歐陽聰，劉明波

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考慮網(wǎng)絡傳輸約束的并網(wǎng)光伏發(fā)電消納容量計算

歐陽聰，劉明波

(華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640)

光伏發(fā)電出力具有間隙性和不確定性，其并網(wǎng)接入給電力系統(tǒng)運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。針對大規(guī)模并網(wǎng)光電消納容量計算問題，構建了一種考慮網(wǎng)絡傳輸約束的消納分析模型。該模型以最大化光伏電站接入總容量為優(yōu)化目標，以光伏電站容量及常規(guī)機組的啟停狀態(tài)和出力為決策變量，考慮網(wǎng)絡傳輸約束和抽水蓄能電站的特定約束，其本質(zhì)屬于一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，可采用CPLEX解法器高效求解。并將所提方法應用于某省級電網(wǎng)光伏發(fā)電消納容量計算，驗證了其合理性，且光伏電站消納能力還受其接入位置和出力系數(shù)的影響。

并網(wǎng)光伏發(fā)電；網(wǎng)絡傳輸約束；消納容量；機組組合；混合整數(shù)線性規(guī)劃

0 引言

近年來，光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電受到了廣泛關注，在世界各國呈迅猛發(fā)展的態(tài)勢[1-3]。2013年全球光伏市場新增裝機容量達到38.7?GW，累計裝機容量達到140.6?GW，其中我國新增裝機容量為12?GW，同比增長了232%，接近歐洲2013年新增裝機容量的總和。我國的并網(wǎng)光伏發(fā)展呈現(xiàn)了“分散開發(fā)，低壓就地接入”與“大規(guī)模集中開發(fā)，中高壓接入”并舉的特征[4]。隨著光伏發(fā)電的大量接入，一方面降低了碳排放和污染氣體排放，增強了電網(wǎng)運行的環(huán)境友好性，另一方面光伏發(fā)電出力所具有的不確定性給電力運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[5-9]，降低了電力系統(tǒng)運行的可靠性，其消納能力會受到常規(guī)發(fā)電機組的旋轉備用容量、爬坡能力和網(wǎng)絡傳輸能力的限制。

目前，對光伏電源最大接入容量的研究方法主要有兩種，一種利用各種潮流和穩(wěn)定計算軟件對接入一定量光伏的電網(wǎng)系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和安全性仿真，校核系統(tǒng)的安全特性，對光伏發(fā)電接入容量不斷進行修正，最后求得最大接入容量[10-12]。該方法在實際工程中運用較多，但需要反復驗算。另一種是采用數(shù)學優(yōu)化方法，將最大光伏接入容量問題描述為有約束優(yōu)化問題。文獻[13]提出了基于遺傳算法求解多個光伏電源同時接入配電網(wǎng)的極限功率計算方法；文獻[14]提出了求解并網(wǎng)光伏電站極限容量的機會約束模型；文獻[15]提出了考慮調(diào)峰約束的求解極限光伏容量的計算方法；文獻[16]提出了考慮風光互補特性的并網(wǎng)光伏電站容量計算方法。從求解最大光伏容量的角度來看，不僅需要考慮常規(guī)發(fā)電機組出力約束、爬坡率約束、旋轉備用約束等，加入網(wǎng)絡傳輸約束后，光伏電站的接入地點也是影響接入容量的因素之一。此外，儲能元件，如蓄電池[17-18]和抽水蓄能[19]等的存在也會影響光伏的接入容量。

本文從電力系統(tǒng)調(diào)度運行的角度，研究并網(wǎng)光伏發(fā)電消納能力問題，并建立了用于消納分析的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以光伏電站接入容量為優(yōu)化目標，以光伏發(fā)電接入容量及常規(guī)機組的啟停狀態(tài)和出力為決策變量，考慮常規(guī)發(fā)電機組爬坡能力和旋轉備用及網(wǎng)絡傳輸能力，并考慮了抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用。從月/周/日三個時間尺度來計算并網(wǎng)光伏發(fā)電消納容量。

1 光伏發(fā)電出力特性

光伏發(fā)電是基于半導體的光生伏打效應將太陽能輻射直接轉換成電能。光伏電池陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器轉換為符合要求的交流電后，直接或通過變壓器接入電網(wǎng)[20-21]。典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的的基本結構

考慮光伏出力的最大功率跟蹤策略，光伏電池的出力系數(shù)可以表示為

由式(1)可知，獲得光伏照射強度水平和歷史的溫度水平，便可得到光伏電站日/周/月出力特性，在計算光伏最大消納能力時，應該選取8月份光照強度最大的月份進行仿真，如圖2~圖4所示。

