侯婷婷 婁素華 張滋華 吳耀武

（華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室 武漢 430074）

1 引言

隨著全球性的傳統(tǒng)化石能源枯竭、環(huán)境污染和氣候變暖問題的日益突出，大力發(fā)展風(fēng)電等可再生能源發(fā)電成為世界各國的重大戰(zhàn)略選擇[1-4]。根據(jù)國家能源局確定的千萬千瓦級風(fēng)電基地規(guī)劃，我國將于2020年建成哈密、酒泉等七個千萬千瓦級風(fēng)電基地，這種大規(guī)模、高集中開發(fā)的風(fēng)電都在負(fù)荷比較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)，所以僅在開發(fā)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)進行風(fēng)電消納是不可能或者說不科學(xué)的。以酒泉風(fēng)電基地為例，其2015年的風(fēng)電裝機容量將達(dá)到1 271萬kW，根據(jù)甘肅電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)和用電需求特性，靠其自身電網(wǎng)是無法完全消納的。而2020年，酒泉風(fēng)電基地的風(fēng)電裝機容量將增加到2 000萬kW，在當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)進行消納更加困難，這就決定了未來大規(guī)模風(fēng)電基地風(fēng)能匯聚外送的必然趨勢[5]。

然而，由于風(fēng)電具有波動性、能量密度低的特點，一般的風(fēng)電場年等效滿發(fā)利用小時都在2 000～3 000h之間。若輸送通道只外送風(fēng)電一類電能，就會產(chǎn)生風(fēng)電輸送率和通道利用率之間的矛盾。在風(fēng)電出力較小的時段，會有大量的輸電通道容量空間冗余，使得輸電通道的作用得不到充分的發(fā)揮，而風(fēng)電出力較大的時段則可能導(dǎo)致輸電通道不能將風(fēng)電全部送出。因此，風(fēng)電獨立外送將很難同時保證輸電系統(tǒng)的利用效率和風(fēng)電的送出率。同時，由于風(fēng)電出力的波動性，輸送電能的質(zhì)量也無法得到保證。因此，為風(fēng)電基地建設(shè)配套電源與風(fēng)電協(xié)調(diào)送出，將輸電通道輸送風(fēng)電空余的容量空間利用起來，既能充分利用輸電通道，增加經(jīng)濟效益，又能改善輸送的電能質(zhì)量，保證輸送電力的穩(wěn)定。

文獻[5]通過對大規(guī)模風(fēng)電基地—酒泉風(fēng)電基地出力特性的研究得出結(jié)論：火電是大容量風(fēng)電功率調(diào)節(jié)的合理選擇，建設(shè)一定規(guī)模的火電并與風(fēng)電配套送出，能夠有效地解決風(fēng)電的消納問題。所以，本文采用火電作為風(fēng)電外送的配套電源。對于送出一定容量的風(fēng)電，確定配套建設(shè)火電的容量規(guī)模，有效平衡輸電通道的容量作用發(fā)揮和風(fēng)電的送出率，是目前需要深入研究的問題。

目前，風(fēng)電相關(guān)的研究大都集中于風(fēng)電機組的動態(tài)仿真[6-8]、風(fēng)電場可靠性建模[9-11]及含風(fēng)電系統(tǒng)的短期優(yōu)化調(diào)度[12-14]等幾個方面，僅有少數(shù)學(xué)者對大容量風(fēng)電的外送輸電問題進行了初步的研究[15-17]。文獻[15，16]提出了含風(fēng)電的輸電系統(tǒng)可靠性評估方法，文獻[17]提出了一種風(fēng)電場群匯聚外送輸電通道容量的優(yōu)化方法，針對風(fēng)電外送問題取得了一定的研究成果。但是，在風(fēng)電外送配套電源容量優(yōu)化方面尚未見相關(guān)文獻。

