馬曉迪， 黃 梅

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

調(diào)峰約束下電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的研究

馬曉迪， 黃 梅

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

針對(duì)我國目前風(fēng)電大規(guī)模裝機(jī)與電網(wǎng)現(xiàn)有接納能力之間的矛盾，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力以及調(diào)峰能力對(duì)于風(fēng)電接納的影響作了具體分析。并結(jié)合一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)例，采用遺傳算法定量計(jì)算了在電網(wǎng)調(diào)峰能力約束下的風(fēng)電接納水平，以及風(fēng)電接納水平對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行成本的影響。

風(fēng)電接納能力；調(diào)峰；火電機(jī)組；遺傳算法

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，目前我國的風(fēng)電裝機(jī)容量已較高，許多地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)也已形成規(guī)模。但現(xiàn)有的電網(wǎng)狀況還不能完全滿足大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)的要求，風(fēng)電建設(shè)規(guī)模與電網(wǎng)接納風(fēng)電容量之間形成了矛盾。根據(jù)《2012年中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，在我國風(fēng)電裝機(jī)容量較大的幾個(gè)地區(qū)(東北三省、西北電網(wǎng)等)，風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電量也未超過總電量的10%。影響風(fēng)電接納能力的因素除了風(fēng)電自身的波動(dòng)性、低電壓穿越能力等以外，還要考慮電網(wǎng)的影響。電網(wǎng)影響因素主要包括：電網(wǎng)的負(fù)荷水平與負(fù)荷特性、電源結(jié)構(gòu)及調(diào)峰能力。

目前已有一些針對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰約束下風(fēng)電接納能力的研究成果。文獻(xiàn)[1]以概率化分析方法進(jìn)行研究，分析了大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰的影響。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)規(guī)劃年份時(shí)序負(fù)荷曲線與風(fēng)電出力時(shí)序曲線的模擬，分析了大規(guī)模風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的影響。文獻(xiàn)[3]結(jié)合西北的資源特點(diǎn)，考慮負(fù)荷特性、電源特性等，給出了水電、火電為風(fēng)電調(diào)峰的調(diào)峰能力計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]根據(jù)電網(wǎng)尖峰和低谷時(shí)刻的網(wǎng)供電力，建立了電網(wǎng)在調(diào)峰能力約束下，電網(wǎng)低谷時(shí)刻風(fēng)電接納容量的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[5]是以電網(wǎng)調(diào)峰裕度分析為基礎(chǔ)來研究電網(wǎng)風(fēng)電接納能力。文獻(xiàn)[6]也是通過考慮風(fēng)電特性系數(shù)修正后的系統(tǒng)最大調(diào)峰裕度來判斷電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的限值。

總的來說，目前關(guān)于電網(wǎng)調(diào)峰約束下的風(fēng)電接納能力的研究，主要是根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)峰裕度、負(fù)荷峰谷差來計(jì)算，或是對(duì)電網(wǎng)接納風(fēng)電能力進(jìn)行評(píng)估或概率計(jì)算。本文則主要從電網(wǎng)火電機(jī)組的調(diào)峰能力角度出發(fā)，定量計(jì)算電網(wǎng)調(diào)峰能力約束下的風(fēng)電接納水平，以及在此基礎(chǔ)上風(fēng)電接納容量的變化對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行成本的影響。

1 電網(wǎng)調(diào)峰能力對(duì)風(fēng)電接納的約束

1.1 系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束

風(fēng)電接入電網(wǎng)，首先要考慮的約束條件即為風(fēng)電、火電與總負(fù)荷之間的功率平衡，如式(1)：

圖1中的等效負(fù)荷即為接入風(fēng)電后的火電廠等效出力曲線。根據(jù)負(fù)荷平衡，等效負(fù)荷為原始負(fù)荷與風(fēng)電出力之差[7]。

當(dāng)增加風(fēng)電的投入量時(shí)，等效負(fù)荷會(huì)整體減小。但由于風(fēng)電的波動(dòng)性較大，風(fēng)電的增加也會(huì)增加等效負(fù)荷的波動(dòng)性。而火電機(jī)組本身的調(diào)峰能力有限，其出力變化速度、幅值等指標(biāo)應(yīng)在規(guī)定的變化范圍之內(nèi)，其出力曲線也應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此火電調(diào)峰能力約束了風(fēng)電的允許最大接納水平。

