不同电力系统调度模式的风电消纳能力分析

张 津，卢锦玲，周松浩

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)



不同电力系统调度模式的风电消纳能力分析

张 津，卢锦玲，周松浩

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)

电力系统风电消纳能力分析是破解风电消纳难题，促进风电健康发展的重要途径。从电力系统调度运行角度出发，考虑风电装机容量不断提高的趋势，在不同风电接入水平下对传统经济调度、环境经济调度和弃风量最小调度三种调度模式的风电消纳情况进行仿真，从风电消纳量和风电利用率两个方面对风电消纳能力进行分析，对比不同调度模式对电力系统风电消纳能力的影响，辅助风电并网的调度运行和决策；在此基础上，提出一种在不同调度模式下确定风电合理接入水平的方法，为消纳能力分析提供补充，为风电发展规划提供参考。

风电；接入水平；调度模式；消纳能力

0 引言

风电作为一种可再生能源，其技术开发和商业应用近些年保持着高速发展的态势。目前已经成为世界上风电装机容量最大，增速最快的国家。与此同时，风电消纳情况却不容乐观：2015年，弃风电量创下史上新高，达到339亿kW·h，甘肃省的弃风率甚至接近了39%[1]。风电消纳问题已经成为制约风电健康发展的最大障碍[2,3]。

现有关于风电消纳能力的研究中，部分学者从风电的调度和消纳模型角度进行研究[4,5]；另有大部分学者从调峰、备用等制约风电消纳的单一因素[6,7]出发对系统可接纳的风电量进行分析，或者对极端情况下的系统的理论消纳能力进行评估计算[8,9]，这些研究的立足点和分析指标较为单一，且少有涉及不同调度模式对系统风电消纳能力的影响，也没有考虑风电装机容量持续提高过程中风电消纳能力研究可能产生的变化。

本文从电力系统运行实际出发，针对常规电源结构和负荷既定的系统，以传统经济调度、环境经济调度和弃风量最小调度三种调度模式为例，模拟风电接入水平不断提高的过程，对系统风电消纳情况进行仿真研究，利用风电消纳量和风电利用率同时对不同调度模式的风电消纳能力进行对比分析，为风电并网的调度运行和决策提供参考；在此基础上，考虑风电消纳量与风电利用率的关系，提出一种确定风电合理接入水平的方法，为风电的建设规划提供参考，同时作为消纳能力分析的有效补充。

1 风电消纳受限与电力系统调度

风电是一种不确定的电源，其出力具有间歇性、波动性和反调峰特性，将其看作一个负的负荷和实际负荷相叠加，得到风电接入后电力系统的等效负荷，其峰谷差及峰谷差率将发生变化。如图1所示，以某西北省份为例，风电接入后等效负荷的峰谷差和峰谷差率明显增大，经统计，2010年该省份风电使负荷日峰谷差变大的天数为263天，概率约为72%，可见风电的接入明显加大了系统调峰的难度。

目前风力发电规模化开发集中在“三北”地区，也是风电消纳矛盾最突出的地区。这些地区电源结构长期以火电机组为主，缺少抽水蓄能电站等优质调峰电源，因此火电机组既是电量提供主体也是调峰容量提供主体。而火电机组受锅炉、汽轮机最小技术出力等条件的制约，调整范围较小，而锅炉、汽轮机等设备受交变应力的限制，调整速度较慢[11]。因此，在不考虑联络线参与调峰的情况下，风电接入后电力系统可接纳的风电功率很大程度受限于常规电源出力的调节能力，即常规电源的调峰能力[12]。

图1 等效负荷峰谷差变化

对于常规电源结构既定的电力系统，系统中火电机组的调峰性能也是既定的，难以通过其提高风电消纳能力；而风电并网后，调度模式决定了常规机组的启停方案、风火机组的机组组合和出力计划，这些因素共同体现了风电和常规机组的协调控制水平，对系统调峰和风电消纳有重要影响。因此，研究不同调度模式的风电消纳能力，是对风电并网后调度模式进行评估决策、挖掘风电消纳空间、促进风电消纳的有效途径。

2 基于风电预测的调度模式

常规的电力调度以负荷预测和机组出力可控为前提，风电接入后，其无法像常规电源一样准确的制定和执行发电计划，因此常规电力系统调度模型无法适应风电并网的需求。

目前解决解决风电不确定性问题最有效最经济的做法就是对风电的出力进行预测，把“未知”的电源出力变为“基本已知”，通过超前把握风电功率变化趋势来优化安排机组组合。目前并网的风电站都已经根据要求[13,14]开展了风电功率预测预报工作，风电场上报风电功率的预测曲线，调度机构将预测值纳入调度模型，和常规机组协同编制发电计划。

