fēng)電受限情況估算

近幾年,風(fēng)電裝機(jī)容量發(fā)展速度呈現(xiàn)成倍增長(zhǎng)趨勢(shì),電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力受限因素較多,往往落后于風(fēng)電的裝機(jī)規(guī)劃,已經(jīng)出現(xiàn)局部電網(wǎng)風(fēng)電受限情況。本文將根據(jù)風(fēng)電接納能力及風(fēng)電場(chǎng)出力的概率區(qū)間分布,提出電網(wǎng)風(fēng)電受限電量的估算方法。

假定某一地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出力百分比對(duì)應(yīng)出力時(shí)間百分比的函數(shù)為t=f(η),其中 η為風(fēng)電場(chǎng)出力占風(fēng)電裝機(jī)百分比,t為風(fēng)電場(chǎng)該出力下持續(xù)時(shí)間占全年 (8 760 h)百分比。

以某一地區(qū)電網(wǎng)全年風(fēng)電場(chǎng)出力數(shù)據(jù)為例,函數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出力區(qū)間分布

假定2010年上述地區(qū)的風(fēng)電接納能力為Pwind,風(fēng)電裝機(jī)容量為M。全年風(fēng)電受限情況估算如式(11)所示:

式 (11)需滿足 η×M≥Pwind,W即為受限風(fēng)電電量估計(jì)值。

5 算例分析

本文以某地區(qū)電網(wǎng)為例,綜合考慮影響風(fēng)電接納能力的各種因素,應(yīng)用本文提出的風(fēng)電接納能力評(píng)估方法對(duì)遼寧電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力進(jìn)行評(píng)估。

假設(shè)某地區(qū)電網(wǎng)典型日最大負(fù)荷為17 180 MW,峰谷差為4 270 MW,聯(lián)絡(luò)線受入電力按照5 500 MW考慮,其它參數(shù)及電網(wǎng)安全制約以電網(wǎng)實(shí)際情況考慮。調(diào)峰平衡如表1所示。

表1 調(diào)峰平衡表 MW

從表1可以看出,該地區(qū)電網(wǎng)發(fā)電電力在13 972 MW條件下,所有運(yùn)行機(jī)組調(diào)峰能力之和為5 950 MW,發(fā)電電力峰谷差為4 889 MW,所以負(fù)荷低谷時(shí)系統(tǒng)調(diào)峰盈余為1 061 MW。在此假設(shè)所有風(fēng)電同時(shí)率為0.9,風(fēng)電的反調(diào)峰率為0.9,則由此對(duì)應(yīng)的遼寧電網(wǎng)典型年風(fēng)電接納能力為1 311 MW。

風(fēng)電同時(shí)率和反調(diào)峰率對(duì)風(fēng)電接納能力影響極大,但是區(qū)域內(nèi)風(fēng)電的同時(shí)率和反調(diào)峰特性往往又很難確定。所以對(duì)區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)電同時(shí)率和風(fēng)電反調(diào)峰特性值得深入研究。

根據(jù)求得的風(fēng)電接納能力值,應(yīng)用式 (11)估算該地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電受限情況,風(fēng)電場(chǎng)出力區(qū)間分布假設(shè)為圖1所示,在風(fēng)電裝機(jī)容量為2 000 MW前提下,風(fēng)電接納能力為1 311 MW,計(jì)算所得的風(fēng)電場(chǎng)受限電量為1.51億kWh,占總風(fēng)電發(fā)電量的1.64%。從計(jì)算結(jié)果可以看出,風(fēng)電場(chǎng)雖然裝機(jī)容量較大,但全年絕大多數(shù)時(shí)間處于低出力狀態(tài),所以目前可適當(dāng)限制風(fēng)電場(chǎng)出力來(lái)提高風(fēng)電接納能力。

6 結(jié)論

區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、機(jī)組調(diào)峰能力、負(fù)荷特性等多種因素制約。作為一個(gè)固定網(wǎng)架的電網(wǎng)所能接納風(fēng)電的容量是有限的,無(wú)限制的接入是不科學(xué)的。

為了科學(xué)評(píng)價(jià)電網(wǎng)所能接納的風(fēng)電容量,本文提出了一種基于經(jīng)濟(jì)調(diào)峰平衡的風(fēng)電接納能力評(píng)估方法。該方法考慮了電網(wǎng)負(fù)荷特性、機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、網(wǎng)損和網(wǎng)架制約等因素,建立了多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)函數(shù),以經(jīng)濟(jì)調(diào)峰平衡為最優(yōu)函數(shù),通過電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)峰的調(diào)峰盈余來(lái)評(píng)估電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力。

本文根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出力的區(qū)間概率分布,提出一種風(fēng)電場(chǎng)出力可能受限電量的估算方法,由此來(lái)估算在電網(wǎng)接納能力不足的情況下,風(fēng)電出力可能受限情況。

影響電網(wǎng)接納風(fēng)電的因素很多不易確定,而且隨著影響因素的變化接納能力也不斷變化。應(yīng)用本文的評(píng)估方法可以定量提出風(fēng)電接納極限的參考依據(jù),從理論上是科學(xué)、有效的。

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