龔向陽(yáng)，勵(lì)文偉，鄭瑜，鄭琦

(國(guó)網(wǎng)寧波供電公司,浙江 寧波 315010)

抽水蓄能電站對(duì)地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的研究

龔向陽(yáng)，勵(lì)文偉，鄭瑜，鄭琦

(國(guó)網(wǎng)寧波供電公司,浙江 寧波 315010)

以地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)為例，將抽水蓄能機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組一起納入組合問題當(dāng)中，建立抽水蓄能-風(fēng)電聯(lián)合供電模型，并以風(fēng)電最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)構(gòu)建聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。并利用該優(yōu)化模型分析了不同季節(jié)典型日下抽水蓄能電站對(duì)風(fēng)電接入電網(wǎng)各項(xiàng)指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，在該地區(qū)電網(wǎng)中，只有當(dāng)風(fēng)電容量超過系統(tǒng)的接納能力時(shí)，抽水系能電站的作用才能較為顯著的得意體現(xiàn)。與此同時(shí)，風(fēng)電并網(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)也隨著抽水蓄能電站容量的增加而得以改善。

風(fēng)電;抽水蓄能;優(yōu)化運(yùn)行

1 引言

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，超過80%是燃煤火電，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。而風(fēng)力發(fā)電作為一種技術(shù)成熟的新能源技術(shù)，具有規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的前景。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，不僅有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，而且對(duì)于生態(tài)環(huán)境的污染幾乎為零。近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電規(guī)模迅速發(fā)展，并網(wǎng)總量連續(xù)兩年位居全球第一，年發(fā)電量超過1000億千瓦時(shí)，占全國(guó)總發(fā)電量的2%，是當(dāng)前我國(guó)的第三大主力電源。但風(fēng)電的接入將會(huì)加大電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差，增加系統(tǒng)調(diào)度的壓力，并且其影響隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增大而增大，因此，必須提高調(diào)峰容量[1-2]。

燃煤火電作為我國(guó)電網(wǎng)的主要電源，以其作為調(diào)峰機(jī)組，容量必定受到限制，也影響其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還增加了溫室氣體排放和環(huán)境污染，削弱了風(fēng)電在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)。從調(diào)峰系數(shù)來(lái)看，傳統(tǒng)火電機(jī)組為40%～60%，水電機(jī)組為100%，而抽水蓄能機(jī)組的調(diào)峰系數(shù)可達(dá)200%。因此，抽水蓄能機(jī)組無(wú)疑是電網(wǎng)接入風(fēng)電后增加調(diào)峰性能的首選手段[3]。

抽水蓄能電站機(jī)組容量大，調(diào)節(jié)范圍廣，響應(yīng)速度快，能夠有效的起到削峰填谷的作用。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也對(duì)抽水蓄能-風(fēng)電聯(lián)合協(xié)同運(yùn)行開展了大量的研究。本文以地區(qū)電網(wǎng)為例，通過典型日機(jī)組情況，分析了抽水蓄能電站與電網(wǎng)接納風(fēng)電能力之間的關(guān)系。

2 抽水蓄能-風(fēng)電聯(lián)合供電的數(shù)學(xué)模型

在本文所研究的系統(tǒng)中，以一個(gè)研究周期內(nèi)傳統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組的煤耗量最小為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為[4-6]：

(1)

其中，T表示一個(gè)研究周期；N表示電網(wǎng)中可調(diào)度的機(jī)組總數(shù)；fk(pk,t)示第k臺(tái)燃煤機(jī)組在t時(shí)刻出力為pk,t的煤耗量；σk,t表示第k臺(tái)機(jī)組在t時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)；運(yùn)行為1，停運(yùn)為0；Δt表示最小單位間隔持續(xù)的時(shí)間。

函數(shù)(1)的約束條件為發(fā)用電平衡，由于在電網(wǎng)中，除了火電、水電、風(fēng)電外，其他新能源電站發(fā)電量所占比重非常小，在此約束條件中，暫時(shí)忽略不計(jì)。則其等式約束條件為[7-9]：

(2)

Pwind,t表示t時(shí)刻電網(wǎng)接入的風(fēng)電功率，Pwater,t表示t時(shí)刻電網(wǎng)接入的水電站發(fā)電功率，PL,t表示t時(shí)刻的負(fù)荷，PH,t表示t時(shí)刻抽水蓄能的抽水功率，ηt表示抽水蓄能機(jī)組狀態(tài)，發(fā)電為1，抽水為0。

