張　楠，黃越輝，劉德偉，孫榮富

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京　100192；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京　100053）

考慮風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)備用容量計(jì)算方法

張楠1，黃越輝1，劉德偉1，孫榮富2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京100053）

大規(guī)模風(fēng)電集中接入給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)很大的不確定性，為了兼顧系統(tǒng)安全運(yùn)行和風(fēng)電優(yōu)先消納的雙重要求，對(duì)風(fēng)電接入的系統(tǒng)備用容量計(jì)算方法進(jìn)行了研究。首先分析了風(fēng)電接入對(duì)等效負(fù)荷誤差的影響，以及風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差與負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的相關(guān)性；然后在此基礎(chǔ)上提出一種考慮風(fēng)電接入的系統(tǒng)備用容量計(jì)算方法。研究結(jié)果表明該方法能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)備用配置方法中的不足，通過(guò)某省級(jí)電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可行性。

風(fēng)力發(fā)電；等效負(fù)荷；預(yù)測(cè)誤差；非參數(shù)估計(jì)；旋轉(zhuǎn)備用

與傳統(tǒng)化石類(lèi)能源相比，新能源發(fā)電具有無(wú)能源消耗、無(wú)排放和無(wú)污染的特點(diǎn)。為保障能源安全、應(yīng)對(duì)環(huán)境污染，我國(guó)積極鼓勵(lì)新能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。以風(fēng)電為例，2013年全國(guó)新增風(fēng)電并網(wǎng)容量1 449萬(wàn)kW，全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)容量已超過(guò)9 000萬(wàn)kW，居世界第1位。根據(jù)國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1.5億kW。但風(fēng)電出力的不確定性增大了電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為確保風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應(yīng)風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)，從而維持電力系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡［1］。以負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差和機(jī)組停運(yùn)情況為依據(jù)的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用留取方式無(wú)法滿(mǎn)足風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性需求，因此需要研究考慮高滲透率風(fēng)電接入的系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量留取方式。

目前，考慮風(fēng)電接入的系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量計(jì)算方法已有很多，主要集中在對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的處理方面。文獻(xiàn)［2］指出風(fēng)能的不可控性使得對(duì)風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)無(wú)法與其他傳統(tǒng)能源一樣可靠。由于沒(méi)有分析風(fēng)電的不確定特性，預(yù)留100%風(fēng)電容量水平的旋轉(zhuǎn)備用確保系統(tǒng)的絕對(duì)安全。這種分析方法所過(guò)于保守，留取的備用容量較大，影響風(fēng)電的消納［3］，需要計(jì)及風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［4］采用聚類(lèi)分析對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，建立了風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差與備用需求變化間的關(guān)聯(lián)模型，從而得到風(fēng)電接入后的新能源備用容量，但該方法僅考慮了風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差，忽略了負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差及風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)備用的共同作用及影響；文獻(xiàn)［5］以最小化系統(tǒng)發(fā)電成本和期望停電成本為優(yōu)化目標(biāo)求解最優(yōu)旋轉(zhuǎn)備用容量，偏重于經(jīng)濟(jì)性分析，不符合我國(guó)調(diào)度運(yùn)行實(shí)際情況；文獻(xiàn)［6-8］認(rèn)為系統(tǒng)等效負(fù)荷（負(fù)荷減去風(fēng)電出力）預(yù)測(cè)誤差概率分布服從正態(tài)分布，備用容量設(shè)置為等效負(fù)荷誤差標(biāo)準(zhǔn)差的3倍。該方法直觀地反映了等效誤差的概率分布與備用需求之間的關(guān)系，計(jì)算簡(jiǎn)單，但是用正態(tài)分布概率密度函數(shù)擬合等效負(fù)荷誤差分布存在較大的誤差［9］。上述文獻(xiàn)在評(píng)估系統(tǒng)備用需求時(shí)均未考慮風(fēng)電對(duì)于發(fā)電負(fù)荷的有效可替代性，并且沒(méi)有提出一種對(duì)等效負(fù)荷誤差概率分布精確的擬合方法。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量和系統(tǒng)消納風(fēng)電能力之間的矛盾日益突出，準(zhǔn)確計(jì)算考慮風(fēng)電接入的系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量，是電力系統(tǒng)備用配置時(shí)亟需研究和解決的問(wèn)題。本文基于某省級(jí)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了風(fēng)電接入對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用留取方式的影響，驗(yàn)證了風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差與負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的獨(dú)立性，在此基礎(chǔ)上提出一種考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差以及我國(guó)電網(wǎng)調(diào)度實(shí)際的旋轉(zhuǎn)備用容量確定方法，通過(guò)實(shí)際算例分析，驗(yàn)證了所提出方法的可行性。