1.2 電網(wǎng)調(diào)峰能力的約束

電網(wǎng)的調(diào)峰能力主要指的是電網(wǎng)的調(diào)峰容量和調(diào)峰速度，主要是由電網(wǎng)的電源構(gòu)成決定的。目前國內(nèi)風(fēng)電富集地區(qū)的電源構(gòu)成大都以火電為主。機(jī)組調(diào)峰能力，即機(jī)組對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化的跟蹤能力，是機(jī)組啟停時(shí)間、出力變化幅值和出力調(diào)整速率等因素的綜合體現(xiàn)。

1.2.1 機(jī)組出力變化范圍

機(jī)組的出力變化范圍是由最大、最小技術(shù)出力決定的，出力變化范圍越大，則調(diào)峰能力越強(qiáng)。機(jī)組的出力應(yīng)滿足以下條件：

1.2.2 機(jī)組爬坡速率

爬坡速率即機(jī)組的出力調(diào)整速率，出力調(diào)整速率越快，則調(diào)峰能力越強(qiáng)。機(jī)組的出力在爬坡速率的約束下應(yīng)滿足以下條件：

1.2.3 機(jī)組啟停時(shí)間

汽輪機(jī)組的啟動(dòng)過程是將轉(zhuǎn)子由靜止或盤車狀態(tài)，加速至額定轉(zhuǎn)速并接帶負(fù)荷至正常運(yùn)行的過程，停機(jī)過程則與之相反。按照啟動(dòng)前的停機(jī)時(shí)間及汽輪機(jī)金屬溫度，機(jī)組的啟動(dòng)分為冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)等方式。機(jī)組的啟停時(shí)間需要滿足以下條件：

2 電網(wǎng)接納風(fēng)電的運(yùn)行成本

2.1 火電成本2.1.1火電廠的運(yùn)行成本

火電機(jī)組單位時(shí)間內(nèi)的耗煤量與其發(fā)出的有功功率的關(guān)系，稱為耗量特性(圖2)[8]。

圖2 機(jī)組耗量特性曲線

機(jī)組的耗量特性可表示為：

對(duì)于多臺(tái)(兩臺(tái)或兩臺(tái)以上)的發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠，如果它們的耗量微增率都如圖2這樣是隨負(fù)荷單調(diào)遞增且連續(xù)可微的，那么可以用等微增率準(zhǔn)則來求取它們的負(fù)荷分配，即當(dāng)負(fù)荷的分配使這些機(jī)組的微增率都相等時(shí)，總的燃料消耗量將是最小的。

2.1.2 火電機(jī)組的啟停成本

會(huì)上，著名白酒專家高景炎宣讀了產(chǎn)品鑒評(píng)結(jié)果，舉行了頒獎(jiǎng)儀式。江蘇省食品工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長孫林對(duì)峰會(huì)進(jìn)行了小結(jié)并舉行了會(huì)旗交接儀式。會(huì)議完成各項(xiàng)議程，圓滿結(jié)束。

火電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)需要消耗煤、油等，在正常的出力范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)則只需耗煤。由于油的價(jià)格要遠(yuǎn)高于煤，因此機(jī)組的啟動(dòng)成本一般比較高，且機(jī)組的頻繁啟停會(huì)使設(shè)備可靠性降低，因此在滿足負(fù)荷平衡的前提下，應(yīng)盡量減少機(jī)組的啟停次數(shù)。

啟動(dòng)成本：

火電機(jī)組的啟停與機(jī)組的開關(guān)機(jī)組合方式有關(guān)，采取合適的機(jī)組組合方式，可以有計(jì)劃地降低啟停成本。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行成本

根據(jù)WMEP數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，陸上風(fēng)電場(chǎng)每千瓦運(yùn)行和維護(hù)成本隨著風(fēng)電機(jī)組額定功率的增加而降低，如圖3。

