含风电的电力系统备用容量配置研究

含风电的电力系统备用容量配置研究

0基于风险的风电备用容量配置方法电网的一定容量需要电网的保护。这是电网安全稳定运行的基础。如果系统因一定范围的干扰而受到一定程度的干扰，它将无法稳定地转变为新的稳定运行状态。随着风电接入系统比例的增加,风电对系统旋转备用配置的影响是系统运行中非常关心的问题。目前,已有不少含风电的电力系统备用容量配置的研究成果。文献对传统备用容量确定的概率性方法进行扩展,将其中负荷预测误差概率分布以考虑风电功率预测误差的净负荷(负荷与风电之差)预测概率分布替代,进而采用原有概率性方法的思路求解最优的备用容量。文献提出一种基于风险的风电备用需求决策方法,并提出一种充分利用发电机组控制性能的备用协调优化分配算法。文献在含风电的机组组合建模中,以各时段风电机组出力的一定百分数作为附加的风电备用容量需求。由于没有对风电的不确定性进行统计分析,因此,任意取一定的百分数缺乏科学依据。已有的备用容量研究均侧重风电与传统电源的性能比较和替代问题,围绕风电机组出力的不确定性问题,研究各种判据(主要是可靠性等效判据)下对备用容量配置的影响。这些研究中往往不计入风电的环保效益,或者简单定性地描述其环保效益,缺乏对风电节能环保效益的全面考核,以及风电对系统经济性与环保性综合影响的定量建模分析。为此,本文针对风电的不确定性,从经济性和环保性的角度对风火互济系统旋转备用确定方式进行研究。1风电作为风电和机组的重要供配电系统风电接入电网的影响具有双重效应。一方面,适度的风电接入可替代常规电源,提高电网可靠性,并取得节能减排的环保效益;另一方面,为了应对风电的不确定性而新增系统备用容量,从而增加了风电的消纳成本,特别是为适应风电波动性而导致火电机组的工作点偏离最佳煤耗点或不得不频繁启停机组,从而抵消部分风电的环保效益,极端情况下甚至适得其反。相关研究表明,在风火互济系统中,若强制性全额收购风电,在极端情形下,风电对火电机组出力的经济性和碳(CO2)排放量的负面影响较大,而优先调度风电但允许少量弃风可在现有基础上提高风电利用率的同时,大幅减少系统因接纳风电而付出的额外运行成本。此外,风电作为一种电源,具有调节迅速、启停成本低的优势,理论上也具备提供备用的能力。一般认为,风电电价高昂,作为备用电源欠缺经济性。但当电网中风电接入规模较大时,为更多地接纳风电,常规机组可能经常运行在出力边界附近,电网运行方式安排压力较大。若能合理利用风电提供备用容量的潜力,可提高系统的整体效益。一味追求风电利用率或者高可靠性的备用配置模式都忽视了风电利用的双重性,无法很好地发挥风电的环保效益,在中国以燃煤机组为主的系统中尤需特别引起注意。2考虑到当前风雨条件下的机组组合模型为分析不同旋转备用确定方式下风电对电网经济性和环保性的综合影响,本文建立了以下机组组合模型。1消纳风能原则为考虑弃风的影响,在目标函数中还需增加弃风惩罚成本CWtpn,通过单位弃风惩罚成本控制系统消纳风能原则,其表达式如下:式中:ρc为单位弃风惩罚成本,当全额收购风能时将ρc设为大M值,当允许根据系统需要弃风时,则将ρc设置为0;ΔT为发电机组出力计划时间间隔,如15min;Pwtcurtail为时刻t风电的弃风功率。2机组组合约束当通过风电功率预测将风电纳入日前发电计划时,依据预测误差安排旋转备用容量。本文通过风电功率100%概率区间考虑风电功率预测的不确定性,建立相应的备用约束。设风电功率100%预测区间为,t=1,2,…,T},其中为区间下限,为区间上限。备用约束如式(3)至式(6)所示。式中:PGuit和PGdit分别为常规机组i在时刻t提供上调和下调备用时的出力;Pwrut和Pwrdt分别为系统在时刻t上调和下调备用需求时的弃风功率;Dt为时刻t系统负荷值;Rut和Rdt分别为系统在时刻t的上调和下调备用需求;PGit为对应于风电功率点预测值Pwtfcst时常规机组i在时刻t的出力;Rui和Rdi分别为机组i的上、下爬坡速率限制。除上述约束外,机组出力限制、启停限制、最小运行时间、最小停机时间等其他机组组合约束与传统机组组合约束相同。