抽水蓄能电站对地区电网风电接纳能力的研究

龚向阳，励文伟，郑瑜，郑琦

(国网宁波供电公司,浙江 宁波 315010)

抽水蓄能电站对地区电网风电接纳能力的研究

龚向阳，励文伟，郑瑜，郑琦

(国网宁波供电公司,浙江 宁波 315010)

以地区电网实际系统为例，将抽水蓄能机组和风电机组一起纳入组合问题当中，建立抽水蓄能-风电联合供电模型，并以风电最大经济效益为目标构建联合系统优化运行模型。并利用该优化模型分析了不同季节典型日下抽水蓄能电站对风电接入电网各项指标的影响。结果表明，在该地区电网中，只有当风电容量超过系统的接纳能力时，抽水系能电站的作用才能较为显著的得意体现。与此同时，风电并网的各项指标也随着抽水蓄能电站容量的增加而得以改善。

风电;抽水蓄能;优化运行

1 引言

我国能源结构中，超过80%是燃煤火电，对环境污染严重。而风力发电作为一种技术成熟的新能源技术，具有规模化开发和商业化发展的前景。大力发展风力发电，不仅有利于调整能源结构，而且对于生态环境的污染几乎为零。近年来，我国风电规模迅速发展，并网总量连续两年位居全球第一，年发电量超过1000亿千瓦时，占全国总发电量的2%，是当前我国的第三大主力电源。但风电的接入将会加大电网负荷的峰谷差，增加系统调度的压力，并且其影响随着风电装机容量的增大而增大，因此，必须提高调峰容量[1-2]。

燃煤火电作为我国电网的主要电源，以其作为调峰机组，容量必定受到限制，也影响其经济性，同时还增加了温室气体排放和环境污染，削弱了风电在环保方面的优势。从调峰系数来看，传统火电机组为40%～60%，水电机组为100%，而抽水蓄能机组的调峰系数可达200%。因此，抽水蓄能机组无疑是电网接入风电后增加调峰性能的首选手段[3]。

抽水蓄能电站机组容量大，调节范围广，响应速度快，能够有效的起到削峰填谷的作用。国内外研究机构也对抽水蓄能-风电联合协同运行开展了大量的研究。本文以地区电网为例，通过典型日机组情况，分析了抽水蓄能电站与电网接纳风电能力之间的关系。

2 抽水蓄能-风电联合供电的数学模型

在本文所研究的系统中，以一个研究周期内传统燃煤发电机组的煤耗量最小为目标函数，其表达式为[4-6]：

(1)

其中，T表示一个研究周期；N表示电网中可调度的机组总数；fk(pk,t)示第k台燃煤机组在t时刻出力为pk,t的煤耗量；σk,t表示第k台机组在t时刻的运行状态；运行为1，停运为0；Δt表示最小单位间隔持续的时间。

函数(1)的约束条件为发用电平衡，由于在电网中，除了火电、水电、风电外，其他新能源电站发电量所占比重非常小，在此约束条件中，暂时忽略不计。则其等式约束条件为[7-9]：

(2)

Pwind,t表示t时刻电网接入的风电功率，Pwater,t表示t时刻电网接入的水电站发电功率，PL,t表示t时刻的负荷，PH,t表示t时刻抽水蓄能的抽水功率，ηt表示抽水蓄能机组状态，发电为1，抽水为0。

此外，其不等式约束条件还包括常规机组出力的上下限，机组运行时间约束，机组爬坡/下坡速率约束，系统备用容量约束，抽水蓄能电站约束，其不等式如下[10-11]：

pk,min·σk,t≤pk,t≤pk,max·σk,t

(3)

(4)

t=1,2,…,T-1

(5)

(6)

0≤Pw,t≤Wc,t·Pw,c

(7)

Smin≤St≤Smax

(8)

St+1=St-PH,t·η·Δt+Ph,t·(1-ηt)·Δt·μ

(9)

