不同電力系統(tǒng)調度模式的風電消納能力分析

張 津，盧錦玲，周松浩

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

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不同電力系統(tǒng)調度模式的風電消納能力分析

張 津，盧錦玲，周松浩

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

電力系統(tǒng)風電消納能力分析是破解風電消納難題，促進風電健康發(fā)展的重要途徑。從電力系統(tǒng)調度運行角度出發(fā)，考慮風電裝機容量不斷提高的趨勢，在不同風電接入水平下對傳統(tǒng)經(jīng)濟調度、環(huán)境經(jīng)濟調度和棄風量最小調度三種調度模式的風電消納情況進行仿真，從風電消納量和風電利用率兩個方面對風電消納能力進行分析，對比不同調度模式對電力系統(tǒng)風電消納能力的影響，輔助風電并網(wǎng)的調度運行和決策；在此基礎上，提出一種在不同調度模式下確定風電合理接入水平的方法，為消納能力分析提供補充，為風電發(fā)展規(guī)劃提供參考。

風電；接入水平；調度模式；消納能力

0 引言

風電作為一種可再生能源，其技術開發(fā)和商業(yè)應用近些年保持著高速發(fā)展的態(tài)勢。目前已經(jīng)成為世界上風電裝機容量最大，增速最快的國家。與此同時，風電消納情況卻不容樂觀：2015年，棄風電量創(chuàng)下史上新高，達到339億kW·h，甘肅省的棄風率甚至接近了39%[1]。風電消納問題已經(jīng)成為制約風電健康發(fā)展的最大障礙[2,3]。

現(xiàn)有關于風電消納能力的研究中，部分學者從風電的調度和消納模型角度進行研究[4,5]；另有大部分學者從調峰、備用等制約風電消納的單一因素[6,7]出發(fā)對系統(tǒng)可接納的風電量進行分析，或者對極端情況下的系統(tǒng)的理論消納能力進行評估計算[8,9]，這些研究的立足點和分析指標較為單一，且少有涉及不同調度模式對系統(tǒng)風電消納能力的影響，也沒有考慮風電裝機容量持續(xù)提高過程中風電消納能力研究可能產(chǎn)生的變化。

本文從電力系統(tǒng)運行實際出發(fā)，針對常規(guī)電源結構和負荷既定的系統(tǒng)，以傳統(tǒng)經(jīng)濟調度、環(huán)境經(jīng)濟調度和棄風量最小調度三種調度模式為例，模擬風電接入水平不斷提高的過程，對系統(tǒng)風電消納情況進行仿真研究，利用風電消納量和風電利用率同時對不同調度模式的風電消納能力進行對比分析，為風電并網(wǎng)的調度運行和決策提供參考；在此基礎上，考慮風電消納量與風電利用率的關系，提出一種確定風電合理接入水平的方法，為風電的建設規(guī)劃提供參考，同時作為消納能力分析的有效補充。

1 風電消納受限與電力系統(tǒng)調度

風電是一種不確定的電源，其出力具有間歇性、波動性和反調峰特性，將其看作一個負的負荷和實際負荷相疊加，得到風電接入后電力系統(tǒng)的等效負荷，其峰谷差及峰谷差率將發(fā)生變化。如圖1所示，以某西北省份為例，風電接入后等效負荷的峰谷差和峰谷差率明顯增大，經(jīng)統(tǒng)計，2010年該省份風電使負荷日峰谷差變大的天數(shù)為263天，概率約為72%，可見風電的接入明顯加大了系統(tǒng)調峰的難度。

目前風力發(fā)電規(guī)模化開發(fā)集中在“三北”地區(qū)，也是風電消納矛盾最突出的地區(qū)。這些地區(qū)電源結構長期以火電機組為主，缺少抽水蓄能電站等優(yōu)質調峰電源，因此火電機組既是電量提供主體也是調峰容量提供主體。而火電機組受鍋爐、汽輪機最小技術出力等條件的制約，調整范圍較小，而鍋爐、汽輪機等設備受交變應力的限制，調整速度較慢[11]。因此，在不考慮聯(lián)絡線參與調峰的情況下，風電接入后電力系統(tǒng)可接納的風電功率很大程度受限于常規(guī)電源出力的調節(jié)能力，即常規(guī)電源的調峰能力[12]。

