謝國(guó)輝，李瓊慧，高長(zhǎng)征

（1．國(guó)網(wǎng)能源研究院，北京 100052；2.吉林省電力科學(xué)研究院，吉林長(zhǎng)春 130021）

我國(guó)將在“三北（華北、東北、西北）”地區(qū)和東部沿海地區(qū)規(guī)劃建設(shè)8個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)的風(fēng)電基地，預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到2億千瓦，年均增速高達(dá)20%左右。未來(lái)，我國(guó)風(fēng)電將呈現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-2]。目前我國(guó)局部地區(qū)由于電源結(jié)構(gòu)不合理出現(xiàn)的調(diào)峰能力不足、以及跨區(qū)電網(wǎng)核準(zhǔn)與建設(shè)滯后導(dǎo)致的風(fēng)電送出受限等情況時(shí)有發(fā)生，風(fēng)電棄風(fēng)限電已成為社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和電網(wǎng)規(guī)劃與調(diào)度運(yùn)行迫切需要解決的重大問(wèn)題。

棄風(fēng)電量計(jì)算是做好風(fēng)電和電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是制定風(fēng)電棄風(fēng)原則和規(guī)范的重要依據(jù)。目前關(guān)于棄風(fēng)電量計(jì)算方法和模型的研究報(bào)道較少，大部分研究在電網(wǎng)接納風(fēng)電能力和電網(wǎng)調(diào)度模型風(fēng)電穿透功率中考慮了棄風(fēng)問(wèn)題，例如文獻(xiàn)[3]分析了風(fēng)電棄風(fēng)的主要因素；文獻(xiàn)[4-6]分析了風(fēng)電出力波動(dòng)特性，基于電網(wǎng)調(diào)峰能力，提出并建立了計(jì)及風(fēng)電接納能力的電網(wǎng)調(diào)度模型，研究了電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力；文獻(xiàn)[7]考慮了風(fēng)電棄風(fēng)因素，建立了發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃優(yōu)化決策模型；文獻(xiàn)[8]分析了風(fēng)電送出受限導(dǎo)致棄風(fēng)的原因，提出了考慮約束的風(fēng)電調(diào)度模式，研究具體的調(diào)度原則和實(shí)施細(xì)則。

由于風(fēng)電棄風(fēng)與電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、風(fēng)電出力特性、火電調(diào)峰能力、以及風(fēng)電消納范圍等因素密切相關(guān)[9]。為準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)電棄風(fēng)電量，應(yīng)從調(diào)度運(yùn)行層面上，考慮各種影響因素，逐點(diǎn)計(jì)算每個(gè)小時(shí)的風(fēng)電電力電量平衡情況。因此，本文提出了計(jì)算棄風(fēng)電量的逐小時(shí)計(jì)算方法，并建立了棄風(fēng)電量的計(jì)算模型。以我國(guó)某風(fēng)電大省為實(shí)際案例，應(yīng)用模型定量計(jì)算2011年該省在接入不同風(fēng)電容量下的棄風(fēng)電量比例。

1 基于逐小時(shí)平衡的棄風(fēng)電量計(jì)算方法

本文提出基于逐小時(shí)電力平衡的風(fēng)電棄風(fēng)電量計(jì)算方法。該方法根據(jù)每個(gè)時(shí)段風(fēng)電最大出力和其他電源最小技術(shù)出力情況，確定風(fēng)電每個(gè)時(shí)段的棄風(fēng)功率和電量。如圖1所示。

圖1 基于逐小時(shí)平衡的棄風(fēng)電量計(jì)算方法Fig.1 Calculation method of wind power curtailment based on hour by hour power balance

如圖1所示，其他電源最小技術(shù)出力、不可調(diào)節(jié)出力與風(fēng)電最大可能出力疊加之后形成發(fā)電總出力曲線。該曲線超出負(fù)荷疊加外送需求的部分即為風(fēng)電棄風(fēng)功率，具體計(jì)算公式如下：

