于志勇，宋新甫，張增強，辛超山，李海峰

(國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

由于煤炭、石油、天然氣等礦物質(zhì)燃料在利用過程中會排放出大量的CO2、SO2等影響環(huán)境的氣體，加之礦物燃料的日益短缺，使得能源供應(yīng)與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾變得越來越突出[1]。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高能源效率，是一項亟需解決的問題。開發(fā)和利用可再生能源為解決能源短缺與環(huán)境問題開辟了新的途徑，對改善能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。中國已將“可再生能源低成本的規(guī)?；_發(fā)利用”列入《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃》能源領(lǐng)域5個優(yōu)先主題之一。風(fēng)力發(fā)電是一種受風(fēng)能驅(qū)動的電源，風(fēng)速的隨機變化性與不確定性導(dǎo)致了風(fēng)電的隨機性與不可預(yù)測性。風(fēng)電接入系統(tǒng)之前，電力系統(tǒng)通過可實時控制的發(fā)電追蹤、可準(zhǔn)確預(yù)測的負荷實現(xiàn)功率供需平衡，從而保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[2-4]。風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，風(fēng)電功率的波動性和不可控性會不同程度地影響既有電網(wǎng)的功率平衡，影響電力系統(tǒng)的安全運行。當(dāng)接入的風(fēng)電規(guī)模較小時，風(fēng)電功率的波動性對電網(wǎng)的影響較小，容易治理。隨著風(fēng)電規(guī)模的增加，風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾越來越突出，導(dǎo)致棄風(fēng)較為嚴重。風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾嚴重地影響了風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)。如何協(xié)調(diào)風(fēng)電與電網(wǎng)之間的矛盾，提高風(fēng)電的并網(wǎng)規(guī)模是一項亟需解決的問題[5-8]。

針對中國風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模受限，棄風(fēng)現(xiàn)象嚴重這一問題，結(jié)合中國風(fēng)電“大規(guī)模集中開發(fā)，遠距離輸送”發(fā)展模式，確定建設(shè)風(fēng)電功率外送通道，實現(xiàn)風(fēng)電的跨區(qū)域消納是緩解風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模受限、提高風(fēng)電利用率的有效途徑。下面建立了綜合考慮輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本的輸電工程經(jīng)濟效益評估模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電功率的分布特征，提出了一種以輸電工程經(jīng)濟效益最優(yōu)的風(fēng)電功率外送輸電容量的規(guī)劃方法，結(jié)合某省實際電網(wǎng)系統(tǒng)與實測風(fēng)電功率數(shù)據(jù)對所提出的方法進行驗證[9-10]。

1 常規(guī)電源的外送輸電容量規(guī)劃方法

風(fēng)力發(fā)電是受風(fēng)能的驅(qū)動而發(fā)電，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的不可控性，與常規(guī)機組不同，其出力完全可以根據(jù)負荷的變化加以調(diào)控。以裝機容量為Cinstall的火電廠為例，在負荷較高的情況下，調(diào)度人員可以根據(jù)需要使火電廠以額定裝機容量運行，并且火電廠工作人員也完全有能力控制火電廠以額定裝機容量運行。對于風(fēng)電場而言，當(dāng)負荷較高時，調(diào)度部門期望風(fēng)電場能夠以額定裝機容量運行以滿足負荷的需要；然而，風(fēng)電場工作人員因為無法控制風(fēng)速而不能夠滿足調(diào)度部門的需要。因此，決定了風(fēng)電與常規(guī)電源的功率外送輸電容量規(guī)劃方法不同。

對于常規(guī)機組，以火電廠為例，圖1給出了某區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)該地區(qū)共有m個火電廠，功率經(jīng)過匯聚后集中送入電網(wǎng)，對于匯聚后的輸電容量計算公式為

(1)

式中：Pline.th為火電功率外送輸電容量；Cinstall.i為第i個火電廠的裝機容量。

圖1 某區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于風(fēng)電場的實際輸出功率在大部分時間達不到風(fēng)電場的額定裝機容量，如果對于功率匯聚外送輸電容量的規(guī)劃按照風(fēng)電場的額定裝機容量進行規(guī)劃，勢必會造成輸電通道的嚴重浪費，因此，對于風(fēng)電功率匯聚外送的輸電容量規(guī)劃必須異于常規(guī)電源。

