余貽鑫，周金輝，秦 超

(天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

在我國(guó)發(fā)展大規(guī)模風(fēng)電，對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展意義重大[1]．欲使電網(wǎng)能充分接納大規(guī)模風(fēng)電，需要科學(xué)地進(jìn)行電源和電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃(統(tǒng)稱為電力規(guī)劃)．文獻(xiàn)[2]對(duì)含風(fēng)電的若干規(guī)劃方案進(jìn)行了可靠性評(píng)估的工作，文獻(xiàn)[3]建立了含風(fēng)電的輸電系統(tǒng)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型，給出在滿足一定的過(guò)負(fù)荷概率下投資成本最低的規(guī)劃方案．文獻(xiàn)[4-5]提出了價(jià)值評(píng)估方法，即通過(guò)內(nèi)嵌安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型可以獲取系統(tǒng)每一時(shí)段(通常為 1 h)的整體成本，從而確定規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別適合于含可再生能源電力規(guī)劃的評(píng)估分析．但是，其不足之處：沒(méi)有考慮常規(guī)火電機(jī)組功率調(diào)節(jié)能力對(duì)風(fēng)電接納的制約；經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中僅計(jì)及了靜態(tài)安全約束，沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)安全約束，沒(méi)有考慮當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不滿足安全約束情況下的校正性控制．基于上述分析，筆者提出了更完善的價(jià)值評(píng)估方法，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的全社會(huì)成本評(píng)估．

1 含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃評(píng)估框架

評(píng)估框架如圖 1所示．全社會(huì)成本評(píng)估包括：①電源的容量成本評(píng)估；②電網(wǎng)成本評(píng)估；③燃料成本評(píng)估；④環(huán)境成本評(píng)估；⑤網(wǎng)損成本評(píng)估；⑥可靠性成本評(píng)估，以上各項(xiàng)評(píng)估輸出的成本之和構(gòu)成了全社會(huì)成本．圖中的虛線框表示③④⑤項(xiàng)成本評(píng)估是統(tǒng)一進(jìn)行的．需指出，該框架完全適用于含風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源電力規(guī)劃的評(píng)估．

圖1 含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃評(píng)估框架Fig.1 Framework of evaluation for power system planning with large-scale wind farms

2 全社會(huì)成本評(píng)估

針對(duì)給定的含大規(guī)模風(fēng)電的電源、電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案，評(píng)估全社會(huì)成本的方法如下．

2.1 燃料、環(huán)境和網(wǎng)損成本評(píng)估

大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在：①常規(guī)火電機(jī)組必須具備充足的調(diào)節(jié)容量(正向和負(fù)向旋轉(zhuǎn)備用)和足夠快的調(diào)節(jié)速率，以便平衡風(fēng)電出力波動(dòng)；②擴(kuò)展后的電網(wǎng)必須能夠承受線路有功潮流和節(jié)點(diǎn)電壓頻繁的波動(dòng)，滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束，若無(wú)法滿足，則需要進(jìn)行相應(yīng)的校正性控制．需指出，這里的靜態(tài)安全約束包括線路潮流約束和節(jié)點(diǎn)電壓幅值約束，動(dòng)態(tài)安全約束是指給定的預(yù)想事故發(fā)生后系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定的約束，它可借助動(dòng)態(tài)安全域邊界的超平面形式將其變成節(jié)點(diǎn)注入功率的線性組合不等式約束，這樣使該約束的計(jì)及變得十分簡(jiǎn)易[6]．

考慮到上述因素，本文在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組組合優(yōu)化模型[7]與校正性控制模型[8]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的模擬，從而可保證評(píng)估的合理性和結(jié)果的可信度．

