風電功率外送輸電容量規劃的經濟性研究

于志勇，宋新甫，張增強，辛超山，李海峰

(國網新疆電力有限公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

由于煤炭、石油、天然氣等礦物質燃料在利用過程中會排放出大量的CO2、SO2等影響環境的氣體，加之礦物燃料的日益短缺，使得能源供應與經濟發展的矛盾變得越來越突出[1]。調整能源結構，提高能源效率，是一項亟需解決的問題。開發和利用可再生能源為解決能源短缺與環境問題開辟了新的途徑，對改善能源結構、實現可持續發展具有重要的戰略意義。中國已將“可再生能源低成本的規模化開發利用”列入《國家中長期科技發展規劃》能源領域5個優先主題之一。風力發電是一種受風能驅動的電源，風速的隨機變化性與不確定性導致了風電的隨機性與不可預測性。風電接入系統之前，電力系統通過可實時控制的發電追蹤、可準確預測的負荷實現功率供需平衡，從而保障系統的安全穩定運行[2-4]。風電接入電力系統后，風電功率的波動性和不可控性會不同程度地影響既有電網的功率平衡，影響電力系統的安全運行。當接入的風電規模較小時，風電功率的波動性對電網的影響較小，容易治理。隨著風電規模的增加，風電與電網之間的矛盾越來越突出，導致棄風較為嚴重。風電與電網之間的矛盾嚴重地影響了風電的大規模開發。如何協調風電與電網之間的矛盾，提高風電的并網規模是一項亟需解決的問題[5-8]。

針對中國風電并網規模受限，棄風現象嚴重這一問題，結合中國風電“大規模集中開發，遠距離輸送”發展模式，確定建設風電功率外送通道，實現風電的跨區域消納是緩解風電并網規模受限、提高風電利用率的有效途徑。下面建立了綜合考慮輸電效益、棄風損耗以及輸電成本的輸電工程經濟效益評估模型，在此基礎上，結合風電功率的分布特征，提出了一種以輸電工程經濟效益最優的風電功率外送輸電容量的規劃方法，結合某省實際電網系統與實測風電功率數據對所提出的方法進行驗證[9-10]。

1 常規電源的外送輸電容量規劃方法

風力發電是受風能的驅動而發電，導致風力發電的不可控性，與常規機組不同，其出力完全可以根據負荷的變化加以調控。以裝機容量為Cinstall的火電廠為例，在負荷較高的情況下，調度人員可以根據需要使火電廠以額定裝機容量運行，并且火電廠工作人員也完全有能力控制火電廠以額定裝機容量運行。對于風電場而言，當負荷較高時，調度部門期望風電場能夠以額定裝機容量運行以滿足負荷的需要；然而，風電場工作人員因為無法控制風速而不能夠滿足調度部門的需要。因此，決定了風電與常規電源的功率外送輸電容量規劃方法不同。

對于常規機組，以火電廠為例，圖1給出了某區域電網系統結構示意圖。假設該地區共有m個火電廠，功率經過匯聚后集中送入電網，對于匯聚后的輸電容量計算公式為

(1)

式中：Pline.th為火電功率外送輸電容量；Cinstall.i為第i個火電廠的裝機容量。

圖1 某區域電網系統結構

由于風電場的實際輸出功率在大部分時間達不到風電場的額定裝機容量，如果對于功率匯聚外送輸電容量的規劃按照風電場的額定裝機容量進行規劃，勢必會造成輸電通道的嚴重浪費，因此，對于風電功率匯聚外送的輸電容量規劃必須異于常規電源。

2 風電功率外送輸電容量規劃方法

2.1 年持續功率曲線

風電輸電容量的規劃問題不需要過度地關注時序曲線，更多關注的是風電功率整體分布情況以及一段時間內的最大出力值。因此聯想到在電力系統分析中提出的年持續負荷曲線這一概念，將風電場群一年中采集到的風電功率數據按照從大到小的順序依次進行排列，不考慮風電功率的時序性，從而得到風電場群的年持續功率曲線，借助該曲線來進行風電功率匯聚外送的輸電容量規劃。

圖2給出了風電場個數增加時，年持續功率曲線的對比。從圖中可以直觀地看出隨著風電場個數的增加，風電功率的最大值遞減，風電功率為0的時間越來越少，曲線變得越來越平滑。借助于年持續功率曲線，可以有效地觀察風電功率的整體出力水平以及外送輸電容量的變化對輸送電量的影響程度；但是借助年持續功率曲線只能從宏觀上把握外送輸電容量的規劃區間，無法定量地給出一個具體的最優容量值。因此將從經濟性的角度出發，結合外送輸電容量規劃的經濟性評估模型確定外送輸電容量的最優值。

圖2 風電場個數增加時年持續功率曲線對比

2.2 外送輸電容量的經濟性評估模型

1)輸電效益

借助于風電功率外送輸電通道，可以將風電功率傳輸到負荷中心從而得到及時消納。這個過程中輸電通道帶來的電量收益將其稱為輸電效益，具體的計算公式為

R(L)=CpEwind

(2)

