基于多目标经济调峰模型的区域电网风电接纳能力评估方法研究

张明理,李青春,张 楠

(1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006;2.辽宁省电力有限公司,辽宁 沈阳 110006)

随着我国政府对开发利用可再生能源的高度重视及 《可再生能源法》的颁布实施,包括风力发电、生物质能发电、太阳能光伏发电在内的可再生能源发电在近几年得到了较快的发展。其中,风力发电技术是最成熟、最具规模化开发和商业化发展的能源发电方式之一,其发展速度居于各种可再生能源之首。截至2009年底,全国风电场累计装机已达到2 600万kW,居世界第二位;到2015年,全国风电开发建设规模有望达到15 000万kW。在江苏沿海和 “三北”风能资源丰富地区建成10多个百万kW级风电基地和7个千万 kW级风电基地,形成若干个 “风电三峡”,风电在局部地区电力供应中达到较高比例。

电网能够承受的风电装机容量[1-5]与所在电网的系统规模、电源结构和布局、负荷特性等密切相关。风电大规模发展后,必然要参与系统电力平衡,由此将带来调峰问题,若系统无足够的调峰容量,将必然导致风电出力受到限制。当大规模风电同时率较高时,风电出力的变化将对电网造成很大冲击,系统需要留有足够的备用容量来平衡风电的波动,以确保电网的安全稳定运行。因此,对于网架结构、电源结构固定的区域电网,风电的接纳能力是有一定极限的,盲目接入风电是不科学的。

本文基于电网多目标调峰模型提出一种新的区域电网风电接纳能力的评估方法。根据该方法可以针对省级区域电网的风电接纳能力进行评估,评估结果可以为风电规划容量提供科学的参考依据。

1 多目标经济调峰模型的确定

1.1 机组类型及参与调峰能力

a. 火电机组在我国电网中装机容量最多,通过调整机组出力参与电网调峰。一般参与程度为装机容量的30% 50%。

b. 热电机组在我国北部电网装机容量较多,冬季依据 “以热定电”原则,参与调峰容量较小。一般参与调峰容量为10%左右。

c. 水电机组在夏季丰水期时,水电机组主要参与电网的基荷平衡,一般不参与调峰;枯水期水电机组仅在负荷峰值时参与调峰,最大可以达到100%参与调峰。

d. 核电机组单机容量较大,在电网运行中主要参与基荷平衡,一般不参与调峰平衡。

e. 抽水蓄能电站主要参与电网调峰平衡,参与程度达到200%。

f. 风电机组出力随机性较大,可控性较差,完全受风能变化的影响,在电网调峰中主要按照反调峰考虑。

1.2 发电成本目标函数

电网经济调峰研究[6、10]的主要内容之一是考虑机组间的经济运行。设一电网n台机组t时刻向总供电负荷为PL.sum(t)的电网供电,电网平均网损率为 ρloss,平均厂用电率为 ρgen,第 i(1≤i≤n)个发电厂t时刻发电功率为Pi(t),其相应的发电费用为Fcost(pi(t)),在满足功率平衡的约束条件下,求一组功率值Pi(t)(i=1,2,3,…,n),使t时刻全网发电费用最小。即:

式中:Fcost(p)为发电成本目标函数,式 (1)满足不等式约束:

式中:Pmax为机组最大出力,Pmin为机组最小出力。

系统负荷平衡约束:

式中:PG.sum(t)为t时刻对应的发电电力。

1.3 电网的网损约束

在考虑机组经济运行的同时要考虑电网的网损,如A、B两个电厂假设装机容量、机组性能、耗量特性等均相同,但由于在电网中所处的位置不同,对电网的网损引起的变化就会有所不同。因此单独考虑机组或电厂的经济性并不能代表电网经济运行。考虑机组或电厂经济运行的同时,必须考虑使网损尽可能小,即:

式中:Floss(p)为网损目标函数;Floss(pi(t))为i电厂t时刻出力变化对应的网损电力的函数表达式。

1.4 电网的安全稳定约束

电网的安全稳定问题包括:严重故障方式下的暂态稳定、轻微故障的小干扰稳定、潮流的热稳定等。为保证电网的安全稳定运行,调度部门根据电网存在的具体问题提出限制机组出力、电网受入或送出功率大小等技术措施,在考虑机组或电厂经济运行的同时,必须考虑全网安全风险系数尽可能小,即:

式中:Fse(p)为安全风险系数目标函数;Fse(pi(t))为i电厂t时刻出力变化对电网安全风险的影响系数函数。

2 经济调峰平衡分析

在考虑以上经济目标函数和约束条件的同时,电网调峰平衡还应考虑机组调峰深度、机组爬坡能力、区域电网备用容量和受入送出电力等因素。本文仅对调峰过程进行简要说明。

假设电网运行的典型日最大供电负荷为PL.max,最小供电负荷为PL.min,根据式 (3)对应的最大发电电力为PG.max,最小发电电力为PG.min,在满足式 (1)的条件下,有n台机组向电网供电,在典型日负荷峰值时,经济调峰平衡应满足式 (6):

式中:P备用为电网中的负荷备用和旋转备用之和,其中负荷备用占总负荷的3% 5%;旋转备用一般不小于电网中的单机最大容量;Pi.max为第i台机组的最大出力。

在典型日峰值负荷满足式 (6)同时,负荷低谷时应满足式 (7)要求。

式中:λi为第i台机组参与调峰的比例,一般根据机组类型不同各不相同,火电机组最大达到0.6,水电机组最大达到1。

在考虑地区电网受入电力Pin和外送电力Pout条件下,机组出力与负荷平衡关系如下:

