陳麗敏

考慮風(fēng)電電源接入的電網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)研究

陳麗敏

（國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電分公司）

風(fēng)電出力本身存在著比較嚴(yán)重的風(fēng)電場(chǎng)選址限制、反調(diào)峰性和不確定性等各種問題，電力系統(tǒng)在進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)電并往后需要設(shè)置更多的調(diào)峰電源和備用電源等，再加上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分薄弱，具有非常有限的遠(yuǎn)距離輸送能力，所以很難消納多數(shù)的風(fēng)電場(chǎng)，甚至?xí)O大的影響到系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃、電源規(guī)劃和穩(wěn)定運(yùn)行等?；诖?，本文對(duì)考慮風(fēng)電電源接入的電網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)進(jìn)行了分析和介紹。

風(fēng)電；電源接入；電網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)

引言

現(xiàn)在人們面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源問題，風(fēng)能本身屬于一種可再生能源，而且沒有污染，再加上其具有越來(lái)越低的發(fā)電成本，所以受到了很多人的高度重視。然而接入風(fēng)電電源也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，這就需要電網(wǎng)立足于風(fēng)電電源的接入，進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)劃和協(xié)調(diào)，在充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，保障電網(wǎng)規(guī)劃的合理性，從而保障供電的穩(wěn)定性和可靠性。

1 風(fēng)電電源接入對(duì)電網(wǎng)的影響

1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展深層調(diào)整的大勢(shì)所趨，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須對(duì)可再生能源進(jìn)行積極的開發(fā)和利用。風(fēng)力發(fā)電是一種新能源發(fā)電技術(shù)，具有較高的可利用程度。當(dāng)前我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，立足于系統(tǒng)的負(fù)荷需求，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行引進(jìn)，能夠?qū)﹄娫唇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。盡管風(fēng)力發(fā)電具有較高的一次建設(shè)成本，但是與火電機(jī)組相比，運(yùn)行費(fèi)用較低，無(wú)需對(duì)不可再生的化石燃料進(jìn)行消耗，還能得到一定的政府補(bǔ)貼[1]。

1.2 風(fēng)電電源接入對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)劃的挑戰(zhàn)

風(fēng)電電源接入會(huì)給當(dāng)前的電網(wǎng)規(guī)劃帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，這是由風(fēng)電本身的特點(diǎn)造成的。①風(fēng)力發(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性，可能會(huì)造成電力系統(tǒng)總輸出功率的不穩(wěn)定，這就需要其他常規(guī)電源具有更強(qiáng)的保障供電的穩(wěn)定性。②風(fēng)力發(fā)電具有不確定性，因此在電源規(guī)劃中還要對(duì)規(guī)劃模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。流經(jīng)機(jī)組的風(fēng)的強(qiáng)度會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)組的出力產(chǎn)生較大的影響，因此在規(guī)劃的過程中還要考慮到規(guī)劃結(jié)果會(huì)受到不同風(fēng)強(qiáng)度的不同影響。

在電能質(zhì)量方面，塔影效應(yīng)和風(fēng)速變化會(huì)造成風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng)，甚至造成電壓閃變，還可能造成系統(tǒng)電壓的降低或升高，從而造成劇烈的電壓震蕩，帶來(lái)諧波污染。在系統(tǒng)費(fèi)用方面，一般情況下必須留有2～3%的旋轉(zhuǎn)備用容量，才能保障電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性，然而由于風(fēng)力大小對(duì)風(fēng)力機(jī)組的影響，風(fēng)電電源接入勢(shì)必要增加，電網(wǎng)的備用容量而且系統(tǒng)的調(diào)峰難度也會(huì)有所增大。圖1為某地12月各日的風(fēng)速變化曲線，可見風(fēng)力發(fā)電具有較高的不確定性。

2 包含風(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流計(jì)算

要對(duì)風(fēng)電電源接入的電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃和協(xié)調(diào)，就必須對(duì)其進(jìn)行潮流計(jì)算，并且保障潮流計(jì)算的合理性，從而保障電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性。