圖2 珠海光伏發(fā)電日出力系數(shù)曲線

圖3 珠海光伏發(fā)電周出力系數(shù)曲線

圖4 珠海光伏發(fā)電月出力系數(shù)曲線

由圖2可知，光伏的出力時刻跟太陽的運行軌跡是基本吻合的，為早上7時至晚上20時，早晚的輸出功率低，晴天于中午13時達到最大出力。由圖3可知，光伏輸出功率受天氣影響非常明顯，晴天可以達到較高的出力系數(shù)，最高能接近90%，陰天最高出力系數(shù)可能低于20%。由圖4可知，光伏輸出功率具有很強的波動性，不同日之間的輸出功率也有較大差距。

2 光伏發(fā)電消納容量計算模型

2.1 優(yōu)化目標

優(yōu)化目標為最大化光伏接入容量：

式中：C表示第個光伏電站的接入容量；S表示光伏電站數(shù)目。

2.2 約束條件

(1)功率平衡方程

在每個時間段內(nèi)所有機組發(fā)電的總功率與光伏電站輸出功率之和等于系統(tǒng)負荷的總功率，即

光伏電站在第個時段的出力可表示為

(2)?常規(guī)機組出力上下限約束

(6)

(3)?旋轉備用容量約束

該約束表示光伏發(fā)電出力降到很低的情況下，已開機的常規(guī)機組的出力依然能夠滿足電網(wǎng)負荷要求，即

(4)?常規(guī)機組爬坡速率約束

(9)

(5)?常規(guī)機組最小啟停時間約束

開機時間約束為

(11)

停機時間約束為

(13)

(6)?網(wǎng)絡傳輸約束

根據(jù)直流潮流方程，第條線路在第個時段的傳輸功率可表示為

式中，E、F、H和G分別為第條線路與第臺常規(guī)發(fā)電機機組、第座光伏電站、第個負荷和第座抽水蓄能電站之間的功率傳輸系數(shù)。

2.3 抽水蓄能電站約束

抽水蓄能電站在每個時段可工作在抽水、發(fā)電和停機狀態(tài)，在整個運行周期內(nèi)，用于抽水的能量必須與發(fā)電能量保持平衡，即

(17)

同時，每臺抽水蓄能電站的儲能必須在其儲能范圍之內(nèi)，即

(19)

不難看出，由式(2)~式(19)描述的光伏發(fā)電消納容量計算模型是一個混合整數(shù)規(guī)劃問題。

3 算例分析

本文將所提方法應用于某省級電網(wǎng)光伏發(fā)電消納容量計算。該電網(wǎng)包括2299個節(jié)點和165臺常規(guī)發(fā)電機組(19臺水電機組，146臺燃煤和燃氣機組)，常規(guī)機組總容量為55?238?MW，有兩座抽水蓄能電站，容量為4?800?MW，包括745條網(wǎng)絡傳輸線路(雙回線路等效為一回線路)和1?769條變壓器線路。電力系統(tǒng)負荷預測偏差取3%，光伏出力最大變化率取15%。抽水蓄能機組轉換效率取75%，抽水蓄能機組的儲能初值設置為其最大儲能量的一半，在每一日的調(diào)度周期內(nèi)抽水蓄能機組的抽水量與發(fā)電量保持平衡。本文在GAMS23.7[22]平臺上搭建以上模型，調(diào)用CPLEX解法器進行求解。計算機采用Intel(R)Core(TM) i5-4570處理器，16?G內(nèi)存。

廣東省處于低緯度地區(qū)，屬于全國太陽能資源III類(年總輻射量(MJ/m2·a)在4?200~5?800，日照時數(shù)在1?400~2?200)和IV類(年總輻射量(MJ/m2·a)小于4?200，日照時數(shù)在1?000~1?400)地區(qū)，太陽能資源較豐富。太陽輻射的地區(qū)分布特點是海島多于大陸，沿海及平原多于山區(qū)，東部多于西部。本文考慮選取地勢平坦、用電量大的珠三角地區(qū)為光伏電站接入點，故選定深圳、珠海、東莞、佛山四個大型光伏接入點進行仿真。大型光伏電站接入點的所有線路傳輸容量之和由表1給出。圖5給出某省級電網(wǎng)500?kV主網(wǎng)架拓撲結構接線和光伏接入點示意圖。

