適用于評(píng)估風(fēng)電接納能力的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法

楊寧 王震宇 孫羽 吳珂鳴

摘要 近幾年來，隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其在對(duì)電網(wǎng)風(fēng)電的接納能力研究越來越多的同時(shí)，也逐漸暴露出一些問題，如：（1）研究僅只是針對(duì)最大接納電力，而忽略了年最大的接納電量、甚至是折合風(fēng)電的年利用小時(shí)量等的研究;（2）分析的方法多為典型日分析法，其可信度較低。因此，深入研究電消納的問題，對(duì)提升風(fēng)電資源高效、可持續(xù)的運(yùn)用及電網(wǎng)安全運(yùn)行尤為關(guān)鍵。本文主要就適用于評(píng)估風(fēng)電接納能力的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法進(jìn)行研究，以期能夠提升電網(wǎng)風(fēng)電的消納水平。

[關(guān)鍵詞]評(píng)估 風(fēng)電接納能力 時(shí)序生產(chǎn) 模擬算法

1 前言

風(fēng)電并網(wǎng)容量呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，與傳統(tǒng)的電源相同，風(fēng)電的出力極易受自然風(fēng)能影響，從而存在波動(dòng)性、隨機(jī)性、不確定等特征，這就導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)隨機(jī)表現(xiàn)反調(diào)峰的特征，最終給主網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰能力造成影響。而如何在高比例、大容量的風(fēng)電并網(wǎng)中，將電網(wǎng)風(fēng)電消納的能力準(zhǔn)確地評(píng)估出來，仍是當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)度、調(diào)峰的重點(diǎn)課題。本文主要就某省電網(wǎng)作為案例，分析其電網(wǎng)風(fēng)力在出力時(shí)的空間、時(shí)間特性，進(jìn)而總結(jié)出電網(wǎng)中風(fēng)電的規(guī)?；绊懀⑴c最值負(fù)荷的預(yù)測方案，提出適用于評(píng)估風(fēng)電接納能力的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法。

2 電網(wǎng)風(fēng)力在出力時(shí)的空間、時(shí)間特性

2.1 不同時(shí)間風(fēng)功率的波動(dòng)特性

風(fēng)電的出力在一定程度上會(huì)受到自然環(huán)境的影響，基于風(fēng)電場中每臺(tái)風(fēng)機(jī)各個(gè)時(shí)刻風(fēng)功率的輸出數(shù)據(jù)，可以獲得5min和th間隔間風(fēng)電場風(fēng)功率的波動(dòng)量曲線，而風(fēng)電場風(fēng)功率的波動(dòng)量可通過以下兩個(gè)公式獲得：

式（1）、式（2）中，Pit是t時(shí)刻的第i臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)電功率;而pt是t時(shí)刻時(shí)，輸出風(fēng)電的功率;i是風(fēng)機(jī)的序號(hào);N則是風(fēng)機(jī)的數(shù)量，APt是t時(shí)刻的風(fēng)功率的波動(dòng)量。

風(fēng)電場一月份是最大的風(fēng)功率波動(dòng)月份，風(fēng)電場每小時(shí)出力的波動(dòng)量<自身裝機(jī)容量的40%;且每月或每周的波動(dòng)量<裝機(jī)容量的75%。由此可以得出，風(fēng)電場功率波動(dòng)具有可界定升降區(qū)域。

2.2 不同空間輸出功率的特性

將風(fēng)電場中的集群效應(yīng)納入考慮的范疇，可以得出，風(fēng)電集群的額定容量與最大出率比是集群效益的系數(shù)，可列公式如下：

式（3）中，p代表的是集群效應(yīng)的系數(shù)，而P∑max代表的是各個(gè)風(fēng)電場出力的總和，Pk是風(fēng)電場的額定容量，其中k-l，2……。

風(fēng)電場中的總裝機(jī)容量高達(dá)350MW時(shí)，其集群效應(yīng)的系數(shù)約為0.8，那么，可以得出，風(fēng)場群功率在輸出時(shí)的最高閥限約是其裝機(jī)容量的80%，而這樣的裝機(jī)容量較實(shí)際最高處理水平來說，太過理想化，且風(fēng)電場存在聚群效應(yīng)，且隨著風(fēng)電規(guī)模的擴(kuò)大，輸出的功率波動(dòng)會(huì)隨之下降。

