風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略研究

周 健，王 蘇，鄭 彧，朱斌泉，鄒 盼

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司德清縣供電公司，浙江 湖州 313200）

風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略研究

周 健，王 蘇，鄭 彧，朱斌泉，鄒 盼

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司德清縣供電公司，浙江 湖州 313200）

以風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行為背景，從風(fēng)電電源與電網(wǎng)間的“源-網(wǎng)”耦合關(guān)系出發(fā)，定義風(fēng)電功率波動(dòng)

風(fēng)電并網(wǎng)；風(fēng)電功率波動(dòng)；電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力；風(fēng)電調(diào)度

0 引言

風(fēng)能是最具開(kāi)發(fā)潛力的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是有效利用風(fēng)能的主要形式，而風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行是利用風(fēng)力發(fā)電的有效手段。電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)的常規(guī)調(diào)度方案是在傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度基礎(chǔ)上，把電網(wǎng)的安全放在首位，將傳輸線路剩余容量等效為風(fēng)電調(diào)度容量，電網(wǎng)傳輸空間利用率低，而且有大量可并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組未被合理利用，加大了風(fēng)電棄風(fēng)量，考慮“源-網(wǎng)”之間的運(yùn)行耦合特性，合理利用電網(wǎng)自身資源，使大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)和電網(wǎng)安全運(yùn)行之間協(xié)調(diào)發(fā)展，是當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行面臨的重要問(wèn)題。

針對(duì)風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)調(diào)度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一些科研成果。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[3-4]分析風(fēng)電波動(dòng)性和隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響；文獻(xiàn)[5-7]在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)信息以及預(yù)測(cè)誤差分析的基礎(chǔ)上，建立了含風(fēng)電系統(tǒng)的調(diào)度模型；文獻(xiàn)[8-9]分析現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，評(píng)估影響系統(tǒng)調(diào)峰能力的不同因素，提出計(jì)及調(diào)峰約束條件的風(fēng)電最優(yōu)裝機(jī)容量，為風(fēng)電場(chǎng)以及電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、安全接入制定合理計(jì)劃；文獻(xiàn)[10-11]主要分析風(fēng)電的消納能力和系統(tǒng)調(diào)峰能力之間的相互耦合關(guān)系，評(píng)估風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)備用容量和調(diào)峰能力的影響，可充分提高電網(wǎng)接納風(fēng)電能力。

本文提出了一種基于風(fēng)電功率波動(dòng)特性的風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略，并以風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度入網(wǎng)容量、風(fēng)電發(fā)電量和電網(wǎng)傳輸空間利用率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)與常規(guī)調(diào)度方案的比較來(lái)驗(yàn)證所提調(diào)度方案的有效性。

1 風(fēng)電功率波動(dòng)特性分析

1.1 風(fēng)電功率波動(dòng)特性指標(biāo)

利用風(fēng)電有功實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)特性，主要定義如下統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)：

（1）風(fēng)電功率波動(dòng)量ΔPw，即前后2個(gè)時(shí)段內(nèi)風(fēng)電輸出功率的一階差分：

式中：ΔPw為風(fēng)電功率波動(dòng)量；Pwt為t時(shí)刻風(fēng)電輸出功率；Pw（t-1）為（t-1）時(shí)刻風(fēng)電輸出功率。

（2）等效負(fù)荷DL和等效負(fù)荷波動(dòng)量ΔDL，由于風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)誤差較大，且和負(fù)荷有著一樣不可控的性質(zhì)，所以將風(fēng)電輸出功率作為負(fù)的負(fù)荷進(jìn)行處理，用負(fù)荷與風(fēng)電的差值表示等效負(fù)荷：

式中：DL，ΔDL分別為等效負(fù)荷和等效負(fù)荷波動(dòng)量；PL為系統(tǒng)總負(fù)荷；Pw為風(fēng)電輸出功率。

（3）風(fēng)電輸出功率的相關(guān)系數(shù)r，表示風(fēng)電出力的相關(guān)程度，可分析風(fēng)電出力相關(guān)性的強(qiáng)弱：

式中：r為風(fēng)電輸出功率的相關(guān)系數(shù)；Pwa，Pwb為風(fēng)電場(chǎng)a，b的有功功率；為風(fēng)電場(chǎng)a，b的有功功率平均值。

表1 的取值與相關(guān)程度

表1 的取值與相關(guān)程度

r的取值范圍r的意義0.00～0.190.20～0.390.40～0.690.70～0.890.90～1.00極低相關(guān)低度相關(guān)中度相關(guān)高度相關(guān)極高相關(guān)

