張 濤，李家玨，張延峰，王 洋，徐建源

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.大連供電公司，遼寧 大連 116000；3.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

在國家扶持可再生能源產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)控和激勵下，我國風力發(fā)電得到了快速發(fā)展[1-3]。2012年，我國風電并網(wǎng)容量達到60 830 MW，發(fā)電量達1 004億kWh，新增風電裝機容量達14 000 MW，風電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源[4-9]。隨著風電裝機容量的快速增長，大規(guī)模風電并網(wǎng)消納問題越來越突出，各地區(qū)均出現(xiàn)了不同程度的風電限電現(xiàn)象，引發(fā)了業(yè)內(nèi)對電網(wǎng)風電接納能力的研究。傳統(tǒng)風電接納能力的計算方法，主要是根據(jù)影響系統(tǒng)調(diào)峰的各方面因素，并結(jié)合風電調(diào)峰特性來定義的[10-16]。由此確定的計算方法在理論分析方面具有很好的適應性，但在確定實際電網(wǎng)的風電接納能力方面，沒有考慮實際電網(wǎng)的調(diào)度運行方式，因而缺乏普遍的實用性。

目前已有文獻對風電接納能力的計算方法進行了研究：文獻[17]建立了以風電接納能力最大為目標函數(shù)的調(diào)峰模型，在風電接納能力的計算過程中考慮了間歇式能源的不確定性，但未考慮電源側(cè)因素對其的影響；文獻[18]提出了以電網(wǎng)調(diào)峰能力為約束的風電接納能力計算方法，量化研究了風電接入對電網(wǎng)調(diào)峰的影響，但未涉及實際電網(wǎng)的調(diào)度運行方式；文獻[19]在考慮電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束的基礎上，研究了提高風電接納能力的風電優(yōu)化調(diào)度方法，但該方法僅適用于優(yōu)化風電運行策略，而不適用于安排電網(wǎng)中其他機組的短期開機方式；文獻[20]搭建了基于Delphi的時序分析仿真平臺，在聯(lián)絡線傳輸功率固定的情景下，對負荷曲線進行調(diào)整，在新的負荷時序曲線下定量分析系統(tǒng)風電接納能力的提升程度，但由于沒有考慮調(diào)度計劃中的機組開機方式，其計算精度受到影響。因此，為滿足風電快速發(fā)展的要求，在加強電網(wǎng)建設的同時，需要研究一種計及電網(wǎng)實際調(diào)度運行方式的風電接納能力計算方法，既能滿足電網(wǎng)的調(diào)峰約束，又能最大限度地反映電網(wǎng)實際的風電接納能力。

本文在上述文獻研究的基礎上，提出了基于調(diào)度運行方式的風電接納能力計算方法。該方法依托D5000智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)，讀取電網(wǎng)短時開機方式的運行數(shù)據(jù)，考慮電平衡方程、聯(lián)絡線調(diào)整系數(shù)、機組調(diào)峰能力的綜合約束，對實際電網(wǎng)的開機方式進行適量修正，實現(xiàn)常規(guī)電源與風電的協(xié)調(diào)運行，降低風電功率對電網(wǎng)運行的沖擊，使計算得出的結(jié)果能夠更加準確地反映電網(wǎng)實際接納風電能力。

1 風電接納能力原理分析

1.1 調(diào)峰約束下的風電接納空間

在分析電網(wǎng)有功功率平衡時，一方面要考慮滿足尖峰負荷時電源容量的需求，另一方面還要考慮低谷負荷時段電網(wǎng)中機組所能達到的最小技術出力。在考慮負荷低谷時段電網(wǎng)調(diào)峰約束的基礎上，負荷值和系統(tǒng)中所有機組最小技術出力之間的差值電力可以由風電提供，這個差值電力即為風電的接納空間。電網(wǎng)調(diào)峰約束下的風電最大接納空間與負荷預測值、聯(lián)絡線計劃、機組最小技術出力和備用容量相關，計算公式為

式中：Pmax代表調(diào)峰能力約束下的風電最大接納空間；Ppre代表最大負荷；Pline代表聯(lián)絡線計劃；PGmin代表常規(guī)機組的最小出力；RP代表旋轉(zhuǎn)備用容量。

