交直流混聯(lián)電網(wǎng)風(fēng)電消納能力計(jì)算分析

郝 捷，崔佳琪，張 穎

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西供電承裝有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

風(fēng)電作為可再生清潔能源，在我國主要分布在“三北”地區(qū)。近年來，我國的風(fēng)電裝機(jī)容量的逐年升高，在每年冬季風(fēng)電大發(fā)時期風(fēng)電消納比較嚴(yán)峻，主要受電網(wǎng)部分?jǐn)嗝嫒萘肯拗埔约肮釞C(jī)組的調(diào)峰影響。因此，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、靈活調(diào)節(jié)各類資源，讓電網(wǎng)能夠最大限度地消納風(fēng)電具有非常重要的意義。

針對上述問題，本文結(jié)合我國電網(wǎng)中風(fēng)、火、水等各類電源的發(fā)電特性，考慮風(fēng)電消納過程中電網(wǎng)的各種約束條件，建立計(jì)算分析模型，并通過實(shí)例進(jìn)行仿真分析。

1 風(fēng)電消納能力計(jì)算模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以電網(wǎng)能夠接納風(fēng)電的最大能力作為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮風(fēng)電機(jī)組、火電機(jī)組以及水電機(jī)組的總發(fā)電量建優(yōu)化模型。

式中，T表示風(fēng)電消納計(jì)算的周期時長；Pw表示全網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的出力水平；F為全網(wǎng)火電機(jī)組的出力水平；W表示全網(wǎng)水電機(jī)組的出力水平；A表示全網(wǎng)中不同種類發(fā)電機(jī)組的概率密度函數(shù)特性；C表示電網(wǎng)中的約束集。

1.2 風(fēng)電出力特性

各風(fēng)電廠處于不同的風(fēng)速區(qū)域，而風(fēng)電廠的實(shí)際出力與該區(qū)域風(fēng)速息息相關(guān)，與實(shí)際風(fēng)速3次方成正比。因此，各風(fēng)電廠的實(shí)際出力的函數(shù)可表示為

式中，Pw表示電網(wǎng)中風(fēng)電廠的實(shí)際出力；vci表示風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速；vco表示風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速；vr表示風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速；Pwr表示在額定風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的有功出力；V表示該風(fēng)廠所處區(qū)域的實(shí)際風(fēng)速；Pw(V)表示風(fēng)速為V時風(fēng)機(jī)的有功出力。

本文各風(fēng)廠單臺風(fēng)機(jī)使用額定功率為1.5 MW的風(fēng)機(jī)模型，該風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速為3 m/s、額定風(fēng)速為12 m/s、切出風(fēng)速為25 m/s。

1.3 電力系統(tǒng)約束條件

1.3.1 機(jī)組出力約束

式中，PGimax表示電網(wǎng)中每臺火電機(jī)組的最大有功出力；PGimin表示每臺火電機(jī)組的最小有功出力；QGimax表示電網(wǎng)中每臺火電機(jī)組的最大無功出力；、QGimin表示每臺火電機(jī)組的最小無功出力。

1.3.2 水電機(jī)組約束

式中，SChn,j,t+1、SChn,j,t分別表示t+1與t時刻的水庫容量的大小，Rhn,j,t表示入庫水量，H（Phn,j,t）表示發(fā)電需要的用水量；SChn,j,min、SChn,j,max分別表示庫容最小和最大值。

1.4 計(jì)算方法

考慮負(fù)荷確定的基礎(chǔ)情況，將電網(wǎng)根據(jù)斷面劃分為幾個區(qū)域。根據(jù)上述約束條件，在全網(wǎng)火電開機(jī)滿足最小運(yùn)行開機(jī)方式的前提下，采用蒙特卡洛算法求解交直流電網(wǎng)中的風(fēng)電出力、常規(guī)機(jī)組出力以及常規(guī)機(jī)組啟停狀態(tài)等在各時間斷面的最優(yōu)解（圖1）。

圖1 計(jì)算流程

2 實(shí)例仿真

2.1 算例描述

本文根據(jù)山西省實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，山西省2017年風(fēng)電實(shí)際裝機(jī)容量超1 000萬kW，新投產(chǎn)了雁淮特高壓直流線路。由于該省2017年下半年的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，故本文仿真驗(yàn)證該省2017年上半年情況。2017年上半年，山西省風(fēng)電受阻集中在北部風(fēng)電裝機(jī)較多的地區(qū)，主要受斷面與調(diào)峰的影響。其中，斷面受阻主要包括水頭220 kV主變?nèi)萘亢?20 kV朔水線路熱穩(wěn)的約束。因此，將該省北部電網(wǎng)分為三個區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，即水頭區(qū)域、忻朔220 kV區(qū)域、500 kV主網(wǎng)和大同及中南部220 kV環(huán)網(wǎng)區(qū)域（見圖2）。

圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

忻朔220 kV區(qū)域與500 kV主網(wǎng)和大同及中南部220 kV環(huán)網(wǎng)區(qū)域的斷面主要是朔州主變、忻州主變以及五寨主變，其斷面限額為朔州主變220 kV側(cè)限額、忻州主變220 kV側(cè)限額以及五寨主變220 kV側(cè)限額之和，共400萬kW；水頭區(qū)域與忻朔區(qū)域斷面為朔水線，其斷面限額為朔水線限額60萬kW。

2.2 邊界條件

2.2.1 負(fù)荷數(shù)據(jù)

本文采用回歸分析法預(yù)測每月的負(fù)荷數(shù)據(jù)；根據(jù)該省2017年的實(shí)際情況得出負(fù)荷增長率約為5%，與實(shí)際情況基本相同。

2.2.2 系統(tǒng)旋備

系統(tǒng)旋備容量根據(jù)每天最大負(fù)荷的5%進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3 火機(jī)開機(jī)模式

火電機(jī)組的啟停最小周期為1周。

2.2.4 外送斷面數(shù)據(jù)

交流外送聯(lián)絡(luò)線采用該省每年計(jì)劃外送的高峰低估值；特高壓直流外送采用該省與受電省份達(dá)成協(xié)議的計(jì)劃交易電量。

2.2.5 風(fēng)速模擬機(jī)風(fēng)電裝機(jī)容量

由于該省各區(qū)域季節(jié)風(fēng)速相差較大，故各區(qū)域采用區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速序列；風(fēng)電裝機(jī)容量采用該省實(shí)際裝機(jī)容量。

2.2.6 水電參與電力電量平衡時的約束條件

水電機(jī)組在枯水期的最小出力為0，最大出力為0.6，在豐水期的最小出力為0，最大滿出力；抽水蓄能電站機(jī)組全容量運(yùn)行；無電力平衡時約束條件。

2.3 計(jì)算分析結(jié)果

2017年上半年風(fēng)電發(fā)電量78.68億kW時，與實(shí)際發(fā)電量偏差1%；風(fēng)電利用小時數(shù)約986.6 h，與實(shí)際利用小時數(shù)偏差1%；棄風(fēng)電量約9.0億kW·h，與實(shí)際偏差4.25%；其中，忻朔區(qū)域棄風(fēng)5.21億kW·h，水頭區(qū)域棄風(fēng)2.42億kW·h，大同及中南部地區(qū)棄風(fēng)1.38億kW·h，詳見表1。通過對上述問題的分析，結(jié)論與實(shí)際結(jié)果偏差不大。

表1 2017年山西電網(wǎng)新能源消納分析

2.4 敏感性分析

2.4.1 風(fēng)資源敏感性分析

與基礎(chǔ)案例相比，在風(fēng)資源增長10%的情況下，風(fēng)電限電量為1.16億kW·h，增長2.16億kW·h；在風(fēng)資源減少10%的情況下，風(fēng)電限電量為7.28億kW·h，下降1.72億kW·h，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 風(fēng)資源敏感性分析計(jì)算結(jié)果 億kW·h

2.4.2 負(fù)荷敏感性分析

與基礎(chǔ)案例相比，在負(fù)荷按照目前現(xiàn)有增長率的50%，60%，80%，90%情況進(jìn)行敏感性分析。負(fù)荷在現(xiàn)有增長率的50%的情況下，風(fēng)電限電量為7.65億kW·h，減少1.35億kW·h；負(fù)荷在現(xiàn)有增長率的60%的情況下，風(fēng)電限電量為7.10億kW·h，增長1.90億kW·h；負(fù)荷在現(xiàn)有增長率的80%的情況下，風(fēng)電限電量為6.72億kW·h，下降2.38億kW·h；負(fù)荷在現(xiàn)有增長率的90%的情況下，風(fēng)電限電量為6.45億kW·h，下降2.55億kW·h，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 2017年山西電網(wǎng)負(fù)荷敏感性分析計(jì)算結(jié)果 億kW·h

4 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大規(guī)模風(fēng)電將進(jìn)一步并入網(wǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)，其消納能力主要取決于全網(wǎng)系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)性以及是否能夠靈活調(diào)節(jié)資源利用率。本文在考慮電網(wǎng)輸送調(diào)峰以及其他各方面約束的基礎(chǔ)上，求解大型交直流混連電網(wǎng)風(fēng)電最大消納的可行解。通過對山西電網(wǎng)分析可得出以下結(jié)論。

a）增加負(fù)荷需求等不同的靈活調(diào)節(jié)資源均能夠提高風(fēng)電消納能力。

b）制約風(fēng)電消納能力的最大問題在于供熱機(jī)組調(diào)峰能力不足。因此，提高火電機(jī)組調(diào)峰能力是提高該省風(fēng)電消納能力的主要措施。