式中，Pw，i，tmax、Pw，i，t和Pw，i，tcurtail分別為風(fēng)電場(chǎng)i在t時(shí)段可能的最大發(fā)電出力、風(fēng)電實(shí)際出力和風(fēng)電棄風(fēng)功率。棄風(fēng)功率為每個(gè)時(shí)段風(fēng)電最大可能出力與風(fēng)電每個(gè)時(shí)段實(shí)際出力的差值。每個(gè)時(shí)段棄風(fēng)電量和風(fēng)電發(fā)電量累加形成T時(shí)段內(nèi)風(fēng)電棄風(fēng)電量和風(fēng)電發(fā)電量的總和。ηw，i，curtail為棄風(fēng)電量比例，是T時(shí)段內(nèi)棄風(fēng)電量與風(fēng)電發(fā)電量的比值。

其中，該方法關(guān)鍵問(wèn)題是如何確定風(fēng)電每個(gè)時(shí)段的最大可能出力。首先根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)給出不同地區(qū)風(fēng)電出力曲線形狀，如圖2所示；然后根據(jù)風(fēng)電不同裝機(jī)容量和預(yù)計(jì)年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)修正曲線，從而獲得計(jì)算水平年的風(fēng)電場(chǎng)每個(gè)時(shí)段的發(fā)電出力上限。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)出力曲線形狀示意Fig.2 The curve of wind farm output

步驟一：獲得不同地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出力曲線形狀。由于不同地區(qū)風(fēng)資源條件不同，風(fēng)電場(chǎng)小時(shí)級(jí)的出力曲線存在較大差異。因此，需要針對(duì)不同地區(qū)的風(fēng)況，獲得不同地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出力曲線形狀。該曲線形狀由風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法計(jì)算給出。

步驟二：根據(jù)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和預(yù)計(jì)發(fā)電利用小時(shí)修正上述曲線，獲得未來(lái)計(jì)算時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電最大出力曲線。具體公式如下：

式中，Pw，i，tmax是風(fēng)電場(chǎng)i裝機(jī)容量；Pw，i，tori是風(fēng)電場(chǎng)i在出力形狀曲線；λ是風(fēng)電場(chǎng)i預(yù)計(jì)的年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)。

2 風(fēng)電逐小時(shí)發(fā)電出力計(jì)算模型

2.1 建模思想

由于風(fēng)電逐小時(shí)發(fā)電出力與電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、風(fēng)電出力特性、火電調(diào)峰能力及風(fēng)電外送需求等因素密切相關(guān)，并且受季節(jié)特性影響。因此，本文綜合考慮影響風(fēng)電出力的各種因素，涵蓋風(fēng)電出力曲線、供熱機(jī)組不同季節(jié)的調(diào)峰容量、水電站入庫(kù)流量等因素的季節(jié)特性，建立風(fēng)電在每個(gè)時(shí)段出力的計(jì)算模型。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)。結(jié)合我國(guó)實(shí)際電源結(jié)構(gòu)的情況，考慮火電機(jī)組、水電站和風(fēng)電場(chǎng)總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)。

式中，i為機(jī)組號(hào)，i=1，2，…，I，I為火電機(jī)組、水電站和風(fēng)電場(chǎng)的總數(shù)；t=1，2，…，T，T為時(shí)段數(shù)；n=1，2，…，N，N為電網(wǎng)分區(qū)數(shù)；F是系統(tǒng)運(yùn)行成本，fg，c、fg，h和fg，w分別是火電機(jī)組、水電站和風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行成本；Pc，n，i，t、ac，n，i、Ph，n，i，t、bc，n，i和Pw，n，i，t、cc，n，i分別是位于n分區(qū)內(nèi)的火電、水電站和風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電出力和其單位發(fā)電出力的運(yùn)行成本；Ui，t、Si為火電機(jī)組i在t時(shí)段運(yùn)行狀態(tài)和的啟動(dòng)費(fèi)用。風(fēng)電場(chǎng)單位運(yùn)行成本設(shè)置為零，保障風(fēng)電的優(yōu)先調(diào)度，最大限度減少棄風(fēng)電量。

