張 軍1，許曉艷2，黃永寧1，曹 陽(yáng)3，顧雨嘉1

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基于時(shí)序生產(chǎn)模擬仿真的寧夏電網(wǎng)風(fēng)光優(yōu)化配比研究

張 軍，許曉艷，黃永寧，曹 陽(yáng)，顧雨嘉

(1.寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750001；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

寧夏風(fēng)和光資源豐富，風(fēng)電和光伏發(fā)電發(fā)展并駕齊驅(qū)。建立了含新能源發(fā)電的電網(wǎng)年度時(shí)序生產(chǎn)模擬仿真模型，以電網(wǎng)節(jié)能減排效益最大為目標(biāo)，綜合考慮了風(fēng)光出力特性、負(fù)荷特性、機(jī)組調(diào)峰特性、不同種類供熱機(jī)組熱電耦合特性等因素。在建立模型的基礎(chǔ)上，仿真研究了2015年寧夏電網(wǎng)新能源發(fā)電接納能力，得到了綜合考慮新能源限電率和電網(wǎng)節(jié)能減排效益的風(fēng)光優(yōu)化配比。該結(jié)果可為地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電建設(shè)、電力系統(tǒng)調(diào)度以及政府相關(guān)政策制定提供指導(dǎo)。

時(shí)序生產(chǎn)模擬；接納能力；風(fēng)光配比

0 引言

大力發(fā)展風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源是我國(guó)的重大戰(zhàn)略決策，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。在政策的鼓勵(lì)下，近年來(lái)我國(guó)東北和西北等風(fēng)光資源豐富地區(qū)掀起了建立大規(guī)模新能源電站的浪潮。以寧夏為例，截止2012年底，寧夏風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2 646.4 MW，光伏裝機(jī)容量達(dá)到530.83 MW，對(duì)于充分利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)十分有利。但由于新能源發(fā)電規(guī)劃和電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃沒(méi)有精確地統(tǒng)籌考慮而互相脫節(jié)，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行期間頻繁發(fā)生因調(diào)峰、網(wǎng)架以及無(wú)功電壓等約束造成的新能源發(fā)電受限現(xiàn)象，造成了可再生能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。另外，風(fēng)電和光伏發(fā)電出力在時(shí)間和空間上均具有互補(bǔ)性，與相同容量風(fēng)電或光伏發(fā)電相比，風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻的影響較低。因此，有必要從電力電量平衡的角度對(duì)規(guī)劃水平年新能源發(fā)電接納能力進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮新能源限電率和電網(wǎng)節(jié)能減排效益，優(yōu)化電網(wǎng)風(fēng)光容量配比。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用了各種方法對(duì)新能源發(fā)電年度接納能力進(jìn)行研究分析，較為常用的分析手段主要有以下三種：典型日分析法、隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法以及時(shí)序生產(chǎn)模擬方法。典型日分析法得到的結(jié)果是最嚴(yán)重情況下的新能源平衡情況，計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，不利于提高新能源實(shí)際上網(wǎng)電力電量；隨機(jī)生產(chǎn)模擬算法的核心是將時(shí)序負(fù)荷曲線轉(zhuǎn)化為持續(xù)負(fù)荷曲線，忽略了與時(shí)序相關(guān)的約束，例如機(jī)組啟停機(jī)約束、最小開(kāi)機(jī)時(shí)間、機(jī)組爬坡率約束等，從而無(wú)法全面分析生產(chǎn)成本，難以滿足含新能源發(fā)電的電力系統(tǒng)運(yùn)行分析評(píng)估；基于時(shí)序的生產(chǎn)模擬是指在給定的負(fù)荷條件下，模擬各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，并計(jì)算發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)費(fèi)用的一種時(shí)序仿真方法，其將系統(tǒng)負(fù)荷、新能源發(fā)電出力看作隨時(shí)間變化的時(shí)間序列，能夠計(jì)及時(shí)序變化特性。