1.2 風(fēng)電場(chǎng)間出力相關(guān)性分析

風(fēng)電功率的波動(dòng)特性研究是源網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度的基礎(chǔ)。隨著風(fēng)電場(chǎng)群規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)覆蓋區(qū)域增加，需分析不同地理位置的風(fēng)電場(chǎng)間輸出功率的耦合關(guān)系，利用風(fēng)電場(chǎng)間出力相關(guān)系數(shù)表征。若相關(guān)程度為高度相關(guān)及以上，則風(fēng)電場(chǎng)間出力具有相關(guān)性；若相關(guān)程度為低度相關(guān)及以下，則風(fēng)電場(chǎng)間出力具有互補(bǔ)性。

在長(zhǎng)時(shí)間尺度（小時(shí)級(jí)及以上）下，對(duì)某大型風(fēng)電基地中風(fēng)電場(chǎng)A與其位地理置相鄰的風(fēng)電場(chǎng)B和風(fēng)電場(chǎng)A與其地理位置間隔較遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)C。分別計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)AB和AC輸出功率的時(shí)時(shí)相關(guān)系數(shù)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)AB和AC的輸出功率的時(shí)時(shí)相關(guān)系數(shù)

結(jié)合圖1可以看出，位置相鄰風(fēng)電場(chǎng)AB間的輸出功率相關(guān)系數(shù)在0.70～0.89，屬于高度相關(guān)，認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)AB輸出功率具有相關(guān)性；而位置間隔較遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)AC的輸出功率相關(guān)系數(shù)在0.00～0.40，屬于低度相關(guān)，認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)AC間輸出功率具有互補(bǔ)性。

2 風(fēng)電功率波動(dòng)特性對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)的影響

2.1 風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)備用容量的影響

由于負(fù)荷預(yù)測(cè)精度較高（預(yù)測(cè)誤差往往低于10%），傳統(tǒng)電力系統(tǒng)只需預(yù)留較小的旋轉(zhuǎn)備用容量即可覆蓋負(fù)荷的波動(dòng)，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。但是當(dāng)大規(guī)模（數(shù)百兆瓦、甚至逾萬(wàn)兆瓦）風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)以后，由于風(fēng)電的波動(dòng)性，增加了等效負(fù)荷的不確定性，為了保障電網(wǎng)的安全不得不預(yù)留足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量，不利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。兼顧電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)風(fēng)電功率波動(dòng)超過(guò)一定的范圍時(shí)，將迫使風(fēng)電進(jìn)行棄風(fēng)，制約了風(fēng)電的發(fā)展。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的備用容量影響如圖2所示。

圖2 風(fēng)電功率波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)備用容量的影響

由圖2可知，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行增加了電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，將迫使電網(wǎng)預(yù)留更多的旋轉(zhuǎn)備用容量，不利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。

2.2 電網(wǎng)傳輸裕度對(duì)風(fēng)電接納功率影響分析

在風(fēng)電快速發(fā)展的特定階段，風(fēng)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量比重過(guò)大，常出現(xiàn)某電網(wǎng)傳輸通道容量遠(yuǎn)小于該通道所連的風(fēng)火總裝機(jī)容量。電網(wǎng)調(diào)度員在安排運(yùn)行方式時(shí)，必須將電網(wǎng)的安全放在首位。常規(guī)調(diào)度方案以火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)調(diào)度為目標(biāo)，將傳輸線路剩余容量等效為風(fēng)電調(diào)度容量[2]。如圖3所示，電網(wǎng)傳輸能力為PL.max，火電機(jī)組總出力為PTH，則常規(guī)調(diào)度方案中各調(diào)度時(shí)段風(fēng)電入網(wǎng)容量為Psk。

圖3 常規(guī)調(diào)度風(fēng)電入網(wǎng)容量

由于風(fēng)電是典型的低密度電源，實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，風(fēng)電場(chǎng)等效滿發(fā)年利用小時(shí)數(shù)通常不足2 000 h，風(fēng)電場(chǎng)群總輸出功率往往大部分時(shí)間低于其額定裝機(jī)容量，這種常規(guī)調(diào)度方案不僅增加風(fēng)電棄風(fēng)量，也使電網(wǎng)傳輸資源未被完全利用。

3 基于風(fēng)電功率波動(dòng)特性的風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度原理