1　風(fēng)電消納與旋轉(zhuǎn)備用

風(fēng)電出力受自然因素的影響，具有隨機(jī)性大、波動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)全網(wǎng)的電力平衡帶來(lái)很大影響。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)可以有效降低風(fēng)電出力的隨機(jī)性，是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風(fēng)電接納能力的有效手段之一。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差是指風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果與對(duì)應(yīng)實(shí)際風(fēng)電功率值之間的差異。由于人類(lèi)認(rèn)知水平的限制，預(yù)測(cè)誤差是客觀存在的。隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增大，其預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越大，因此將風(fēng)電功率預(yù)測(cè)納入到電力系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃時(shí)，需考慮預(yù)測(cè)誤差的影響，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.1風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差分析

風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差為風(fēng)電實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之差。風(fēng)電較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性使得風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差較大，以某省級(jí)電網(wǎng)2011年實(shí)際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

圖1是風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差曲線(xiàn)，圖中風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差基本保持在-1 000～500 MW，個(gè)別點(diǎn)預(yù)測(cè)誤差超過(guò)-1 000 MW，風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差遠(yuǎn)大于負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差，系統(tǒng)調(diào)峰容量需求會(huì)隨著風(fēng)電的接入而增大。若不能滿(mǎn)足調(diào)峰需求將會(huì)引起調(diào)峰風(fēng)險(xiǎn)［10］，需要增加系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量以保證風(fēng)電接入后的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2旋轉(zhuǎn)備用對(duì)風(fēng)電消納的影響

由于我國(guó)缺少快速調(diào)節(jié)電源，主要采用火電機(jī)組作為旋轉(zhuǎn)備用。如圖2所示，當(dāng)需要留取的旋轉(zhuǎn)備用增大時(shí)，火電機(jī)組開(kāi)機(jī)就會(huì)增大，導(dǎo)致火電最小技術(shù)出力增大，從而搶占了風(fēng)電的消納空間，影響了風(fēng)電的消納，在某些時(shí)段造成風(fēng)電限電。

圖1　2011年風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差Fig.1　Absolute wind error in 2011

圖2　風(fēng)電消納空間示意Fig.2　Sketch map of accommodation of wind energy

因此需要研究考慮風(fēng)電接入后的旋轉(zhuǎn)備用容量計(jì)算方法，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)最大限度消納風(fēng)電。

2　風(fēng)電接入備用容量計(jì)算方法

2.1風(fēng)電誤差和負(fù)荷誤差相關(guān)性分析

圖3所示為某省級(jí)電網(wǎng)2011年負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差曲線(xiàn)。由圖3可見(jiàn)，年初負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差有較大波動(dòng)，之后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3　2011年負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差Fig.3　Absolute load error in 2011

風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差與負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的相關(guān)性會(huì)對(duì)等效負(fù)荷誤差的取值產(chǎn)生影響，由圖3和圖1的誤差曲線(xiàn)的對(duì)比可知，風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差與負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)沒(méi)有明顯的相關(guān)性。2011年全省網(wǎng)負(fù)荷誤差和風(fēng)電誤差的年相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差和風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的年相關(guān)系數(shù)僅為0.050 8，相關(guān)系數(shù)很小，可認(rèn)為兩者不相關(guān)。

2.2等效負(fù)荷誤差分析

由于傳統(tǒng)的調(diào)度計(jì)劃安排是基于負(fù)荷的可預(yù)測(cè)性和常規(guī)機(jī)組的可調(diào)節(jié)性，通過(guò)安排常規(guī)機(jī)組的出力計(jì)劃來(lái)滿(mǎn)足負(fù)荷的需要，而系統(tǒng)接入風(fēng)電后，因風(fēng)電具有隨機(jī)性，不能像常規(guī)機(jī)組一樣具有可調(diào)性。因此提出等效負(fù)荷的概念，定義為負(fù)荷與風(fēng)電出力的差值，再通過(guò)安排常規(guī)機(jī)組的出力計(jì)劃來(lái)滿(mǎn)足等效負(fù)荷的需要。等效負(fù)荷誤差為等效負(fù)荷誤差實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的差值，即

表1　2011年負(fù)荷誤差與風(fēng)電誤差年相關(guān)系數(shù)Tab.1　Correlation coefficient of load and wind error in 2011