由式（1）可以看出，當常規(guī)機組調(diào)峰能力較小而供電負荷需求也很小時，風電接納空間就越小，當調(diào)峰約束下風電接納空間為負值時，則需限制風電出力以滿足系統(tǒng)調(diào)峰約束。

本文考慮調(diào)峰約束中多變量關聯(lián)，提出風電接納空間的形成原理。為突出調(diào)峰約束的最低裕量，文中選取當月最大峰谷差日作為典型日展開分析，所計及的時間尺度以典型日中96個時間節(jié)點為基準。以省級電網(wǎng)某典型日電網(wǎng)運行情況為例，調(diào)峰約束下電網(wǎng)接納風電空間的原理如圖1所示。

圖1 調(diào)峰約束下風電接納空間原理圖Fig.1 Schematic diagram of wind power acceptance under peak regulating constraint

圖1為省級電網(wǎng)某典型日省調(diào)最大可調(diào)出力、全口徑供電負荷和省調(diào)最小可調(diào)出力曲線。圖中，A曲線是省調(diào)最大可調(diào)出力曲線，C曲線是省調(diào)最小可調(diào)出力曲線，B曲線是全口徑供電負荷曲線。

其中：省調(diào)最大可調(diào)出力曲線由計劃的該時刻最大直調(diào)水、火、核電機組出力，聯(lián)絡線受電電力（均折算到供電側(cè)）及最大地方電廠上網(wǎng)電力及旋轉(zhuǎn)備用相加得到；省調(diào)最小可調(diào)出力曲線由計劃的該時刻最小直調(diào)水、火、核電機組出力，聯(lián)絡線受電電力（均折算到供電側(cè)）及最小地方電廠上網(wǎng)電力相加得到；全口徑供電負荷曲線由全口徑負荷統(tǒng)計得到。

從電網(wǎng)運行的角度，風電隨風速變化是多變的，然而這種隨機變化是否能被電網(wǎng)所接納取決于當前電網(wǎng)的調(diào)峰方式下風電上網(wǎng)空間大小，其中包括負荷與常規(guī)電源最小出力之差等。求取風電上網(wǎng)空間的精確指標值，即為本文所建模計算的目標。如圖1中B曲線與C曲線所夾的空間為風電上網(wǎng)空間。其中計及負荷峰谷變化的機組最大/最小出力已由式（1）體現(xiàn)。由圖1可以看出，負荷低谷時段是一天中電網(wǎng)接納風電能力最小的時段，這同時也是風電棄風的主要時段。

1.2 超出調(diào)峰約束的風電調(diào)度

實際電網(wǎng)的風電接納能力，本質(zhì)上反映為風電的棄風數(shù)額。當風電預測功率超過風電最大接納空間時，需要采用限制風電出力的措施。下面列出兩種典型的風電棄風情況。

（1）負荷低谷時段的棄風電力

當電網(wǎng)中火電機組由于供暖或系統(tǒng)穩(wěn)定運行等約束導致負荷低谷時段出力很大時，為保證系統(tǒng)有功功率的平衡，必須切除機組最小可調(diào)出力曲線（包含風電機組出力）高于負荷低谷曲線的部分，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。圖2中的陰影部分即為負荷低谷時段電網(wǎng)的棄風出力。

圖2 負荷低谷時段棄風電力及相關曲線Fig.2 Curves of abandon wind power and others during low load period

（2）負荷尖峰時段的棄風電力

當負荷尖峰時段風電出力很大時，也存在機組最小可調(diào)出力曲線（包含風電機組出力）高于負荷尖峰曲線可能性。如圖3所示，若機組最小可調(diào)出力高于此時刻全口徑負荷，為保證系統(tǒng)有功功率的平衡，必須切除機組最小可調(diào)出力曲線（包含風電機組出力）高于負荷尖峰曲線的部分，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，如圖3中的陰影部分即為負荷尖峰時段電網(wǎng)的棄風出力。

圖3 負荷尖峰時段棄風出力及其相關曲線Fig.3 Curves of abandon wind power and others during peak load period