本文以传统经济调度、环境经济调度和弃风量最小调度三种典型的调度模式为例，对基于风电预测的电力系统调度模型进行介绍。

2.1 目标函数

(1)传统经济调度。以燃煤经济性为目标，综合考虑火电机组的运行煤耗成本和启停成本，不优先考虑风电并网，目标函数如下：

(1)

(2)

式中：N为常规机组数；T为调度时段；Pi(t)为常规机组i在t时段的发电功率；Fi为常规机组运行煤耗成本，$/h；其中ai，bi，ci为机组耗量特性系数；Si(t)为t时段机组i的启停成本。

(2)环境经济调度。通过体现风电并网的环境效益支持风电上网，将常规机组大气污染物排放成本考虑到目标函数中，构成环境经济调度：

(3)

(4)

式中：fi为机组的污染物排放量；αi，βi，γi，ζi，λi为机组i的排污系数；Ke为单位污染物排放价格，$/MW。

(3)弃风量最小调度。根据促进风电消纳，确保清洁能源优先上网的要求，以弃风量最小为目标接纳电网覆盖范围内符合并网技术标准的风电电量，目标函数如下：

(5)

2.2 约束条件

(1)功率平衡约束。

(6)

式中：PL(t)为t时段的负荷功率。

(7)

(8)

(3)正、负旋转备用约束。风电的预测精度远不及负荷预测，需要考虑预测误差对系统备用容量的需求：正旋转备用中要考虑风电实际出力小于预测值的情况；负旋转备用要考虑风电实际出力可能大于预测值，而不超过风电机组额定功率的情况。

(9)

(10)

式中：机组i在t时刻所能达到的出力上下限分别为pi,max(t)，pi,min(t)；L%为系统总负荷对正、负备用的需求系数；Pw(t)是t时刻风电场实际出力之和；PWN为系统中所有风电场装机容量之和；us%、ds%是风电预测误差对正、负备用的需求系数。

(4)常规机组爬坡速率约束。

(11)

uri、dri分别为机组i的上升和下降爬坡速率，T60表示60 min一个调度时段。

(5)常规机组启停时间约束

(12)

式中：Tui和Tdi分别为机组i的最小连续开机时间和最小连续停机时间；Ti(t)表示机组i在t时段的连续启停机时间，正值表示连续开机时间，负值表示连续停机时间。

3 风电消纳能力分析

3.1 分析指标

目前关于风电消纳能力，尚无明确的定义或通行的分析方法，仅有弃风率这一指标被广泛用以消纳能力的评价。显然，单一指标分析局限性强，无法充分反映电力系统消纳风电的情况。

本文以风电穿透率作为风电接入水平的指标，提出绝对指标和相对指标相结合，从风电消纳量和风电利用率两个角度分析风电的消纳能力。

(1)风电穿透率R。风电穿透率是反映风电接入水平的最常用指标，数值上等于风电额定装机容量/系统峰值负荷。

(13)

(2)风电消纳量W。风电消纳量即调度时段内风电的实际上网电量。

(14)

(3)风电利用率η。针对弃风限电现象，有必要对风电的利用率进行分析，避免风能浪费和经济性问题。在数值上，风电利用率等于1-弃风率。

(15)

3.2 分析方法

针对常规电源结构和负荷既定的电力系统，基于第2节所述三种电力系统调度模型，对系统的日前调度计划进行滚动仿真，采用粒子群优化算法(PSO)对模型进行求解，对系统日内的风电消纳量和风电利用率进行指标计算，作为消纳能力分析的依据。

模拟风电接入水平不断提高的过程，逐级增加风电装机容量，提高系统风电穿透率并进行仿真和指标计算，绘制各消纳指标随风电接入水平提高的变化曲线，对风电接入水平提高过程中的风电消纳能力进行研究分析。

4 算例分析

4.1 系统概况

表1 常规机组排污系数

此时系统风电穿透率较低，约为12%，以此为基准成倍数提高风电场装机容量(风电预测出力Pw*同比例增加)，对不同风电接入水平下三种调度模式的消纳能力进行对比分析。

表2 预测负荷及风电场预测出力

4.2 结果分析

(1)风电消纳量。如图2所示，随着风电接入水平的提高，系统的风电消纳量逐步攀升。弃风量最小调度的攀升速度最快，当风电消纳量达到15 650 MWh时不再增加，定义其为极限消纳水平，对应的风电穿透率高达96%；环境经济调度和经济调度的极限消纳水平同样在15 650 MWh左右，但攀升速度过慢，未在图中标识。