2.3 約束條件

2.3.1 系統(tǒng)約束

1）電力平衡約束：

2）熱力平衡約束：

3）負(fù)荷備用約束：

4）輸電能力約束：

式中，Px，n，t和Px，n，tmax分別是x分區(qū)到n分區(qū)之間的傳輸電力和傳輸極限；Pz，n，t是分區(qū)n外送或外送電力。PD，n，t和RD，n，t是分區(qū)n在時(shí)段t的負(fù)荷和備用；Hc，n，i，t是分區(qū)n 內(nèi)機(jī)組i在時(shí)段t的供熱量；HD，n，t是分區(qū)n的熱需求。

1）機(jī)組功率約束：

2）最小啟停時(shí)間約束：

3）機(jī)組爬坡速度約束：

4）啟停變量約束：

5）必須運(yùn)行機(jī)組約束：

6）背壓式供熱機(jī)組發(fā)電特性約束：

東北航線設(shè)定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波，北極—蘇伊士航線設(shè)定為摩爾曼斯克—蘇伊士運(yùn)河—馬六甲海峽—寧波。

7）抽氣式機(jī)組發(fā)電特性約束：

2.3.3 風(fēng)電場(chǎng)出力約束

2.3.4 水電站約束

1）徑流式水電：

2）調(diào)節(jié)性能水電站：

式中，Ph，n，i，tgiv是給定的徑流式水電的發(fā)電出力；Vh，n，i，t+1是水電站i的t+1時(shí)段的庫(kù)容，Vc，n，i，min和Vc，n，i，max是庫(kù)容的上下限。H（Ph，n，i，t）是發(fā)電用水函數(shù)。

3 算例分析

以我國(guó)某區(qū)域電力系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)為算例，采用本文提出的棄風(fēng)電量計(jì)算方法和模型分析2011年該省接入不同規(guī)模風(fēng)電對(duì)應(yīng)的棄風(fēng)電量和棄風(fēng)比例。該省風(fēng)能資源豐富，風(fēng)資源主要分布在西部地區(qū)和東部地區(qū)。

3.1 算例描述

該省按實(shí)際供電區(qū)域共分為8個(gè)，分區(qū)之間存在電氣聯(lián)系，如圖3所示。2011年該省將有41臺(tái)抽凝式供熱機(jī)組，總?cè)萘窟_(dá)到9 360 MW。6臺(tái)純凝火電機(jī)組，總?cè)萘窟_(dá)到3 060 MW；具有多年調(diào)節(jié)性能水電站，總?cè)萘窟_(dá)到1 000 MW，分布在C和H地區(qū)，主要參與整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰；風(fēng)電主要分布在A和E地區(qū)，B和C區(qū)是主要負(fù)荷中心。E為省間外送地區(qū)。

圖3 該省級(jí)電網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭DFig.3 The topography of the province’s grid

風(fēng)電根據(jù)該省風(fēng)資源狀況以及實(shí)際運(yùn)行情況，規(guī)劃水平年預(yù)計(jì)的年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)取為2 000 h?；痣姍C(jī)組裝機(jī)容量、水電分月入庫(kù)流量等參數(shù)見(jiàn)表1-表3。

各分區(qū)8 760 h級(jí)的負(fù)荷、熱量需求、外送的交換功率根據(jù)2010年實(shí)際數(shù)據(jù)并考慮一定增長(zhǎng)率確定。分區(qū)之間輸電容量約束見(jiàn)附表。由于模型（2）是典型的線性混合整數(shù)規(guī)劃模型，本文采用成熟的商業(yè)軟件CPLEX求解器計(jì)算。

表1 各類型機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of all kinds of units

表2 分區(qū)之間輸電極限Tab.2 Transmission constrain between regions

3.2 計(jì)算結(jié)果

在上述邊界條件下，模擬分析該省級(jí)電網(wǎng)接入不同規(guī)模風(fēng)電容量后棄風(fēng)電力和棄風(fēng)比例，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