圖3 每千瓦運(yùn)行費(fèi)用與風(fēng)電機(jī)組額定功率的關(guān)系

3 基于遺傳算法的最大風(fēng)電接納計(jì)算

用遺傳算法求解電網(wǎng)調(diào)峰約束下的最大風(fēng)電接納水平或接入風(fēng)電后電網(wǎng)的最小運(yùn)行成本，即用遺傳算法求解函數(shù)最優(yōu)化問題，主要依靠適應(yīng)度函數(shù)值的大小來區(qū)分每個(gè)個(gè)體的優(yōu)劣。適應(yīng)度函數(shù)是根據(jù)約束條件產(chǎn)生的，遺傳算法模型的建立關(guān)鍵在于尋求適應(yīng)度函數(shù)的約束條件。

(1)求解電網(wǎng)調(diào)峰約束下最大風(fēng)電接納水平

目標(biāo)函數(shù)為風(fēng)電接納容量最大。約束條件包括：系統(tǒng)功率平衡，即式(1)；火電廠出力變化范圍，即式(2)；火電廠出力調(diào)整速率，即式(3)、(4)；火電機(jī)組啟停時(shí)間，即式(5)、(6)。

(2)求解不同容量的風(fēng)電接入后，電網(wǎng)的最小運(yùn)行成本

目標(biāo)函數(shù)為風(fēng)電和火電的總發(fā)電成本最?。?/p>

約束條件包括：

系統(tǒng)功率平衡，即式(1)；火電廠出力變化范圍，即式(2)；火電廠出力調(diào)整速率，即式(3)、(4)；火電機(jī)組啟停時(shí)間，即式(5)、(6)；火電運(yùn)行成本，即式(7)；系統(tǒng)啟動(dòng)成本，即式(8)；風(fēng)電運(yùn)行成本等。

4 算例分析

4.1 算例描述

基于我國某省電力系統(tǒng)的一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行算例分析。該區(qū)域電網(wǎng)擁有18個(gè)火電廠，包含28臺(tái)火電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘繛? 620 MW。表1為該區(qū)域電網(wǎng)部分火電機(jī)組的參數(shù)。

表1 部分火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

本文的計(jì)算分別針對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)冬季、夏季的典型日負(fù)荷曲線，如圖5(a)、(b)，以及兩種典型的風(fēng)電出力曲線如圖6 (a)、(b)。風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)與系統(tǒng)負(fù)荷基本相同的稱為風(fēng)電正調(diào)峰；風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)與系統(tǒng)負(fù)荷曲線相反的稱為風(fēng)電反調(diào)峰。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 現(xiàn)有調(diào)峰能力下的最大風(fēng)電接納水平

以風(fēng)電最大接入量為目標(biāo)，電網(wǎng)調(diào)峰能力為約束，計(jì)算得到四種負(fù)荷-風(fēng)電模型搭配情況下的最大風(fēng)電接納水平及約束條件，如表2。

表2 電網(wǎng)調(diào)峰約束下風(fēng)電最大接納水平

圖5 兩種典型的日負(fù)荷模型

圖6 兩種典型的風(fēng)電場(chǎng)日出力模型

計(jì)算結(jié)果表明，在僅考慮調(diào)峰能力的情況下，電網(wǎng)可接納的風(fēng)電比例是較高的，在30%以上，而根據(jù)《2012年中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》的數(shù)據(jù)，目前的風(fēng)電并網(wǎng)容量水平不足10%。因此在目前我國風(fēng)電并網(wǎng)水平下，火電的調(diào)峰能力并沒有限制風(fēng)電的接入。

另外，計(jì)算結(jié)果還顯示，在影響電網(wǎng)調(diào)峰能力的眾多因素中，火電機(jī)組的出力調(diào)整速率是較為嚴(yán)苛的條件，是產(chǎn)生表2中四個(gè)最大接納數(shù)據(jù)的約束因素。

4.2.2 以成本最小為目標(biāo)的調(diào)峰約束條件下的風(fēng)電接納水平

考慮成本的情況下，在表2結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于遺傳算法可以算出不同容量的風(fēng)電接入后，系統(tǒng)總的最小運(yùn)行成本，以及滿足最小運(yùn)行成本的機(jī)組組合方式和各機(jī)組的時(shí)序出力。

