張 津，盧錦玲，周松浩

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

?

不同電力系統(tǒng)調(diào)度模式的風(fēng)電消納能力分析

張 津，盧錦玲，周松浩

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

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

風(fēng)電；接入水平；調(diào)度模式；消納能力

0 引言

風(fēng)電作為一種可再生能源，其技術(shù)開發(fā)和商業(yè)應(yīng)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(fēng)電裝機(jī)容量最大，增速最快的國家。與此同時，風(fēng)電消納情況卻不容樂觀：2015年，棄風(fēng)電量創(chuàng)下史上新高，達(dá)到339億kW·h，甘肅省的棄風(fēng)率甚至接近了39%[1]。風(fēng)電消納問題已經(jīng)成為制約風(fēng)電健康發(fā)展的最大障礙[2,3]。

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

本文從電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，針對常規(guī)電源結(jié)構(gòu)和負(fù)荷既定的系統(tǒng)，以傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度、環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度和棄風(fēng)量最小調(diào)度三種調(diào)度模式為例，模擬風(fēng)電接入水平不斷提高的過程，對系統(tǒng)風(fēng)電消納情況進(jìn)行仿真研究，利用風(fēng)電消納量和風(fēng)電利用率同時對不同調(diào)度模式的風(fēng)電消納能力進(jìn)行對比分析，為風(fēng)電并網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行和決策提供參考；在此基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)電消納量與風(fēng)電利用率的關(guān)系，提出一種確定風(fēng)電合理接入水平的方法，為風(fēng)電的建設(shè)規(guī)劃提供參考，同時作為消納能力分析的有效補(bǔ)充。

1 風(fēng)電消納受限與電力系統(tǒng)調(diào)度

風(fēng)電是一種不確定的電源，其出力具有間歇性、波動性和反調(diào)峰特性，將其看作一個負(fù)的負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷相疊加，得到風(fēng)電接入后電力系統(tǒng)的等效負(fù)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(fēng)電接入后等效負(fù)荷的峰谷差和峰谷差率明顯增大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2010年該省份風(fēng)電使負(fù)荷日峰谷差變大的天數(shù)為263天，概率約為72%，可見風(fēng)電的接入明顯加大了系統(tǒng)調(diào)峰的難度。

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

圖1 等效負(fù)荷峰谷差變化

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

2 基于風(fēng)電預(yù)測的調(diào)度模式

常規(guī)的電力調(diào)度以負(fù)荷預(yù)測和機(jī)組出力可控為前提，風(fēng)電接入后，其無法像常規(guī)電源一樣準(zhǔn)確的制定和執(zhí)行發(fā)電計(jì)劃，因此常規(guī)電力系統(tǒng)調(diào)度模型無法適應(yīng)風(fēng)電并網(wǎng)的需求。

目前解決解決風(fēng)電不確定性問題最有效最經(jīng)濟(jì)的做法就是對風(fēng)電的出力進(jìn)行預(yù)測，把“未知”的電源出力變?yōu)椤盎疽阎?，通過超前把握風(fēng)電功率變化趨勢來優(yōu)化安排機(jī)組組合。目前并網(wǎng)的風(fēng)電站都已經(jīng)根據(jù)要求[13,14]開展了風(fēng)電功率預(yù)測預(yù)報(bào)工作，風(fēng)電場上報(bào)風(fēng)電功率的預(yù)測曲線，調(diào)度機(jī)構(gòu)將預(yù)測值納入調(diào)度模型，和常規(guī)機(jī)組協(xié)同編制發(fā)電計(jì)劃。

本文以傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度、環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度和棄風(fēng)量最小調(diào)度三種典型的調(diào)度模式為例，對基于風(fēng)電預(yù)測的電力系統(tǒng)調(diào)度模型進(jìn)行介紹。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。以燃煤經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，綜合考慮火電機(jī)組的運(yùn)行煤耗成本和啟停成本，不優(yōu)先考慮風(fēng)電并網(wǎng)，目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

(2)

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

(2)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度。通過體現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)的環(huán)境效益支持風(fēng)電上網(wǎng)，將常規(guī)機(jī)組大氣污染物排放成本考慮到目標(biāo)函數(shù)中，構(gòu)成環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度：

(3)

(4)

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

(3)棄風(fēng)量最小調(diào)度。根據(jù)促進(jìn)風(fēng)電消納，確保清潔能源優(yōu)先上網(wǎng)的要求，以棄風(fēng)量最小為目標(biāo)接納電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)符合并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)電電量，目標(biāo)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(fù)荷功率。

(7)

(8)

(3)正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束。風(fēng)電的預(yù)測精度遠(yuǎn)不及負(fù)荷預(yù)測，需要考慮預(yù)測誤差對系統(tǒng)備用容量的需求：正旋轉(zhuǎn)備用中要考慮風(fēng)電實(shí)際出力小于預(yù)測值的情況；負(fù)旋轉(zhuǎn)備用要考慮風(fēng)電實(shí)際出力可能大于預(yù)測值，而不超過風(fēng)電機(jī)組額定功率的情況。

(9)

(10)

式中：機(jī)組i在t時刻所能達(dá)到的出力上下限分別為pi,max(t)，pi,min(t)；L%為系統(tǒng)總負(fù)荷對正、負(fù)備用的需求系數(shù)；Pw(t)是t時刻風(fēng)電場實(shí)際出力之和；PWN為系統(tǒng)中所有風(fēng)電場裝機(jī)容量之和；us%、ds%是風(fēng)電預(yù)測誤差對正、負(fù)備用的需求系數(shù)。

