大規(guī)模風(fēng)電接入情況下火電機(jī)組靈活性改造研究

蓋雅明 侯素青

摘 要：近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電已成為我國(guó)重要的發(fā)電方式，由于風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)波動(dòng)性非常強(qiáng)，因此在對(duì)大規(guī)模風(fēng)電進(jìn)行消納時(shí)，必須要利用火電機(jī)組來(lái)進(jìn)行輔助服務(wù)，雖然火電機(jī)組的總量富余，但其靈活性卻相對(duì)較差，這對(duì)風(fēng)電消納帶來(lái)了很大影響。鑒于此，本文便對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入情況下火電機(jī)組靈活性改造進(jìn)行相應(yīng)的研究，以期能夠提高火電機(jī)組在輔助服務(wù)過(guò)程中的靈活性，使區(qū)域電網(wǎng)能夠?qū)Υ笠?guī)模風(fēng)電進(jìn)行有效消納，確保電網(wǎng)、火力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電、電力用戶端的匹配協(xié)調(diào)及穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;火電機(jī)組;靈活性;改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.167

0 引言

在規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)工作中，隨之而來(lái)的棄風(fēng)問題正受到越來(lái)越多人的關(guān)注，久高不下的棄風(fēng)率給電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納能力帶來(lái)了很大影響，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模消納，已經(jīng)成為電力領(lǐng)域開展能源革命過(guò)程中迫切需要解決的重要問題。要想使電力系統(tǒng)能夠大規(guī)模消納風(fēng)電，就必須要利用火電機(jī)組來(lái)對(duì)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中所引起的大幅度波動(dòng)進(jìn)行有效平抑，通過(guò)火電機(jī)組來(lái)進(jìn)行調(diào)峰，而這就需要對(duì)火電機(jī)組的出力變化速率及其最低穩(wěn)燃負(fù)荷進(jìn)行嚴(yán)格的要求，也就是說(shuō)，需要確?；痣姍C(jī)組具有較高的靈活性。

1 大規(guī)模風(fēng)電接入情況下火電機(jī)組靈活性改造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入情況下火電機(jī)組的靈活性進(jìn)行有效改造，就必須要構(gòu)建一個(gè)相應(yīng)的規(guī)劃模型，該模型應(yīng)包括兩個(gè)時(shí)間維度，分別是小時(shí)和月，然后確定其目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)為總成本最小化，在該目標(biāo)函數(shù)中則分別包含三個(gè)部分的成本，分別是改造火電機(jī)組靈活性的成本、棄風(fēng)成本與發(fā)電成本，并根據(jù)負(fù)荷平衡約束、爬坡約束以及火電機(jī)組的出力范圍約束來(lái)構(gòu)建出相應(yīng)的大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃模型。該模型可從MATLAB軟件中的YALMIP工具箱中進(jìn)行直接調(diào)用，并利用Gurobi8.0求解器來(lái)對(duì)該模型進(jìn)行求解。本文假設(shè)某區(qū)域電網(wǎng)中以風(fēng)電為主，同時(shí)配備有五臺(tái)火電機(jī)組，這些火電機(jī)組均未改造其靈活性，在改造時(shí)其參數(shù)可參考我國(guó)所出臺(tái)的關(guān)于火電靈活性改造的相關(guān)通知來(lái)進(jìn)行，需要確?；痣姍C(jī)組在改造后其穩(wěn)燃負(fù)荷最低額定容量及其爬坡速率分別為30%與3%/min，由a、b、c來(lái)對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的二次項(xiàng)、一次項(xiàng)以及常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行表示。分別假設(shè)風(fēng)電的發(fā)電成本及其上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼為150元/MWh和50元/MWh，在這五臺(tái)火電機(jī)組中，只對(duì)其中兩臺(tái)進(jìn)行改造，其余三臺(tái)則不改造，然后通過(guò)Benders分解算法來(lái)進(jìn)行求解，即可獲得其輸出最優(yōu)解。