計(jì)算得到四種負(fù)荷與風(fēng)電模型搭配情況下的風(fēng)電容量-最小運(yùn)行成本-對(duì)應(yīng)火電機(jī)組啟停方式之間的關(guān)系圖，如圖7 (a)～(d)。

圖7 風(fēng)電容量比例與總運(yùn)行成本的關(guān)系

從圖中可以看出，由于風(fēng)電的運(yùn)行成本遠(yuǎn)小于火電，因此隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，整體的運(yùn)行成本呈降低的趨勢(shì)。圖7中特殊點(diǎn)產(chǎn)生的原因可以通過計(jì)算所得的火電機(jī)組的組合方式來做出如下解釋。

(1)通常風(fēng)電的增加會(huì)降低總成本，但如果造成多臺(tái)機(jī)組的啟停運(yùn)行，總成本反而增加。圖中較大容量風(fēng)電加入導(dǎo)致的成本升高，就是由于多臺(tái)火電機(jī)組參與啟停調(diào)峰引起的，如圖7(b)中的風(fēng)電容量增加至35%、36%時(shí)，圖7(c)中風(fēng)電容量增加至41%時(shí)，圖7(d)中風(fēng)電容量增加至20%及以上時(shí)。在這些情況下，由于風(fēng)電容量過高，火電承擔(dān)的負(fù)荷波動(dòng)過大，因此有兩臺(tái)以上的大中型火電機(jī)組參與啟停調(diào)峰，而啟停成本遠(yuǎn)高于運(yùn)行成本，導(dǎo)致總運(yùn)行成本偏高。

(2)當(dāng)參與調(diào)峰啟停的火電機(jī)組只有一臺(tái)，且其容量較小、啟動(dòng)成本較小時(shí)，總的運(yùn)行成本不會(huì)明顯升高。如圖7(a)和7 (c)中，風(fēng)電容量偏低時(shí)也有火電機(jī)組參與啟停，但計(jì)算結(jié)果表明這種情況下只有一臺(tái)機(jī)組參與啟停且為啟停費(fèi)用較小的機(jī)組。因此在有需要的情況下，可以允許小容量機(jī)組啟停調(diào)峰。

5 結(jié)論

風(fēng)電的接納能力因電網(wǎng)的負(fù)荷水平以及原有火電機(jī)組調(diào)峰能力的不同而不同，本文以一個(gè)較為典型的區(qū)域電網(wǎng)為算例，將遺傳算法運(yùn)用到風(fēng)電接納能力的計(jì)算中，定量計(jì)算出在電網(wǎng)調(diào)峰能力約束下的風(fēng)電接納水平，并得出以下結(jié)論：

(1)在目前我國的風(fēng)電并網(wǎng)不足10%的現(xiàn)況下，電網(wǎng)的調(diào)峰能力還未成為限制風(fēng)電接入的因素，即在僅考慮現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)峰能力約束的情況下，風(fēng)電還可以更大規(guī)模并網(wǎng)。在影響電網(wǎng)調(diào)峰能力的眾多因素中，火電機(jī)組的出力調(diào)整速率是最為嚴(yán)苛的條件。

(2)在火電機(jī)組調(diào)峰能力允許的情況下，應(yīng)同時(shí)考慮成本問題來計(jì)算最佳的風(fēng)電接納水平。當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)容量增加到較高水平時(shí)，電網(wǎng)就要采取使部分火電機(jī)組啟停的方法來滿足系統(tǒng)調(diào)峰，這通常會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行成本。

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Study on grid accommodation of wind power refined with peak-shaving capacity based on genetic algorithm

In order to solve the conflict between the large-scale installed wind and restrict access of grid,a detailed analysis of the grid peak-shaving was made and wind acceptance was constrainted.The genetic algorithms were used to make a quantitative calculation of the grid accommodation of wind power refined with peak-shaving capacity in an example of regional power grid.A calculation of the different running costs was made after wind accepting.

accommodation of wind power;peak-shaving;thermal power;genetic algorithm

TM 315

A

1002-087 X(2015)10-2263-04

2015-03-22

馬曉迪(1988—)，女，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾履茉醇鞍l(fā)電技術(shù)。導(dǎo)師：黃梅(1959—)，女，北京市人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制、繼電保護(hù)、分布式電源及新能源發(fā)電技術(shù)等。