隨著接入風(fēng)電規(guī)模不斷提高，棄風(fēng)電量和棄風(fēng)比例明顯上升，而風(fēng)電利用水平則不斷提高。當(dāng)風(fēng)電接入風(fēng)電規(guī)模僅為500 MW時(shí)，棄風(fēng)比例最小，當(dāng)風(fēng)電接入達(dá)到3 000 MW時(shí)，棄風(fēng)比例達(dá)到13.54%。

表3 分月入庫(kù)流量Tab.3 Monthly inflows

表4 不同接入規(guī)模風(fēng)電與棄風(fēng)比例的關(guān)系Tab.4 Relationship between wind power capacity and curtailment MW，MWh

圖4 接入不同規(guī)模風(fēng)電棄風(fēng)比例情況Fig.4 Share of wind power curtailment under various integration scales

3.3 棄風(fēng)主要原因分析

以接入2 400 MW風(fēng)電為例，分析棄風(fēng)主要原因。圖5顯示風(fēng)電在全年8 760 h內(nèi)的棄風(fēng)功率分布。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力和棄風(fēng)功率Fig.5 Actual output and curtailment of wind power

圖6 A地區(qū)風(fēng)電棄風(fēng)時(shí)段分布情況Fig.6 Periods of wind power curtailment in area A

如圖5所示，風(fēng)電棄風(fēng)多數(shù)發(fā)生在冬季、春季的供熱期間。由于風(fēng)電冬、春兩季多發(fā)，并且需要保障供熱，供熱火電機(jī)組缺乏足夠的調(diào)峰容量，導(dǎo)致風(fēng)電棄風(fēng)。如下圖6表示A地區(qū)風(fēng)電在2011年2月第一周內(nèi)的棄風(fēng)分布情況?？芍?，由于主要受到供熱機(jī)組調(diào)峰容量制約，區(qū)內(nèi)火電調(diào)峰容量已降低至裝機(jī)容量的65%，區(qū)內(nèi)負(fù)荷疊加外送需求后，部分時(shí)段擠占風(fēng)電消納空間。因此，火電調(diào)峰容量不足以及風(fēng)電出力特性是引起風(fēng)電棄風(fēng)的主要原因之一。

此外，風(fēng)電外送聯(lián)絡(luò)線輸電能力不足也是引起風(fēng)電棄風(fēng)的另一主要原因。如圖7所示，A地區(qū)外送聯(lián)絡(luò)線輸電容量約束為900 MW，在冬、春兩季內(nèi)部分時(shí)段A區(qū)外送潮流達(dá)到上限，從而這些時(shí)段風(fēng)電無(wú)法送出，導(dǎo)致A區(qū)風(fēng)電棄風(fēng)。

圖7 A地區(qū)全年外送潮流受限情況Fig.7 Power flow constrains in area A

3.4 敏感性分析

如下做敏感性分析，模擬分析全網(wǎng)火電機(jī)組調(diào)峰容量提高5%情況下，接入不同規(guī)模風(fēng)電與其棄風(fēng)比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由表5可知，由于提高供熱機(jī)組的調(diào)峰容量，減少了棄風(fēng)，提高了風(fēng)電利用水平。接入2 400 MW風(fēng)電，棄風(fēng)比例相對(duì)下降了3.3%，發(fā)電量占用電量比例則提高了0.29%。

表5 不同接入規(guī)模風(fēng)電與棄風(fēng)比例的關(guān)系Tab.5 Relationship between wind power capacity and curtailment MW，MWh

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了逐點(diǎn)電力平衡的風(fēng)電棄風(fēng)電量計(jì)算方法，建立了能夠量化影響棄風(fēng)各種因素的分析模型。算例分析表明：

1）本文提出的計(jì)算方法和模型能夠準(zhǔn)確分析接入不同規(guī)模風(fēng)電對(duì)應(yīng)的棄風(fēng)電量和比例；

2）隨著接入風(fēng)電規(guī)模提高，棄風(fēng)比例明顯上升，風(fēng)電利用水平則不斷提高；

3）火電調(diào)峰容量缺乏、風(fēng)電出力特性及風(fēng)電外送聯(lián)絡(luò)線輸電能力不足是引起風(fēng)電棄風(fēng)主要原因。

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