基于多目標經濟調峰模型的區域電網風電接納能力評估方法研究

張明理,李青春,張 楠

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

隨著我國政府對開發利用可再生能源的高度重視及 《可再生能源法》的頒布實施,包括風力發電、生物質能發電、太陽能光伏發電在內的可再生能源發電在近幾年得到了較快的發展。其中,風力發電技術是最成熟、最具規模化開發和商業化發展的能源發電方式之一,其發展速度居于各種可再生能源之首。截至2009年底,全國風電場累計裝機已達到2 600萬kW,居世界第二位;到2015年,全國風電開發建設規模有望達到15 000萬kW。在江蘇沿海和 “三北”風能資源豐富地區建成10多個百萬kW級風電基地和7個千萬 kW級風電基地,形成若干個 “風電三峽”,風電在局部地區電力供應中達到較高比例。

電網能夠承受的風電裝機容量[1-5]與所在電網的系統規模、電源結構和布局、負荷特性等密切相關。風電大規模發展后,必然要參與系統電力平衡,由此將帶來調峰問題,若系統無足夠的調峰容量,將必然導致風電出力受到限制。當大規模風電同時率較高時,風電出力的變化將對電網造成很大沖擊,系統需要留有足夠的備用容量來平衡風電的波動,以確保電網的安全穩定運行。因此,對于網架結構、電源結構固定的區域電網,風電的接納能力是有一定極限的,盲目接入風電是不科學的。

本文基于電網多目標調峰模型提出一種新的區域電網風電接納能力的評估方法。根據該方法可以針對省級區域電網的風電接納能力進行評估,評估結果可以為風電規劃容量提供科學的參考依據。

1 多目標經濟調峰模型的確定

1.1 機組類型及參與調峰能力

a. 火電機組在我國電網中裝機容量最多,通過調整機組出力參與電網調峰。一般參與程度為裝機容量的30% 50%。

b. 熱電機組在我國北部電網裝機容量較多,冬季依據 “以熱定電”原則,參與調峰容量較小。一般參與調峰容量為10%左右。

c. 水電機組在夏季豐水期時,水電機組主要參與電網的基荷平衡,一般不參與調峰;枯水期水電機組僅在負荷峰值時參與調峰,最大可以達到100%參與調峰。

d. 核電機組單機容量較大,在電網運行中主要參與基荷平衡,一般不參與調峰平衡。

e. 抽水蓄能電站主要參與電網調峰平衡,參與程度達到200%。

f. 風電機組出力隨機性較大,可控性較差,完全受風能變化的影響,在電網調峰中主要按照反調峰考慮。

1.2 發電成本目標函數

電網經濟調峰研究[6、10]的主要內容之一是考慮機組間的經濟運行。設一電網n臺機組t時刻向總供電負荷為PL.sum(t)的電網供電,電網平均網損率為 ρloss,平均廠用電率為 ρgen,第 i(1≤i≤n)個發電廠t時刻發電功率為Pi(t),其相應的發電費用為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時刻全網發電費用最小。即:

式中:Fcost(p)為發電成本目標函數,式 (1)滿足不等式約束:

式中:Pmax為機組最大出力,Pmin為機組最小出力。

系統負荷平衡約束:

式中:PG.sum(t)為t時刻對應的發電電力。

1.3 電網的網損約束

在考慮機組經濟運行的同時要考慮電網的網損,如A、B兩個電廠假設裝機容量、機組性能、耗量特性等均相同,但由于在電網中所處的位置不同,對電網的網損引起的變化就會有所不同。因此單獨考慮機組或電廠的經濟性并不能代表電網經濟運行。考慮機組或電廠經濟運行的同時,必須考慮使網損盡可能小,即:

式中:Floss(p)為網損目標函數;Floss(pi(t))為i電廠t時刻出力變化對應的網損電力的函數表達式。

1.4 電網的安全穩定約束

電網的安全穩定問題包括:嚴重故障方式下的暫態穩定、輕微故障的小干擾穩定、潮流的熱穩定等。為保證電網的安全穩定運行,調度部門根據電網存在的具體問題提出限制機組出力、電網受入或送出功率大小等技術措施,在考慮機組或電廠經濟運行的同時,必須考慮全網安全風險系數盡可能小,即:

式中:Fse(p)為安全風險系數目標函數;Fse(pi(t))為i電廠t時刻出力變化對電網安全風險的影響系數函數。

2 經濟調峰平衡分析

在考慮以上經濟目標函數和約束條件的同時,電網調峰平衡還應考慮機組調峰深度、機組爬坡能力、區域電網備用容量和受入送出電力等因素。本文僅對調峰過程進行簡要說明。

假設電網運行的典型日最大供電負荷為PL.max,最小供電負荷為PL.min,根據式 (3)對應的最大發電電力為PG.max,最小發電電力為PG.min,在滿足式 (1)的條件下,有n臺機組向電網供電,在典型日負荷峰值時,經濟調峰平衡應滿足式 (6):

式中:P備用為電網中的負荷備用和旋轉備用之和,其中負荷備用占總負荷的3% 5%;旋轉備用一般不小于電網中的單機最大容量;Pi.max為第i臺機組的最大出力。

在典型日峰值負荷滿足式 (6)同時,負荷低谷時應滿足式 (7)要求。

式中:λi為第i臺機組參與調峰的比例,一般根據機組類型不同各不相同,火電機組最大達到0.6,水電機組最大達到1。

在考慮地區電網受入電力Pin和外送電力Pout條件下,機組出力與負荷平衡關系如下:

設區域電網t時刻受入電力為Pin(t),外送電力為Pout(t),典型日峰值負荷和低谷負荷時發電電力滿足:

式中:t1為負荷峰值時刻。

式中:t2為負荷低谷時刻。

調峰盈余為

當P盈余≥0時,說明機組調峰能力能夠滿足調峰平衡要求。

當P盈余≤0時,說明機組調峰能力不能夠滿足調峰平衡要求,這時調峰就會出現困難,需要在一定程度上限制供電負荷。

3 基于多目標經濟調峰模型的區域電網風電接納能力評估方法

3.1 多目標經濟調峰模型[11-13]

研究電網經濟運行涉及因素較多,實際研究過程中比較復雜,對某些因素只能簡化、抽象處理。對于發電成本、網損和安全穩定約束3個目標函數的表述為

令F′r為minFr在約束條件下的優越解,在電網實際運行過程中由于在約束條件下,一般不可能全網發電成本最小、全網網損最小和全網安全系數最大同時達到目標。所以電網經濟調峰中期望找到滿足約束條件下得到目標函數的優越解。

3.2 基于調峰盈余的風電接納能力

電網接納風電能力受電網結構、負荷水平、聯絡線輸送能力、網內常規機組調峰能力以及系統備用容量的制約。本文主要考慮由于調峰平衡制約區域電網風電接納能力的分析原則。

a. 區域電網在典型日負荷方式下,負荷峰值時除留有正常的旋轉備用和負荷備用外,所有運行機組均滿出力運行。

b. 在保證不對火電和熱電機組開停機進行調峰平衡方式下,負荷低谷時,所有運行機組調峰盈余決定電網風電接納能力。即典型日峰值負荷時所有運行機組調峰能力之和與發電負荷峰谷差的差值決定了風電接納能力的大小。

考慮區域電網內所有風電同時率為 α,所有風電反調峰率為 β,所以考慮基于調峰平衡的風電接納能力為

從以上的分析結果可以看出,影響風電接納能力的因素較多,其中主要包括:機組調峰能力、負荷峰谷差、受電及外送潮流波動、風電同時率及風電反調峰率等,對區域電網的風電接納能力進行分析需要綜合考慮以上各種因素。

4 基于接納能力的風電受限情況估算

近幾年,風電裝機容量發展速度呈現成倍增長趨勢,電網的風電接納能力受限因素較多,往往落后于風電的裝機規劃,已經出現局部電網風電受限情況。本文將根據風電接納能力及風電場出力的概率區間分布,提出電網風電受限電量的估算方法。

假定某一地區風電場出力百分比對應出力時間百分比的函數為t=f(η),其中 η為風電場出力占風電裝機百分比,t為風電場該出力下持續時間占全年 (8 760 h)百分比。