本文建立了計(jì)及風(fēng)電、光伏發(fā)電的年度時(shí)序生產(chǎn)模擬仿真模型，模型以電網(wǎng)節(jié)能減排效益最佳為目標(biāo)，綜合考慮風(fēng)光出力特性、負(fù)荷特性、機(jī)組調(diào)峰特性、不同種類供熱機(jī)組熱電耦合特性等因素?；跁r(shí)序生產(chǎn)模擬仿真模型，分析2015年寧夏電網(wǎng)不同風(fēng)光容量配比下新能源發(fā)電接納情況，綜合比較提出風(fēng)光最優(yōu)配比，分析結(jié)果對(duì)于寧夏電網(wǎng)風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量規(guī)劃、低碳電力要求下的網(wǎng)源協(xié)調(diào)規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義。

1 寧夏電網(wǎng)風(fēng)光發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)電

寧夏處于甘肅、內(nèi)蒙、遼寧大風(fēng)帶，風(fēng)能資源較為豐富，開(kāi)發(fā)潛力大。根據(jù)寧夏風(fēng)能資源評(píng)價(jià)報(bào)告普查結(jié)果，寧夏風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為22 530 MW，適宜風(fēng)電開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為12 140 MW。截止2012年底，寧夏風(fēng)電裝機(jī)容量為2 646.4 MW，其中，接入330 kV電壓等級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)21座，容量為1 828.7 MW，接入220 kV及以下電壓等級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)11座，容量為817.7 MW。2012年風(fēng)電發(fā)電量為34.49億kWh，占全網(wǎng)發(fā)電量的3.43%，風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)為1 913 h。

1.2 光伏發(fā)電

寧夏太陽(yáng)能資源豐富，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。截止2012年底，寧夏光伏裝機(jī)容量為530.83 MW，其中，接入330 kV電壓等級(jí)的光伏電站18座，容量為340.5 MW，接入220 kV及以下電壓等級(jí)的光伏電站9座，容量為190.33 MW。2012年光伏發(fā)電量為6.68億kWh，占全網(wǎng)發(fā)電量的0.66%，光伏發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)為1551 h。

2 含風(fēng)光發(fā)電的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為提高電網(wǎng)的節(jié)能減排效益，含新能源發(fā)電的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型的目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)二氧化碳排放量最低，如式(1)所示。

2.2約束條件

2.2.1常規(guī)機(jī)組約束

1）機(jī)組爬坡率約束

(3)

2）機(jī)組出力約束

3）機(jī)組最小啟停機(jī)時(shí)間約束

(6)

式中，由機(jī)組最小啟機(jī)或者最小停機(jī)時(shí)間參數(shù)決定，其反映了最小啟機(jī)或停機(jī)的時(shí)間步長(zhǎng)。此約束的考慮，主要是由于受到機(jī)組的物理特性及機(jī)組啟停機(jī)煤耗成本的制約，機(jī)組不能頻繁的啟停。

4）供熱機(jī)組供熱期出力特性約束

(8)

本文考慮兩種類型供熱機(jī)組，背壓式供熱機(jī)組和抽氣式供熱機(jī)組。式（7）和式（8）分別為供熱期內(nèi)背壓機(jī)組出力和抽氣機(jī)組出力約束公式。

2.2.2 系統(tǒng)電力平衡約束

1）區(qū)域負(fù)荷平衡約束

2）系統(tǒng)正/負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量約束

(11)

3）系統(tǒng)風(fēng)電、光伏出力約束

(13)

3 寧夏電網(wǎng)風(fēng)光優(yōu)化配比研究

在寧夏電網(wǎng)新能源發(fā)電規(guī)劃裝機(jī)容量確定的基礎(chǔ)上，可仿真比較不同風(fēng)光配比下新能源發(fā)電接納情況，即改變式（12）和式（13）中和的數(shù)值，比較結(jié)果中的新能源發(fā)電限電量以及環(huán)境綜合效益，從而確定最優(yōu)的風(fēng)光容量配比。