圖1 等效負荷峰谷差變化

對于常規(guī)電源結構既定的電力系統(tǒng)，系統(tǒng)中火電機組的調峰性能也是既定的，難以通過其提高風電消納能力；而風電并網(wǎng)后，調度模式?jīng)Q定了常規(guī)機組的啟停方案、風火機組的機組組合和出力計劃，這些因素共同體現(xiàn)了風電和常規(guī)機組的協(xié)調控制水平，對系統(tǒng)調峰和風電消納有重要影響。因此，研究不同調度模式的風電消納能力，是對風電并網(wǎng)后調度模式進行評估決策、挖掘風電消納空間、促進風電消納的有效途徑。

2 基于風電預測的調度模式

常規(guī)的電力調度以負荷預測和機組出力可控為前提，風電接入后，其無法像常規(guī)電源一樣準確的制定和執(zhí)行發(fā)電計劃，因此常規(guī)電力系統(tǒng)調度模型無法適應風電并網(wǎng)的需求。

目前解決解決風電不確定性問題最有效最經(jīng)濟的做法就是對風電的出力進行預測，把“未知”的電源出力變?yōu)椤盎疽阎保ㄟ^超前把握風電功率變化趨勢來優(yōu)化安排機組組合。目前并網(wǎng)的風電站都已經(jīng)根據(jù)要求[13,14]開展了風電功率預測預報工作，風電場上報風電功率的預測曲線，調度機構將預測值納入調度模型，和常規(guī)機組協(xié)同編制發(fā)電計劃。

本文以傳統(tǒng)經(jīng)濟調度、環(huán)境經(jīng)濟調度和棄風量最小調度三種典型的調度模式為例，對基于風電預測的電力系統(tǒng)調度模型進行介紹。

2.1 目標函數(shù)

(1)傳統(tǒng)經(jīng)濟調度。以燃煤經(jīng)濟性為目標，綜合考慮火電機組的運行煤耗成本和啟停成本，不優(yōu)先考慮風電并網(wǎng)，目標函數(shù)如下：

(1)

(2)

式中：N為常規(guī)機組數(shù)；T為調度時段；Pi(t)為常規(guī)機組i在t時段的發(fā)電功率；Fi為常規(guī)機組運行煤耗成本，$/h；其中ai，bi，ci為機組耗量特性系數(shù)；Si(t)為t時段機組i的啟停成本。

(2)環(huán)境經(jīng)濟調度。通過體現(xiàn)風電并網(wǎng)的環(huán)境效益支持風電上網(wǎng)，將常規(guī)機組大氣污染物排放成本考慮到目標函數(shù)中，構成環(huán)境經(jīng)濟調度：

(3)

(4)

式中：fi為機組的污染物排放量；αi，βi，γi，ζi，λi為機組i的排污系數(shù)；Ke為單位污染物排放價格，$/MW。

(3)棄風量最小調度。根據(jù)促進風電消納，確保清潔能源優(yōu)先上網(wǎng)的要求，以棄風量最小為目標接納電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)符合并網(wǎng)技術標準的風電電量，目標函數(shù)如下：

(5)

2.2 約束條件

(1)功率平衡約束。

(6)

式中：PL(t)為t時段的負荷功率。

(7)

(8)

(3)正、負旋轉備用約束。風電的預測精度遠不及負荷預測，需要考慮預測誤差對系統(tǒng)備用容量的需求：正旋轉備用中要考慮風電實際出力小于預測值的情況；負旋轉備用要考慮風電實際出力可能大于預測值，而不超過風電機組額定功率的情況。

