風(fēng)電功率外送輸電容量規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性研究

于志勇，宋新甫，張?jiān)鰪?qiáng)，辛超山，李海峰

(國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

由于煤炭、石油、天然氣等礦物質(zhì)燃料在利用過(guò)程中會(huì)排放出大量的CO2、SO2等影響環(huán)境的氣體，加之礦物燃料的日益短缺，使得能源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾變得越來(lái)越突出[1]。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高能源效率，是一項(xiàng)亟需解決的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)和利用可再生能源為解決能源短缺與環(huán)境問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。中國(guó)已將“可再生能源低成本的規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用”列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃》能源領(lǐng)域5個(gè)優(yōu)先主題之一。風(fēng)力發(fā)電是一種受風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的電源，風(fēng)速的隨機(jī)變化性與不確定性導(dǎo)致了風(fēng)電的隨機(jī)性與不可預(yù)測(cè)性。風(fēng)電接入系統(tǒng)之前，電力系統(tǒng)通過(guò)可實(shí)時(shí)控制的發(fā)電追蹤、可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)功率供需平衡，從而保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]。風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，風(fēng)電功率的波動(dòng)性和不可控性會(huì)不同程度地影響既有電網(wǎng)的功率平衡，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。當(dāng)接入的風(fēng)電規(guī)模較小時(shí)，風(fēng)電功率的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響較小，容易治理。隨著風(fēng)電規(guī)模的增加，風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾越來(lái)越突出，導(dǎo)致棄風(fēng)較為嚴(yán)重。風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾?chē)?yán)重地影響了風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)。如何協(xié)調(diào)風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾，提高風(fēng)電的并網(wǎng)規(guī)模是一項(xiàng)亟需解決的問(wèn)題[5-8]。

針對(duì)中國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模受限，棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重這一問(wèn)題，結(jié)合中國(guó)風(fēng)電“大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)距離輸送”發(fā)展模式，確定建設(shè)風(fēng)電功率外送通道，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的跨區(qū)域消納是緩解風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模受限、提高風(fēng)電利用率的有效途徑。下面建立了綜合考慮輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本的輸電工程經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電功率的分布特征，提出了一種以輸電工程經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的風(fēng)電功率外送輸電容量的規(guī)劃方法，結(jié)合某省實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)與實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證[9-10]。

1 常規(guī)電源的外送輸電容量規(guī)劃方法

風(fēng)力發(fā)電是受風(fēng)能的驅(qū)動(dòng)而發(fā)電，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的不可控性，與常規(guī)機(jī)組不同，其出力完全可以根據(jù)負(fù)荷的變化加以調(diào)控。以裝機(jī)容量為Cinstall的火電廠為例，在負(fù)荷較高的情況下，調(diào)度人員可以根據(jù)需要使火電廠以額定裝機(jī)容量運(yùn)行，并且火電廠工作人員也完全有能力控制火電廠以額定裝機(jī)容量運(yùn)行。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)而言，當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，調(diào)度部門(mén)期望風(fēng)電場(chǎng)能夠以額定裝機(jī)容量運(yùn)行以滿足負(fù)荷的需要；然而，風(fēng)電場(chǎng)工作人員因?yàn)闊o(wú)法控制風(fēng)速而不能夠滿足調(diào)度部門(mén)的需要。因此，決定了風(fēng)電與常規(guī)電源的功率外送輸電容量規(guī)劃方法不同。

對(duì)于常規(guī)機(jī)組，以火電廠為例，圖1給出了某區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)該地區(qū)共有m個(gè)火電廠，功率經(jīng)過(guò)匯聚后集中送入電網(wǎng)，對(duì)于匯聚后的輸電容量計(jì)算公式為

(1)

式中：Pline.th為火電功率外送輸電容量；Cinstall.i為第i個(gè)火電廠的裝機(jī)容量。

圖1 某區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際輸出功率在大部分時(shí)間達(dá)不到風(fēng)電場(chǎng)的額定裝機(jī)容量，如果對(duì)于功率匯聚外送輸電容量的規(guī)劃按照風(fēng)電場(chǎng)的額定裝機(jī)容量進(jìn)行規(guī)劃，勢(shì)必會(huì)造成輸電通道的嚴(yán)重浪費(fèi)，因此，對(duì)于風(fēng)電功率匯聚外送的輸電容量規(guī)劃必須異于常規(guī)電源。