(4)常規(guī)機(jī)組爬坡速率約束。

(11)

uri、dri分別為機(jī)組i的上升和下降爬坡速率，T60表示60 min一個調(diào)度時段。

(5)常規(guī)機(jī)組啟停時間約束

(12)

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

3 風(fēng)電消納能力分析

3.1 分析指標(biāo)

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

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

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

(13)

(2)風(fēng)電消納量W。風(fēng)電消納量即調(diào)度時段內(nèi)風(fēng)電的實(shí)際上網(wǎng)電量。

(14)

(3)風(fēng)電利用率η。針對棄風(fēng)限電現(xiàn)象，有必要對風(fēng)電的利用率進(jìn)行分析，避免風(fēng)能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)性問題。在數(shù)值上，風(fēng)電利用率等于1-棄風(fēng)率。

(15)

3.2 分析方法

針對常規(guī)電源結(jié)構(gòu)和負(fù)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(diào)度模型，對系統(tǒng)的日前調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行滾動仿真，采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)對模型進(jìn)行求解，對系統(tǒng)日內(nèi)的風(fēng)電消納量和風(fēng)電利用率進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，作為消納能力分析的依據(jù)。

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

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)概況

表1 常規(guī)機(jī)組排污系數(shù)

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

表2 預(yù)測負(fù)荷及風(fēng)電場預(yù)測出力

4.2 結(jié)果分析

(1)風(fēng)電消納量。如圖2所示，隨著風(fēng)電接入水平的提高，系統(tǒng)的風(fēng)電消納量逐步攀升。棄風(fēng)量最小調(diào)度的攀升速度最快，當(dāng)風(fēng)電消納量達(dá)到15 650 MWh時不再增加，定義其為極限消納水平，對應(yīng)的風(fēng)電穿透率高達(dá)96%；環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度和經(jīng)濟(jì)調(diào)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(biāo)識。

圖2 風(fēng)電消納量

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

圖3 風(fēng)電利用率

4.3 風(fēng)電合理接入水平的確定

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

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

圖4 風(fēng)電合理接入水平的確定

以相同的方法對傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行研究，結(jié)果匯總?cè)绫?。可見，棄風(fēng)量最小調(diào)度達(dá)到合理接入水平所需的風(fēng)電穿透率最低，且在合理接入水平下風(fēng)電消納量最大，風(fēng)電利用率最高；傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的風(fēng)電消納量和風(fēng)電利用率均不理想。

表3 不同調(diào)度模式的風(fēng)電合理接入水平

5 結(jié)論

(1)對于常規(guī)電源結(jié)構(gòu)和負(fù)荷既定的電力系統(tǒng)，風(fēng)電消納量不會隨著風(fēng)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(fēng)電量一定，且不受調(diào)度模式的影響。

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

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

[1]國家能源局.2015年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況 [EB/OL].[2016-02-02].http://www.nea.gov.cn/2016-02/02/c_135066586.htm.

[2]朱凌志，陳寧，韓華玲.風(fēng)電消納關(guān)鍵問題及應(yīng)對措施分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(22)：29-34.

[3]劉暢，吳浩，高長征，等.風(fēng)電消納能力分析方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(4)： 61-66.

[4]艾欣，劉曉.基于需求響應(yīng)的風(fēng)電消納機(jī)會約束模型研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，42(3):17-22,35.

[5]雷濤，鞠立偉，彭道鑫，等.計(jì)及碳排放權(quán)交易的風(fēng)電儲能協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，38(3):97-104.

[6]韓小琪，孫壽廣，戚慶茹.從系統(tǒng)調(diào)峰角度評估電網(wǎng)接納風(fēng)電能力[J].中國電力， 2010， 43(6)：16-19.

[7]姚金雄，張世強(qiáng).基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)風(fēng)電接納能力研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(7)：25-28.

[8]孫榮富，張濤，梁吉.電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的評估及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(4)：70-76.

[9]王芝茗，蘇安龍，魯順.基于電力平衡的遼寧電網(wǎng)接納風(fēng)電能力分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，24(3)：86-90.

[10]張宏宇，印永華，申洪，等.大規(guī)模風(fēng)電接入后的系統(tǒng)調(diào)峰充裕性評估[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(22)：26-31.

[11]衣立東，朱敏亦，魏磊.風(fēng)電并網(wǎng)后西北電網(wǎng)調(diào)峰能力的計(jì)算方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(2)：129-132.

[12]劉新東，方科，陳煥遠(yuǎn)，等.利用合理?xiàng)夛L(fēng)提高大規(guī)模風(fēng)電消納能力的理論研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(6)：35-39.

[13]國家能源局.風(fēng)電廠功率預(yù)測預(yù)報(bào)管理暫行辦法[S].北京：國家能源局，2011.

[14]李鵬波，羅榮鈞，牟春曉，等.基于機(jī)組組合的風(fēng)電消納能力研究[J].電工電能新技術(shù)，2015，34(8):25-31.

[15]CHEN C L.Simulated annealing-based optimal wind-thermal coordination scheduling[J].IET Gener. Transm. Distrib., 2007, 1(3): 447-455.

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(xiàng)目(NY71-14-038)。

張津(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、分析與控制，E-mail：jinzh_milan@live.com。

TM732

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