(9)

(10)

式中：機組i在t時刻所能達到的出力上下限分別為pi,max(t)，pi,min(t)；L%為系統(tǒng)總負荷對正、負備用的需求系數(shù)；Pw(t)是t時刻風電場實際出力之和；PWN為系統(tǒng)中所有風電場裝機容量之和；us%、ds%是風電預測誤差對正、負備用的需求系數(shù)。

(4)常規(guī)機組爬坡速率約束。

(11)

uri、dri分別為機組i的上升和下降爬坡速率，T60表示60 min一個調度時段。

(5)常規(guī)機組啟停時間約束

(12)

式中：Tui和Tdi分別為機組i的最小連續(xù)開機時間和最小連續(xù)停機時間；Ti(t)表示機組i在t時段的連續(xù)啟停機時間，正值表示連續(xù)開機時間，負值表示連續(xù)停機時間。

3 風電消納能力分析

3.1 分析指標

目前關于風電消納能力，尚無明確的定義或通行的分析方法，僅有棄風率這一指標被廣泛用以消納能力的評價。顯然，單一指標分析局限性強，無法充分反映電力系統(tǒng)消納風電的情況。

本文以風電穿透率作為風電接入水平的指標，提出絕對指標和相對指標相結合，從風電消納量和風電利用率兩個角度分析風電的消納能力。

(1)風電穿透率R。風電穿透率是反映風電接入水平的最常用指標，數(shù)值上等于風電額定裝機容量/系統(tǒng)峰值負荷。

(13)

(2)風電消納量W。風電消納量即調度時段內(nèi)風電的實際上網(wǎng)電量。

(14)

(3)風電利用率η。針對棄風限電現(xiàn)象，有必要對風電的利用率進行分析，避免風能浪費和經(jīng)濟性問題。在數(shù)值上，風電利用率等于1-棄風率。

(15)

3.2 分析方法

針對常規(guī)電源結構和負荷既定的電力系統(tǒng)，基于第2節(jié)所述三種電力系統(tǒng)調度模型，對系統(tǒng)的日前調度計劃進行滾動仿真，采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)對模型進行求解，對系統(tǒng)日內(nèi)的風電消納量和風電利用率進行指標計算，作為消納能力分析的依據(jù)。

模擬風電接入水平不斷提高的過程，逐級增加風電裝機容量，提高系統(tǒng)風電穿透率并進行仿真和指標計算，繪制各消納指標隨風電接入水平提高的變化曲線，對風電接入水平提高過程中的風電消納能力進行研究分析。

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)概況

表1 常規(guī)機組排污系數(shù)

此時系統(tǒng)風電穿透率較低，約為12%，以此為基準成倍數(shù)提高風電場裝機容量(風電預測出力Pw*同比例增加)，對不同風電接入水平下三種調度模式的消納能力進行對比分析。

表2 預測負荷及風電場預測出力

4.2 結果分析

(1)風電消納量。如圖2所示，隨著風電接入水平的提高，系統(tǒng)的風電消納量逐步攀升。棄風量最小調度的攀升速度最快，當風電消納量達到15 650 MWh時不再增加，定義其為極限消納水平，對應的風電穿透率高達96%；環(huán)境經(jīng)濟調度和經(jīng)濟調度的極限消納水平同樣在15 650 MWh左右，但攀升速度過慢，未在圖中標識。

圖2 風電消納量

(2)風電利用率。如圖3所示，在風電接入水平較低時，系統(tǒng)具有全額消納風電的能力，風電利用率均接近100%；隨著風電接入水平的提高，風電利用率逐漸降低，棄風量最小調度降低速度最慢，環(huán)境經(jīng)濟調度次之，經(jīng)濟調度最次。不同調度模式間的差距先增大后減小。