圖 2給出了研究的時(shí)間框架，對(duì)全年 8,760,h逐時(shí)段的模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀況．圖 3給出了全社會(huì)成本評(píng)估的詳細(xì)流程．具體步驟如下：根據(jù)規(guī)劃水平年時(shí)序的風(fēng)電出力和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)于給定的電源和電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案，首先進(jìn)行第 1個(gè)調(diào)度周期(日或周)的機(jī)組組合優(yōu)化獲得該周期內(nèi)每一時(shí)段的各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)(啟停）和發(fā)電出力．然后轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)運(yùn)行模擬，即基于每個(gè)時(shí)段進(jìn)行交流潮流計(jì)算，并校驗(yàn)是否滿足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束，若滿足則獲得該時(shí)段系統(tǒng)的燃料耗量、網(wǎng)損電量、各項(xiàng)污染物的排放量，再將其轉(zhuǎn)化為貨幣化的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)并進(jìn)行累積；反之，則需進(jìn)行計(jì)及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束的發(fā)電經(jīng)濟(jì)調(diào)度(若調(diào)度也失敗，則需進(jìn)行校正性控制）進(jìn)而確定系統(tǒng)新的運(yùn)行點(diǎn)，最后輸出此時(shí)段的燃料成本、環(huán)境成本和網(wǎng)損成本并進(jìn)行累積，重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程直至該調(diào)度周期模擬結(jié)束．然后，再進(jìn)行下一個(gè)調(diào)度周期的機(jī)組組合，重復(fù)以上過(guò)程直至全年模擬結(jié)束，最終集成出全年8 760 h的系統(tǒng)各項(xiàng)成本．

需指出的是：上述評(píng)估過(guò)程中連續(xù)的機(jī)組組合之間計(jì)及了機(jī)組的最小運(yùn)行啟停機(jī)時(shí)間的關(guān)聯(lián)性約束；在風(fēng)電的極端出力模式或系統(tǒng)無(wú)法滿足其功率調(diào)節(jié)要求而出現(xiàn)機(jī)組組合無(wú)解的情況下，需要采取相應(yīng)的控制措施使之有解(如棄風(fēng)或削減負(fù)荷)．

圖2 研究的時(shí)間框架Fig.2 Time framework for the study

環(huán)境成本是由環(huán)境對(duì)策成本和環(huán)境損失成本構(gòu)成．環(huán)境對(duì)策成本指采取環(huán)境保護(hù)措施而付出的成本，包括安裝脫硫、脫硝設(shè)備的投資成本及運(yùn)行成本．而環(huán)境損失成本的評(píng)估是，在考慮應(yīng)對(duì)環(huán)境污染措施的條件下，根據(jù)該時(shí)段燃料污染物的排放量[9]，再結(jié)合其環(huán)境價(jià)值[10]，即可得到相應(yīng)的環(huán)境損失成本．圖 3中對(duì)環(huán)境損失成本是按小時(shí)進(jìn)行的，最終累積獲得全年8 760 h的相應(yīng)成本．

圖3 全社會(huì)成本評(píng)估的流程Fig.3 Flow chart of evaluation of total social cost

2.2 電源的容量成本和電網(wǎng)成本評(píng)估

電源容量成本包括系統(tǒng)原有機(jī)組的折舊成本及其運(yùn)行維護(hù)成本、新建機(jī)組的投資成本及其運(yùn)行維護(hù)成本；電網(wǎng)成本包括系統(tǒng)原有線路和變電站的折舊成本及其運(yùn)行維護(hù)成本、新建線路和變電站的投資成本及其運(yùn)行維護(hù)成本，上述各成本均為年值形式．

2.3 可靠性成本評(píng)估

首先通過(guò)基于序貫蒙特卡羅仿真的含風(fēng)電發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估[11]獲得期望缺供電量，然后利用單位停電的經(jīng)濟(jì)損失(即單位電量的可靠性成本或價(jià)值)，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的可靠性成本(或風(fēng)險(xiǎn)成本)．

