基于时序生产模拟仿真的宁夏电网风光优化配比研究

张 军1，许晓艳2，黄永宁1，曹 阳3，顾雨嘉1



基于时序生产模拟仿真的宁夏电网风光优化配比研究

张 军，许晓艳，黄永宁，曹 阳，顾雨嘉

(1.宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750001；2.中国电力科学研究院，北京 100192；3.河海大学，江苏 南京 210098)

宁夏风和光资源丰富，风电和光伏发电发展并驾齐驱。建立了含新能源发电的电网年度时序生产模拟仿真模型，以电网节能减排效益最大为目标，综合考虑了风光出力特性、负荷特性、机组调峰特性、不同种类供热机组热电耦合特性等因素。在建立模型的基础上，仿真研究了2015年宁夏电网新能源发电接纳能力，得到了综合考虑新能源限电率和电网节能减排效益的风光优化配比。该结果可为地区风电和光伏发电建设、电力系统调度以及政府相关政策制定提供指导。

时序生产模拟；接纳能力；风光配比

0 引言

大力发展风能和太阳能等可再生能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。在政策的鼓励下，近年来我国东北和西北等风光资源丰富地区掀起了建立大规模新能源电站的浪潮。以宁夏为例，截止2012年底，宁夏风电装机容量达到2 646.4 MW，光伏装机容量达到530.83 MW，对于充分利用当地风光资源、实现节能降耗目标十分有利。但由于新能源发电规划和电网建设规划没有精确地统筹考虑而互相脱节，在实际生产运行期间频繁发生因调峰、网架以及无功电压等约束造成的新能源发电受限现象，造成了可再生能源的严重浪费，同时也对电网的安全稳定运行产生一定的影响。另外，风电和光伏发电出力在时间和空间上均具有互补性，与相同容量风电或光伏发电相比，风光联合运行对电网调峰和调频的影响较低。因此，有必要从电力电量平衡的角度对规划水平年新能源发电接纳能力进行分析，在此基础上，综合考虑新能源限电率和电网节能减排效益，优化电网风光容量配比。

目前，国内外学者应用了各种方法对新能源发电年度接纳能力进行研究分析，较为常用的分析手段主要有以下三种：典型日分析法、随机生产模拟方法以及时序生产模拟方法。典型日分析法得到的结果是最严重情况下的新能源平衡情况，计算结果过于保守，不利于提高新能源实际上网电力电量；随机生产模拟算法的核心是将时序负荷曲线转化为持续负荷曲线，忽略了与时序相关的约束，例如机组启停机约束、最小开机时间、机组爬坡率约束等，从而无法全面分析生产成本，难以满足含新能源发电的电力系统运行分析评估；基于时序的生产模拟是指在给定的负荷条件下，模拟各发电机组的运行状况，并计算发电系统生产费用的一种时序仿真方法，其将系统负荷、新能源发电出力看作随时间变化的时间序列，能够计及时序变化特性。

本文建立了计及风电、光伏发电的年度时序生产模拟仿真模型，模型以电网节能减排效益最佳为目标，综合考虑风光出力特性、负荷特性、机组调峰特性、不同种类供热机组热电耦合特性等因素。基于时序生产模拟仿真模型，分析2015年宁夏电网不同风光容量配比下新能源发电接纳情况，综合比较提出风光最优配比，分析结果对于宁夏电网风电和光伏装机容量规划、低碳电力要求下的网源协调规划具有重要的指导意义。

1 宁夏电网风光发展现状

1.1 风电

宁夏处于甘肃、内蒙、辽宁大风带，风能资源较为丰富，开发潜力大。根据宁夏风能资源评价报告普查结果，宁夏风能资源总储量为22 530 MW，适宜风电开发的风能资源储量为12 140 MW。截止2012年底，宁夏风电装机容量为2 646.4 MW，其中，接入330 kV电压等级的风电场21座，容量为1 828.7 MW，接入220 kV及以下电压等级的风电场11座，容量为817.7 MW。2012年风电发电量为34.49亿kWh，占全网发电量的3.43%，风电年利用小时数为1 913 h。

