基于功率預(yù)測(cè)的波動(dòng)性能源發(fā)電的多時(shí)空尺度調(diào)度技術(shù)

魯宗相，閔 勇

（清華大學(xué)電機(jī)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

智能電網(wǎng)這個(gè)概念從誕生開(kāi)始就被賦予一個(gè)重要的使命，即提高電網(wǎng)對(duì)波動(dòng)性的可再生能源的接納能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化石燃料發(fā)電方式的替代，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能的綜合目標(biāo).

近年來(lái)，風(fēng)電／光電作為可再生能源，隨著技術(shù)的日趨成熟，在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅猛.2012年8月，中國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)5 258萬(wàn)kW，已取代美國(guó)成為世界第一風(fēng)電大國(guó).但是，由于風(fēng)電／光電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，難以控制，電力系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)最大程度吸納間歇式能源的同時(shí)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如何有效地控制風(fēng)電／光電成為困擾全世界的難題［1-2］.

將風(fēng)電的影響納入電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行成為研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)［3］提出將風(fēng)電與系統(tǒng)運(yùn)行和減排CO2等問(wèn)題結(jié)合起來(lái)建立綜合效益評(píng)估模型，文獻(xiàn)［4］提出在風(fēng)電場(chǎng)控制中引入調(diào)度員指令的影響，文獻(xiàn)［5］在風(fēng)火聯(lián)合系統(tǒng)的機(jī)組組合和調(diào)度運(yùn)行中考慮了風(fēng)電的影響，文獻(xiàn)［6］討論了高比例風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)組組合與備用容量?jī)?yōu)化問(wèn)題，文獻(xiàn)［7］總結(jié)了波動(dòng)性電源在多時(shí)間尺度的波動(dòng)性、隨機(jī)性特點(diǎn).中國(guó)學(xué)者也提出了大型集群風(fēng)電有功智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方案［8］和含風(fēng)電電網(wǎng)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［9］.

針對(duì)風(fēng)電／光電的隨機(jī)性、波動(dòng)性特點(diǎn)，建立預(yù)測(cè)預(yù)控的可再生能源調(diào)度新模式成為電網(wǎng)運(yùn)行的未來(lái)趨勢(shì).所謂預(yù)測(cè)，即在傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，增加可再生能源的發(fā)電功率預(yù)測(cè)，從而建立未來(lái)某運(yùn)行時(shí)段的電源和負(fù)荷的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集作為電網(wǎng)運(yùn)行的依據(jù)；所謂預(yù)控，即建立基于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集的預(yù)想性運(yùn)行方案和控制策略.此外，考慮到風(fēng)電／光電的能量密度低，場(chǎng)站覆蓋地域較傳統(tǒng)火電廠要大很多，必須考慮其空間地域影響和不同時(shí)間尺度的影響.因此，建立基于功率預(yù)測(cè)的波動(dòng)性能源發(fā)電的多時(shí)空尺度調(diào)度體系，是含較高比例可再生能源發(fā)電的未來(lái)電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)展趨勢(shì).

1 中國(guó)風(fēng)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)分析

中國(guó)按照“建設(shè)大基地、融入大電網(wǎng)”的方式，推進(jìn)風(fēng)電的規(guī)?；l(fā)展，逐步形成了甘肅酒泉地區(qū)、新疆哈密地區(qū)、河北北部、吉林西部、內(nèi)蒙西部、內(nèi)蒙東部、江蘇東部、山東等8個(gè)千萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后，在向電網(wǎng)提供清潔能源的同時(shí)，有功出力的波動(dòng)性、不可控性也給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)的巨大壓力.

1.1 風(fēng)電的年變化特點(diǎn)

以華北京津唐地區(qū)為例，風(fēng)場(chǎng)各個(gè)月的發(fā)電量如圖1所示.

圖1 2010年1月-2011年8月華北風(fēng)電月發(fā)電量Figure 1 Monthly generated energy of wind farms in North China during 2010，01-2011，08

可以看到，風(fēng)電出力具有很強(qiáng)的波動(dòng)性與隨機(jī)性，風(fēng)電容量變化具有明顯的季節(jié)性，與風(fēng)電總裝機(jī)容量相比存在比較大的差距.一般在夏季（6-9月），風(fēng)電發(fā)電量偏低，而其他季節(jié)風(fēng)電發(fā)電量較高，需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，冬季（2月）受限電因素干擾，風(fēng)電發(fā)電量反而降低.