2 大規(guī)模風(fēng)電接入情況下火電機(jī)組靈活性改造的求解結(jié)果

在對(duì)火電機(jī)組的靈活性改造進(jìn)行考慮時(shí)，應(yīng)從風(fēng)電消納和成本構(gòu)成兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，同時(shí)還要將其與未改造火電機(jī)組的求解結(jié)果來(lái)進(jìn)行對(duì)比，這樣有助于對(duì)模型的有效性及合理性進(jìn)行必要的驗(yàn)證。通過(guò)分析改造火電機(jī)組與未改造火電機(jī)組兩種情況下的成本構(gòu)成可以了解到，在長(zhǎng)期調(diào)度過(guò)程中發(fā)電成本所占據(jù)的比例是最高的，而且通過(guò)對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，使火電機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰，可使風(fēng)電的上網(wǎng)電量得到有效提高，并且還有助于減少火電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)電成本，因此對(duì)火電機(jī)組靈活性進(jìn)行改造，其經(jīng)濟(jì)性要比未改造火電機(jī)組更高。通過(guò)分析Benders分解算法的求解結(jié)果可知，相比于未進(jìn)行靈活性改造的火電機(jī)組，改造后的火電機(jī)組在用電高峰時(shí)段中的出力上線仍可達(dá)到100%額定負(fù)荷，出力下限可達(dá)30%額定負(fù)荷，并使鍋爐仍然保持穩(wěn)定燃燒，這也使風(fēng)電會(huì)因火電機(jī)組的深度調(diào)峰而得以加大利用和消納。此外，即使是在棄風(fēng)最為嚴(yán)重的時(shí)間段，通過(guò)對(duì)火電機(jī)組的靈活性進(jìn)行改造，也可顯著減少棄風(fēng)量，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果，在對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造后，其全年風(fēng)電棄用量達(dá)到2.984×105MWh，其棄風(fēng)率只有8.31%;而火電機(jī)組在未進(jìn)行靈活改造之前，囿于區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)火電單元機(jī)組調(diào)峰不及時(shí)，其全年風(fēng)電棄用量則高達(dá)5.18×105MWh，其棄風(fēng)率則高達(dá)14.29%。從上述求解結(jié)果中可以了解到，在大規(guī)模風(fēng)電接入情況下，對(duì)火電機(jī)組靈活性進(jìn)行改造，能夠促進(jìn)電力領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)電的消納，在同樣的電網(wǎng)用電負(fù)荷下，減少火電機(jī)組的出力，進(jìn)而在節(jié)約更多化石能源的同時(shí)，也提高了可再生能源在發(fā)電過(guò)程中所帶來(lái)的環(huán)境效益。

3 大規(guī)模風(fēng)電接入情況下火電機(jī)組靈活性改造方案

在火電機(jī)組靈活性改造的規(guī)劃模型中，考慮到大規(guī)模風(fēng)電接入情況，需要將風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼在該模型中進(jìn)行引入，這樣能夠?qū)︼L(fēng)電消納起到激勵(lì)作用。由于長(zhǎng)期以來(lái)，囿于各種因素，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)及補(bǔ)貼居高不下，因此需要根據(jù)其實(shí)際上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼額度來(lái)對(duì)相應(yīng)數(shù)量的機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，機(jī)組的改造數(shù)量與上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼額度成一定的函數(shù)關(guān)系。之所以會(huì)得出該結(jié)論，主要原因有兩個(gè)方面，一方面是我國(guó)對(duì)能源電力行業(yè)及環(huán)境保護(hù)提出的政策性要求，另一方面是火電企業(yè)在機(jī)組靈活性改造中需要投入大量資金，在改造后長(zhǎng)期深度調(diào)峰運(yùn)行中勢(shì)必會(huì)影響火電機(jī)組的運(yùn)行可靠性和部分設(shè)備的壽命，因此行業(yè)內(nèi)選定一些火電廠作為試點(diǎn)進(jìn)行改造示范，并對(duì)能夠進(jìn)行深度調(diào)峰、機(jī)組靈活性達(dá)標(biāo)并領(lǐng)先的火電機(jī)組給予一定的發(fā)電補(bǔ)貼和政策激勵(lì)。在改造中建議優(yōu)先改造300MW～600MW等中小容量級(jí)別單元機(jī)組，這是因?yàn)橹行〖?jí)別單元機(jī)組的發(fā)電效率較低、煤耗和發(fā)電成本等要比大容量機(jī)組更高。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，結(jié)合我國(guó)在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的實(shí)際情況，對(duì)火電機(jī)組在調(diào)峰填谷中的作用進(jìn)行合理利用，能夠顯著提高電力領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)電的消納能力，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)電力領(lǐng)域與新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)于火電機(jī)組靈活性改造工程來(lái)說(shuō)，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力，而這就需要遵循因地制宜的原則，對(duì)相應(yīng)的改造方案進(jìn)行合理的制定和論證，只有這樣才能最大限度的激發(fā)電力企業(yè)對(duì)火電機(jī)組靈活性改造的積極性，以此確?？稍偕茉床⒕W(wǎng)工作的順利進(jìn)行。

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作者簡(jiǎn)介：蓋雅明（1983-），男，遼寧大洼人，研究生，熱動(dòng)專業(yè)工程師，研究方向：電廠熱控可靠性研究和電力發(fā)展研究。