适用于评估风电接纳能力的时序生产模拟算法

杨宁 王震宇 孙羽 吴珂鸣

摘要 近几年来，随着我国风电产业的迅猛发展，其在对电网风电的接纳能力研究越来越多的同时，也逐渐暴露出一些问题，如：（1）研究仅只是针对最大接纳电力，而忽略了年最大的接纳电量、甚至是折合风电的年利用小时量等的研究;（2）分析的方法多为典型日分析法，其可信度较低。因此，深入研究电消纳的问题，对提升风电资源高效、可持续的运用及电网安全运行尤为关键。本文主要就适用于评估风电接纳能力的时序生产模拟算法进行研究，以期能够提升电网风电的消纳水平。

[关键词]评估 风电接纳能力 时序生产 模拟算法

1 前言

风电并网容量呈现出逐年上升的趋势，与传统的电源相同，风电的出力极易受自然风能影响，从而存在波动性、随机性、不确定等特征，这就导致了风机并网运行时会随机表现反调峰的特征，最终给主网系统调峰能力造成影响。而如何在高比例、大容量的风电并网中，将电网风电消纳的能力准确地评估出来，仍是当前电网调度、调峰的重点课题。本文主要就某省电网作为案例，分析其电网风力在出力时的空间、时间特性，进而总结出电网中风电的规模化影响，并与最值负荷的预测方案，提出适用于评估风电接纳能力的时序生产模拟算法。

2 电网风力在出力时的空间、时间特性

2.1 不同时间风功率的波动特性

风电的出力在一定程度上会受到自然环境的影响，基于风电场中每台风机各个时刻风功率的输出数据，可以获得5min和th间隔间风电场风功率的波动量曲线，而风电场风功率的波动量可通过以下两个公式获得：

式（1）、式（2）中，Pit是t时刻的第i台风机的输出风电功率;而pt是t时刻时，输出风电的功率;i是风机的序号;N则是风机的数量，APt是t时刻的风功率的波动量。

风电场一月份是最大的风功率波动月份，风电场每小时出力的波动量<自身装机容量的40%;且每月或每周的波动量<装机容量的75%。由此可以得出，风电场功率波动具有可界定升降区域。

2.2 不同空间输出功率的特性

将风电场中的集群效应纳入考虑的范畴，可以得出，风电集群的额定容量与最大出率比是集群效益的系数，可列公式如下：

式（3）中，p代表的是集群效应的系数，而P∑max代表的是各个风电场出力的总和，Pk是风电场的额定容量，其中k-l，2……。

风电场中的总装机容量高达350MW时，其集群效应的系数约为0.8，那么，可以得出，风场群功率在输出时的最高阀限约是其装机容量的80%，而这样的装机容量较实际最高处理水平来说，太过理想化，且风电场存在聚群效应，且随着风电规模的扩大，输出的功率波动会随之下降。

3 适用于评估风电接纳能力的时序生产模拟算法

风电的特性、负荷的水平、网架的机构以及电源结构等是影响电网接纳能力的因素，其中，风电的特性主要囊括了风电的装机容量以及出力时的时空特性;负荷水平涉及的是电网负荷的需求以及负荷的增长率;網架的结构涉及负荷的备用容量、区域之间的传输容量以及电力平衡的稳定条件，电源结构包括了装机的容量、电源类型、运行的方案以及启停的状态。而这些影响因素并非恒定不可变的，比如，一些水电出力的水平以及负荷的调节能力会因库存的水量而发生改变，而核电或火电则因季节气候而发生改变，风电出力会因时间的尺度而出现不同波动等。因此，寻找一种适用于评估风电接纳能力的时序生产模拟算法，不仅能够综合多种约束条件的同时计算、评估电网风电的接纳能力;而且还能够有效降低成本，进而提升风电并网的效率。

3.1 计算模型建立所需的目标函数

计算模型的目标函数主要是以系统的总体经济型作为优选目标，尽可能将火电、风电以及水电的最低运行成本纳入考虑范畴而建立的;可用公式表示目标函数：

式（4）中，Cost表示的是系统运行时所需的成泵，而I代表的则是水电、火电机组以及风电场总数;T代表的是时段数;而Pfire、Cfire、Phydro、Chydro、Pwind、Cwind是火电、水电以及风电技术出力以及单位电量运行的成本。本次研究中，关于风电场电量的单位运行成本Cwind归为O，其目的是为了最大限度降低弃风电量，进而实现风电的优先消纳。