1.2 風(fēng)電的日變化特點(diǎn)

風(fēng)速隨晝夜的更替產(chǎn)生有規(guī)律的變化，白天氣溫高，夜間氣溫低，風(fēng)速也隨著氣溫的升降而不斷變化.風(fēng)機(jī)處于近地面層，正常的風(fēng)速日變化是午后最大，此后逐漸減小，到清晨最小，日出后風(fēng)速又隨著增強(qiáng)，白天風(fēng)速變化較夜間快的多，所以風(fēng)速時(shí)間序列在一定程度上表現(xiàn)出日周期性.

文獻(xiàn)［10］給出了中國(guó)6大風(fēng)電基地在2009年1，4，7和10月份日出力變化情況，如圖2所示.

1.3 風(fēng)電的反調(diào)峰特性

由于風(fēng)電日變化的特殊性，大容量風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行后給系統(tǒng)調(diào)峰也帶來(lái)了較為明顯的負(fù)面影響，主要體現(xiàn)：①大規(guī)模風(fēng)電接入導(dǎo)致電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷電網(wǎng)調(diào)峰困難，被迫限制風(fēng)電出力.

某地區(qū)風(fēng)電分別起反調(diào)峰（峰谷差增加）和正調(diào)峰（峰谷差減?。┳饔脮r(shí)的風(fēng)電出力以及負(fù)荷、凈負(fù)荷波動(dòng)曲線分別如圖3，4所示.差變大，客觀上需要增大調(diào)峰容量；②風(fēng)電的反調(diào)節(jié)特性進(jìn)一步加大了對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰容量的需求.調(diào)峰問(wèn)題是制約中國(guó)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的主要矛盾之一.如目前中國(guó)風(fēng)電所占比例最高的吉林電網(wǎng)，調(diào)峰問(wèn)題突出.在冬季夜間的低負(fù)荷、大風(fēng)時(shí)段，風(fēng)電出力大，

圖2 6大風(fēng)電基地2009年典型月份的風(fēng)電日出力曲線Figure 2 Daily wind power output curve of 6wind zones during typical months in 2009

圖3 風(fēng)電起反調(diào)峰作用的典型日負(fù)荷、凈負(fù)荷、風(fēng)電出力曲線Figure 3 Typical daily load，net load and wind power output curves while wind farms have active effect on peackload regulation of system opeartion

圖4 風(fēng)電起正調(diào)峰作用的典型日負(fù)荷、凈負(fù)荷、風(fēng)電出力曲線Figure 4 Typical daily load，net load and wind power output curves while wind farms have passive effect on peackload regulation of system opeartion

1.4 相關(guān)性與平滑效應(yīng)

為衡量風(fēng)電的波動(dòng)，定義風(fēng)電出力變化率（波動(dòng)率）為風(fēng)電出力變化占風(fēng)機(jī)額定容量的百分比，即

式中ρ%表示風(fēng)電出力變化率；P（t＋T）表示t＋T時(shí)刻的風(fēng)電出力；P（t）表示t時(shí)刻的風(fēng)電出力；Pbase表示風(fēng)機(jī)額定容量，對(duì)于不同的時(shí)間尺度，T對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值.

華北某風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)絕對(duì)值的累加概率分布如圖5所示.

圖5 風(fēng)電功率波動(dòng)率絕對(duì)值的累加概率分布Figure 5 Cumulative probability distribution of variable ratio absolute value of wind power

從圖5中可以看到，隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，對(duì)于同一出現(xiàn)概率，相應(yīng)的秒級(jí)功率變化率減小，說(shuō)明隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，總體出力波動(dòng)性減弱.隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加以及分布區(qū)域的變廣，風(fēng)電出力的平滑效應(yīng)使得總體波動(dòng)減弱，這是中國(guó)內(nèi)陸并網(wǎng)風(fēng)電基地的一般性統(tǒng)計(jì)規(guī)律.

2 風(fēng)電大規(guī)模接入對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響分析

1）從電力系統(tǒng)運(yùn)行觀點(diǎn)看，風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)發(fā)電的不同主要原因［11］.