2 風(fēng)電功率外送輸電容量規(guī)劃方法

2.1 年持續(xù)功率曲線

風(fēng)電輸電容量的規(guī)劃問題不需要過度地關(guān)注時序曲線，更多關(guān)注的是風(fēng)電功率整體分布情況以及一段時間內(nèi)的最大出力值。因此聯(lián)想到在電力系統(tǒng)分析中提出的年持續(xù)負荷曲線這一概念，將風(fēng)電場群一年中采集到的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)按照從大到小的順序依次進行排列，不考慮風(fēng)電功率的時序性，從而得到風(fēng)電場群的年持續(xù)功率曲線，借助該曲線來進行風(fēng)電功率匯聚外送的輸電容量規(guī)劃。

圖2給出了風(fēng)電場個數(shù)增加時，年持續(xù)功率曲線的對比。從圖中可以直觀地看出隨著風(fēng)電場個數(shù)的增加，風(fēng)電功率的最大值遞減，風(fēng)電功率為0的時間越來越少，曲線變得越來越平滑。借助于年持續(xù)功率曲線，可以有效地觀察風(fēng)電功率的整體出力水平以及外送輸電容量的變化對輸送電量的影響程度；但是借助年持續(xù)功率曲線只能從宏觀上把握外送輸電容量的規(guī)劃區(qū)間，無法定量地給出一個具體的最優(yōu)容量值。因此將從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，結(jié)合外送輸電容量規(guī)劃的經(jīng)濟性評估模型確定外送輸電容量的最優(yōu)值。

圖2 風(fēng)電場個數(shù)增加時年持續(xù)功率曲線對比

2.2 外送輸電容量的經(jīng)濟性評估模型

1)輸電效益

借助于風(fēng)電功率外送輸電通道，可以將風(fēng)電功率傳輸?shù)截摵芍行膹亩玫郊皶r消納。這個過程中輸電通道帶來的電量收益將其稱為輸電效益，具體的計算公式為

R(L)=CpEwind

(2)

式中：R(L)為輸電效益；Cp為輸送單位風(fēng)電電量的電價；Ewind為壽命周期內(nèi)輸送的總電量，具體的計算公式為

(3)

式中：n為輸電系統(tǒng)的運行壽命；Pwind(t)為t時刻輸送的風(fēng)電功率；ΔT為風(fēng)電機組利用時間，其計算公式為

(4)

式中：Pline為風(fēng)電外送輸電容量；Pactual(t)為t時刻風(fēng)電場實測風(fēng)電功率數(shù)據(jù)。

2)棄風(fēng)損耗

由上面分析可知，為了更加經(jīng)濟合理地規(guī)劃風(fēng)電功率的外送輸電容量，在規(guī)劃時并不是簡單地根據(jù)各風(fēng)電場的裝機容量總和來確定外送輸電容量，因此，必然會存在當(dāng)風(fēng)電功率超過外送輸電容量時可能由于阻塞帶來的棄風(fēng)電量。定義由于外送輸電通道的阻塞造成的棄風(fēng)電量為棄風(fēng)損耗。以圖2中包含9個風(fēng)電場的風(fēng)電場群的年持續(xù)功率曲線為例，假設(shè)外送輸電容量為0.5 pu，則年持續(xù)功率曲線中，縱坐標(biāo)表示0.5 pu的直線上方與年持續(xù)出力曲線所圍成的面積即為所提的棄風(fēng)損耗。具體計算公式為：

(5)

(6)

式中：Eloss(L)為棄風(fēng)損耗；Kq為單位棄風(fēng)電量的電價(按風(fēng)電發(fā)電電價計算)；Ploss(t)為t時刻的棄風(fēng)功率；ΔT為為風(fēng)電機組利用時間。

3)輸電成本

建設(shè)輸電線路時，需要投資者投入大量的資金購買建設(shè)材料、支付人工費用等建設(shè)費用，將其定義為輸電成本，具體的計算公式為

C(L)=K1PlineL

(7)