2 基于調(diào)度運行方式的風電接納能力計算方法

2.1 計算流程設計

基于調(diào)度運行方式的風電接納能力計算方法是綜合考慮機組出力影響、聯(lián)絡線調(diào)整系數(shù)、系統(tǒng)旋備容量、地方水火電上網(wǎng)電力等因素，根據(jù)電網(wǎng)實際調(diào)度的運行方式，通過尖峰預測負荷確定合理的尖峰開機方式。進而在考慮網(wǎng)損和廠用電的前提下得出尖峰負荷時刻的上網(wǎng)電力，其中網(wǎng)損率依據(jù)行業(yè)內(nèi)標準選取。在各類電源參與調(diào)峰能力分析及滿足電監(jiān)局核定的最小開機方式的基礎上，確定負荷低谷時刻最小開機方式，從而得到最小網(wǎng)供電力，并結(jié)合低谷負荷，求取電網(wǎng)的調(diào)峰盈余。以風電場集群效應研究為依據(jù)，給出電網(wǎng)的安全風電接納能力，從而為合理安排風電規(guī)劃和調(diào)度策略提供技術支持。

基于調(diào)度運行方式的風電接納能力計算流程如圖4所示。

圖4 計算流程設計圖Fig.4 Design drawing of calculation process

2.2 計算方法建立

2.2.1 計算原則

1）根據(jù)當月的最大負荷、最小負荷、火電機組最小開機方式、直調(diào)水電開機方式和直調(diào)核電開機方式，按月計算風電接納能力；

2）根據(jù)實際電網(wǎng)電力平衡規(guī)律，負荷低谷時段調(diào)峰壓力大，易出現(xiàn)棄風現(xiàn)象，所以采用基于負荷低谷調(diào)峰原則，計算風電接納能力；

3）在負荷尖峰時段，按實際電網(wǎng)調(diào)度負荷統(tǒng)計口徑，各電源電力參與電力平衡；

4）在負荷低谷時段，直調(diào)火電、核電、水電、風電，聯(lián)絡線輸送電力，地方上網(wǎng)電力參與調(diào)峰；

5）根據(jù)低谷時段電網(wǎng)的調(diào)峰容量計算當月風電接納容量。

2.2.2 計算步驟

1）直調(diào)機組尖峰出力計算

直調(diào)開機上網(wǎng)電力等于火電、核電和水電的上網(wǎng)電力之和，通過式（2）計算。

根據(jù)網(wǎng)供電力等于聯(lián)絡線出力與直調(diào)開機上網(wǎng)電力之和，得式（3）。

式中：p網(wǎng)供max為尖峰網(wǎng)供電力；p聯(lián)絡線max為聯(lián)絡線出力；α為網(wǎng)損率。

根據(jù)電力平衡，尖峰時刻全口徑負荷等于網(wǎng)供電力與地方水火電上網(wǎng)電力之和，得式（4）。

式中：pLmax為尖峰負荷；pG地方上網(wǎng)max為地方水火電上網(wǎng)尖峰電力。

考慮旋轉(zhuǎn)備用和機組出力受限，使用式（5）計算直調(diào)開機容量。

式中：pG備用為旋轉(zhuǎn)備用；pG出力受限為機組出力受影響容量。

由式（2）～式（5）整理可得直調(diào)火電開機容量pG火max，如式（6）所示。

2）直調(diào)機組低谷出力計算

根據(jù)火電機組最小開機方式，確定尖峰時刻熱電機組開機容量pG熱max和低谷時刻熱電機組開機容量pG熱min。

根據(jù)式（7）計算尖峰時刻其他火電機組的開機容量pG火其他max。

依據(jù)尖峰時刻其他火電機組的開機容量和調(diào)峰率，按照式（8）計算低谷時刻其他火電機組的開機容量pG火其他min。

式中，δ為其他火電機組的調(diào)峰率。

因此，低谷時刻直調(diào)火電機組的總?cè)萘縫G火min為

3）電網(wǎng)調(diào)峰能力計算

低谷時刻的直調(diào)開機上網(wǎng)電力等于火電、核電和水電的上網(wǎng)電力之和，通過式（10）計算。

式中：pG直調(diào)上網(wǎng)min為直調(diào)開機上網(wǎng)電力總和；pG火min為直調(diào)火電開機總和；pG核min為直調(diào)核電開機總和；pG水min為直調(diào)水廠開機總和。