1.2 光伏发电

宁夏太阳能资源丰富，有着得天独厚的优越条件，太阳能开发利用潜力巨大。截止2012年底，宁夏光伏装机容量为530.83 MW，其中，接入330 kV电压等级的光伏电站18座，容量为340.5 MW，接入220 kV及以下电压等级的光伏电站9座，容量为190.33 MW。2012年光伏发电量为6.68亿kWh，占全网发电量的0.66%，光伏发电年利用小时数为1551 h。

2 含风光发电的时序生产模拟模型

2.1 目标函数

为提高电网的节能减排效益，含新能源发电的时序生产模拟模型的目标函数为系统二氧化碳排放量最低，如式(1)所示。

2.2约束条件

2.2.1常规机组约束

1）机组爬坡率约束

(3)

2）机组出力约束

3）机组最小启停机时间约束

(6)

式中，由机组最小启机或者最小停机时间参数决定，其反映了最小启机或停机的时间步长。此约束的考虑，主要是由于受到机组的物理特性及机组启停机煤耗成本的制约，机组不能频繁的启停。

4）供热机组供热期出力特性约束

(8)

本文考虑两种类型供热机组，背压式供热机组和抽气式供热机组。式（7）和式（8）分别为供热期内背压机组出力和抽气机组出力约束公式。

2.2.2 系统电力平衡约束

1）区域负荷平衡约束

2）系统正/负旋转备用容量约束

(11)

3）系统风电、光伏出力约束

(13)

3 宁夏电网风光优化配比研究

在宁夏电网新能源发电规划装机容量确定的基础上，可仿真比较不同风光配比下新能源发电接纳情况，即改变式（12）和式（13）中和的数值，比较结果中的新能源发电限电量以及环境综合效益，从而确定最优的风光容量配比。

2015年宁夏最大用电负荷预测为14 230 MW，风光规划总容量按9 000 MW考虑。考虑直流调峰电源，2015年宁夏电网统调火电机组共74台，容量共34 057 MW，其中47台为凝汽式机组，容量为26 832 MW，27台为供热机组，容量为7 225 MW。非供热期火电机组的调峰能力为其装机容量的40%，供热期（每年11月1日到次年4月15日）供热机组最低技术出力为装机容量的70%之间，系统选取网内最大一台火电机组的容量（1 000 MW）作为备用。

3.1 风光容量配比7:2时新能源发电接纳情况仿真

若规划的新能源发电按照风电装机容量7 000 MW、光伏发电装机容量2 000 MW进行分配，利用第2章所述的时序生产模拟模型，可仿真得到新能源发电接纳情况，如图1~图5所示。

图1为火电机组开机容量，全年常规机组开机容量最大值为31 304 MW，最小值为19 739 MW。

图2为每周新能源平均限电率，结果显示供热期新能源限电率较高，而非供热期新能电限电率很低。

图3为全年按日平均各时段含直流送出等效负荷和新能源限电量间的关系，夜间晚9点到早7点，新能源限电量较大，其他时段新能源限电量很小。

图1 火电机组开机容量

图2 新能源限电率

图3 新能源限电量及平均负荷

图4和图5分别为不同火电机组每周的平均负荷率以及每小时各类型机组运行台数。可以看出供热期供热机组开启台数稳定，负荷率较高，而机组的调峰能力下降，导致新能源限电率较高。

图4各类型机组负荷率

图5各类型机组启停台数

3.2 不同风光容量配比下新能源发电接纳情况对比分析

图6为9 000 MW新能源发电在不同风电容量，即不同风光配比下的新能源限电率和二氧化碳排放量变化曲线。随着风电装机容量的逐渐增加（光伏装机容量的逐渐减少），二氧化碳排放量逐渐减少，而新能源的限电率却在逐渐增加。