本文暂不考虑线路潮流限制。3旋转备用配置方案仿真由于中国实际系统尚缺乏充足的风电数据积累和风功率预测系统的应用基础,本文在IEEE-RTS96系统的基础上,通过对中国风火互济运行电网典型特征的提取,构造仿真测试系统(仿真系统参数见附录A),对旋转备用配置方案进行分析。仿真中采用15min一个时段进行分析。目前中国风电比例最高的内蒙古电网的风电接入水平(风电装机容量占峰值负荷的百分比)已经突破25%,本文在仿真计算中以25.4%为典型风电接入水平,风电接入水平用p表示。3.1系统指标本文考虑的系统运行指标如下。式中:CG为常规机组发电成本,本文指常规机组的燃料成本;EG为常规机组在仿真时段内的总发电量。22单位功率能量生产式中:Em为系统CO2排放总量;Ea为系统总供给电量。3风总电量指标式中:Ewavail为仿真时段内可用风能;Ewcurtail为仿真时段内弃风总电量。除上述指标外,还引入系统切负荷量(interruptedload,IL)描述系统因备用不足等原因引起的有功缺额。对于以上各指标,进行多样本仿真,具体风电样本见附录A。取所有风电样本下系统指标的均值作为最终的系统指标。3.2党组织对于电网的安全考虑根据系统为风电配置备用容量的方式不同,本文讨论表1所示备用容量确定方案。研究中,方案A是把风电当做“负”随机负荷进行调度时的典型备用模式。方案B,C和D是基于预测误差安排备用的方式。此外,各方案均在保证电网安全的情况下,默认按全额收购风电的原则调度风电。常规机组在日前发电计划的基础上按调节能力下调出力,尽可能多地接纳风电,超出常规机组下调能力的部分,由风电场通过弃风解决。3.2.1风电消纳成本增加的构成部分在25.4%的风电接入水平下,各备用方案的系统运行指标如表2所示。以方案A作为参照,对比其他方案的单位发电成本和单位CO2排放量可以发现:方案B和方案C的常规机组单位发电成本与单位CO2排放量显著增加。增加的成本和CO2排放量主要是由两方面原因造成:一方面是由于吸收风电的波动性导致常规机组运行点调整,从而造成常规机组运行经济性和环保性下降(通过对比方案A和B可以看出),这是风电消纳成本增加的主体部分;另一方面是由于额外增加的备用容量导致系统运行成本和CO2排放量增加(通过对比方案B和C可以看出,cg和eu指标进一步增加),但增加幅度远小于前者。换言之,备用需求增加是风电消纳成本增加的构成部分之一,但并不占主要部分。仅从降低备用成本角度来降低风电消纳成本效果是十分有限的。对比各方案的风能利用率和切负荷量可以看出,在日前计划中引入风电功率预测,系统风能接纳能力增加,但若不增加额外上调备用容量(方案B),风电功率预测误差将造成一定量的负荷有功功率缺额。方案C和D按照风电预测误差增加了额外的上调备用容量,因此避免了有功缺额。此外,对比方案C与D可知,方案D除了增加上调备用容量外,还增加了下调备用容量,旨在当实际风电功率大于风电预测值时多接纳一部分风电。由两者的计算结果可见,相比于方案C,方案D的常规机组单位发电成本、单位CO2排放量等均显著增加,但风能利用率却没有明显增加,即没有达到多接纳风电的效果。这是由风火互济系统中火电机组调节能力有限造成的。由于火电机组调节能力有限,为风电增加一定量的下调备用容量将使系统调峰更加困难,大部分情况下只能通过弃风满足下调备用容量的要求,对风能利用率没有明显改进。权衡比较,较为经济的方案是仅为风电增加上调备用容量。3.2.2消纳风电运行指标风电受清洁能源政策保护,拥有调度优先权,但上述仿真已经表明,全额收购风电可造成电网运行成本大幅增加,增加的成本主要由常规机组的运行点调整造成。这里采用备用方案B,以风电接入水平25.4%为例,分别按全额收购风电、在优先调度风电的条件下允许适度弃风2种消纳风电原则,计算系统运行指标,并将两者与备用方案A进行对比。计算结果如表3所示。可见,在允许适度弃风的条件下(方案B1),虽然存在少量弃风,但整个系统可以运行在较为经济的工作点,常规机组单位发电成本、单位CO2排放量等指标均优于全额收购风电的情况(方案B)。