此外，其不等式約束條件還包括常規(guī)機(jī)組出力的上下限，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間約束，機(jī)組爬坡/下坡速率約束，系統(tǒng)備用容量約束，抽水蓄能電站約束，其不等式如下[10-11]：

pk,min·σk,t≤pk,t≤pk,max·σk,t

(3)

(4)

t=1,2,…,T-1

(5)

(6)

0≤Pw,t≤Wc,t·Pw,c

(7)

Smin≤St≤Smax

(8)

St+1=St-PH,t·η·Δt+Ph,t·(1-ηt)·Δt·μ

(9)

式(9)表示每個(gè)時(shí)刻抽水蓄能儲(chǔ)水容量與前一時(shí)刻儲(chǔ)水容量的等式關(guān)系，μ為抽水時(shí)的效率。

3 地區(qū)電網(wǎng)日負(fù)荷數(shù)據(jù)及機(jī)組參數(shù)

不同季節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的差別很大。而對(duì)于風(fēng)電而言，盡管其功率是隨機(jī)波動(dòng)的，但小時(shí)級(jí)以上的風(fēng)電功率可以較好的預(yù)測(cè)。

春季是一年中風(fēng)能最為豐富的季節(jié)；而夏季的負(fù)荷較重，抽水蓄能電廠要承擔(dān)削峰填谷的任務(wù)，調(diào)峰能力下降，因此本文選擇這兩個(gè)季節(jié)的日負(fù)荷進(jìn)行分析，如圖1、圖2所示。

圖1 春夏季風(fēng)電容量因素

從圖1中看，春季日負(fù)荷有兩峰兩谷，最高負(fù)荷出現(xiàn)在白天十點(diǎn)左右，最低負(fù)荷出現(xiàn)在清晨。且早高峰負(fù)荷高于晚高峰；夏季日負(fù)荷有三峰三谷，最高負(fù)荷出現(xiàn)在白天十點(diǎn)及下午兩點(diǎn)左右，最低負(fù)荷出現(xiàn)在清晨。從風(fēng)電的容量因素看，風(fēng)電出力在大部分時(shí)間都小于其額定功率。

在春夏兩季的典型日下，考慮五種風(fēng)電裝機(jī)容量，分別為：50MW，100MW，200MW，500MW，1000MW。抽水蓄能考慮三種情況：無(wú)抽水蓄能，100MW，500MW。

4 算例計(jì)算及分析

根據(jù)式(1)～式(9)的約束條件，利用C++編制數(shù)學(xué)模型，并對(duì)算例進(jìn)行求解計(jì)算。根據(jù)結(jié)果對(duì)春夏季風(fēng)電利用率，風(fēng)電電量比重及煤耗量進(jìn)行指標(biāo)分析。

4.1 風(fēng)力發(fā)電利用率

風(fēng)力發(fā)電利用率是指在給定的時(shí)間段，實(shí)際接入電網(wǎng)的風(fēng)電電量與風(fēng)電所能發(fā)出的總電量之比[8]。顯然，該利用率大于零；若小于1，則表示當(dāng)?shù)卮嬖跅夛L(fēng)。下圖為根據(jù)計(jì)算所得春夏兩季典型日內(nèi)風(fēng)電利用率與風(fēng)電容量及抽水蓄能容量三者間的關(guān)系：

圖3 春季風(fēng)電利用率情況

圖4 夏季風(fēng)電利用率情況

由上圖可知，當(dāng)風(fēng)電容量較小時(shí)，無(wú)論抽水蓄能的容量如何，風(fēng)電利用率均能得到100%，即無(wú)棄風(fēng)現(xiàn)象，此時(shí)，隨著風(fēng)電容量的增加，電網(wǎng)的煤耗必然減少。但當(dāng)風(fēng)電容量達(dá)到一定數(shù)值后，其利用率明顯下降，此時(shí)，如果將風(fēng)電全部接入，則其煤耗反而增加，其經(jīng)濟(jì)性降低。但同時(shí)，在有棄風(fēng)的情況下，抽水蓄能的作用得以體現(xiàn)。由圖中可知，在棄風(fēng)情況下，隨著抽水蓄能容量增加，風(fēng)電的利用率也有所提高。

4.2 風(fēng)電的占比

風(fēng)電占比是指在給定時(shí)間內(nèi)，接入電網(wǎng)的實(shí)際風(fēng)電電量與電網(wǎng)實(shí)際總發(fā)電量的百分比[9]。圖5、圖6展示在春夏兩季，風(fēng)電電量占比的變化情況。