图2 风电消纳量

(2)风电利用率。如图3所示，在风电接入水平较低时，系统具有全额消纳风电的能力，风电利用率均接近100%；随着风电接入水平的提高，风电利用率逐渐降低，弃风量最小调度降低速度最慢，环境经济调度次之，经济调度最次。不同调度模式间的差距先增大后减小。

图3 风电利用率

4.3 风电合理接入水平的确定

由上节分析可知，风电接入水平提高过程中，风电消纳量随之增加，但风电利用率却不断降低。为避免风电的严重浪费，保证风电运行经济性，有必要在提高风电消纳量的同时设置合理的风电接入水平，防止风电利用率过低，促进风电健康发展。

以弃风量最小调度为例，如图4所示，风电利用率和风电消纳量在同一横坐标下随着风电接入水平的变化而变化，且变化趋势相反，必交于一点，该交点以左风电利用率提高但风电消纳量降低，交点往右风电消纳量增大但风电利用率降低，因此该交点对应的接入水平一定程度上可兼顾风电利用率和风电消纳量，可参考作为合理接入水平。此时的风电穿透率为44%，风电消纳量11 449.5 MWh，风电利用率77.9%，均较为理想。

图4 风电合理接入水平的确定

以相同的方法对传统经济调度和环境经济调度进行研究，结果汇总如表3。可见，弃风量最小调度达到合理接入水平所需的风电穿透率最低，且在合理接入水平下风电消纳量最大，风电利用率最高；传统经济调度的风电消纳量和风电利用率均不理想。

表3 不同调度模式的风电合理接入水平

5 结论

(1)对于常规电源结构和负荷既定的电力系统，风电消纳量不会随着风电接入水平的提高而无限增长，电力系统能够消纳的最大风电量一定，且不受调度模式的影响。

(2)风电接入水平较低时，电力系统在各调度模式下均具有全额消纳风电的能力；但随着风电接入水平的提高，电力系统的风电消纳能力在不同调度模型下出现分化：在本文列举的调度模型中，弃风量最小调度的风电消纳量最大，同时风电利用率也最高，环境经济调度次之，经济调度最次。可见调度模式直接影响电力系统的风电消纳能力，本文构建的指标和分析方法可以为调度模型的制定和优选提供参考。

(3)风电接入水平的提高可以催生更多的风电消纳量，但风电机组需要通过必要弃风[9]、降低风电利用率来挖掘更大的消纳空间。因此，片面追求风电消纳量最大化有可能造成风电利用率过低，风力资源严重浪费，引发经济性问题，对此本文提出了一种确定风电合理接入水平的方法，为风电的发展规划提供参考。结果显示，不同调度模式的合理接入水平不一，其中弃风量最小调度以最小的风电穿透率达到合理接入水平，且风电消纳量和利用率均最为理想，与消纳能力分析的结果一致。

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ZHANG Jin，LU Jinling，ZHOU Songhao (School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University，Baoding 071003， China)

Analysis of Wind Power Accommodation Ability of Different Power System Dispatching Modes

As the key to solve the problem of wind power accommodation, analysis of wind power accommodation ability is of great importance to promote its development. From the perspective of power system scheduling and operation and taking the increasing trend of wind power installed capacity into consideration, three different dispatch modes, known as wind power accommodation ability of conventional economic dispatch, minimizing wind power curtailment dispatch and environmental economic dispatch, are simulated under different penetration levels of wind power. The utilization rate and accommodation capacity of the wind power are proposed to analyze the wind power accommodation ability. By comparing the influence of different dispatching modes on the wind power accommodation ability, the obtained results are used for power system dispatch operation and decision-making in an auxiliary way. Besides, a method based on the above analysis is proposed to determine a reasonable integration level of wind power for the wind power development planning and wind power accommodation analysis. Finally, ten-unit test system with wind farm is taken as an instance to validate the analysis.

wind power; integration level; dispatching modes; accommodation ability

2016-05-05。

国家电网公司科技项目(NY71-14-038)。

张津(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行、分析与控制，E-mail：jinzh_milan@live.com。

TM732

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.003