3.2 约束的条件

3.2.1 系统运行时的约束条件

电力平衡的约束公式表示为：

上述公式中，PLoad，t表示的是t时刻的区域电网负荷，而PLoad，max表示的是区域内电网最大的负荷;Plink，t表示是t时刻联络线传输的功率，其中，送出为（+），受入为（-），Pfire，imin与Pfire， i，max代表的分别是第i台的火电机组最小以及最大的发电出力。

3.2.2 机组爬坡的速度约束

通常情况下，火电机组是作为系统最主要的电源，其装机的容量比例较高。但爬坡的能力受到限制，就会影响到其负荷的跟踪能力;加之，现有的电力系统，燃气轮机的机组，在总电源装机的容量占比偏小，无法全部承担调峰的任务，其中，机组的爬坡速度约束可用公式表示为：

Pi，t-1-Δpdit≤pit≤pi，t-1+Δpuit

其中，Δpdit，Δpuit为第i台常规机组从第t-l时段到第t时段允许的降出力最大值和升出力最大值;风电机组没有爬坡率约束的限制。

3.2.3 水电机组的模型约束

一般而言，水电机组可划分为两种;一种是常规的水电机组，另一种是抽水储能水轮机，而后者又可划分为发电、蓄能两类;其中，发电轮机无调节出力的能力，全部是由自然的来水量保障其能力;因此，要降水量的损失减少至最低，需充分劳累电网负荷曲线底层负荷的工作，并将其归属于恒定的出力;再在从负荷需求的曲线中扣除水电供电的部分，最终获取等效负荷曲线。因此，此种水电厂，可得如下数学模型：Phydro，t=Pconstanto

常规的水电机组自身已经具有出力调节的功能，因此，其主要负责的是系统中间负荷以及尖峰负荷的供电，并可以依据系统实际所需来调节出力的情况。此外，水电机组的出力还会受另外两个因素的制约：

（1）水电机组的容量;

（2）储水量库存的限制。

而这两个因素，通常采用常规发电机组功率约束进行描述。

3.2.4 联络线的约束

電网正常运行期间，各个区域间的传输容量极易受到联络线限制，最终影响到风电集中并网的接纳能力;在模型中，这种限制可用公式表示为：- PLine，i，max≤PLine，i≤PLine，imax式中，PLine，i表示的是第i条传输线输电的功率，而-PLine，i，max、PLine，i，max是该条传输线的传输容量极限，其中，PLine，i的数值，即可是正数也可是负数，而符号代表的是线上功能传输的走向。

3.2.5 断面潮流安全约束

其中，1，L分别表示断面编号和总断面数;gli，glj分别为第i台常规机组和第j台风电机组对第1断面的灵敏度因子，可以通过直流潮流对应的导纳矩阵获得;TLlt，TLlt为断面潮流的最小值和最大值。

3.2.6 风电系统的出力约束

整个风电系统的出力，极易受到其自身理论功率约束;加之，风电系统的出力存在一定的时空性，最终使得整个风电系统的实际发出功率较理论功率小。

4 结语

随着我国市场经济的不断发展，电力的负荷水平也在不断提升，使得交直流输电的网架结构大规模建设、清洁能源的大范围并网，最终导致电网消纳风电的运行过程越来越复杂;而如何评估和计算电网风网的消纳能力，是降低电网弃风、确保电网运行稳定、经济的重要基础。本文主要提出适用于评估风电接纳能力的时序生产模拟算法，得到以下结论：

（1）时序生产模拟算法在省级的电网调度和声场中适用，能够进一步为大时间尺度的省级电网接纳能力进行量化分析;

（2）不同季节、不同运行的条件下，其风电的接纳能力各不相同;而实际负荷波谷值是制约风电消纳能力的一个重要因素;

（3）对电网进行调度时，需根据负荷的变化来控制和调节风场风机的投运比例，进而最大限度降低弃风;且在对未来风电进行投资和规划时，应结合风电消纳的能力进行评估，进而实现清洁能源的实用、经济。

参考文献

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