式中：C(L)為輸電成本；Kl為建設(shè)單位長度、單位容量的輸電線路的工程造價；L為輸電線路的長度。

4)綜合效益

綜合考慮輸電線路帶來的輸電效益，棄風(fēng)損耗以及輸電成本等因素對輸電容量規(guī)劃的影響，將其定義為輸電工程的綜合收益，計算公式為

S(L)=R(L)-Eloss(L)-C(L)

(8)

式中，S(L)為輸電工程的綜合收益。

圖3為基于風(fēng)電場群年持續(xù)功率曲線的風(fēng)電功率外送輸電容量規(guī)劃示意圖。從圖中可以看出，結(jié)合風(fēng)電場實測風(fēng)電功率數(shù)據(jù)可得到風(fēng)電場群的年持續(xù)功率曲線。當(dāng)風(fēng)電外送輸電容量Pline確定時，輸電線路的建設(shè)成本即可求出，對應(yīng)的輸電收益與棄風(fēng)損耗可以計算；當(dāng)Pline增加時，棄風(fēng)電量減少，輸送電量增加，但輸電成本同樣增加；當(dāng)Pline減少時，棄風(fēng)電量增加，輸送電量減少，但相應(yīng)的輸電成本下降：因此，必然會存在一個Pline使輸電工程的綜合收益最優(yōu)。

圖3 基于風(fēng)電場群年持續(xù)功率曲線的風(fēng)電外送輸電容量規(guī)劃

假定Pline從0開始到風(fēng)電場群的裝機容量Sn之間變化時，勢必會得到一條如圖4所示的曲線，使綜合收益最大的外送輸電容量Pline即為最終確定的規(guī)劃容量。

3 算例分析

3.1 算例條件

圖5為某區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖。該電網(wǎng)中包含9個風(fēng)電場，風(fēng)電場群的總裝機容量為1 493.8 MW，實測風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的長度時間為1年，數(shù)據(jù)的采樣間隔為5 min。圖6為該風(fēng)電場群1年中實測輸出功率的原始曲線。表1為輸電工程經(jīng)濟效益評估的相關(guān)參數(shù)參考值。

圖4 基于風(fēng)電場群年持續(xù)功率曲線的風(fēng)電外送輸電容量規(guī)劃

圖5 某區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖6 風(fēng)電場群實測風(fēng)電功率曲線

表1 算例參考數(shù)據(jù)

3.2 算例結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)電功率外送輸電容量Pline從0開始逐漸增加到1 493.8 MW(風(fēng)電場群的裝機容量)時，輸電工程的綜合收益變化曲線如圖7所示。

圖7 風(fēng)電功率外送輸電工程綜合收益曲線

從圖中可以看出，風(fēng)電功率的最優(yōu)外送輸電容量為935.1 MW，相應(yīng)的該輸電工程在一年中帶來的綜合收益為6274萬元，當(dāng)輸電容量取最優(yōu)值時，相應(yīng)的輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本如表2所示。

表2 輸電容量最優(yōu)時的輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本

如果按照常規(guī)電源的外送輸電容量規(guī)劃方法進行規(guī)劃時，即外送輸電容量按風(fēng)電場群的額定裝機容量規(guī)劃，此時，輸電工程帶來的輸電效益為16 343.32萬元，棄風(fēng)損耗為0元，年輸電成本為14 938萬元，年綜合收益為1 405.3萬元，僅占所提方法收益的23.12%，從而驗證所提方法的有效性。

4 結(jié) 語

針對中國風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模受限且電網(wǎng)的風(fēng)電傳輸空間有限，在確定中國風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)、遠距離輸送的發(fā)展模式下，提出了一種經(jīng)濟性的風(fēng)功率外送輸電容量的規(guī)劃方法。構(gòu)建了綜合考慮輸電工程經(jīng)濟效益的風(fēng)電外送輸電容量規(guī)劃模型，對于輸電工程的經(jīng)濟效益分析考慮了輸電工程的輸電效益、棄風(fēng)損耗以及輸電成本。結(jié)合實際的電力系統(tǒng)以及風(fēng)電場的實測風(fēng)電功率數(shù)據(jù)，通過算例分析表明，所建模型在降低輸電成本的同時能夠給電網(wǎng)帶來更大的經(jīng)濟收益。