①風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)資源不穩(wěn)定，而常規(guī)發(fā)電廠的煤、油、氣、水及核燃料供給相對(duì)比較穩(wěn)定.

②單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量較小，其有功和無(wú)功功率輸出調(diào)節(jié)控制比較困難，特別是受風(fēng)條件的限制，一般不能進(jìn)行增加功率輸出的調(diào)節(jié)；常規(guī)發(fā)電廠的有功和無(wú)功功率輸出可在大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié).

③風(fēng)電可以預(yù)測(cè)，但風(fēng)電的預(yù)測(cè)難度大，且預(yù)測(cè)精度不高，會(huì)使電力系統(tǒng)中機(jī)組出力的最優(yōu)分配復(fù)雜化.

④系統(tǒng)中不穩(wěn)定的風(fēng)電的增加，電網(wǎng)備用也要增加.電網(wǎng)中無(wú)風(fēng)電接入時(shí)，負(fù)荷消耗功率由常規(guī)機(jī)組承擔(dān)，系統(tǒng)備用僅需考慮負(fù)荷的波動(dòng)；有風(fēng)電接入時(shí)，負(fù)荷消耗由常規(guī)發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組共同承擔(dān)，系統(tǒng)備用除了考慮負(fù)荷波動(dòng)還要考慮風(fēng)電的波動(dòng)，結(jié)果可能兩者相加或相消.

2）在不同時(shí)間尺度上，風(fēng)電的接入都會(huì)給常規(guī)調(diào)度運(yùn)行工作帶來(lái)影響.

①在日內(nèi)尺度上，大規(guī)模風(fēng)電接入導(dǎo)致AGC調(diào)節(jié)容量需求難以確定，系統(tǒng)調(diào)頻難度增加，電壓波動(dòng)范圍增大.

②在日前尺度上，間歇式能源需優(yōu)先調(diào)度，常規(guī)電源日前計(jì)劃曲線難以有效執(zhí)行.此外，系統(tǒng)備用容量難以優(yōu)化，若備用容量太大導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷率低，間歇式能源接納能力低；若備用容量太小，系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行受到威脅.

③在中長(zhǎng)期尺度上，由于間歇式能源長(zhǎng)期發(fā)電量不能準(zhǔn)確預(yù)知，常規(guī)電源年、季、月度發(fā)電量計(jì)劃不確定度增大，而常規(guī)電源檢修安排優(yōu)化則相應(yīng)受到影響.

因此，現(xiàn)有調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)難以全局優(yōu)化最大限度消納間歇式能源，需要充分考慮風(fēng)電大規(guī)模接入后電網(wǎng)-波動(dòng)電源-（傳統(tǒng)）可控電源之間的新型“網(wǎng)源協(xié)調(diào)”調(diào)度機(jī)制.

3 電網(wǎng)-波動(dòng)電源互動(dòng)調(diào)度運(yùn)行機(jī)制

基于功率預(yù)測(cè)的波動(dòng)性能源發(fā)電的多時(shí)空尺度調(diào)度技術(shù)，核心是適應(yīng)中國(guó)風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)思路，形成智能電網(wǎng)體系下的電網(wǎng)-波動(dòng)電源互動(dòng)運(yùn)行機(jī)制，具體包括功率預(yù)測(cè)和預(yù)控調(diào)度兩方面.

3.1 多尺度風(fēng)電功率綜合預(yù)測(cè)及其關(guān)鍵技術(shù)

1）風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是新型網(wǎng)源互動(dòng)調(diào)度運(yùn)行機(jī)制的技術(shù)基礎(chǔ).多尺度風(fēng)電功率綜合預(yù)測(cè)的3個(gè)核心技術(shù)功能：

①風(fēng)資源多時(shí)空分布特性分析.主要功能是對(duì)風(fēng)電隨機(jī)性、空間聚集效應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握風(fēng)資源變化規(guī)律.

②數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（Numeric Weather Prediction，NWP）.主要功能是基于微氣象學(xué)的物理模型，預(yù)測(cè)風(fēng)資源變化趨勢(shì).

③風(fēng)電機(jī)組／風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)轉(zhuǎn)電功率模型.這部分是溝通風(fēng)資源特性與風(fēng)電出力特性的橋梁，初期可根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)備廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)曲線開(kāi)展分析，但隨著運(yùn)行周期加長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行情況建立風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)電功率特性曲線.