以某一地區電網全年風電場出力數據為例,函數曲線如圖1所示。

圖1 某地區風電場出力區間分布

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

式 (11)需滿足 η×M≥Pwind,W即為受限風電電量估計值。

5 算例分析

本文以某地區電網為例,綜合考慮影響風電接納能力的各種因素,應用本文提出的風電接納能力評估方法對遼寧電網的風電接納能力進行評估。

假設某地區電網典型日最大負荷為17 180 MW,峰谷差為4 270 MW,聯絡線受入電力按照5 500 MW考慮,其它參數及電網安全制約以電網實際情況考慮。調峰平衡如表1所示。

表1 調峰平衡表 MW

從表1可以看出,該地區電網發電電力在13 972 MW條件下,所有運行機組調峰能力之和為5 950 MW,發電電力峰谷差為4 889 MW,所以負荷低谷時系統調峰盈余為1 061 MW。在此假設所有風電同時率為0.9,風電的反調峰率為0.9,則由此對應的遼寧電網典型年風電接納能力為1 311 MW。

風電同時率和反調峰率對風電接納能力影響極大,但是區域內風電的同時率和反調峰特性往往又很難確定。所以對區域電網風電同時率和風電反調峰特性值得深入研究。

根據求得的風電接納能力值,應用式 (11)估算該地區電網風電受限情況,風電場出力區間分布假設為圖1所示,在風電裝機容量為2 000 MW前提下,風電接納能力為1 311 MW,計算所得的風電場受限電量為1.51億kWh,占總風電發電量的1.64%。從計算結果可以看出,風電場雖然裝機容量較大,但全年絕大多數時間處于低出力狀態,所以目前可適當限制風電場出力來提高風電接納能力。

6 結論

區域電網的風電接納能力受網架結構、機組調峰能力、負荷特性等多種因素制約。作為一個固定網架的電網所能接納風電的容量是有限的,無限制的接入是不科學的。

為了科學評價電網所能接納的風電容量,本文提出了一種基于經濟調峰平衡的風電接納能力評估方法。該方法考慮了電網負荷特性、機組經濟運行、網損和網架制約等因素,建立了多目標經濟函數,以經濟調峰平衡為最優函數,通過電網經濟調峰的調峰盈余來評估電網的風電接納能力。

本文根據風電場出力的區間概率分布,提出一種風電場出力可能受限電量的估算方法,由此來估算在電網接納能力不足的情況下,風電出力可能受限情況。

影響電網接納風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。應用本文的評估方法可以定量提出風電接納極限的參考依據,從理論上是科學、有效的。

[1] 張少華,言茂松.調峰電源的系統規劃與評價 [J].電網技術,1995,19(4):11-14.

[2] 高志華,任 震.基于市場平衡度的調峰力分析 [J].電力系統及其自動化學報,1995,19(4):74-77.

[3] 白宏坤.節能發電調度下河南省電源調峰運行狀況研究[J].華中電力,2008,(2):42-45.

[4] 楊 濱.黑龍江電網調峰問題的對策和建議 [J].黑龍江電力,2008,(1):1-4.

[5] 王金文,范習輝.大規模水電系統短期調峰電量最大模型及其求解 [J].電力系統自動化,2003,27(15):29-33.

[6] Yu Z.Sparrow F T.Bowen B H.A New Lang-term Production Scheduling Method for Maximizing the Profit of lydroelectric Systems[J].IEEE Trans on Power Systems,1998,13(1):66-71.

[7] Wu Y G,Ho C Y,Wang D Y.A Diploid Genetic Approach to Short-term Scheduling fH ydro-thermalSystem[J].IEEE TransonPower Systems,2000,15(4):1268-1274.

[8] Yeh W W G.Reservoir Management and Operation Models:AStare of the ArtReview [J],WaterResourcesResearch.1985,21(12):1797-1818.

[9] 王金文,石 琦,伍永剛,等.水電系統長期發電優化調度模型及其求解 [J].電力系統自動化,2002,26(24):22-25.

[10] 李宇明,王殿福.電網經濟調峰的多目標模糊優化模型[J].華北電力大學學報.2002,(5):100-104.