2 風(fēng)電功率外送輸電容量規(guī)劃方法

2.1 年持續(xù)功率曲線

風(fēng)電輸電容量的規(guī)劃問(wèn)題不需要過(guò)度地關(guān)注時(shí)序曲線，更多關(guān)注的是風(fēng)電功率整體分布情況以及一段時(shí)間內(nèi)的最大出力值。因此聯(lián)想到在電力系統(tǒng)分析中提出的年持續(xù)負(fù)荷曲線這一概念，將風(fēng)電場(chǎng)群一年中采集到的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)按照從大到小的順序依次進(jìn)行排列，不考慮風(fēng)電功率的時(shí)序性，從而得到風(fēng)電場(chǎng)群的年持續(xù)功率曲線，借助該曲線來(lái)進(jìn)行風(fēng)電功率匯聚外送的輸電容量規(guī)劃。

圖2給出了風(fēng)電場(chǎng)個(gè)數(shù)增加時(shí)，年持續(xù)功率曲線的對(duì)比。從圖中可以直觀地看出隨著風(fēng)電場(chǎng)個(gè)數(shù)的增加，風(fēng)電功率的最大值遞減，風(fēng)電功率為0的時(shí)間越來(lái)越少，曲線變得越來(lái)越平滑。借助于年持續(xù)功率曲線，可以有效地觀察風(fēng)電功率的整體出力水平以及外送輸電容量的變化對(duì)輸送電量的影響程度；但是借助年持續(xù)功率曲線只能從宏觀上把握外送輸電容量的規(guī)劃區(qū)間，無(wú)法定量地給出一個(gè)具體的最優(yōu)容量值。因此將從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，結(jié)合外送輸電容量規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型確定外送輸電容量的最優(yōu)值。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)個(gè)數(shù)增加時(shí)年持續(xù)功率曲線對(duì)比

2.2 外送輸電容量的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型

1)輸電效益

借助于風(fēng)電功率外送輸電通道，可以將風(fēng)電功率傳輸?shù)截?fù)荷中心從而得到及時(shí)消納。這個(gè)過(guò)程中輸電通道帶來(lái)的電量收益將其稱(chēng)為輸電效益，具體的計(jì)算公式為

R(L)=CpEwind

(2)

式中：R(L)為輸電效益；Cp為輸送單位風(fēng)電電量的電價(jià)；Ewind為壽命周期內(nèi)輸送的總電量，具體的計(jì)算公式為

(3)

式中：n為輸電系統(tǒng)的運(yùn)行壽命；Pwind(t)為t時(shí)刻輸送的風(fēng)電功率；ΔT為風(fēng)電機(jī)組利用時(shí)間，其計(jì)算公式為

(4)

式中：Pline為風(fēng)電外送輸電容量；Pactual(t)為t時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)。

2)棄風(fēng)損耗

由上面分析可知，為了更加經(jīng)濟(jì)合理地規(guī)劃風(fēng)電功率的外送輸電容量，在規(guī)劃時(shí)并不是簡(jiǎn)單地根據(jù)各風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量總和來(lái)確定外送輸電容量，因此，必然會(huì)存在當(dāng)風(fēng)電功率超過(guò)外送輸電容量時(shí)可能由于阻塞帶來(lái)的棄風(fēng)電量。定義由于外送輸電通道的阻塞造成的棄風(fēng)電量為棄風(fēng)損耗。以圖2中包含9個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電場(chǎng)群的年持續(xù)功率曲線為例，假設(shè)外送輸電容量為0.5 pu，則年持續(xù)功率曲線中，縱坐標(biāo)表示0.5 pu的直線上方與年持續(xù)出力曲線所圍成的面積即為所提的棄風(fēng)損耗。具體計(jì)算公式為：

(5)

(6)

式中：Eloss(L)為棄風(fēng)損耗；Kq為單位棄風(fēng)電量的電價(jià)(按風(fēng)電發(fā)電電價(jià)計(jì)算)；Ploss(t)為t時(shí)刻的棄風(fēng)功率；ΔT為為風(fēng)電機(jī)組利用時(shí)間。

3)輸電成本

建設(shè)輸電線路時(shí)，需要投資者投入大量的資金購(gòu)買(mǎi)建設(shè)材料、支付人工費(fèi)用等建設(shè)費(fèi)用，將其定義為輸電成本，具體的計(jì)算公式為

C(L)=K1PlineL

(7)

