風(fēng)電棄風(fēng)電量的計算方法與模型

謝國輝，李瓊慧，高長征

（1．國網(wǎng)能源研究院，北京 100052；2.吉林省電力科學(xué)研究院，吉林長春 130021）

我國將在“三北（華北、東北、西北）”地區(qū)和東部沿海地區(qū)規(guī)劃建設(shè)8個千萬千瓦級的風(fēng)電基地，預(yù)計到2020年風(fēng)電裝機將達到2億千瓦，年均增速高達20%左右。未來，我國風(fēng)電將呈現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展態(tài)勢[1-2]。目前我國局部地區(qū)由于電源結(jié)構(gòu)不合理出現(xiàn)的調(diào)峰能力不足、以及跨區(qū)電網(wǎng)核準(zhǔn)與建設(shè)滯后導(dǎo)致的風(fēng)電送出受限等情況時有發(fā)生，風(fēng)電棄風(fēng)限電已成為社會普遍關(guān)注的焦點和電網(wǎng)規(guī)劃與調(diào)度運行迫切需要解決的重大問題。

棄風(fēng)電量計算是做好風(fēng)電和電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是制定風(fēng)電棄風(fēng)原則和規(guī)范的重要依據(jù)。目前關(guān)于棄風(fēng)電量計算方法和模型的研究報道較少，大部分研究在電網(wǎng)接納風(fēng)電能力和電網(wǎng)調(diào)度模型風(fēng)電穿透功率中考慮了棄風(fēng)問題，例如文獻[3]分析了風(fēng)電棄風(fēng)的主要因素；文獻[4-6]分析了風(fēng)電出力波動特性，基于電網(wǎng)調(diào)峰能力，提出并建立了計及風(fēng)電接納能力的電網(wǎng)調(diào)度模型，研究了電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力；文獻[7]考慮了風(fēng)電棄風(fēng)因素，建立了發(fā)電機組檢修計劃優(yōu)化決策模型；文獻[8]分析了風(fēng)電送出受限導(dǎo)致棄風(fēng)的原因，提出了考慮約束的風(fēng)電調(diào)度模式，研究具體的調(diào)度原則和實施細則。

由于風(fēng)電棄風(fēng)與電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負荷特性、風(fēng)電出力特性、火電調(diào)峰能力、以及風(fēng)電消納范圍等因素密切相關(guān)[9]。為準(zhǔn)確計算風(fēng)電棄風(fēng)電量，應(yīng)從調(diào)度運行層面上，考慮各種影響因素，逐點計算每個小時的風(fēng)電電力電量平衡情況。因此，本文提出了計算棄風(fēng)電量的逐小時計算方法，并建立了棄風(fēng)電量的計算模型。以我國某風(fēng)電大省為實際案例，應(yīng)用模型定量計算2011年該省在接入不同風(fēng)電容量下的棄風(fēng)電量比例。

1 基于逐小時平衡的棄風(fēng)電量計算方法

本文提出基于逐小時電力平衡的風(fēng)電棄風(fēng)電量計算方法。該方法根據(jù)每個時段風(fēng)電最大出力和其他電源最小技術(shù)出力情況，確定風(fēng)電每個時段的棄風(fēng)功率和電量。如圖1所示。

圖1 基于逐小時平衡的棄風(fēng)電量計算方法Fig.1 Calculation method of wind power curtailment based on hour by hour power balance

如圖1所示，其他電源最小技術(shù)出力、不可調(diào)節(jié)出力與風(fēng)電最大可能出力疊加之后形成發(fā)電總出力曲線。該曲線超出負荷疊加外送需求的部分即為風(fēng)電棄風(fēng)功率，具體計算公式如下：

式中，Pw，i，tmax、Pw，i，t和Pw，i，tcurtail分別為風(fēng)電場i在t時段可能的最大發(fā)電出力、風(fēng)電實際出力和風(fēng)電棄風(fēng)功率。棄風(fēng)功率為每個時段風(fēng)電最大可能出力與風(fēng)電每個時段實際出力的差值。每個時段棄風(fēng)電量和風(fēng)電發(fā)電量累加形成T時段內(nèi)風(fēng)電棄風(fēng)電量和風(fēng)電發(fā)電量的總和。ηw，i，curtail為棄風(fēng)電量比例，是T時段內(nèi)棄風(fēng)電量與風(fēng)電發(fā)電量的比值。

其中，該方法關(guān)鍵問題是如何確定風(fēng)電每個時段的最大可能出力。首先根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測給出不同地區(qū)風(fēng)電出力曲線形狀，如圖2所示；然后根據(jù)風(fēng)電不同裝機容量和預(yù)計年發(fā)電利用小時數(shù)修正曲線，從而獲得計算水平年的風(fēng)電場每個時段的發(fā)電出力上限。

圖2 風(fēng)電場出力曲線形狀示意Fig.2 The curve of wind farm output

步驟一：獲得不同地區(qū)風(fēng)電場出力曲線形狀。由于不同地區(qū)風(fēng)資源條件不同，風(fēng)電場小時級的出力曲線存在較大差異。因此，需要針對不同地區(qū)的風(fēng)況，獲得不同地區(qū)風(fēng)電場出力曲線形狀。該曲線形狀由風(fēng)電功率預(yù)測方法計算給出。