本文對輸電通道輸送風(fēng)電后的空余容量空間（Spare Capacity of Transmission Line，STC）的時序特性進行了分析，并定義了持續(xù)STC曲線?；诔掷m(xù)STC曲線，建立了風(fēng)電匯聚外送配套火電容量優(yōu)化模型。該模型在風(fēng)電優(yōu)先外送的前提下，合理利用輸電通道的空余容量輸送火電，使輸電經(jīng)濟效益最大化，模型考慮了輸電線路、配套電源的費用及輸送電量收益。應(yīng)用本文提出的模型對一個測試系統(tǒng)進行了仿真計算和分析，結(jié)果證明了模型的有效性。

2 風(fēng)電外送配套火電可行性分析

為大規(guī)模風(fēng)電外送配套出力可控電源可以彌補其輸出的波動性，提高輸電通道的輸電效率。電力系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)能力的電源一般有火電、水電及抽水蓄能等，水電和抽水蓄能電站常常會受到地理位置的制約，而火電建設(shè)相對比較靈活，可根據(jù)大容量風(fēng)電外送需求進行優(yōu)化配置。目前，美國、歐洲和中國的主流超臨界火電機組的主要性能指標(biāo)[18]見下表。

表 主流超臨界火電機組性能指標(biāo)Tab.Main supercritical thermal units’ performance indices

目前，國內(nèi)外超臨界燃煤火電機組的基本調(diào)峰深度可達(dá)50%，若采用投油調(diào)峰方式，其調(diào)峰深度可以上升至60%；出力調(diào)整速率可達(dá)到0.03～0.05MCR/min。根據(jù)對我國大型風(fēng)電場群風(fēng)電出力特性的研究分析[5]，臨近多個風(fēng)電場功率匯聚后其出力波動性大大抵消，變化率在0.015MCR/min以下的概率為99%，因此，采用火電調(diào)節(jié)風(fēng)電功率的波動性是可行的。

3 輸電通道火電可用容量持續(xù)曲線

大容量風(fēng)電外送若取得輸電效益的最大化，就要合理利用輸電通道輸送風(fēng)電后空余的容量空間，為之配套合理容量的火電電源，既充分利用了輸電通道的容量，同時又使因輸電通道阻塞而不能完全送出的風(fēng)電電量最小化。因此，分析輸電通道輸送風(fēng)電后空余的容量空間特性十分關(guān)鍵。

3.1 輸電通道的STC時序特性

STC定義為：按照既定的送電協(xié)議，優(yōu)先輸送風(fēng)電電力后剩余的容量空間。

t時刻STC的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，Pline、β(t)及Pw(t)分別為輸電通道容量、t時刻協(xié)議送電功率與輸電通道容量的比值及多個風(fēng)電場匯聚后的出力；T為運行周期的總時段數(shù)；β(t)反映了電能外送的送電曲線特性，在實際運行中是根據(jù)不同的目的由送、受端協(xié)議確定。當(dāng)β(t)恒為1時，代表輸電通道全年滿送；當(dāng)考慮受端系統(tǒng)的調(diào)峰壓力時，β(t)可根據(jù)受端系統(tǒng)的負(fù)荷特性確定。

圖1為送電協(xié)議為輸電通道全年滿送時，即β(t)=1，t=1,2,…,T，對應(yīng)的某一風(fēng)電基地連續(xù)一周的出力曲線及相應(yīng)的STC時序曲線，輸電通道容量為750萬kW，外送風(fēng)電總?cè)萘繛?50萬kW。由此圖可以看出，STC曲線保留了風(fēng)電出力的隨機性和波動性，同時，與風(fēng)電出力大小具有互補性。

圖1 風(fēng)電出力和對應(yīng)STC時序曲線Fig.1 Sequential curve of wind power output of a wind base and its corresponding STC