構(gòu)建風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)的調(diào)度方法，關(guān)鍵要解決的問(wèn)題是：若已知電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和傳輸空間，安排多少風(fēng)電裝機(jī)容量才能使風(fēng)電功率既不突破傳輸空間，又能盡可能充分利用這個(gè)空間。這就需要從對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的研究中,獲得特定風(fēng)電裝機(jī)容量下發(fā)電功率變化的特征屬性[3]。

通常電網(wǎng)獲取的風(fēng)電歷史數(shù)據(jù)都有較小的數(shù)據(jù)間隔（小于5 min），而調(diào)度時(shí)段通常大于等于15 min，由于風(fēng)電場(chǎng)群之間的風(fēng)電出力存在相關(guān)性和互補(bǔ)性，使風(fēng)電場(chǎng)群總出力趨于平緩，為了反應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)群輸出功率的整體波動(dòng)特性，可以利用風(fēng)電場(chǎng)群歷史的有功功率表征該地區(qū)風(fēng)速的變化[5]。

在此基礎(chǔ)上，利用風(fēng)電場(chǎng)群歷史數(shù)據(jù)集上t時(shí)段內(nèi)風(fēng)電輸出功率的最大值max{Phis}t表征該風(fēng)電場(chǎng)群t時(shí)段內(nèi)輸出功率情況，定義t時(shí)段上歷

式中：kat表示為t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)群輸出功率的豐度系數(shù)；根據(jù)風(fēng)電功率的變化特點(diǎn)可知：0＜kat＜1.0；PWN表示風(fēng)電場(chǎng)群的總裝機(jī)容量。

將緊隨歷史Q天的Q+1天視為調(diào)度日，并假設(shè)歷史數(shù)據(jù)能充分反映調(diào)度日風(fēng)電變化的主要特征。若已知調(diào)度日t時(shí)段電網(wǎng)可接納的風(fēng)電功率為PWt，則可得到相應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)群初步調(diào)度入網(wǎng)容量計(jì)算式：

只要知道調(diào)度日各時(shí)段電網(wǎng)可接納的風(fēng)電功率和風(fēng)電場(chǎng)群的豐度系數(shù)，按照式（6）就可以算出各調(diào)度時(shí)段以裝機(jī)容量表示的風(fēng)電場(chǎng)群初步調(diào)度方案，但考慮到風(fēng)電波動(dòng)的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致初步調(diào)度所得的裝機(jī)容量在調(diào)度日該時(shí)段的最大功率超過(guò)電網(wǎng)傳輸容量。

為了研究未來(lái)調(diào)度日各個(gè)調(diào)度時(shí)段的風(fēng)電功率的最大出力值與歷史數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定義了非覆蓋系數(shù)。在風(fēng)電歷史數(shù)據(jù)集合上滾動(dòng)研究覆蓋關(guān)系。將調(diào)度日內(nèi)t時(shí)段風(fēng)電功率的最大值記為max{Pdisp}t，判斷 max{Phis}t與 max{Pdisp}t的大小關(guān)系，若max{Phis}t＜max{Pdisp}t，則t時(shí)段為非覆蓋時(shí)段。非覆蓋系數(shù)：史風(fēng)電功率最大值與總裝機(jī)容量的比值為豐度系數(shù)kat，如式5所示：

式中：Kut表示t時(shí)段風(fēng)電輸出功率的非覆蓋系數(shù)，Kut數(shù)值上需大于1。

為實(shí)現(xiàn)最大規(guī)模接納風(fēng)電，使得調(diào)度入網(wǎng)的風(fēng)電可發(fā)功率能夠最大限度的利用電網(wǎng)資源又不危及電網(wǎng)的安全，得到相應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度入網(wǎng)容量：

式中：CWNt表示t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度入網(wǎng)的容量。

4 算例分析

該算例系統(tǒng)的區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)包括總裝機(jī)容量為3 050 MW風(fēng)電場(chǎng)群和總?cè)萘繛? 720 MW常規(guī)火電機(jī)組（共74臺(tái)），其中風(fēng)電場(chǎng)群與裝機(jī)2 000 MW的常規(guī)火電機(jī)組（共20臺(tái)）通過(guò)最大傳輸能力為3 500 MW的線路外送至主電網(wǎng)，同時(shí)7 720 MW的常規(guī)火電機(jī)組（共54臺(tái)）通過(guò)其他多條線路送至主電網(wǎng)。