3 算例分析

基于上述框架，利用 MATLAB編制了整套評(píng)估程序，并進(jìn)行了算例分析．

示例系統(tǒng)如圖 4所示．其中，Bus1、Bus2表示風(fēng)電場(chǎng)匯集升壓站節(jié)點(diǎn)，總的裝機(jī)容量分別為 2 000 MW和2 400,MW，分別經(jīng)由線路L1-3和L2-4接入系統(tǒng)，這些風(fēng)電通過(guò) Bus6外送，送出功率為3,000,MW，為了使外送線路保持較高的利用率，這里假定線路外送功率為恒定值．規(guī)劃年時(shí)序的風(fēng)電出力與負(fù)荷曲線采用文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù)．系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2．

圖4 示例系統(tǒng)Fig.4 Illustration example system

表1 線路電氣參數(shù)Tab.1 Electrical parameters of transmission lines

表 3給出了風(fēng)電接入系統(tǒng)后的 5個(gè)初始電力規(guī)劃方案．其中，方案 1、方案 2與方案 3，具有不同的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案和相同的電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案；而方案1、方案4與方案5具有相同的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案和不同的電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案．由此可對(duì)上述方案進(jìn)行不同層次的分析比較．

算例中機(jī)組、線路和風(fēng)機(jī)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及可靠性參數(shù)見(jiàn)表 4和表 5．考慮如下預(yù)想事故：線路 L1-3、L2-4和L5-8首端發(fā)生三相短路故障，在0.10 s時(shí)切除故障線路．5個(gè)方案下每個(gè)預(yù)想事故對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)安全域邊界超平面系數(shù)如表6所示．標(biāo)煤價(jià)格取為700元/t，天然氣價(jià)格取為 2元/m3，單位電量網(wǎng)損成本取為 0.25元/(kW·h)，單位電量中斷的經(jīng)濟(jì)損失取為50元/(kW·h)，由此獲得的各方案評(píng)估結(jié)果如表 7所示，其中的各項(xiàng)成本均為年值形式．

表2 發(fā)電與負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.2 Data of generation and loads

表3 含大規(guī)模風(fēng)電的初始電力規(guī)劃方案Tab.3 Initial power system planning alternatives with large-scale wind power

需指出，表6中方案的負(fù)荷削減電量由以下2部分構(gòu)成：①機(jī)組組合無(wú)解所需的負(fù)荷削減；②安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度失敗所采取校正性控制措施對(duì)應(yīng)的負(fù)荷削減．它們所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也納入了全社會(huì)成本．

1) 不同電源規(guī)劃方案間的比較

方案1、方案2與方案3新增機(jī)組總?cè)萘拷葡嗟?，約為2,400,MW．由表6可見(jiàn)，方案2與方案3在全年運(yùn)行模擬過(guò)程中均造成一定的棄風(fēng)和負(fù)荷削減，其原因在于：①火電機(jī)組受最小運(yùn)行時(shí)間、最小停機(jī)時(shí)間及最小技術(shù)出力等約束的限制，功率調(diào)節(jié)能力較差；②為滿足系統(tǒng)的安全運(yùn)行而采取的控制措施所致．方案 1也存在一定的棄風(fēng)和負(fù)荷削減，原因是系統(tǒng)的安全約束限制所致(主要是動(dòng)態(tài)安全約束)，但是相對(duì)于方案 2與方案 3，其值較?。渲校捎谌?xì)鈾C(jī)組啟停時(shí)間短，調(diào)峰能力強(qiáng)，因而在機(jī)組組合過(guò)程中系統(tǒng)并未造成棄風(fēng)和負(fù)荷削減．方案 1的燃料成本相較于方案 2、方案 3稍大，原因是后 2個(gè)方案在運(yùn)行模擬過(guò)程中進(jìn)行了負(fù)荷削減(即相應(yīng)地減少了燃料成本)，但由此造成的經(jīng)濟(jì)損失非常大，分別約為17億元和13億元．對(duì)于環(huán)境成本，方案1優(yōu)于方案2和方案 3，評(píng)估結(jié)果表明：三者全年排放的二氧化碳分別約為 5,035萬(wàn)噸、5,192萬(wàn)噸和 5,326萬(wàn)噸(其大部分是由系統(tǒng)中原有的燃煤機(jī)組排放)，方案 1較后兩者分別少157萬(wàn)噸和291萬(wàn)噸，這是因?yàn)槿細(xì)鈾C(jī)組的環(huán)保性能較好[15]．需指出，排放的二氧化碳所造成的經(jīng)濟(jì)損失在文獻(xiàn)[9]中可能被嚴(yán)重低估．從全社會(huì)成本角度看，方案1明顯優(yōu)于方案2和方案3．