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、計(jì)劃、調(diào)度各個(gè)時(shí)間尺度都具有關(guān)鍵的作用.電力系統(tǒng)規(guī)劃／計(jì)劃／調(diào)度功能對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的時(shí)長(zhǎng)、區(qū)域和分辨率要求如表1所示.

表1 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)在新能源調(diào)度系統(tǒng)不同功能中的功能指標(biāo)要求Table 1 Function requirements of wind power prediction in different operation functions of new energy dispatching system

2）風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

①風(fēng)資源數(shù)值模擬及降尺度技術(shù).著重解決空氣動(dòng)力學(xué)方程建模及其降維問(wèn)題.

②數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化技術(shù).著重解決動(dòng)力學(xué)方程組初值場(chǎng)問(wèn)題.

③風(fēng)電集群時(shí)空效應(yīng)建模.著重解決風(fēng)電功率的隨機(jī)特性和風(fēng)電場(chǎng)多風(fēng)電機(jī)組的時(shí)空聚集效應(yīng).

④多預(yù)測(cè)模式集合優(yōu)化技術(shù).著重解決高維動(dòng)力學(xué)方程組的初值場(chǎng)混沌問(wèn)題，通過(guò)綜合預(yù)測(cè)方式來(lái)提高預(yù)測(cè)精度.

⑤預(yù)測(cè)誤差模型及綜合評(píng)價(jià)體系.著重通過(guò)后評(píng)價(jià)形成預(yù)測(cè)技術(shù)閉環(huán)體系，提高預(yù)測(cè)精度.

3.2 基于預(yù)控的多時(shí)空尺度調(diào)度及其關(guān)鍵技術(shù)

多時(shí)空尺度調(diào)度的核心在于時(shí)間、空間和目標(biāo)3個(gè)尺度的協(xié)調(diào)優(yōu)化.從時(shí)間尺度而言，要覆蓋日內(nèi)、日前到中長(zhǎng)期的全過(guò)程；從空間尺度而言，要兼顧風(fēng)機(jī)單機(jī)到風(fēng)電場(chǎng)，到場(chǎng)群的波動(dòng)特性積聚效應(yīng)，在地區(qū)、省級(jí)和地區(qū)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)源協(xié)調(diào)；從目標(biāo)尺度而言，要兼顧調(diào)頻安排、備用容量的優(yōu)化，減少棄風(fēng)棄光，提高可再生能源電源的消納能力.

而采用預(yù)控技術(shù)，即將風(fēng)電功率預(yù)測(cè)信息納入常規(guī)調(diào)度技術(shù)和控制策略中，例如：日前機(jī)組組合、AVC、AGC等，從而有效降低風(fēng)電波動(dòng)性的影響.

基于預(yù)控的多時(shí)空尺度調(diào)度的5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

①特性機(jī)理.著重研究波動(dòng)性能源發(fā)電監(jiān)測(cè)技術(shù)、運(yùn)行特性及影響機(jī)理.

②模型方法.著重研究波動(dòng)性能源發(fā)電多時(shí)空尺度調(diào)度策略與模型方法.

③消納體系.著重研究波動(dòng)性能源發(fā)電多區(qū)域逐級(jí)消納框架體系與協(xié)調(diào)決策技術(shù)；

④仿真研究.著重研究波動(dòng)性能源發(fā)電多時(shí)空調(diào)度決策仿真技術(shù)；

⑤調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng).包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、發(fā)電調(diào)度模型、分析方法及決策支持系統(tǒng).

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)風(fēng)電／光電等波動(dòng)性能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，其波動(dòng)性、隨機(jī)性與傳統(tǒng)電源具有完全不同的變化特性，給電網(wǎng)的調(diào)度帶來(lái)了深刻的影響.

建立基于功率預(yù)測(cè)的波動(dòng)性能源發(fā)電的多時(shí)空尺度調(diào)度體系，是含較高比例可再生能源發(fā)電的未來(lái)電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)展趨勢(shì).多尺度風(fēng)電功率綜合預(yù)測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵基礎(chǔ)，而基于預(yù)控的多時(shí)空尺度調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)是關(guān)鍵途徑.

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