并且与现行运行方式(一般类似方案A)相比,方案B1还可以提高风能利用率,并降低常规机组的单位发电成本与单位CO2排放量。这说明在优先调度风电但允许弃风的前提下设计旋转备用方案,有利于提高电网整体经济与环保综合效益。图1给出了同一仿真日2种不同风电消纳原则下系统在线机组容量、负荷、弃风量等变化曲线。对比图1(a)和图1(b)可见,虽然图1(b)中存在一定的弃风,但常规机组启停次数减少,系统运行的经济性和环保性更优。3.2.3发电出力下沉系统风电提供下调备用容量是指当负荷实际值低于预测值时,风电为满足发电机组出力下调需求而进行的弃风。上调备用容量是指当负荷实际值高于预测值时,风电为满足发电机组出力上调需求而进行的增出力。一般地,风电作为备用电源必须满足特定的条件。在全额收购风电的条件下,不存在风电作为备用电源的可能性,故本节讨论仅针对采用优先调度风电但允许弃风的风电消纳原则。风电根据日前发电计划控制实时风电机组出力不高于日前计划值,在计划值低于可捕获功率下限的时段,可以提供上调备用容量。此外,在采用优先调度风电但允许弃风的风电消纳原则的前提下,以前面分析得到的最佳方案C作为备用方案。1实时运行时系统的弃风情况系统在安排发电计划时,为了在计划点的有功功率平衡中尽可能多地使用风电,执行优先调度风电的原则,常规机组部分时段可能运行在最低点,不具备提供下调备用的能力,此时系统需要下调备用时只能通过弃风实现。这里以25.4%的风电接入水平下、风电某天提供下调备用的情况为例进行说明。图2给出了该运行日的日前发电计划中系统的下调备用容量需求以及下调备用容量需求在常规机组和风电机组之间的分配。图3给出了该日的负荷预测误差曲线。图4为实时运行中的弃风量曲线。由图3可见,在时段21和22负荷出现正向预测误差,即实际值小于预测值,需要系统发电机组下调出力。由图2可知,日前发电计划中时段21和22的下调备用容量需求由风电来满足,因此时段21和22通过弃风满足系统的下调备用容量需求(见图4)。2全年风电系统负荷预测通常认为,风电出力上限受自然条件限制,其作为上调备用电源的可信度不高,但在引入风电功率区间预测后,风电机组当前出力低于区间预测下边界部分可以作为可靠的上调备用容量。根据风电机组可用出力比风电机组日前计划值高的程度,优先由风电补偿负荷缺额。图5给出了某运行日的日前发电计划中系统的上调备用容量需求以及下调备用容量需求在常规机组和风电机组之间的分配。该日的负荷预测误差曲线同图3。图6为实时运行中常规机组和风电提供的上调备用容量分配。可见,当负荷实测值大于预测值时,常规机组只需参与部分调节,另一部分增出力由风电提供。表4给出了在制定日前发电计划时,将风电作为备用电源与不将风电作为备用电源2种情况下计算得到的系统运行指标。计算中风电接入水平为25.4%。可见,将风电作为备用电源,风能利用率稍有下降,但常规机组的单位发电成本和单位CO2排放量显著降低。4研究结论主要结论备用是影响风电消纳水平的主要因素之一,也是影响风火互济系统可靠性、经济性与环保性综合效益的因素之一。本文分析了风电接入对电网的影响,建立了综合考虑风电对系统经济性和环保性综合影响以及风电提供备用可能性的机组组合模型。基于体现中国风火互济系统电源特点的仿真算例,通过设置不同备用容量确定方案以及对各方案的对比分析,对风电对备用容量的影响和风电利用综合效益(经济性和环保性)进行了分析,得出的主要研究结论如下。1)预测是将波动性电源纳入电网调度的关键技术。通过引入风电功率预测将风电纳入日前发电计划的方式可以提高风电的接纳能力,但需要增加一定的上调备用容量,避免因风电预测误差引起系统有功功率缺额。2)在风火互济系统中,优先调度风电但允许弃风是相比于全额接纳风电更为合理的风电消纳原则。在全额接纳风电的原则下,大规模风电消纳将增加火电机组的单位发电成本和单位CO2排放量。增加的成本和CO2排放量一方面由火电机组吸收风电波动性造成的运行点经济性下降引起,另一方面由常规机组增加额外备用容量引起。其中前者