圖3 風電利用率

4.3 風電合理接入水平的確定

由上節(jié)分析可知，風電接入水平提高過程中，風電消納量隨之增加，但風電利用率卻不斷降低。為避免風電的嚴重浪費，保證風電運行經(jīng)濟性，有必要在提高風電消納量的同時設置合理的風電接入水平，防止風電利用率過低，促進風電健康發(fā)展。

以棄風量最小調度為例，如圖4所示，風電利用率和風電消納量在同一橫坐標下隨著風電接入水平的變化而變化，且變化趨勢相反，必交于一點，該交點以左風電利用率提高但風電消納量降低，交點往右風電消納量增大但風電利用率降低，因此該交點對應的接入水平一定程度上可兼顧風電利用率和風電消納量，可參考作為合理接入水平。此時的風電穿透率為44%，風電消納量11 449.5 MWh，風電利用率77.9%，均較為理想。

圖4 風電合理接入水平的確定

以相同的方法對傳統(tǒng)經(jīng)濟調度和環(huán)境經(jīng)濟調度進行研究，結果匯總如表3。可見，棄風量最小調度達到合理接入水平所需的風電穿透率最低，且在合理接入水平下風電消納量最大，風電利用率最高；傳統(tǒng)經(jīng)濟調度的風電消納量和風電利用率均不理想。

表3 不同調度模式的風電合理接入水平

5 結論

(1)對于常規(guī)電源結構和負荷既定的電力系統(tǒng)，風電消納量不會隨著風電接入水平的提高而無限增長，電力系統(tǒng)能夠消納的最大風電量一定，且不受調度模式的影響。

(2)風電接入水平較低時，電力系統(tǒng)在各調度模式下均具有全額消納風電的能力；但隨著風電接入水平的提高，電力系統(tǒng)的風電消納能力在不同調度模型下出現(xiàn)分化：在本文列舉的調度模型中，棄風量最小調度的風電消納量最大，同時風電利用率也最高，環(huán)境經(jīng)濟調度次之，經(jīng)濟調度最次。可見調度模式直接影響電力系統(tǒng)的風電消納能力，本文構建的指標和分析方法可以為調度模型的制定和優(yōu)選提供參考。

(3)風電接入水平的提高可以催生更多的風電消納量，但風電機組需要通過必要棄風[9]、降低風電利用率來挖掘更大的消納空間。因此，片面追求風電消納量最大化有可能造成風電利用率過低，風力資源嚴重浪費，引發(fā)經(jīng)濟性問題，對此本文提出了一種確定風電合理接入水平的方法，為風電的發(fā)展規(guī)劃提供參考。結果顯示，不同調度模式的合理接入水平不一，其中棄風量最小調度以最小的風電穿透率達到合理接入水平，且風電消納量和利用率均最為理想，與消納能力分析的結果一致。

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ZHANG Jin，LU Jinling，ZHOU Songhao (School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University，Baoding 071003， China)

Analysis of Wind Power Accommodation Ability of Different Power System Dispatching Modes

As the key to solve the problem of wind power accommodation, analysis of wind power accommodation ability is of great importance to promote its development. From the perspective of power system scheduling and operation and taking the increasing trend of wind power installed capacity into consideration, three different dispatch modes, known as wind power accommodation ability of conventional economic dispatch, minimizing wind power curtailment dispatch and environmental economic dispatch, are simulated under different penetration levels of wind power. The utilization rate and accommodation capacity of the wind power are proposed to analyze the wind power accommodation ability. By comparing the influence of different dispatching modes on the wind power accommodation ability, the obtained results are used for power system dispatch operation and decision-making in an auxiliary way. Besides, a method based on the above analysis is proposed to determine a reasonable integration level of wind power for the wind power development planning and wind power accommodation analysis. Finally, ten-unit test system with wind farm is taken as an instance to validate the analysis.

wind power; integration level; dispatching modes; accommodation ability

2016-05-05。

國家電網(wǎng)公司科技項目(NY71-14-038)。

張津(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行、分析與控制，E-mail：jinzh_milan@live.com。

TM732

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.003