為緩解當(dāng)前能源短缺、氣候變暖、環(huán)境污染的矛盾,大規(guī)模發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電成為必然趨勢(shì)。然而,由于大規(guī)模風(fēng)電開(kāi)發(fā)過(guò)程中與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)、電源發(fā)展規(guī)劃脫節(jié),再加上風(fēng)電固有的隨機(jī)波動(dòng)特性,中國(guó)多個(gè)電網(wǎng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)問(wèn)題,制約了其消納能力和并網(wǎng)低碳效益。所以合理的風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃尤為重要,而規(guī)劃的首要前提是根據(jù)不同電網(wǎng)的特點(diǎn),評(píng)估其風(fēng)電的消納能力。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電消納能力分析的研究主要考慮的是極端時(shí)段和單一因素,缺乏對(duì)影響消納能力的各個(gè)層面進(jìn)行分析,同時(shí)無(wú)法考慮全時(shí)段風(fēng)電出力特性,從多個(gè)場(chǎng)景長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)評(píng)估風(fēng)電消納能力。本文首先歸納風(fēng)電消納能力評(píng)估的相關(guān)因素,提出了一種確定性和概率性相結(jié)合的方法,從多個(gè)角度對(duì)風(fēng)電的消納能力進(jìn)行科學(xué)計(jì)算與評(píng)估。其中確定性評(píng)估方法主要基于單一嚴(yán)苛場(chǎng)景進(jìn)行分析,概率性評(píng)估方法則基于含風(fēng)電的8760小時(shí)時(shí)序運(yùn)行模擬結(jié)果,在確保全年最大棄風(fēng)電量比例低于5%的情況下,得到的最大風(fēng)電接入容量。接著以某省級(jí)電網(wǎng)為例,評(píng)估其風(fēng)電消納能力,識(shí)別影響電網(wǎng)風(fēng)電消納的關(guān)鍵因素。
風(fēng)電消納能力評(píng)估相關(guān)因素
調(diào)峰能力
相比傳統(tǒng)的發(fā)電方式,風(fēng)力發(fā)電的出力具有顯著的不確定性和不可控性,當(dāng)風(fēng)速變化引起風(fēng)電場(chǎng)功率變化時(shí),需要隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)中常規(guī)能源機(jī)組的出力,以滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。在不考慮風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)的情況下,傳統(tǒng)的系統(tǒng)日前發(fā)電計(jì)劃中無(wú)法考慮風(fēng)電的預(yù)期出力,為了滿足系統(tǒng)電力平衡,電網(wǎng)開(kāi)機(jī)計(jì)劃與運(yùn)行方式按風(fēng)電場(chǎng)出力為0考慮。當(dāng)電網(wǎng)中風(fēng)電出力增大時(shí),需要降低電網(wǎng)中常規(guī)能源機(jī)組出力以保證電網(wǎng)電力平衡,此時(shí),決定電網(wǎng)的調(diào)峰能力取決于整個(gè)電網(wǎng)中常規(guī)能源機(jī)組降低出力的能力。在考慮風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)的情況下,系統(tǒng)將風(fēng)電出力預(yù)測(cè)納入電網(wǎng)調(diào)度與開(kāi)機(jī)計(jì)劃,將風(fēng)電當(dāng)作負(fù)的負(fù)荷處理,此時(shí),部分調(diào)峰能力已經(jīng)在發(fā)電計(jì)劃中體現(xiàn),當(dāng)風(fēng)電實(shí)際出力與預(yù)測(cè)產(chǎn)生偏差時(shí),需要調(diào)用系統(tǒng)剩余的調(diào)峰能力。
隨著系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)占系統(tǒng)最大負(fù)荷的比例不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)的調(diào)峰需求將逐步增加,電網(wǎng)的調(diào)峰能力可能成為風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)瓶頸??捎糜谄胶怙L(fēng)電功率波動(dòng)的電網(wǎng)調(diào)峰容量對(duì)于電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式、電網(wǎng)的不同負(fù)荷水平都是不同的,因此,系統(tǒng)調(diào)峰能力將直接影響風(fēng)電的消納水平。