表4 機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和可靠性參數(shù)Tab.4 Technical and economic parameters and reliability parameters of generation units

表5 線路和風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)Tab.5 Economic parameters of transmission lines and wind power generation units

表6 注入功率空間上實(shí)用動(dòng)態(tài)安全域超平面系數(shù)Tab.6 Critical boundary hyper-plane coefficients of PDSR in power injection space

表7 初始規(guī)劃方案的評(píng)估結(jié)果Tab.7 Evaluation results of initial power system planning alternatives with large-scale wind power

2) 不同電網(wǎng)規(guī)劃方案間的比較

方案1、方案4和方案5三者具有相同的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案，但方案4較方案1少建線路L5-8，方案5較方案1多建一回線路L4-6．由表2可見(jiàn)，方案4在系統(tǒng)運(yùn)行模擬過(guò)程中存在一定的棄風(fēng)和負(fù)荷削減，評(píng)估結(jié)果表明：少擴(kuò)建線路 L5-8在一些情況下會(huì)導(dǎo)致安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度失敗，故必須采取相應(yīng)的校正性控制措施，與此同時(shí)，系統(tǒng)的可靠性也嚴(yán)重下降，其可靠性成本較方案1增加了約6.8倍．方案5較方案1由于多擴(kuò)建一回線路，方案僅有很少量的棄風(fēng)和負(fù)荷削減，而且其可靠性成本較方案 1降低了約55%．由表 6可知：5個(gè)方案中方案 5的全社會(huì)成本最低，故為最佳方案．

此外，表6中還給出了按文獻(xiàn)[3-4]方法各方案的評(píng)估結(jié)果，從中可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 方案2、方案3和方案4的全社會(huì)成本相較于本文方法的評(píng)估結(jié)果都偏低，原因是系統(tǒng)運(yùn)行模擬過(guò)程中的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型忽略了動(dòng)態(tài)安全約束，也沒(méi)有考慮安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度失敗后的校正性控制，故由于計(jì)及上述因素而導(dǎo)致的負(fù)荷削減的經(jīng)濟(jì)損失并未納入其全社會(huì)成本；

(2) 方案 1和方案 5的全社會(huì)成本相較于本文方法的評(píng)估結(jié)果數(shù)值都偏高，這是由于系統(tǒng)運(yùn)行模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮機(jī)組組合優(yōu)化模型所致；

(3) 各方案的棄風(fēng)電量皆為 0，這是因?yàn)闆](méi)有考慮常規(guī)火電機(jī)組對(duì)風(fēng)電的接納制約因素．故在評(píng)估含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案時(shí)，詳細(xì)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程十分重要，否則可能導(dǎo)致錯(cuò)誤決策．

4 結(jié) 語(yǔ)

本文立足于全社會(huì)成本視角，建立了含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案評(píng)估的整體框架．為計(jì)及風(fēng)電出力的波動(dòng)性，在計(jì)及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組組合優(yōu)化模型與校正性控制模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的詳細(xì)模擬，可以獲得全年每一時(shí)段(如 1,h)的可信的系統(tǒng)燃料成本、環(huán)境成本、網(wǎng)損成本和系統(tǒng)可靠性成本．再結(jié)合電源的容量成本和電網(wǎng)成本，則可實(shí)現(xiàn)既定電力規(guī)劃方案的全社會(huì)成本的詳細(xì)評(píng)估．最后，通過(guò)示例驗(yàn)證了在評(píng)估含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案時(shí)，詳細(xì)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行的重要意義和本文方法的有效性．為我國(guó)今后含大規(guī)模風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的規(guī)劃方案評(píng)估提供

了分析工具．

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