设区域电网t时刻受入电力为Pin(t),外送电力为Pout(t),典型日峰值负荷和低谷负荷时发电电力满足:

式中:t1为负荷峰值时刻。

式中:t2为负荷低谷时刻。

调峰盈余为

当P盈余≥0时,说明机组调峰能力能够满足调峰平衡要求。

当P盈余≤0时,说明机组调峰能力不能够满足调峰平衡要求,这时调峰就会出现困难,需要在一定程度上限制供电负荷。

3 基于多目标经济调峰模型的区域电网风电接纳能力评估方法

3.1 多目标经济调峰模型[11-13]

研究电网经济运行涉及因素较多,实际研究过程中比较复杂,对某些因素只能简化、抽象处理。对于发电成本、网损和安全稳定约束3个目标函数的表述为

令F′r为minFr在约束条件下的优越解,在电网实际运行过程中由于在约束条件下,一般不可能全网发电成本最小、全网网损最小和全网安全系数最大同时达到目标。所以电网经济调峰中期望找到满足约束条件下得到目标函数的优越解。

3.2 基于调峰盈余的风电接纳能力

电网接纳风电能力受电网结构、负荷水平、联络线输送能力、网内常规机组调峰能力以及系统备用容量的制约。本文主要考虑由于调峰平衡制约区域电网风电接纳能力的分析原则。

a. 区域电网在典型日负荷方式下,负荷峰值时除留有正常的旋转备用和负荷备用外,所有运行机组均满出力运行。

b. 在保证不对火电和热电机组开停机进行调峰平衡方式下,负荷低谷时,所有运行机组调峰盈余决定电网风电接纳能力。即典型日峰值负荷时所有运行机组调峰能力之和与发电负荷峰谷差的差值决定了风电接纳能力的大小。

考虑区域电网内所有风电同时率为 α,所有风电反调峰率为 β,所以考虑基于调峰平衡的风电接纳能力为

从以上的分析结果可以看出,影响风电接纳能力的因素较多,其中主要包括:机组调峰能力、负荷峰谷差、受电及外送潮流波动、风电同时率及风电反调峰率等,对区域电网的风电接纳能力进行分析需要综合考虑以上各种因素。

4 基于接纳能力的风电受限情况估算

近几年,风电装机容量发展速度呈现成倍增长趋势,电网的风电接纳能力受限因素较多,往往落后于风电的装机规划,已经出现局部电网风电受限情况。本文将根据风电接纳能力及风电场出力的概率区间分布,提出电网风电受限电量的估算方法。

假定某一地区风电场出力百分比对应出力时间百分比的函数为t=f(η),其中 η为风电场出力占风电装机百分比,t为风电场该出力下持续时间占全年 (8 760 h)百分比。

以某一地区电网全年风电场出力数据为例,函数曲线如图1所示。

图1 某地区风电场出力区间分布

假定2010年上述地区的风电接纳能力为Pwind,风电装机容量为M。全年风电受限情况估算如式(11)所示:

式 (11)需满足 η×M≥Pwind,W即为受限风电电量估计值。

5 算例分析

本文以某地区电网为例,综合考虑影响风电接纳能力的各种因素,应用本文提出的风电接纳能力评估方法对辽宁电网的风电接纳能力进行评估。

假设某地区电网典型日最大负荷为17 180 MW,峰谷差为4 270 MW,联络线受入电力按照5 500 MW考虑,其它参数及电网安全制约以电网实际情况考虑。调峰平衡如表1所示。

表1 调峰平衡表 MW

从表1可以看出,该地区电网发电电力在13 972 MW条件下,所有运行机组调峰能力之和为5 950 MW,发电电力峰谷差为4 889 MW,所以负荷低谷时系统调峰盈余为1 061 MW。在此假设所有风电同时率为0.9,风电的反调峰率为0.9,则由此对应的辽宁电网典型年风电接纳能力为1 311 MW。

风电同时率和反调峰率对风电接纳能力影响极大,但是区域内风电的同时率和反调峰特性往往又很难确定。所以对区域电网风电同时率和风电反调峰特性值得深入研究。

根据求得的风电接纳能力值,应用式 (11)估算该地区电网风电受限情况,风电场出力区间分布假设为图1所示,在风电装机容量为2 000 MW前提下,风电接纳能力为1 311 MW,计算所得的风电场受限电量为1.51亿kWh,占总风电发电量的1.64%。从计算结果可以看出,风电场虽然装机容量较大,但全年绝大多数时间处于低出力状态,所以目前可适当限制风电场出力来提高风电接纳能力。

6 结论

区域电网的风电接纳能力受网架结构、机组调峰能力、负荷特性等多种因素制约。作为一个固定网架的电网所能接纳风电的容量是有限的,无限制的接入是不科学的。

为了科学评价电网所能接纳的风电容量,本文提出了一种基于经济调峰平衡的风电接纳能力评估方法。该方法考虑了电网负荷特性、机组经济运行、网损和网架制约等因素,建立了多目标经济函数,以经济调峰平衡为最优函数,通过电网经济调峰的调峰盈余来评估电网的风电接纳能力。

本文根据风电场出力的区间概率分布,提出一种风电场出力可能受限电量的估算方法,由此来估算在电网接纳能力不足的情况下,风电出力可能受限情况。

影响电网接纳风电的因素很多不易确定,而且随着影响因素的变化接纳能力也不断变化。应用本文的评估方法可以定量提出风电接纳极限的参考依据,从理论上是科学、有效的。

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