2015年寧夏最大用電負(fù)荷預(yù)測(cè)為14 230 MW，風(fēng)光規(guī)劃總?cè)萘堪? 000 MW考慮?？紤]直流調(diào)峰電源，2015年寧夏電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組共74臺(tái)，容量共34 057 MW，其中47臺(tái)為凝汽式機(jī)組，容量為26 832 MW，27臺(tái)為供熱機(jī)組，容量為7 225 MW。非供熱期火電機(jī)組的調(diào)峰能力為其裝機(jī)容量的40%，供熱期（每年11月1日到次年4月15日）供熱機(jī)組最低技術(shù)出力為裝機(jī)容量的70%之間，系統(tǒng)選取網(wǎng)內(nèi)最大一臺(tái)火電機(jī)組的容量（1 000 MW）作為備用。

3.1 風(fēng)光容量配比7:2時(shí)新能源發(fā)電接納情況仿真

若規(guī)劃的新能源發(fā)電按照風(fēng)電裝機(jī)容量7 000 MW、光伏發(fā)電裝機(jī)容量2 000 MW進(jìn)行分配，利用第2章所述的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型，可仿真得到新能源發(fā)電接納情況，如圖1~圖5所示。

圖1為火電機(jī)組開(kāi)機(jī)容量，全年常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)容量最大值為31 304 MW，最小值為19 739 MW。

圖2為每周新能源平均限電率，結(jié)果顯示供熱期新能源限電率較高，而非供熱期新能電限電率很低。

圖3為全年按日平均各時(shí)段含直流送出等效負(fù)荷和新能源限電量間的關(guān)系，夜間晚9點(diǎn)到早7點(diǎn)，新能源限電量較大，其他時(shí)段新能源限電量很小。

圖1 火電機(jī)組開(kāi)機(jī)容量

圖2 新能源限電率

圖3 新能源限電量及平均負(fù)荷

圖4和圖5分別為不同火電機(jī)組每周的平均負(fù)荷率以及每小時(shí)各類型機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)。可以看出供熱期供熱機(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)穩(wěn)定，負(fù)荷率較高，而機(jī)組的調(diào)峰能力下降，導(dǎo)致新能源限電率較高。

圖4各類型機(jī)組負(fù)荷率

圖5各類型機(jī)組啟停臺(tái)數(shù)

3.2 不同風(fēng)光容量配比下新能源發(fā)電接納情況對(duì)比分析

圖6為9 000 MW新能源發(fā)電在不同風(fēng)電容量，即不同風(fēng)光配比下的新能源限電率和二氧化碳排放量變化曲線。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的逐漸增加（光伏裝機(jī)容量的逐漸減少），二氧化碳排放量逐漸減少，而新能源的限電率卻在逐漸增加。

對(duì)新能源限電率和二氧化碳排放量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化，得到圖7。若二氧化碳排放量與新能源限電率兩者權(quán)重相同，綜合指標(biāo)最低點(diǎn)即為風(fēng)電、光伏的最佳配比裝機(jī)容量。2015年新能源發(fā)電裝機(jī)容量為9 000 MW時(shí)，風(fēng)電裝機(jī)容量為6 700 MW、光伏裝機(jī)容量為2 300 MW為寧夏電網(wǎng)風(fēng)光最佳配比，此時(shí)，二氧化碳排放量約為1.47億噸，新能源限電率為1.03%，火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)為5 483 h，滿足火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的要求。

圖6 二氧化碳排放量及新能源限電率

圖7二氧化碳排放量及新能源限電率（歸一化處理后）

3.3 寧夏電網(wǎng)風(fēng)光最佳配比分析

本文還對(duì)新能源裝機(jī)容量分別為5 000 MW和7 000 MW兩種情況下的風(fēng)光最優(yōu)配比進(jìn)行分析，綜合3.2節(jié)的結(jié)論，可得到風(fēng)光容量最佳配比匯總表，如表1所示。