式中：C(L)為輸電成本；Kl為建設(shè)單位長(zhǎng)度、單位容量的輸電線路的工程造價(jià)；L為輸電線路的長(zhǎng)度。

4)綜合效益

綜合考慮輸電線路帶來(lái)的輸電效益，棄風(fēng)損耗以及輸電成本等因素對(duì)輸電容量規(guī)劃的影響，將其定義為輸電工程的綜合收益，計(jì)算公式為

S(L)=R(L)-Eloss(L)-C(L)

(8)

式中，S(L)為輸電工程的綜合收益。

圖3為基于風(fēng)電場(chǎng)群年持續(xù)功率曲線的風(fēng)電功率外送輸電容量規(guī)劃示意圖。從圖中可以看出，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)可得到風(fēng)電場(chǎng)群的年持續(xù)功率曲線。當(dāng)風(fēng)電外送輸電容量Pline確定時(shí)，輸電線路的建設(shè)成本即可求出，對(duì)應(yīng)的輸電收益與棄風(fēng)損耗可以計(jì)算；當(dāng)Pline增加時(shí)，棄風(fēng)電量減少，輸送電量增加，但輸電成本同樣增加；當(dāng)Pline減少時(shí)，棄風(fēng)電量增加，輸送電量減少，但相應(yīng)的輸電成本下降：因此，必然會(huì)存在一個(gè)Pline使輸電工程的綜合收益最優(yōu)。

圖3 基于風(fēng)電場(chǎng)群年持續(xù)功率曲線的風(fēng)電外送輸電容量規(guī)劃

假定Pline從0開(kāi)始到風(fēng)電場(chǎng)群的裝機(jī)容量Sn之間變化時(shí)，勢(shì)必會(huì)得到一條如圖4所示的曲線，使綜合收益最大的外送輸電容量Pline即為最終確定的規(guī)劃容量。

3 算例分析

3.1 算例條件

圖5為某區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖。該電網(wǎng)中包含9個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)群的總裝機(jī)容量為1 493.8 MW，實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度時(shí)間為1年，數(shù)據(jù)的采樣間隔為5 min。圖6為該風(fēng)電場(chǎng)群1年中實(shí)測(cè)輸出功率的原始曲線。表1為輸電工程經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估的相關(guān)參數(shù)參考值。

圖4 基于風(fēng)電場(chǎng)群年持續(xù)功率曲線的風(fēng)電外送輸電容量規(guī)劃

圖5 某區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖6 風(fēng)電場(chǎng)群實(shí)測(cè)風(fēng)電功率曲線

表1 算例參考數(shù)據(jù)

3.2 算例結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)電功率外送輸電容量Pline從0開(kāi)始逐漸增加到1 493.8 MW(風(fēng)電場(chǎng)群的裝機(jī)容量)時(shí)，輸電工程的綜合收益變化曲線如圖7所示。

圖7 風(fēng)電功率外送輸電工程綜合收益曲線

從圖中可以看出，風(fēng)電功率的最優(yōu)外送輸電容量為935.1 MW，相應(yīng)的該輸電工程在一年中帶來(lái)的綜合收益為6274萬(wàn)元，當(dāng)輸電容量取最優(yōu)值時(shí)，相應(yīng)的輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本如表2所示。

表2 輸電容量最優(yōu)時(shí)的輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本

如果按照常規(guī)電源的外送輸電容量規(guī)劃方法進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，即外送輸電容量按風(fēng)電場(chǎng)群的額定裝機(jī)容量規(guī)劃，此時(shí)，輸電工程帶來(lái)的輸電效益為16 343.32萬(wàn)元，棄風(fēng)損耗為0元，年輸電成本為14 938萬(wàn)元，年綜合收益為1 405.3萬(wàn)元，僅占所提方法收益的23.12%，從而驗(yàn)證所提方法的有效性。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)中國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模受限且電網(wǎng)的風(fēng)電傳輸空間有限，在確定中國(guó)風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送的發(fā)展模式下，提出了一種經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)功率外送輸電容量的規(guī)劃方法。構(gòu)建了綜合考慮輸電工程經(jīng)濟(jì)效益的風(fēng)電外送輸電容量規(guī)劃模型，對(duì)于輸電工程的經(jīng)濟(jì)效益分析考慮了輸電工程的輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本。結(jié)合實(shí)際的電力系統(tǒng)以及風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)，通過(guò)算例分析表明，所建模型在降低輸電成本的同時(shí)能夠給電網(wǎng)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)收益。