式中：Perror-equal為等效負(fù)荷誤差；Pload_real為負(fù)荷實(shí)際值；Pwind_real為風(fēng)電出力實(shí)際值；Pload_forecast為負(fù)荷預(yù)測(cè)值；Pwind_forecast為風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值。

圖4是原始負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差概率分布。由圖4可見(jiàn)，負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差近似服從正態(tài)分布，用正態(tài)分布概率密度函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合［11］，擬合參數(shù)為N（-31.26，230.802）。負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差基本保持在-600～600 MW范圍內(nèi)。已知該省全年最大負(fù)荷為8 866.38 MW，負(fù)荷誤差絕對(duì)值小于最大負(fù)荷5%的概率為95%以上。

圖4　負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差概率分布Fig.4　Load error probability distribution

風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差概率分布見(jiàn)圖5。圖5中實(shí)線(xiàn)表示用正態(tài)分布概率密度函數(shù)對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差概率分布進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果存在較大的誤差，因此風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差概率分布不服從正態(tài)分布。文獻(xiàn)［12-14］提出用非參數(shù)估計(jì)方法對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的分布情況進(jìn)行建模和推演，非參數(shù)估計(jì)是在對(duì)總體分布形式未知的情況下進(jìn)行推斷的統(tǒng)計(jì)方法。圖5中虛線(xiàn)表示采用非參數(shù)估計(jì)的結(jié)果，能夠較好地反映誤差的實(shí)際分布情況，而正態(tài)分布優(yōu)化擬合的結(jié)果與實(shí)際分布存在一定差距。已知2011年底全省風(fēng)電裝機(jī)容量為2 936.3 MW，風(fēng)電誤差絕對(duì)值小于風(fēng)電裝機(jī)20%的概率大于95%。

圖5　風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差概率分布Fig.5　Wind error probability distribution

圖6是考慮風(fēng)電接入的等效負(fù)荷誤差概率分布。由圖可見(jiàn)用正態(tài)分布概率密度函數(shù)擬合結(jié)果誤差較大，則等效負(fù)荷誤差概率分布不服從正態(tài)分布。

圖6　等效負(fù)荷誤差概率分布Fig.6　Equivalent load error probability distribution

將圖4曲線(xiàn)與圖5曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)值相減，得到的曲線(xiàn)如圖6中虛線(xiàn)所示。由圖可見(jiàn)，很好地?cái)M合等效負(fù)荷誤差概率分布，驗(yàn)證了負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差與風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的不相關(guān)性。因此，等效負(fù)荷誤差可表示為負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差與風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的差值，即

2.3備用容量計(jì)算公式

考慮到傳統(tǒng)電力系統(tǒng)設(shè)置備用容量的N-1準(zhǔn)則，備用容量應(yīng)取最大負(fù)荷誤差與網(wǎng)內(nèi)最大機(jī)組裝機(jī)容量的最大值。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量為

式中：Perror_load為系統(tǒng)最大負(fù)荷誤差；Pmax_unit為網(wǎng)內(nèi)最大單機(jī)容量。由于風(fēng)電接入會(huì)使等效負(fù)荷誤差增大，因此需要考慮旋轉(zhuǎn)備用容量計(jì)算方法。

為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，考慮風(fēng)電接入后，需要使系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量滿(mǎn)足最大等效負(fù)荷誤差的要求。而風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差和負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差相互獨(dú)立，因此最大等效負(fù)荷誤差可表示為最大風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差與最大負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的方根值之和，即

式中：Pmax_error_load為負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差的最大值；Pmax_error_wind為風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的最大值。

對(duì)于負(fù)荷及風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的最大值計(jì)算，由于各地區(qū)的負(fù)荷特性和氣象條件有很大差別，因此各地區(qū)的負(fù)荷預(yù)測(cè)和風(fēng)電預(yù)測(cè)精度有所不同，需要根據(jù)所研究地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)該省網(wǎng)2011年全年歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可得，負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差基本都小于全網(wǎng)最大負(fù)荷的5%，風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差基本都小于全網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)的20%。綜上所述，提出以確定性方式處理考慮風(fēng)電接入系統(tǒng)的備用留取方式，式（4）可改寫(xiě)為

式中：Pmax_load為1 d內(nèi)的全網(wǎng)最大負(fù)荷；Pwind_total為全網(wǎng)風(fēng)電總裝機(jī)容量。

3　算例對(duì)比分析

目前該電網(wǎng)內(nèi)最大單臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量為660 MW，因此式（5）可以改寫(xiě)為