3 適用于評(píng)估風(fēng)電接納能力的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法

風(fēng)電的特性、負(fù)荷的水平、網(wǎng)架的機(jī)構(gòu)以及電源結(jié)構(gòu)等是影響電網(wǎng)接納能力的因素，其中，風(fēng)電的特性主要囊括了風(fēng)電的裝機(jī)容量以及出力時(shí)的時(shí)空特性;負(fù)荷水平涉及的是電網(wǎng)負(fù)荷的需求以及負(fù)荷的增長率;網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)涉及負(fù)荷的備用容量、區(qū)域之間的傳輸容量以及電力平衡的穩(wěn)定條件，電源結(jié)構(gòu)包括了裝機(jī)的容量、電源類型、運(yùn)行的方案以及啟停的狀態(tài)。而這些影響因素并非恒定不可變的，比如，一些水電出力的水平以及負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力會(huì)因庫存的水量而發(fā)生改變，而核電或火電則因季節(jié)氣候而發(fā)生改變，風(fēng)電出力會(huì)因時(shí)間的尺度而出現(xiàn)不同波動(dòng)等。因此，尋找一種適用于評(píng)估風(fēng)電接納能力的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法，不僅能夠綜合多種約束條件的同時(shí)計(jì)算、評(píng)估電網(wǎng)風(fēng)電的接納能力;而且還能夠有效降低成本，進(jìn)而提升風(fēng)電并網(wǎng)的效率。

3.1 計(jì)算模型建立所需的目標(biāo)函數(shù)

計(jì)算模型的目標(biāo)函數(shù)主要是以系統(tǒng)的總體經(jīng)濟(jì)型作為優(yōu)選目標(biāo)，盡可能將火電、風(fēng)電以及水電的最低運(yùn)行成本納入考慮范疇而建立的;可用公式表示目標(biāo)函數(shù)：

式（4）中，Cost表示的是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的成泵，而I代表的則是水電、火電機(jī)組以及風(fēng)電場總數(shù);T代表的是時(shí)段數(shù);而Pfire、Cfire、Phydro、Chydro、Pwind、Cwind是火電、水電以及風(fēng)電技術(shù)出力以及單位電量運(yùn)行的成本。本次研究中，關(guān)于風(fēng)電場電量的單位運(yùn)行成本Cwind歸為O，其目的是為了最大限度降低棄風(fēng)電量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的優(yōu)先消納。

3.2 約束的條件

3.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的約束條件

電力平衡的約束公式表示為：

上述公式中，PLoad，t表示的是t時(shí)刻的區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷，而PLoad，max表示的是區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)最大的負(fù)荷;Plink，t表示是t時(shí)刻聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β剩渲?，送出為?），受入為（-），Pfire，imin與Pfire， i，max代表的分別是第i臺(tái)的火電機(jī)組最小以及最大的發(fā)電出力。

3.2.2 機(jī)組爬坡的速度約束

通常情況下，火電機(jī)組是作為系統(tǒng)最主要的電源，其裝機(jī)的容量比例較高。但爬坡的能力受到限制，就會(huì)影響到其負(fù)荷的跟蹤能力;加之，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)組，在總電源裝機(jī)的容量占比偏小，無法全部承擔(dān)調(diào)峰的任務(wù)，其中，機(jī)組的爬坡速度約束可用公式表示為：

Pi，t-1-Δpdit≤pit≤pi，t-1+Δpuit

其中，Δpdit，Δpuit為第i臺(tái)常規(guī)機(jī)組從第t-l時(shí)段到第t時(shí)段允許的降出力最大值和升出力最大值;風(fēng)電機(jī)組沒有爬坡率約束的限制。