表1 不同裝機(jī)容量的風(fēng)光最優(yōu)配比

不同新能源發(fā)電裝機(jī)容量下的風(fēng)光最佳比例系數(shù)和風(fēng)電占總裝機(jī)容量比例均相差不大，其中風(fēng)光最佳比例系數(shù)在2.57~3.11之間，風(fēng)電占新能源總裝機(jī)最佳比例在75%左右。對(duì)各組案例的風(fēng)光最佳配比容量進(jìn)行一次曲線擬合，如圖8所示。

圖8 風(fēng)光最優(yōu)配比一次擬合曲線

由圖8可知，假設(shè)風(fēng)電裝機(jī)容量為，光伏裝機(jī)容量為，則風(fēng)電和光伏發(fā)電容量函數(shù)關(guān)系式為=2.9938·，因此，寧夏電網(wǎng)風(fēng)/光最佳比例系數(shù)為2.993 8，即每裝1 000 MW光伏發(fā)電，最佳配置的風(fēng)力發(fā)電容量為2 994 MW。

4 結(jié)論

本文針對(duì)寧夏電網(wǎng)新能源發(fā)電規(guī)劃運(yùn)行存在的實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)展含新能源發(fā)電的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型研究，并在此基礎(chǔ)上研究2015年寧夏電網(wǎng)新能源發(fā)電接納情況及風(fēng)光最優(yōu)配比，得出結(jié)論如下：

（1）含新能源發(fā)電的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型以電網(wǎng)節(jié)能減排效益最佳為目標(biāo)，綜合考慮風(fēng)光出力特性、負(fù)荷特性、機(jī)組調(diào)峰特性、不同種類供熱機(jī)組熱電耦合特性等因素，模擬各發(fā)電機(jī)組全年運(yùn)行狀況，模型將系統(tǒng)負(fù)荷、新能源發(fā)電出力看作隨時(shí)間變化的時(shí)間序列，能夠計(jì)及時(shí)序變化特性。

（2）風(fēng)光最優(yōu)配比與研究地區(qū)的負(fù)荷特性、電源調(diào)峰特性等因素相關(guān)。以社會(huì)環(huán)境效益最佳（二氧化碳排放量最?。┡c新能源限電率綜合最小為原則，兼顧火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，評(píng)估分析寧夏電網(wǎng)風(fēng)光最佳配比，在兩者權(quán)重相同情況下，2015年風(fēng)/光最佳比例系數(shù)為2.993 8，即每裝1 000 MW光伏發(fā)電，最佳配置的風(fēng)力發(fā)電容量為2 994 MW。

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Optimal proportion study of wind and PV capacity in Ningxia power grid based on time sequence simulation

ZHANG Jun, XU Xiao-yan, HUANG Yong-ning, CAO Yang, GU Yu-jia

(1. Ningxia Electric Power Research Institute, Yinchuan 750001, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3. Hohai University, Nanjing 210098, China)

Ningxia's wind power and PV power both developed rapidly these years. The grid annual timesequence production simulation model containing renewable energy is established, whose target is to maximize energy conservation and emissions reduction benefits, the model considers wind and PV output, load characteristic, unit peak load regulation characteristic and thermal electricity couple characteristic of different heating units. Based on the model, Ningxia power grid renewable energy accommodation capability in 2015 is simulated, and optimized proportion of wind power and PV power considering renewable energy curtailment ratio and energy conservation and emissions reduction benefits is gained. The results provide guidance to the construction of wind and PV power, power system dispatching and policy making.

timesequence production simulation; accommodation capability; wind power and PV power proportion

TM61；TM71

A

1674-3415(2014)19-0081-06

2013-12-18；

2014-03-10

張 軍（1972－），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制技術(shù)；

許曉艷(1984－)，女，通信作者，碩士，工程師，主要從事新能源發(fā)電并網(wǎng)及優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行技術(shù)的研究；E-mail：xyxu@epri.sgcc.com.cn

黃永寧（1963－），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與實(shí)驗(yàn)。