3.2 輸電通道的持續(xù)STC曲線

由于風(fēng)電預(yù)測的短期特性，無法對未來規(guī)劃年的風(fēng)電出力曲線進行精確預(yù)測，所以若采用風(fēng)電出力時序曲線及時序STC曲線進行未來幾年后的風(fēng)火協(xié)調(diào)外送分析是極其困難的。對于一個特定地區(qū)，其每年的風(fēng)能資源不會變化太大，具有相似的概率分布特性。故本文借鑒持續(xù)負(fù)荷曲線的概念，基于風(fēng)電出力的歷史數(shù)據(jù)，研究通道輸送風(fēng)電后空余容量的概率分布特性，建立輸電通道的持續(xù)STC曲線。

對風(fēng)電場的歷史出力數(shù)據(jù)和輸電通道的送電協(xié)議統(tǒng)計分析后可得到STC的累積概率分布曲線，圖2所示的為送電協(xié)議比恒為1時的STC累積概率分布曲線。

圖2 STC累積概率分布曲線Fig.2 Cumulative probability distribution curve of STC

對于圖2中任意一點（STC0，p(STC0)），表示STC大于或者等于STC0的概率為p(STC0)，即

兩端乘以T，可得STC大于或者等于STC0的持續(xù)時間：

TSTC(STC)即由STC的累積概率曲線轉(zhuǎn)化為的持續(xù)STC曲線。式中，F(xiàn)(STC)、f(STC)分別為STC的累積概率分布函數(shù)和概率密度函數(shù)。

在配套火電容量優(yōu)化中，輸電通道輸送風(fēng)電后剩余的容量空間即為配套火電可用的通道容量，因此，持續(xù)STC曲線可看作火電所能承擔(dān)的最大等效持續(xù)負(fù)荷曲線。

在實際應(yīng)用中，根據(jù)輸送通道的送電曲線和風(fēng)電出力曲線可以得到STC曲線，而輸電通道的曲線則由送電和受電雙方根據(jù)受端系統(tǒng)負(fù)荷特性和電源調(diào)節(jié)特性協(xié)調(diào)確定。

4 風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

火電與風(fēng)電協(xié)調(diào)外送的目標(biāo)一方面是要充分送出可再生的風(fēng)電資源，另一方面是獲得輸電效益的最大化，其模型目標(biāo)函數(shù)為

式中，B表示風(fēng)電與火電協(xié)調(diào)外送總的凈收益；Bline表示通道輸送的年電量收益，包括輸送的風(fēng)電電量收益Bw和火電電量收益Bth兩部分；Cth為配套火電的容量；Fline表示輸電通道的投資等年值和固定運行費；Fth表示配套火電的年總費用，由投資等年值、固定運行費用和可變運行費用三部分組成[19]。

Fline和Fth的表達(dá)式分別為

式中，Il和Fl.F分別為輸電線路總投資和年固定運行維護費；Ith、Fth.F和Fth.V分別為配套火電總投資、年固定運行維護費和可變運行費；nl、nth分別為輸電線路和配套火電的壽命；r為貼現(xiàn)率（%）。

4.2 約束條件

風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化模型的約束條件包括輸電線路容量約束、火電機組運行約束和風(fēng)電場運行約束三部分。

（1）輸電通道送電容量約束。即任何時候，輸電通道輸送的風(fēng)電和火電電力不超過協(xié)議送電容量：

式中，Pline、Pth(t)、Pw(t)分別為輸電通道容量、輸電通道在t時刻輸送的火電電力和風(fēng)電電力。

（2）火電機組約束

式中，Pth.min、Pth.max分別為機組最小、最大出力。

（3）風(fēng)電場運行約束

①風(fēng)電場出力約束，即風(fēng)電場的出力不大于風(fēng)電場裝機總?cè)萘浚?/p>

②風(fēng)電場電量約束，即送出風(fēng)電場發(fā)電量和未送出的電量之和等于風(fēng)電場期望發(fā)電量：

式中，tE為風(fēng)電場的年期望利用小時；EW、EENAW分別為輸電通道送出和未送出的風(fēng)電電量。

4.3 配套火電容量優(yōu)化原理

本文建立的風(fēng)火聯(lián)合外送模型是一個兩層優(yōu)化問題，上層是優(yōu)化配套火電的總?cè)萘俊Ｏ聦邮菍τ谀骋慌涮谆痣娙萘?。基于持續(xù)STC曲線優(yōu)化送出火電的送電曲線，使得火電運行的經(jīng)濟性最優(yōu)，優(yōu)化原理如圖3所示。