圖5 春季風(fēng)電電量占比情況

從圖中可以看出，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增大，風(fēng)電電量所占比重也是呈上升趨勢(shì)的。抽水蓄能的加入，提高了風(fēng)電的利用率，進(jìn)而也提高了風(fēng)電電量所占的比重。

圖6 夏季風(fēng)電電量占比情況

4.3 耗煤量

本文以常規(guī)機(jī)組典型日的最小煤耗量為目標(biāo)函數(shù)[10]?？梢灶A(yù)計(jì)，風(fēng)電的加入必然減少煤耗量，且隨著風(fēng)電容量的增加而進(jìn)一步減??；同時(shí)抽水蓄能的加入將進(jìn)一步減小煤耗量。該地區(qū)電網(wǎng)的煤耗量隨風(fēng)電容量及抽水蓄能容量變化如下圖所示。

圖7 春季能源消耗量情況

圖8 夏季能源消耗量情況

由圖可得出結(jié)論，隨著風(fēng)電容量的增加，煤耗量將不斷減小。在系統(tǒng)出現(xiàn)棄風(fēng)時(shí)，抽水蓄能電站會(huì)促進(jìn)煤耗量的降低。

5 結(jié)論

本文研究了抽水蓄能電站對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力的研究。研究結(jié)論表明，在風(fēng)電容量較小時(shí)，風(fēng)電的利用率高，風(fēng)電占比也較小，煤耗量較大，此時(shí)抽水蓄能電站的配置對(duì)于風(fēng)電幾乎沒有影響。當(dāng)風(fēng)電容量增大到出現(xiàn)棄風(fēng)以后，抽水蓄能電站的作用才得以體現(xiàn)，且隨著蓄能電站容量的增加，風(fēng)電的利用率和占比均將提高，煤耗量進(jìn)一步減小。

[1] 志忠，劉徳有，毆傳奇，等.風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行模型[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,36(1):58-62.

[2] 于大洋.可再生能源發(fā)電并網(wǎng)協(xié)調(diào)策略的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[3] 于大洋，韓學(xué)山，梁軍，等.基于NASA地球觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)域風(fēng)電功率波動(dòng)特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(5):77-81.

[4] N GOC P D,PHAM T H,BACHA S,et al.Optimal operation for a wind-hydro power plant to participate to an cillary services[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology,Churchill,Australia;IEEE,2009:1222-1226.

[5] BUENO C,CARTA J A.Wind powered pumped hydro storage systems,a means of increasing the penetration of renew able energy in the Canary Islands[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2006,10:312-340.

[6] BUENO C,CARTA JA.Technicl-economic analysis of wind-powered pumped hydro storage systems,part I:model development[J].Solar Energy,2005,78(3):382-395.

[7] CARRION M,ARROYO JM.A computationally efficient mixed-integer linear formulation for the thermal unit commitment problem[J].IEEE Transactions on Power Systems,2006,21(2):1-3.

[8] 甘創(chuàng)英，汪寧渤，等.甘肅酒泉風(fēng)電出力特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(17):64-67.

[9] 張珍玲，蔡鎮(zhèn)坤.抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中的作用及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[J].華電技術(shù),2008,30(11):1-3.

[10] 潘文霞,范永威,朱莉,等.風(fēng)電場(chǎng)中抽水蓄能系統(tǒng)容量的優(yōu)化選擇[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(3):120-124.

[11] Tuohy Aidan,Malley Mark.Impact of Pumped Storage on Power Systems with Increasing Wind Penetration[C]//IEEE Power&Energy Society General Meeting,New York:IEEE Power&Energy Society General Meeting,New York:IEEE,2009:2642-2649.

Research on the Pumped-storage Power Station to Wind Generation Integration Capability of the Regional Power Grid

GONGXiang-yang，LIWen-wei,ZHENGYu,ZHENGQi

(Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315010,China)

Based on regional power grid,the pumped storage station was considered in the unit commitment problem.An pumped storage station-wind generation optimal operation model of the power system was built aimed to get the maximum economic benefits of wind generation.It analyzed the impact of the pumped storage power station with diffenret capacity of grid connecting wind power in a day in different seasons.The result showed when the wind power is small,the impact of pumped storage is not obvious.And the impact of increasing the pumped power storage station improved just until the capacity of wind power was so large the some was abandoned.

wind generation ;pumped storage station;optimal operation

1004-289X(2015)03-0041-04

TM71

B

2014-05-12