对新能源限电率和二氧化碳排放量两个指标进行归一化，得到图7。若二氧化碳排放量与新能源限电率两者权重相同，综合指标最低点即为风电、光伏的最佳配比装机容量。2015年新能源发电装机容量为9 000 MW时，风电装机容量为6 700 MW、光伏装机容量为2 300 MW为宁夏电网风光最佳配比，此时，二氧化碳排放量约为1.47亿吨，新能源限电率为1.03%，火电机组利用小时数为5 483 h，满足火电机组运行经济性的要求。

图6 二氧化碳排放量及新能源限电率

图7二氧化碳排放量及新能源限电率（归一化处理后）

3.3 宁夏电网风光最佳配比分析

本文还对新能源装机容量分别为5 000 MW和7 000 MW两种情况下的风光最优配比进行分析，综合3.2节的结论，可得到风光容量最佳配比汇总表，如表1所示。

表1 不同装机容量的风光最优配比

不同新能源发电装机容量下的风光最佳比例系数和风电占总装机容量比例均相差不大，其中风光最佳比例系数在2.57~3.11之间，风电占新能源总装机最佳比例在75%左右。对各组案例的风光最佳配比容量进行一次曲线拟合，如图8所示。

图8 风光最优配比一次拟合曲线

由图8可知，假设风电装机容量为，光伏装机容量为，则风电和光伏发电容量函数关系式为=2.9938·，因此，宁夏电网风/光最佳比例系数为2.993 8，即每装1 000 MW光伏发电，最佳配置的风力发电容量为2 994 MW。

4 结论

本文针对宁夏电网新能源发电规划运行存在的实际问题，开展含新能源发电的时序生产模拟模型研究，并在此基础上研究2015年宁夏电网新能源发电接纳情况及风光最优配比，得出结论如下：

（1）含新能源发电的时序生产模拟模型以电网节能减排效益最佳为目标，综合考虑风光出力特性、负荷特性、机组调峰特性、不同种类供热机组热电耦合特性等因素，模拟各发电机组全年运行状况，模型将系统负荷、新能源发电出力看作随时间变化的时间序列，能够计及时序变化特性。

（2）风光最优配比与研究地区的负荷特性、电源调峰特性等因素相关。以社会环境效益最佳（二氧化碳排放量最小）与新能源限电率综合最小为原则，兼顾火电机组运行经济性，评估分析宁夏电网风光最佳配比，在两者权重相同情况下，2015年风/光最佳比例系数为2.993 8，即每装1 000 MW光伏发电，最佳配置的风力发电容量为2 994 MW。

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Optimal proportion study of wind and PV capacity in Ningxia power grid based on time sequence simulation

ZHANG Jun, XU Xiao-yan, HUANG Yong-ning, CAO Yang, GU Yu-jia

(1. Ningxia Electric Power Research Institute, Yinchuan 750001, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3. Hohai University, Nanjing 210098, China)

Ningxia's wind power and PV power both developed rapidly these years. The grid annual timesequence production simulation model containing renewable energy is established, whose target is to maximize energy conservation and emissions reduction benefits, the model considers wind and PV output, load characteristic, unit peak load regulation characteristic and thermal electricity couple characteristic of different heating units. Based on the model, Ningxia power grid renewable energy accommodation capability in 2015 is simulated, and optimized proportion of wind power and PV power considering renewable energy curtailment ratio and energy conservation and emissions reduction benefits is gained. The results provide guidance to the construction of wind and PV power, power system dispatching and policy making.

timesequence production simulation; accommodation capability; wind power and PV power proportion

TM61；TM71

A

1674-3415(2014)19-0081-06

2013-12-18；

2014-03-10

张 军（1972－），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统运行与控制技术；

许晓艳(1984－)，女，通信作者，硕士，工程师，主要从事新能源发电并网及优化调度运行技术的研究；E-mail：xyxu@epri.sgcc.com.cn

黄永宁（1963－），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统分析与实验。