表1 光伏接入點線路傳輸容量

圖5 某省級電網(wǎng)光伏機組接入點和500 kV主網(wǎng)架拓撲結構接線

3.1 日最大接入光伏容量

圖6給出了某省級電網(wǎng)8月2日~8日一周的日負荷曲線，負荷是三峰三谷的特點。上午10點負荷達到第一個高峰，隨后進入低谷，下午3點負荷達到第二個高峰，隨后稍有下降，夜晚9點左右達到負荷的第三個峰值，深夜負荷降低，達到最低谷。本文對日光伏發(fā)電消納容量進行了計算，結果如表2所示。

圖6 某省級電網(wǎng)在一周內(nèi)的日負荷曲線

表2 日最大光伏接入容量

從日機組組合的結果來看，在日時間尺度下，晴天和陰天的光伏出力系數(shù)的差異很大程度上決定了最終光伏接入容量的結果。從光伏消納能力來看，應該選擇晴天光照最佳日來計算，即8月5日，日機組組合下該省級電網(wǎng)最大的光伏接入容量為12?666.2?MW。

由圖7可知，光伏機組的大規(guī)模接入，在午間光伏發(fā)電大發(fā)時，出現(xiàn)白天的等效負荷低于夜間的情況，此時抽水蓄能機組進行蓄能“填谷”，在夜間光伏出力減小時再發(fā)電“調(diào)峰”。

圖7 抽水蓄能機組日出力曲線

3.2 周最大接入光伏容量

對8月第一周(2~8日)的光伏發(fā)電消納容量進行了計算，結果如表3所示。

表3 周最大光伏接入容量

在周機組組合的結果中，不同氣候下的出力系數(shù)對光伏接入容量的影響效果較日機組組合小了很多。周機組組合下該省級電網(wǎng)最大的光伏接入容量為12?666.0?MW。

由圖8可知，晴天光伏機組出力大發(fā)時，抽水蓄能機組在日間抽水“填谷”，在夜間發(fā)電“調(diào)峰”。陰天光伏機組出力不足時，抽水蓄能機組在日間發(fā)電“調(diào)峰”，夜間負荷低估時抽水“填谷”。

圖8 抽水蓄能機組周出力曲線

3.3 月最大接入光伏容量

對2013年8月份的光伏發(fā)電消納容量進行了計算，結果如表4所示，抽水蓄能機組出力曲線如圖9所示。

在月機組組合中，光伏接入點的傳輸線路容量很大程度上決定了該接入點的光伏消納容量，東莞的光伏接入容量可以達到5?703?MW，而佛山的光伏接入容量只有424?MW。系統(tǒng)的最大光伏接入容量為11?526?MW。

圖9 抽水蓄能機組月出力曲線

表4 月最大光伏接入容量

4 結論

1)?提出了考慮網(wǎng)絡約束的大型光伏電站接入的算法，以仿真周期內(nèi)可接入光伏電量為優(yōu)化求解目標，并考慮了抽水蓄能電站的作用，提高了電網(wǎng)對光伏的消納能力。

2)?系統(tǒng)負荷特性、光伏電站接入位置、常規(guī)機組特性和光伏的出力特性共同決定了光伏最大接入容量。

3)?光伏機組的大規(guī)模接入改變了系統(tǒng)的等效負荷，晴天大發(fā)時抽水蓄能機組白天抽水夜晚發(fā)電，起到“削峰填谷”的作用。

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(編輯 魏小麗)

Computing of accommodation capacity of grid-integrated photovoltaic generation considering network’s transmission constraints

OUYANG Cong, LIU Mingbo

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The output of photovoltaic generation has intermittency and uncertainty and hence its grid integration brings about the big challenge to power system operation. Aiming at how to calculate accommodation capacity of large-scale grid photovoltaic generation, this paper builds an analytical model considering network’s transmission constraints. In this model, the objective is to maximize the capacity of the integrated photovoltaic power stations, outputs of photovoltaic stations and start/stop states and output of the conventional units are defined as the decision variable and meanwhile the network transmission constraints and particular constraints of the pumped storage power stations are considered. In essence, this is a mixed-integer linear programming problem, which can be efficiently solved by CPLEX solver. The results on a provincial power grid show that this model is reasonable and the accommodation capacity of photovoltaic power stations is also affected by their locations and output coefficients.

grid-integrated photovoltaic generation; network transmission constraint; accommodation capacity; unit commitment; mixed-integer linear programming

10.7667/PSPC150809

2015-05-13；

2015-07-17

歐陽聰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化與控制；E-mail：ouyangcong28@163.com 劉明波(1964-)，男，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化與控制。E-mail：epmbliu@scut.edu.cn