圖3 風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化原理框圖Fig.3 Flowchart of capacity optimization of corollary thermal sources transmitted with wind power together

5 算例分析

采用本文提出的協(xié)調(diào)風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化方法，對2015年西部某風(fēng)電基地的風(fēng)火聯(lián)合外送至中部地區(qū)的問題進行了計算分析。

本算例中，輸電通道容量和外送風(fēng)電額定容量均為已知（采用規(guī)劃水平），分別為：750萬kW和750萬kW?；谖覈壳靶陆ɑ痣姍C組的情況，選擇單機容量為60萬kW的火電機組作為配套火電，其實際平均發(fā)電煤耗為300g/kW·h，根據(jù)電監(jiān)會公布的《2007、2008年投產(chǎn)電力工程項目造價情況通報》[20]，火電的單位投資和壽命分別取4 000元/kW和25年，標(biāo)煤煤價為650元/t，根據(jù)發(fā)改委公布的火電上網(wǎng)電價[21]，電價取為0.35元/kWh，貼現(xiàn)率r為0.1。

考慮受端系統(tǒng)的負(fù)荷特性和輸電通道的實際利用效率，協(xié)議送電曲線擬定為：受端系統(tǒng)負(fù)荷低谷時段送電協(xié)議比β(t)為0.5，高峰負(fù)荷時段送電協(xié)議比β(t)為1，腰荷時段的送電協(xié)議比β(t)為0.83，輸電通道年綜合送電利用小時數(shù)為6 800。

5.1 持續(xù)STC曲線

對風(fēng)電出力的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合輸電通道容量及送電協(xié)議，得到風(fēng)電外送通道的持續(xù)STC曲線如圖4所示。

圖4 持續(xù)STC曲線Fig.4 Duration curve of STC

由圖4看出，750萬kW的輸電通道按照既定送電協(xié)議送總?cè)萘?50萬kW的風(fēng)電之后，還有較大的通道容量空間沒有利用，STC大于440萬kW的時間達(dá)到了4000h。由此可見，由于風(fēng)電資源的特性，外送輸電通道輸送風(fēng)電之后會有大量的空余容量空間，為充分利用輸電通道，有必要建設(shè)一定容量的配套電源與風(fēng)電協(xié)調(diào)送出。

由于輸電通道按照受端負(fù)荷特性分三個水平來輸送電力，該送電協(xié)議下的持續(xù)STC曲線是一條非持續(xù)光滑的連續(xù)曲線，由三段持續(xù)光滑的曲線組成。也就是說，持續(xù)STC的特性是與送電曲線的形狀是密切相關(guān)的。

5.2 風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化結(jié)果

基于持續(xù)STC曲線，采用本文提出的模型對不同火電配套容量方案進行了計算，圖5 給出了不同火電配套容量時的風(fēng)電外送總的凈收益。

圖5 不同配套火電容量時的總收益Fig.5 Benefits of schemes with different corollary thermal source capacities

從圖5可看出，在配套火電容量較小時，隨著配套火電容量的增大，輸電通道利用越充分，輸電通道收益即隨之增加。而當(dāng)配套火電容量增大到一定程度后，即增加的火電投資以及固定運行費用與增加的火電送出電能收益相平衡時，獲得最佳的風(fēng)火協(xié)調(diào)外送總收益；此后，如果繼續(xù)增加的配套火電容量，因受輸電通道輸送能力的限制，配套火電發(fā)電小時數(shù)下降，則總收益會隨著配套火電容量的增加而降低。對于文中的測試系統(tǒng)，采用60萬kW火電機組進行配套外送，其最優(yōu)配套容量為480萬kW，輸電總收益為36.42億元，比單純送風(fēng)電的凈收益增加了12.26億元，增幅達(dá)到50.7%。