圖1 某地12月各日的風(fēng)速變化曲線

一般情況下，在潮流計(jì)算中往往將系統(tǒng)先分為三個(gè)類別，分別為平衡點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)和PQ節(jié)點(diǎn)，然而鑒于風(fēng)電機(jī)組的特殊性，不能將其進(jìn)行歸類。因此在對(duì)電力系統(tǒng)潮流進(jìn)行求解時(shí)，還應(yīng)該對(duì)風(fēng)電機(jī)組本身的特點(diǎn)進(jìn)行充分的考慮。如果具有較低的精度要求，可以將其歸類為PQ節(jié)點(diǎn)，再以已經(jīng)給出的功率和風(fēng)速為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的武功和有功出力進(jìn)行計(jì)算。一般情況下，出于對(duì)風(fēng)電異步發(fā)電機(jī)特性的考慮，所以用轉(zhuǎn)差、電壓和有功函數(shù)來(lái)表達(dá)無(wú)功，用風(fēng)速函數(shù)來(lái)表達(dá)有功[2]。

3 對(duì)風(fēng)電電源接入進(jìn)行考慮的電網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)框架

預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)將擁有超過2.3億kW的風(fēng)電裝機(jī)，達(dá)到4600億kW以上的發(fā)電量，在電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)該對(duì)風(fēng)電電源接入進(jìn)行考慮，保障風(fēng)電接入配套和風(fēng)電規(guī)劃的合理性。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的總體框架見圖2。

圖2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的總體框架

3.1 保障風(fēng)電規(guī)劃的合理性

風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)位置對(duì)于風(fēng)電規(guī)劃非常重要，與此同時(shí)還要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)容量進(jìn)行考慮。與常規(guī)火電機(jī)組不同的是，可以將風(fēng)電場(chǎng)的選址分為微觀選址和宏觀選擇兩個(gè)方面。微觀選址指的是先選定一個(gè)較小的區(qū)域，然后對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行布置。宏觀選址指的是綜合考慮，某個(gè)較大區(qū)域內(nèi)的交通、電網(wǎng)、氣象等不同方面的因素，將合適的小區(qū)域找出來(lái)。

風(fēng)電規(guī)劃不能套用傳統(tǒng)的電源規(guī)劃，這是由風(fēng)電出力的不確定性造成的。電網(wǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)需要考慮的因素包括系統(tǒng)對(duì)電壓的要求、風(fēng)電場(chǎng)的選址、電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力等。由于注入風(fēng)電功率而造成的，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)電穿透功率水平進(jìn)行制約，而且運(yùn)用穩(wěn)步潮流計(jì)算來(lái)對(duì)風(fēng)電穿透功率極限進(jìn)行給定[3]。

可以運(yùn)用以下兩種方法來(lái)對(duì)風(fēng)電穿透功率的極限進(jìn)行計(jì)算：①隨機(jī)模擬，這需要一定的計(jì)算時(shí)間，但是能夠得到精度較高的結(jié)果；②最大負(fù)荷計(jì)算，精度較低，但是能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性還會(huì)受到風(fēng)電場(chǎng)接入的影響，可以使用模擬算法或解析法來(lái)對(duì)這種影響進(jìn)行計(jì)算?？梢赃\(yùn)用序貫蒙特卡洛仿真法對(duì)風(fēng)電接入后電網(wǎng)系統(tǒng)所受的影響進(jìn)行預(yù)估，并將線性模型確定下來(lái)，目標(biāo)函數(shù)為減負(fù)荷最低、調(diào)整機(jī)組出力。

3.2 規(guī)劃風(fēng)電接入配套的調(diào)峰調(diào)頻電源

除了要對(duì)風(fēng)電電源的接入進(jìn)行考慮之外，還要對(duì)與其配套的調(diào)峰調(diào)頻電源進(jìn)行合理的規(guī)劃。與常規(guī)機(jī)組不同的是，風(fēng)電的可預(yù)測(cè)性和可控性較差，而且具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，要對(duì)機(jī)組的輸出功率進(jìn)行控制，具有一定的困難。鑒于風(fēng)電出力具有反調(diào)峰特性和間歇性，因此電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該為其配備一定的調(diào)峰電源和備用電源，才能對(duì)風(fēng)電接入，造成的不穩(wěn)定性進(jìn)行彌補(bǔ)。