步驟二：根據(jù)風(fēng)電裝機規(guī)模和預(yù)計發(fā)電利用小時修正上述曲線，獲得未來計算時間段內(nèi)風(fēng)電最大出力曲線。具體公式如下：

式中，Pw，i，tmax是風(fēng)電場i裝機容量；Pw，i，tori是風(fēng)電場i在出力形狀曲線；λ是風(fēng)電場i預(yù)計的年發(fā)電利用小時數(shù)。

2 風(fēng)電逐小時發(fā)電出力計算模型

2.1 建模思想

由于風(fēng)電逐小時發(fā)電出力與電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負荷特性、風(fēng)電出力特性、火電調(diào)峰能力及風(fēng)電外送需求等因素密切相關(guān)，并且受季節(jié)特性影響。因此，本文綜合考慮影響風(fēng)電出力的各種因素，涵蓋風(fēng)電出力曲線、供熱機組不同季節(jié)的調(diào)峰容量、水電站入庫流量等因素的季節(jié)特性，建立風(fēng)電在每個時段出力的計算模型。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)運行成本最低為目標(biāo)。結(jié)合我國實際電源結(jié)構(gòu)的情況，考慮火電機組、水電站和風(fēng)電場總運行成本最低為目標(biāo)。

式中，i為機組號，i=1，2，…，I，I為火電機組、水電站和風(fēng)電場的總數(shù)；t=1，2，…，T，T為時段數(shù)；n=1，2，…，N，N為電網(wǎng)分區(qū)數(shù)；F是系統(tǒng)運行成本，fg，c、fg，h和fg，w分別是火電機組、水電站和風(fēng)電場的運行成本；Pc，n，i，t、ac，n，i、Ph，n，i，t、bc，n，i和Pw，n，i，t、cc，n，i分別是位于n分區(qū)內(nèi)的火電、水電站和風(fēng)電場的發(fā)電出力和其單位發(fā)電出力的運行成本；Ui，t、Si為火電機組i在t時段運行狀態(tài)和的啟動費用。風(fēng)電場單位運行成本設(shè)置為零，保障風(fēng)電的優(yōu)先調(diào)度，最大限度減少棄風(fēng)電量。

2.3 約束條件

2.3.1 系統(tǒng)約束

1）電力平衡約束：

2）熱力平衡約束：

3）負荷備用約束：

4）輸電能力約束：

式中，Px，n，t和Px，n，tmax分別是x分區(qū)到n分區(qū)之間的傳輸電力和傳輸極限；Pz，n，t是分區(qū)n外送或外送電力。PD，n，t和RD，n，t是分區(qū)n在時段t的負荷和備用；Hc，n，i，t是分區(qū)n 內(nèi)機組i在時段t的供熱量；HD，n，t是分區(qū)n的熱需求。

1）機組功率約束：

2）最小啟停時間約束：

3）機組爬坡速度約束：

4）啟停變量約束：

5）必須運行機組約束：

6）背壓式供熱機組發(fā)電特性約束：

東北航線設(shè)定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波，北極—蘇伊士航線設(shè)定為摩爾曼斯克—蘇伊士運河—馬六甲海峽—寧波。

7）抽氣式機組發(fā)電特性約束：

2.3.3 風(fēng)電場出力約束

2.3.4 水電站約束

1）徑流式水電：

2）調(diào)節(jié)性能水電站：

式中，Ph，n，i，tgiv是給定的徑流式水電的發(fā)電出力；Vh，n，i，t+1是水電站i的t+1時段的庫容，Vc，n，i，min和Vc，n，i，max是庫容的上下限。H（Ph，n，i，t）是發(fā)電用水函數(shù)。

3 算例分析

以我國某區(qū)域電力系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)為算例，采用本文提出的棄風(fēng)電量計算方法和模型分析2011年該省接入不同規(guī)模風(fēng)電對應(yīng)的棄風(fēng)電量和棄風(fēng)比例。該省風(fēng)能資源豐富，風(fēng)資源主要分布在西部地區(qū)和東部地區(qū)。

3.1 算例描述

該省按實際供電區(qū)域共分為8個，分區(qū)之間存在電氣聯(lián)系，如圖3所示。2011年該省將有41臺抽凝式供熱機組，總?cè)萘窟_到9 360 MW。6臺純凝火電機組，總?cè)萘窟_到3 060 MW；具有多年調(diào)節(jié)性能水電站，總?cè)萘窟_到1 000 MW，分布在C和H地區(qū)，主要參與整個區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰；風(fēng)電主要分布在A和E地區(qū)，B和C區(qū)是主要負荷中心。E為省間外送地區(qū)。

圖3 該省級電網(wǎng)拓撲示意圖Fig.3 The topography of the province’s grid

風(fēng)電根據(jù)該省風(fēng)資源狀況以及實際運行情況，規(guī)劃水平年預(yù)計的年發(fā)電利用小時數(shù)取為2 000 h?；痣姍C組裝機容量、水電分月入庫流量等參數(shù)見表1-表3。