調(diào)頻能力
電力系統(tǒng)需要保持供需之間的實(shí)時(shí)平衡。由于負(fù)荷的不確定性,預(yù)測(cè)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷之間存在一定的偏差,并由此產(chǎn)生不平衡負(fù)荷,電力系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)平衡這部分偏差。系統(tǒng)的AGC、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用等就是為平衡這部分偏差所設(shè)置的。其中,AGC用于實(shí)時(shí)處理較小的負(fù)荷與發(fā)電功率的不匹配,維持系統(tǒng)頻率,并使控制區(qū)內(nèi)負(fù)荷與發(fā)電功率的偏差及控制區(qū)之間的交換功率實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差最小。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的普遍情況,系統(tǒng)AGC需求約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%,這部分AGC需求僅對(duì)應(yīng)負(fù)荷短期的波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)中接入較多風(fēng)電時(shí),由于風(fēng)電場(chǎng)本身不能夠提供AGC服務(wù),因此,系統(tǒng)中常規(guī)機(jī)組不僅需要為負(fù)荷提供AGC服務(wù),而且還要為風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)提供AGC服務(wù)。系統(tǒng)AGC的服務(wù)對(duì)象由原始負(fù)荷曲線變?yōu)榭紤]風(fēng)電出力后的等效負(fù)荷曲線。因此,需要研究風(fēng)電出力秒級(jí)至分鐘級(jí)的波動(dòng)特性以及由此增加的系統(tǒng)AGC服務(wù)需求,評(píng)估系統(tǒng)調(diào)頻儲(chǔ)備對(duì)風(fēng)電消納能力的影響。
備用能力
電力系統(tǒng)中各類(lèi)備用的作用是為了應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)的各種不確定性。其中對(duì)于電力系統(tǒng)短期調(diào)度而言,負(fù)荷備用的作用是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的偏差而可能產(chǎn)生的負(fù)荷-發(fā)電不平衡。風(fēng)電的接入為系統(tǒng)負(fù)荷與發(fā)電平衡帶來(lái)了新的不確定性。與常規(guī)機(jī)組不同,風(fēng)電出力具有間歇性,難以進(jìn)行自如的有功控制,對(duì)于日前調(diào)度而言,系統(tǒng)常規(guī)機(jī)組不僅要為負(fù)荷預(yù)留備用,而且需要為風(fēng)電預(yù)留備用。在風(fēng)電接入容量較小的情況下,無(wú)論日前發(fā)電計(jì)劃還是實(shí)時(shí)調(diào)度,可以暫不考慮風(fēng)電的出力。隨著風(fēng)電接入容量的增加及隨之對(duì)電網(wǎng)影響的增大,調(diào)度運(yùn)行中考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)出力已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。
目前數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)的精度較低,而且風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差隨著預(yù)測(cè)提前時(shí)段的增長(zhǎng)而急劇增加,因此相比負(fù)荷而言,風(fēng)電的短期具有較大的不確定性。在日前發(fā)電計(jì)劃中,風(fēng)電出力的不確定性可能大于負(fù)荷的不確定性。風(fēng)電接入后,系統(tǒng)需要取更多的旋轉(zhuǎn)備用以應(yīng)對(duì)風(fēng)電實(shí)際出力與預(yù)測(cè)值的偏差。因此,系統(tǒng)備用儲(chǔ)備對(duì)風(fēng)電消納能力產(chǎn)生較大的影響。
風(fēng)電消納能力評(píng)估方法
本文提出的確定性與概率性相結(jié)合的風(fēng)電消納能力評(píng)估方法框架圖如圖1所示。
風(fēng)電消納能力確定性評(píng)估模型與方法
確定性的分析方法是指通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)各邊界條件進(jìn)行科學(xué)的假定或設(shè)定后展開(kāi)相應(yīng)分析的方法,本文中主要基于確定性分析場(chǎng)景庫(kù),根據(jù)典型系統(tǒng)負(fù)荷曲線與風(fēng)電出力曲線,對(duì)風(fēng)電消納能力進(jìn)行分析與評(píng)估。