由于調(diào)峰能力的減弱，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性也受到了一定的影響。因此應(yīng)該建立接入風(fēng)電電源的電網(wǎng)規(guī)劃的優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該是停電損失費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和投資費(fèi)用的最小化，約束條件是系統(tǒng)運(yùn)行約束數(shù)。鑒于風(fēng)電的特殊性，不能套用常規(guī)機(jī)組的規(guī)劃模型，此時(shí)可以將風(fēng)電和光伏發(fā)電作為互補(bǔ)能源系統(tǒng)，從而提高電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力。除了要增加電源風(fēng)機(jī)組之外，還可以使用中斷負(fù)荷來(lái)進(jìn)行調(diào)峰，以提高負(fù)荷響應(yīng)的精確性。

4 進(jìn)一步提高電網(wǎng)與風(fēng)電電源的協(xié)調(diào)性

在對(duì)風(fēng)電電源接入電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃之后，還要進(jìn)一步提高電網(wǎng)系統(tǒng)與風(fēng)電電源之間的協(xié)調(diào)性，保障電力市場(chǎng)的平衡，促進(jìn)二者的協(xié)調(diào)發(fā)展。在大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電市場(chǎng)的過程中，還應(yīng)該考慮到消納市場(chǎng)和風(fēng)電并網(wǎng)的問題，風(fēng)電分布具有一定的不協(xié)調(diào)性，電網(wǎng)規(guī)劃和電源接入之間很難同時(shí)完成協(xié)調(diào)規(guī)劃。

以我國(guó)某省調(diào)系統(tǒng)為例，該省的電源結(jié)構(gòu)中占比例較大的是供熱機(jī)組和小火電，水電的比例較小，大規(guī)模風(fēng)電的開發(fā)可能會(huì)給系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力帶來(lái)一定的壓力，而本地對(duì)于電力的消納能力并不高，需要對(duì)風(fēng)電進(jìn)行外送，而對(duì)風(fēng)電進(jìn)行中長(zhǎng)距離的輸送，又會(huì)帶來(lái)較高的成本[4]。

因此而當(dāng)?shù)乜紤]將火電和風(fēng)電聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行打捆送出，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到一定的提高，使線路功率的波動(dòng)得到控制，同時(shí)對(duì)受端的供電成本進(jìn)行一定的控制，使風(fēng)電就更高的競(jìng)爭(zhēng)力。此外還有其他省對(duì)風(fēng)電與光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)電與抽水蓄能進(jìn)行互補(bǔ)進(jìn)行了一定的嘗試。

5 結(jié)語(yǔ)

作為一種清潔能源風(fēng)電能夠滿足國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排方面的要求，為了保障電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)風(fēng)電電源接入后的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和協(xié)調(diào)，對(duì)風(fēng)電資源進(jìn)行最大化的利用，同時(shí)還要保障系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和安全性。在規(guī)劃協(xié)調(diào)的過程中，應(yīng)該盡量避免電網(wǎng)規(guī)劃和電源規(guī)劃之間的脫節(jié)，提高二者的協(xié)調(diào)性。

[1]穆永錚，魯宗相，周勤勇，韓家輝，黃 鑌.基于可靠性均衡優(yōu)化的含風(fēng)電電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015（01）.

[2]田書欣，程浩忠，曾平良，張立波，馬則良，洪紹云，張建平，Masoud BAZARGAN.大型集群風(fēng)電接入輸電系統(tǒng)規(guī)劃研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（10）.

[3]周鯤鵬，方仍存，顏 炯，康重慶，林海英，劉秀坤.電網(wǎng)規(guī)劃智能輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（03）.

[4]田廓，邱柳青，曾鳴.基于動(dòng)態(tài)碳排放價(jià)格的電網(wǎng)規(guī)劃模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（04）.

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A

1004-7344（2016）33-0138-02

2016-11-12