各分區(qū)8 760 h級的負荷、熱量需求、外送的交換功率根據(jù)2010年實際數(shù)據(jù)并考慮一定增長率確定。分區(qū)之間輸電容量約束見附表。由于模型（2）是典型的線性混合整數(shù)規(guī)劃模型，本文采用成熟的商業(yè)軟件CPLEX求解器計算。

表1 各類型機組參數(shù)Tab.1 Parameters of all kinds of units

表2 分區(qū)之間輸電極限Tab.2 Transmission constrain between regions

3.2 計算結(jié)果

在上述邊界條件下，模擬分析該省級電網(wǎng)接入不同規(guī)模風(fēng)電容量后棄風(fēng)電力和棄風(fēng)比例，計算結(jié)果如表4所示。

隨著接入風(fēng)電規(guī)模不斷提高，棄風(fēng)電量和棄風(fēng)比例明顯上升，而風(fēng)電利用水平則不斷提高。當(dāng)風(fēng)電接入風(fēng)電規(guī)模僅為500 MW時，棄風(fēng)比例最小，當(dāng)風(fēng)電接入達到3 000 MW時，棄風(fēng)比例達到13.54%。

表3 分月入庫流量Tab.3 Monthly inflows

表4 不同接入規(guī)模風(fēng)電與棄風(fēng)比例的關(guān)系Tab.4 Relationship between wind power capacity and curtailment MW，MWh

圖4 接入不同規(guī)模風(fēng)電棄風(fēng)比例情況Fig.4 Share of wind power curtailment under various integration scales

3.3 棄風(fēng)主要原因分析

以接入2 400 MW風(fēng)電為例，分析棄風(fēng)主要原因。圖5顯示風(fēng)電在全年8 760 h內(nèi)的棄風(fēng)功率分布。

圖5 風(fēng)電場實際出力和棄風(fēng)功率Fig.5 Actual output and curtailment of wind power

圖6 A地區(qū)風(fēng)電棄風(fēng)時段分布情況Fig.6 Periods of wind power curtailment in area A

如圖5所示，風(fēng)電棄風(fēng)多數(shù)發(fā)生在冬季、春季的供熱期間。由于風(fēng)電冬、春兩季多發(fā)，并且需要保障供熱，供熱火電機組缺乏足夠的調(diào)峰容量，導(dǎo)致風(fēng)電棄風(fēng)。如下圖6表示A地區(qū)風(fēng)電在2011年2月第一周內(nèi)的棄風(fēng)分布情況?？芍?，由于主要受到供熱機組調(diào)峰容量制約，區(qū)內(nèi)火電調(diào)峰容量已降低至裝機容量的65%，區(qū)內(nèi)負荷疊加外送需求后，部分時段擠占風(fēng)電消納空間。因此，火電調(diào)峰容量不足以及風(fēng)電出力特性是引起風(fēng)電棄風(fēng)的主要原因之一。

此外，風(fēng)電外送聯(lián)絡(luò)線輸電能力不足也是引起風(fēng)電棄風(fēng)的另一主要原因。如圖7所示，A地區(qū)外送聯(lián)絡(luò)線輸電容量約束為900 MW，在冬、春兩季內(nèi)部分時段A區(qū)外送潮流達到上限，從而這些時段風(fēng)電無法送出，導(dǎo)致A區(qū)風(fēng)電棄風(fēng)。

圖7 A地區(qū)全年外送潮流受限情況Fig.7 Power flow constrains in area A

3.4 敏感性分析

如下做敏感性分析，模擬分析全網(wǎng)火電機組調(diào)峰容量提高5%情況下，接入不同規(guī)模風(fēng)電與其棄風(fēng)比例的對應(yīng)關(guān)系。

由表5可知，由于提高供熱機組的調(diào)峰容量，減少了棄風(fēng)，提高了風(fēng)電利用水平。接入2 400 MW風(fēng)電，棄風(fēng)比例相對下降了3.3%，發(fā)電量占用電量比例則提高了0.29%。

表5 不同接入規(guī)模風(fēng)電與棄風(fēng)比例的關(guān)系Tab.5 Relationship between wind power capacity and curtailment MW，MWh

4 結(jié)語

本文提出了逐點電力平衡的風(fēng)電棄風(fēng)電量計算方法，建立了能夠量化影響棄風(fēng)各種因素的分析模型。算例分析表明：

1）本文提出的計算方法和模型能夠準(zhǔn)確分析接入不同規(guī)模風(fēng)電對應(yīng)的棄風(fēng)電量和比例；

2）隨著接入風(fēng)電規(guī)模提高，棄風(fēng)比例明顯上升，風(fēng)電利用水平則不斷提高；

3）火電調(diào)峰容量缺乏、風(fēng)電出力特性及風(fēng)電外送聯(lián)絡(luò)線輸電能力不足是引起風(fēng)電棄風(fēng)主要原因。

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