根據(jù)網(wǎng)供電力等于聯(lián)絡線出力與直調(diào)開機上網(wǎng)電力之和，得式（11）。

式中：p網(wǎng)供min為低谷網(wǎng)供電力；p聯(lián)絡線min為聯(lián)絡線出力。

負荷低谷時的調(diào)峰能力p調(diào)峰使用式（12）計算。

4）風電接納能力計算

根據(jù)風電裝機提供的網(wǎng)供電力等于調(diào)峰能力得式（13）。

式中，ε為風電的同時率。

由式（9）、式（12）、式（13）得風電裝機消納能力如式（14）所示。

3 遼寧電網(wǎng)風電接納能力實例分析

3.1 遼寧電網(wǎng)調(diào)峰現(xiàn)狀

遼寧電網(wǎng)是以燃煤火電機組為主的電網(wǎng)，其水電機組較少，且沒有燃氣、燃油等發(fā)電機組，電網(wǎng)快速調(diào)峰能力相對較弱。同時，遼寧電網(wǎng)火電機組因煤質(zhì)差及設備缺陷影響出力情況仍將始終存在，給電網(wǎng)低谷調(diào)峰造成巨大壓力。此外，遼寧電網(wǎng)供熱機組較多，在冬季供熱期，供熱機組需以熱定電，出力可調(diào)范圍有限，因此，冬季是遼寧省電網(wǎng)調(diào)峰最困難的時期，加之冬季風電出力呈現(xiàn)的反調(diào)峰性更加大了電網(wǎng)調(diào)峰難度。

3.2 計算邊界條件

在系統(tǒng)電源結(jié)構一定的情況下，全網(wǎng)風電消納能力受負荷大小、豐水期/枯水期、供熱期/非供熱期等多重因素的影響，系統(tǒng)的風電消納能力具有明顯的季節(jié)性特征。因此，本文考慮各水平年不同月份的開機方式、負荷特性變化等因素，對2013～2015年遼寧電網(wǎng)進行分月調(diào)峰平衡，根據(jù)調(diào)峰盈余計算出各月電網(wǎng)消納風電的能力。在進行調(diào)峰平衡過程中，綜合考慮了全口徑負荷、地方水火電上網(wǎng)電力、聯(lián)絡線受電能力、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量以及新增機組參與調(diào)峰等因素。

3.3 遼寧電網(wǎng)風電接納能力分析

依據(jù)2.2節(jié)提出的基于調(diào)度運行方式的風電接納能力計算方法，參考調(diào)度日常安排機組出力的原則，在滿足最小開機方式的基礎上，結(jié)合各水平年負荷預測及峰谷差情況，得出了遼寧風電消納能力結(jié)論。計算結(jié)果如表1所示。

（1）從風電裝機各季節(jié)平均消納角度來看，2013～2015年各年平均風電裝機消納能力為：2 810 MW、2 750 MW、2 290 MW。

（2）從平衡結(jié)果可以看出，2013～2015年遼寧電網(wǎng)冬季風電裝機消納能力不足，夏季則能夠消納大量風電。其中，1、2月份風電裝機消納能力幾乎為0，若要強行接納風電，則需突破機組的最小開機方式；9、10月份電網(wǎng)接納風電能力達到最大。

表1 2013～2015年遼寧電網(wǎng)調(diào)峰能力平衡結(jié)果Table 1 Liaoning grid balance results of peak regulation capacity in 2013～2015

4 結(jié)論

為準確指導與規(guī)劃電網(wǎng)調(diào)峰約束下的風電接納調(diào)度，本文考慮全局運行參數(shù)變化，給出電網(wǎng)調(diào)峰方式下的風電接納能力的求解原理，并相應建立風電接納調(diào)度指標的計算模型與方法，求解過程中對調(diào)峰參量中的常規(guī)火電機組出力與備用、當月典型日的負荷峰谷值以及風電可接納容量等關鍵參數(shù)量進行建模計算，準確分析出調(diào)峰方式與風電接納調(diào)度量的數(shù)值關系。通過對某省級電網(wǎng)的實際算例分析，采用本文模型方法分析計算，得出風電接納能力指標值即電網(wǎng)調(diào)峰能力，實例結(jié)果驗證了該指標對電網(wǎng)調(diào)峰方式評價的合理性，并指導了間歇式風電接入模式下電網(wǎng)調(diào)度的安全穩(wěn)定運行。

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