式中：R(L)為輸電效益；Cp為輸送單位風電電量的電價；Ewind為壽命周期內輸送的總電量，具體的計算公式為

(3)

式中：n為輸電系統的運行壽命；Pwind(t)為t時刻輸送的風電功率；ΔT為風電機組利用時間，其計算公式為

(4)

式中：Pline為風電外送輸電容量；Pactual(t)為t時刻風電場實測風電功率數據。

2)棄風損耗

由上面分析可知，為了更加經濟合理地規劃風電功率的外送輸電容量，在規劃時并不是簡單地根據各風電場的裝機容量總和來確定外送輸電容量，因此，必然會存在當風電功率超過外送輸電容量時可能由于阻塞帶來的棄風電量。定義由于外送輸電通道的阻塞造成的棄風電量為棄風損耗。以圖2中包含9個風電場的風電場群的年持續功率曲線為例，假設外送輸電容量為0.5 pu，則年持續功率曲線中，縱坐標表示0.5 pu的直線上方與年持續出力曲線所圍成的面積即為所提的棄風損耗。具體計算公式為：

(5)

(6)

式中：Eloss(L)為棄風損耗；Kq為單位棄風電量的電價(按風電發電電價計算)；Ploss(t)為t時刻的棄風功率；ΔT為為風電機組利用時間。

3)輸電成本

建設輸電線路時，需要投資者投入大量的資金購買建設材料、支付人工費用等建設費用，將其定義為輸電成本，具體的計算公式為

C(L)=K1PlineL

(7)

式中：C(L)為輸電成本；Kl為建設單位長度、單位容量的輸電線路的工程造價；L為輸電線路的長度。

4)綜合效益

綜合考慮輸電線路帶來的輸電效益，棄風損耗以及輸電成本等因素對輸電容量規劃的影響，將其定義為輸電工程的綜合收益，計算公式為

S(L)=R(L)-Eloss(L)-C(L)

(8)

式中，S(L)為輸電工程的綜合收益。

圖3為基于風電場群年持續功率曲線的風電功率外送輸電容量規劃示意圖。從圖中可以看出，結合風電場實測風電功率數據可得到風電場群的年持續功率曲線。當風電外送輸電容量Pline確定時，輸電線路的建設成本即可求出，對應的輸電收益與棄風損耗可以計算；當Pline增加時，棄風電量減少，輸送電量增加，但輸電成本同樣增加；當Pline減少時，棄風電量增加，輸送電量減少，但相應的輸電成本下降：因此，必然會存在一個Pline使輸電工程的綜合收益最優。

圖3 基于風電場群年持續功率曲線的風電外送輸電容量規劃

假定Pline從0開始到風電場群的裝機容量Sn之間變化時，勢必會得到一條如圖4所示的曲線，使綜合收益最大的外送輸電容量Pline即為最終確定的規劃容量。

3 算例分析

3.1 算例條件

圖5為某區域電網的網架結構示意圖。該電網中包含9個風電場，風電場群的總裝機容量為1 493.8 MW，實測風電功率數據的長度時間為1年，數據的采樣間隔為5 min。圖6為該風電場群1年中實測輸出功率的原始曲線。表1為輸電工程經濟效益評估的相關參數參考值。

圖4 基于風電場群年持續功率曲線的風電外送輸電容量規劃

圖5 某區域電網網架結構

圖6 風電場群實測風電功率曲線

表1 算例參考數據

3.2 算例結果分析

當風電功率外送輸電容量Pline從0開始逐漸增加到1 493.8 MW(風電場群的裝機容量)時，輸電工程的綜合收益變化曲線如圖7所示。

圖7 風電功率外送輸電工程綜合收益曲線

從圖中可以看出，風電功率的最優外送輸電容量為935.1 MW，相應的該輸電工程在一年中帶來的綜合收益為6274萬元，當輸電容量取最優值時，相應的輸電效益、棄風損耗以及輸電成本如表2所示。

表2 輸電容量最優時的輸電效益、棄風損耗以及輸電成本

如果按照常規電源的外送輸電容量規劃方法進行規劃時，即外送輸電容量按風電場群的額定裝機容量規劃，此時，輸電工程帶來的輸電效益為16 343.32萬元，棄風損耗為0元，年輸電成本為14 938萬元，年綜合收益為1 405.3萬元，僅占所提方法收益的23.12%，從而驗證所提方法的有效性。

4 結 語

針對中國風電并網規模受限且電網的風電傳輸空間有限，在確定中國風電大規模開發、遠距離輸送的發展模式下，提出了一種經濟性的風功率外送輸電容量的規劃方法。構建了綜合考慮輸電工程經濟效益的風電外送輸電容量規劃模型，對于輸電工程的經濟效益分析考慮了輸電工程的輸電效益、棄風損耗以及輸電成本。結合實際的電力系統以及風電場的實測風電功率數據，通過算例分析表明，所建模型在降低輸電成本的同時能夠給電網帶來更大的經濟收益。