確定性分析的場(chǎng)景庫(kù)主要從負(fù)荷曲線和日風(fēng)電場(chǎng)出力曲線兩個(gè)維度來(lái)建立。對(duì)于負(fù)荷,選取最大負(fù)荷日、最小負(fù)荷日、最大峰谷差日三個(gè)典型場(chǎng)景;針對(duì)每個(gè)典型的負(fù)荷場(chǎng)景,根據(jù)95%置信度下的風(fēng)電最大出力與最小出力,構(gòu)建理論正調(diào)峰、理論反調(diào)峰日風(fēng)電場(chǎng)出力曲線,最終組合為6個(gè)確定性風(fēng)電消納能力評(píng)估場(chǎng)景。
對(duì)每個(gè)確定性場(chǎng)景,分別使用軟件進(jìn)行日運(yùn)行模擬計(jì)算,統(tǒng)計(jì)各場(chǎng)景系統(tǒng)的總調(diào)峰需求、風(fēng)電引起的峰荷正旋轉(zhuǎn)備用以及谷荷負(fù)旋轉(zhuǎn)備用,同時(shí)統(tǒng)計(jì)運(yùn)行模擬結(jié)果中火電的調(diào)峰率以及火電提供的旋備比例,其中火電的調(diào)峰率定義為火電峰荷電力除以火電的開(kāi)機(jī)容量,火電提供的旋備比例等于火電提供的旋備容量除以開(kāi)機(jī)容量。
對(duì)于調(diào)峰約束,選取調(diào)峰需求最大及火電調(diào)峰率最高的場(chǎng)景作為調(diào)峰約束下的關(guān)鍵場(chǎng)景;逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量,使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬,直至系統(tǒng)調(diào)峰能力不足出現(xiàn)棄風(fēng),則該臨界場(chǎng)景下風(fēng)電容量即為調(diào)峰約束下風(fēng)電可消納容量。
對(duì)于備用約束,選取備用需求最大以及火電提供旋備比例最低的場(chǎng)景作為備用約束下的關(guān)鍵場(chǎng)景;逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量,使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬,直至系統(tǒng)備用不足或者出現(xiàn)棄風(fēng),則該臨界場(chǎng)景下風(fēng)電容量即為備用約束下風(fēng)電可消納容量。
對(duì)于調(diào)頻約束,調(diào)頻需求主要在最大負(fù)荷日由負(fù)荷引起,在最小負(fù)荷日風(fēng)電出力波動(dòng)則占較大比例,選取最大最小負(fù)荷日為關(guān)鍵場(chǎng)景,風(fēng)電選取典型出力曲線;逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量,利用軟件運(yùn)行模擬的開(kāi)機(jī)方案,對(duì)比系統(tǒng)的調(diào)頻能力與調(diào)頻需求,直至系統(tǒng)調(diào)頻不足,則該臨界場(chǎng)景下的風(fēng)電容量即為調(diào)頻約束下風(fēng)電可消納容量。
風(fēng)電消納能力概率性評(píng)估模型與方法
新能源消納能力概率性評(píng)估基于概率性分析場(chǎng)景庫(kù)來(lái)對(duì)各因素下的新能源消納能力進(jìn)行評(píng)估。使用軟件運(yùn)行模擬生成全年8760點(diǎn)風(fēng)電時(shí)序出力,將風(fēng)電時(shí)序出力與時(shí)序負(fù)荷一一對(duì)應(yīng),則可以得到365個(gè)含風(fēng)電的概率性場(chǎng)景,即為概率性評(píng)估場(chǎng)景庫(kù)。對(duì)概率性評(píng)估場(chǎng)景庫(kù)的各個(gè)場(chǎng)景分別進(jìn)行考慮多種約束的運(yùn)行模擬,統(tǒng)計(jì)全年的棄風(fēng)電量,即可表征風(fēng)電的消納水平。
設(shè)置風(fēng)電消納能力概率性評(píng)估最大棄風(fēng)電量比例為5%,逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量,同時(shí)根據(jù)風(fēng)電裝機(jī)容量不斷提高備用率,計(jì)算在不同裝機(jī)容量下全年的棄風(fēng)電量比例,直至棄風(fēng)達(dá)到設(shè)定值,此時(shí)的風(fēng)電裝機(jī)容量為概率性風(fēng)電消納能力。
本文刊載于《中國(guó)電力企業(yè)管理》(上旬刊),作者單位:王彤(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司),朱靜慧(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司)
原標(biāo)題:基于確定性和概率性的風(fēng)電消納能力評(píng)估研究(上)