5.3 電價影響分析

落地電價是風(fēng)火聯(lián)合外送效益的一個重要影響因素。采用文中模型，對不同落地電價對應(yīng)的最優(yōu)配套火電容量及輸電收益進行了計算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同落地電價時的優(yōu)化方案結(jié)果Fig.6 Optimal results under different electricity price

圖6 給出了不同落地電價時的風(fēng)電外送配套火電最優(yōu)容量及對應(yīng)的輸電收益，從圖中可以看出，落地電價對配套火電的最佳容量有很大的影響，在電價的增長初期，配套火電的最佳容量迅速上升，經(jīng)過一段急速上升期之后，隨著電價的增長，最佳配套火電容量的增加逐步變緩。這是因為，高的落地電價會增加送電的收益，促使輸電通道多輸送電量，充分利用輸電通道空閑的輸送能力，進而獲取更大的經(jīng)濟效益。在電價增長初期，較多的STC空間使得配套火電最佳容量迅速增大，之后由于受輸電通道容量的限制，增加的單位火電投資獲得收益減少，從而抑制配套火電容量的增加速度。

5.4 火電煤價影響分析

火電機組的燃料價格是影響與風(fēng)電配套送出火電容量規(guī)模的另一重要因素。采用本文模型，對不同火電煤價對應(yīng)的最優(yōu)配套火電容量及凈收益進行了計算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同火電煤價時的優(yōu)化方案結(jié)果Fig.7 Optimal results under different coal price

由圖7可知，隨著火電煤價的增大，輸送相同電量獲得的收入不變，而成本卻增大，輸電通道輸電的凈收益是減小的，因此促使配套火電的最優(yōu)容量也呈逐漸降低的趨勢。火電煤價為500元/t時，最優(yōu)配套火電容量高達(dá)600萬kW；而火電煤價為800元/t時，若送電的落地電價不變，最優(yōu)的配套火電容量僅為300萬kW。因此，風(fēng)電外送配套火電的建設(shè)需要對其一次能源合理的進行評估。

6 結(jié)論

隨著我國風(fēng)電的大規(guī)模、高集中開發(fā)，大容量風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送成為解決風(fēng)電消納問題的一個有效手段。由于風(fēng)電資源本身的年利用小時數(shù)較低，為其建設(shè)一定容量的配套電源聯(lián)合送出才能保證風(fēng)電外送的綜合效益。本文針對風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化問題，提出了一種解決思路?；陲L(fēng)電出力的歷史數(shù)據(jù)，定義了輸電通道火電可用容量空間的持續(xù)曲線，即STC持續(xù)曲線，進而建立了風(fēng)電外送配套火電容量優(yōu)化模型，通過對算例系統(tǒng)的計算及結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論：

（1）由于風(fēng)電資源特點，輸電通道輸送風(fēng)電之后會有大量的空余容量空間，配套火電與風(fēng)電協(xié)調(diào)外送可以大大提高輸電綜合效益。

（2）落地電價和火電煤價均會對風(fēng)電外送配套火電的最優(yōu)容量和輸電效益產(chǎn)生影響。

（3）未來風(fēng)電外送配套火電容量的確定需綜合考慮多方面的因素，包括火電煤價、風(fēng)電出力特性、落地電價等。

本文提出的模型和方法能夠為未來我國大規(guī)模風(fēng)電基地的風(fēng)電外送配套電源容量的優(yōu)化及風(fēng)電外送綜合效益評估提供一定的指導(dǎo)。

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