選取每天的全網(wǎng)最大負(fù)荷，求得每天備用容量，得到全年備用容量曲線(xiàn)。取每天負(fù)荷高峰時(shí)段等效負(fù)荷誤差最大值，得到全年高峰時(shí)段最大等效負(fù)荷誤差曲線(xiàn)，如圖7所示。由圖可見(jiàn)，采用本文方法得到的備用容量在前230 d保持在660 MW，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，旋轉(zhuǎn)備用容量逐漸由等效負(fù)荷誤差主導(dǎo)，全年的備用容量均大于負(fù)荷高峰時(shí)段的最大等效負(fù)荷誤差，可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

如果不考慮風(fēng)電接入對(duì)備用容量的影響，僅根據(jù)《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》的要求，則系統(tǒng)需要留取的旋轉(zhuǎn)備用容量為每日最大負(fù)荷的5%；如果考慮風(fēng)電的影響并保守留取備用容量，則采用標(biāo)準(zhǔn)差法［15-17］，將備用容量設(shè)為等效負(fù)荷誤差標(biāo)準(zhǔn)差的3倍。采用不同方式留取的備用容量曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖7　全年備用容量與高峰時(shí)段最大等效負(fù)荷誤差Fig.7　Spinning reserve and maximum equivalent load error in peak hour

圖8　不同備用方式對(duì)比Fig.8　Comparison of different reserve modes

由圖8可見(jiàn)，不考慮風(fēng)電影響時(shí)備用容量不完全高于高峰時(shí)段最大等效負(fù)荷誤差，說(shuō)明留取的備用容量不能滿(mǎn)足全年的備用需求，不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；采用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法計(jì)算得到的備用容量為958 MW，遠(yuǎn)大于等效負(fù)荷誤差曲線(xiàn)，說(shuō)明備用容量留取過(guò)多，會(huì)擠壓風(fēng)力發(fā)電的消納空間；采用本文方法留取的備用容量最接近高峰時(shí)段最大等效負(fù)荷誤差，比根據(jù)目前的《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用容量更為安全，同時(shí)又明顯低于旋轉(zhuǎn)備用留取方法所預(yù)留的容量，很好地兼顧了系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及優(yōu)先調(diào)度新能源發(fā)電的原則。此外，普遍采用的3倍標(biāo)準(zhǔn)差法假設(shè)等效負(fù)荷誤差概率分布服從正態(tài)分布，而通過(guò)本文分析可知，等效負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差概率分布并不服從正態(tài)分布，因此該方法是不合理的，從另一方面證明了本文所提方法的先進(jìn)性。

4　結(jié)語(yǔ)

基于當(dāng)下系統(tǒng)運(yùn)行備用配置方法中的不足和電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)優(yōu)先調(diào)度風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際需求，提出一種考慮風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測(cè)及我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際的系統(tǒng)備用影響分析及確定方法。首先對(duì)某省級(jí)電網(wǎng)2011年全年的風(fēng)電、負(fù)荷誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出考慮風(fēng)電接入的備用容量計(jì)算方法，通過(guò)算例對(duì)比分析表明該方法能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)備用配置方法中的不足，兼顧了系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和風(fēng)力發(fā)電優(yōu)先調(diào)度的雙重要求，對(duì)促進(jìn)風(fēng)電的優(yōu)先調(diào)度和充分消納具有參考價(jià)值。

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Reserve Capacity Calculation of Power System Considering Wind Power Integration

ZHANG Nan1，HUANG Yuehui1，LIU Dewei1，SUN Rongfu2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；
2.State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Beijing 100053，China）

Integration of large scale wind power brings uncertainty to the operation of power system.With considerations of operation safety and wind power optimized dispatching，this paper researches on reserve capacity calculation of power system considering wind power integration.Firstly，This paper analyzes impact of large scale wind power integration，and analyzes the correlation of wind power forecast error and load forecast error.Then，with considerations of operation safety and wind power optimized dispatching，a new method for analyzing and determination of system spinning reserve require?ment is proposed.The feasibility and effectiveness of the proposed method are validated via real operation data.

wind power；equivalent load；forecast error；non-parametric estmation；spinning reserve

TM732

A

1003-8930（2016）03-0006-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.03.002

張楠（1988—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電優(yōu)化調(diào)度技術(shù)研究。Email：zhangnan@epri.sgcc.com.cn黃越輝（1979—），女，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉凑{(diào)度運(yùn)行技術(shù)。Email：huangyh@epri.sgcc.com.cn

2014-06-02；

2015-06-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2011AA05A101）；國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目

劉德偉（1982—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)電接納能力評(píng)估、風(fēng)電調(diào)度運(yùn)行技術(shù)。Email：liudw@epri.sgcc.com.cn