式(9)表示每个时刻抽水蓄能储水容量与前一时刻储水容量的等式关系，μ为抽水时的效率。

3 地区电网日负荷数据及机组参数

不同季节电网负荷波动的差别很大。而对于风电而言，尽管其功率是随机波动的，但小时级以上的风电功率可以较好的预测。

春季是一年中风能最为丰富的季节；而夏季的负荷较重，抽水蓄能电厂要承担削峰填谷的任务，调峰能力下降，因此本文选择这两个季节的日负荷进行分析，如图1、图2所示。

图1 春夏季风电容量因素

从图1中看，春季日负荷有两峰两谷，最高负荷出现在白天十点左右，最低负荷出现在清晨。且早高峰负荷高于晚高峰；夏季日负荷有三峰三谷，最高负荷出现在白天十点及下午两点左右，最低负荷出现在清晨。从风电的容量因素看，风电出力在大部分时间都小于其额定功率。

在春夏两季的典型日下，考虑五种风电装机容量，分别为：50MW，100MW，200MW，500MW，1000MW。抽水蓄能考虑三种情况：无抽水蓄能，100MW，500MW。

4 算例计算及分析

根据式(1)～式(9)的约束条件，利用C++编制数学模型，并对算例进行求解计算。根据结果对春夏季风电利用率，风电电量比重及煤耗量进行指标分析。

4.1 风力发电利用率

风力发电利用率是指在给定的时间段，实际接入电网的风电电量与风电所能发出的总电量之比[8]。显然，该利用率大于零；若小于1，则表示当地存在弃风。下图为根据计算所得春夏两季典型日内风电利用率与风电容量及抽水蓄能容量三者间的关系：

图3 春季风电利用率情况

图4 夏季风电利用率情况

由上图可知，当风电容量较小时，无论抽水蓄能的容量如何，风电利用率均能得到100%，即无弃风现象，此时，随着风电容量的增加，电网的煤耗必然减少。但当风电容量达到一定数值后，其利用率明显下降，此时，如果将风电全部接入，则其煤耗反而增加，其经济性降低。但同时，在有弃风的情况下，抽水蓄能的作用得以体现。由图中可知，在弃风情况下，随着抽水蓄能容量增加，风电的利用率也有所提高。

4.2 风电的占比

风电占比是指在给定时间内，接入电网的实际风电电量与电网实际总发电量的百分比[9]。图5、图6展示在春夏两季，风电电量占比的变化情况。

图5 春季风电电量占比情况

从图中可以看出，随着风电装机容量的增大，风电电量所占比重也是呈上升趋势的。抽水蓄能的加入，提高了风电的利用率，进而也提高了风电电量所占的比重。

图6 夏季风电电量占比情况

4.3 耗煤量

本文以常规机组典型日的最小煤耗量为目标函数[10]。可以预计，风电的加入必然减少煤耗量，且随着风电容量的增加而进一步减小；同时抽水蓄能的加入将进一步减小煤耗量。该地区电网的煤耗量随风电容量及抽水蓄能容量变化如下图所示。

图7 春季能源消耗量情况

图8 夏季能源消耗量情况

由图可得出结论，随着风电容量的增加，煤耗量将不断减小。在系统出现弃风时，抽水蓄能电站会促进煤耗量的降低。

5 结论

本文研究了抽水蓄能电站对地区电网的风电接纳能力的研究。研究结论表明，在风电容量较小时，风电的利用率高，风电占比也较小，煤耗量较大，此时抽水蓄能电站的配置对于风电几乎没有影响。当风电容量增大到出现弃风以后，抽水蓄能电站的作用才得以体现，且随着蓄能电站容量的增加，风电的利用率和占比均将提高，煤耗量进一步减小。

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Research on the Pumped-storage Power Station to Wind Generation Integration Capability of the Regional Power Grid

GONGXiang-yang，LIWen-wei,ZHENGYu,ZHENGQi

(Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315010,China)

Based on regional power grid,the pumped storage station was considered in the unit commitment problem.An pumped storage station-wind generation optimal operation model of the power system was built aimed to get the maximum economic benefits of wind generation.It analyzed the impact of the pumped storage power station with diffenret capacity of grid connecting wind power in a day in different seasons.The result showed when the wind power is small,the impact of pumped storage is not obvious.And the impact of increasing the pumped power storage station improved just until the capacity of wind power was so large the some was abandoned.

wind generation ;pumped storage station;optimal operation

1004-289X(2015)03-0041-04

TM71

B

2014-05-12