3.2.3 水電機(jī)組的模型約束

一般而言，水電機(jī)組可劃分為兩種;一種是常規(guī)的水電機(jī)組，另一種是抽水儲(chǔ)能水輪機(jī)，而后者又可劃分為發(fā)電、蓄能兩類;其中，發(fā)電輪機(jī)無調(diào)節(jié)出力的能力，全部是由自然的來水量保障其能力;因此，要降水量的損失減少至最低，需充分勞累電網(wǎng)負(fù)荷曲線底層負(fù)荷的工作，并將其歸屬于恒定的出力;再在從負(fù)荷需求的曲線中扣除水電供電的部分，最終獲取等效負(fù)荷曲線。因此，此種水電廠，可得如下數(shù)學(xué)模型：Phydro，t=Pconstanto

常規(guī)的水電機(jī)組自身已經(jīng)具有出力調(diào)節(jié)的功能，因此，其主要負(fù)責(zé)的是系統(tǒng)中間負(fù)荷以及尖峰負(fù)荷的供電，并可以依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際所需來調(diào)節(jié)出力的情況。此外，水電機(jī)組的出力還會(huì)受另外兩個(gè)因素的制約：

（1）水電機(jī)組的容量;

（2）儲(chǔ)水量庫存的限制。

而這兩個(gè)因素，通常采用常規(guī)發(fā)電機(jī)組功率約束進(jìn)行描述。

3.2.4 聯(lián)絡(luò)線的約束

電網(wǎng)正常運(yùn)行期間，各個(gè)區(qū)域間的傳輸容量極易受到聯(lián)絡(luò)線限制，最終影響到風(fēng)電集中并網(wǎng)的接納能力;在模型中，這種限制可用公式表示為：- PLine，i，max≤PLine，i≤PLine，imax式中，PLine，i表示的是第i條傳輸線輸電的功率，而-PLine，i，max、PLine，i，max是該條傳輸線的傳輸容量極限，其中，PLine，i的數(shù)值，即可是正數(shù)也可是負(fù)數(shù)，而符號(hào)代表的是線上功能傳輸?shù)淖呦颉?/p>

3.2.5 斷面潮流安全約束

其中，1，L分別表示斷面編號(hào)和總斷面數(shù);gli，glj分別為第i臺(tái)常規(guī)機(jī)組和第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對(duì)第1斷面的靈敏度因子，可以通過直流潮流對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納矩陣獲得;TLlt，TLlt為斷面潮流的最小值和最大值。

3.2.6 風(fēng)電系統(tǒng)的出力約束

整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的出力，極易受到其自身理論功率約束;加之，風(fēng)電系統(tǒng)的出力存在一定的時(shí)空性，最終使得整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)出功率較理論功率小。

4 結(jié)語

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力的負(fù)荷水平也在不斷提升，使得交直流輸電的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大規(guī)模建設(shè)、清潔能源的大范圍并網(wǎng)，最終導(dǎo)致電網(wǎng)消納風(fēng)電的運(yùn)行過程越來越復(fù)雜;而如何評(píng)估和計(jì)算電網(wǎng)風(fēng)網(wǎng)的消納能力，是降低電網(wǎng)棄風(fēng)、確保電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。本文主要提出適用于評(píng)估風(fēng)電接納能力的時(shí)序生產(chǎn)模擬算法，得到以下結(jié)論：

（1）時(shí)序生產(chǎn)模擬算法在省級(jí)的電網(wǎng)調(diào)度和聲場中適用，能夠進(jìn)一步為大時(shí)間尺度的省級(jí)電網(wǎng)接納能力進(jìn)行量化分析;

（2）不同季節(jié)、不同運(yùn)行的條件下，其風(fēng)電的接納能力各不相同;而實(shí)際負(fù)荷波谷值是制約風(fēng)電消納能力的一個(gè)重要因素;

（3）對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度時(shí)，需根據(jù)負(fù)荷的變化來控制和調(diào)節(jié)風(fēng)場風(fēng)機(jī)的投運(yùn)比例，進(jìn)而最大限度降低棄風(fēng);且在對(duì)未來風(fēng)電進(jìn)行投資和規(guī)劃時(shí)，應(yīng)結(jié)合風(fēng)電消納的能力進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清潔能源的實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。

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