設(shè)每個(gè)調(diào)度日為24個(gè)時(shí)段（每時(shí)段1 h），得到調(diào)度日電網(wǎng)可接納風(fēng)電功率曲線，依據(jù)式（8），即可求出調(diào)度日風(fēng)電并網(wǎng)容量。圖5—圖7分別為本文調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案的風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度入網(wǎng)容量、風(fēng)電發(fā)電量和電網(wǎng)傳輸空間利用率對(duì)比圖。

圖5 各時(shí)段風(fēng)電入網(wǎng)裝機(jī)容量

圖6 各調(diào)度時(shí)段風(fēng)電發(fā)電量對(duì)比曲線

圖7 各調(diào)度時(shí)段電網(wǎng)傳輸空間利用率對(duì)比曲線

從圖5可見(jiàn)，所提風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度方案顯著提高了風(fēng)電場(chǎng)群入網(wǎng)容量、風(fēng)電發(fā)電量和電網(wǎng)傳輸空間利用率。風(fēng)電場(chǎng)群入網(wǎng)容量由1 838 MW增加到2 413 MW，提高幅度為31.28%風(fēng)電平均發(fā)電量由82 023 MWh增加到107 720 MWh，提高幅度為31.28%，電網(wǎng)空間利用率由39.1%增加到53.1%，提高幅度為35.81%。

表2給出了所用聯(lián)協(xié)調(diào)調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比。

表2 源網(wǎng)協(xié)調(diào)方案與常規(guī)調(diào)度方案指標(biāo)比

5 結(jié)論

從風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的影響出發(fā)，提出了基于風(fēng)電功率波動(dòng)特性的風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略。以東北某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明采用此方案后，風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度入網(wǎng)容量、風(fēng)電發(fā)電量和電網(wǎng)傳輸空間利用率等評(píng)價(jià)指標(biāo)均有不同程度的提高，提高幅度分別達(dá)到31.28%，31.32%和35.81%，驗(yàn)證了此方案的有效性。

[1]婁素華，李志恒，高蘇杰.風(fēng)電場(chǎng)模型及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（2）∶330-334.

[2]遲永寧，劉燕華，王偉勝，等.風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（3）∶77-81.

[3]周瑋，彭昱，孫輝．含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（25）∶13-18.

[4]張海峰，高峰，吳江.含風(fēng)電的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（5）∶1298-1303.

[5]孫元章，吳俊，李國(guó)杰，等．基于風(fēng)速預(yù)測(cè)和隨機(jī)規(guī)劃的含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（4）∶41-47.

[6]張曉輝，董興華．含風(fēng)電場(chǎng)多目標(biāo)低碳電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（1）∶24-30.

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

[8]曹昉，張粒子．滿足調(diào)峰約束的可接納風(fēng)電容量計(jì)算[J].現(xiàn)代電力，2013，30（4）∶7-12.

[9]孫榮福，張濤，梁吉．電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的評(píng)估及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，3（4）∶70-76.

[10]YAN YONG，WEN FUSHUAN，YANG SHOUHUI.Generation Scheduling with Fluctuating Wind Power[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（6）∶79-88.

（本文編輯：楊 勇）

Research on Coordinated Scheduling Strategy for Wind Power Integration

ZHOU Jian，WANG Su，ZHENG Yu，ZHU Binquan，ZOU Pan

（State Grid Deqing Power Supply Company，Huzhou Zhejiang 313200，China）

Abstrsct:In the context of wind power integration and on the basis of the"power source-grid"coupling between wind power and power grid，the paper defines power fluctuation index of wind power and analyzes the impact of large-scale wind power integration on grid adjustment capability；moreover，it presents a coordinated scheduling strategy for wind power integration based power fluctuation characteristics.Based on the actual power grid system in a given area and by comparing the wind farm group scheduling integration capacity，wind power generation capacity and the power grid transmission space utilization of the proposed scheduling scheme and the conventional scheduling scheme，the paper validates the effectiveness of the scheduling strategy.

wind power integration；wind power fluctuations；power adjustment capability；wind power scheduling

TM734

B

1007-1881（2016）08-0018-04

2016-05-16

周 ?。?988），男，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉唇尤雽?duì)電網(wǎng)的影響。

指標(biāo)，分析了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的影響，提出了基于風(fēng)電功率波動(dòng)特性的風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略。以某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)為例，通過(guò)對(duì)比本文所提調(diào)度方案和常規(guī)調(diào)度方案的風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度

入網(wǎng)容量、風(fēng)電發(fā)電量和電網(wǎng)傳輸空間利用率等評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)所提的調(diào)度策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。