基于kd的風電場調(diào)峰容量需求建模與分析

基于kd的風電場調(diào)峰容量需求建模與分析

1含風電的調(diào)峰系統(tǒng)調(diào)峰能力特性模型近年來，由于能源用戶的電源需求變化，中國各電源的峰值和山谷差距逐年加大，峰峰轉(zhuǎn)換的難度也越來越大。特別是隨著風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展,尤其是風力發(fā)電以其技術相對成熟、成本較低、蘊量巨大和不污染環(huán)境等優(yōu)點在世界各國都得到了快速發(fā)展,大型風電場并網(wǎng)發(fā)電成為世界風電未來發(fā)展的趨勢,因此,這種大規(guī)模隨機性、難預測性的電力并網(wǎng)將給系統(tǒng)調(diào)峰帶來更大的挑戰(zhàn)。同時,電網(wǎng)調(diào)峰經(jīng)濟運行在電力企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營中占有很重要的位置,雖然經(jīng)濟調(diào)峰時段只占整個電網(wǎng)運行總時段的1/3,但對全網(wǎng)經(jīng)濟運行效益的影響卻遠遠超過1/3,對電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性具有決定性的影響。因此,研究大型風電場的調(diào)峰容量需求特性,并提出含大型風電場的電力系統(tǒng)調(diào)峰運行模擬分析方法具有非常重要的意義。近幾年,國內(nèi)外專家學者對風電并網(wǎng)的相關研究工作非常重視,對其帶來的調(diào)峰問題也進行了一些初步的研究。文獻結合西北電網(wǎng)的具體情況,提出一種采用西北水電、火電聯(lián)合為風電調(diào)峰時的水電、火電調(diào)峰能力的實用計算方法;文獻從電網(wǎng)的負荷特性和電源構成著手分析2010年京津塘電網(wǎng)的調(diào)峰能力,進而粗略給出可接受的風電容量范圍;文獻均是結合具體電網(wǎng)的情況,分析風電場所在系統(tǒng)可提供的調(diào)峰能力,模型不具有通用性。文獻采用風速的Weibull分布函數(shù)模擬的風電場時序出力曲線,基于凈負荷峰谷差的變化來評價風電對系統(tǒng)峰谷差的影響。而事實上,風電并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力和調(diào)峰運行特性,與系統(tǒng)負荷特性、電源特性以及風電出力特性有著密切的關系,單純的分析風電的出力特性或者系統(tǒng)的調(diào)峰能力都是不全面的。目前的研究大都對風電接入系統(tǒng)以后給電網(wǎng)調(diào)峰帶來的調(diào)峰壓力進行較粗略的宏觀分析,但是缺少對系統(tǒng)調(diào)峰運行特性問題進行通用的定量分析和建模。因此,對于風電出力的隨機性給并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰帶來的影響以及含風電場的系統(tǒng)調(diào)峰運行特性問題急需進一步的深入研究。電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求是指運行周期內(nèi)系統(tǒng)的最大負荷與最小負荷的差值,因此,研究含大型風電場的電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題需要結合整個運行周期內(nèi)的系統(tǒng)負荷特性和風電場出力來分析。風電出力的隨機性、間歇性以及難預測性使得風電的調(diào)峰容量需求具有很大的隨機性,這是含風電的電力系統(tǒng)調(diào)峰問題不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)峰分析的關鍵。針對風電出力的隨機性,結合系統(tǒng)的負荷特性,本文建立了含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求模型,采用典型場景描述風電接入系統(tǒng)后調(diào)峰容量需求的隨機特性。基于調(diào)峰容量需求模型,提出了一種含大規(guī)模風電的電力系統(tǒng)調(diào)峰運行特性分析方法?？紤]到風電調(diào)峰容量需求的隨機性,在模型目標函數(shù)中計及了系統(tǒng)上調(diào)峰能力不足造成的缺電損失費和下調(diào)峰能力不足造成的棄風懲罰費用。最后應用本文提出的模型對一個測試系統(tǒng)進行了計算和分析證明本文模型的有效性和實用性。2時序相關性分析含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求來源于風電出力的變化和負荷的峰谷差,需求的大小則與兩者的時序相關性密切相關。為了獲得能夠用于含風電系統(tǒng)調(diào)峰分析的風電出力模型,本文借鑒電力系統(tǒng)選取典型負荷曲線的思路,通過對凈負荷的峰谷差數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和場景削減技術,得到用于含風電系統(tǒng)調(diào)峰分析的典型風電出力場景及對應的概率。2.1含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求在電力系統(tǒng)運行中,為充分利用可再生能源,將風電出力處理成負負荷,與原始負荷疊加后得到凈負荷曲線。系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求分析基于凈負荷來進行,這樣既兼顧了負荷的調(diào)峰需求和風電出力的變化,又考慮了兩者之間的相關性。凈負荷Lnet可表示為式中,PW為風電出力向量,Pw=[Pw1,…,Pwt,…,PwNT］T;L為負荷出力向量,L=[L1,…,Lt,…,LNT]T;Pwt、Lt分別為時段t的風電出力和負荷,t=1,2,…,NT;NT為運行周期的總時段數(shù)。含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求是指運行周期T內(nèi)系統(tǒng)最大凈負荷與最小凈負荷之差,即系統(tǒng)凈負荷的峰谷差。由于風電出力的不確定性,風電出力可能有多種情況,根據(jù)式(1)得到的凈負荷也具有多個場景。在一個運行周期內(nèi),對應風電出力場景i的系統(tǒng)調(diào)峰容量需求可表示為式中,Linet=L-Pwi。Pwi為第i個風電出力場景,i=1,2,…,Ns;Ns為總場景數(shù);Pipv和Linet分別為第i個風電出力場景對應的系統(tǒng)調(diào)峰容量需求和凈負荷;max(·)和min(·)分別為最大值和最小值函數(shù)。采用式(2)即可由運行周期內(nèi)風電場出力場景集合?w={Pw1,…,Pwi,…,PwNs}生成其對應的含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求場景集合,即?pv＝{Ppv,1,…,Ppv,i,…,Ppv,Ns}。集合中各場景對應的概率為?pro＝{ppv,1,…,ppv,i,…,ppv,Ns},且,亦即其對應的風電場出力場景的概率。2.2調(diào)節(jié)調(diào)峰容量借鑒well-being分析原理,依據(jù)風電場接入對系統(tǒng)調(diào)峰容量需求的影響可將含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求場景分為Healthy、Marginal和Risk等三種類型。其物理含義分別是,Healthy代表系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求小于風電場接入系統(tǒng)前的調(diào)峰容量需求Lpv,即風電場的接入改善了系統(tǒng)的調(diào)峰狀況;Risk代表系統(tǒng)可提供的調(diào)峰容量Cpv小于系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求,即系統(tǒng)滿足不了含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求;而Marginal代表除上面兩種類別之外的調(diào)峰容量需求,即風電場的接入加大了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力,但是,系統(tǒng)可提供的調(diào)峰容量Cpv還可滿足含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求。這種分類方法明確表示了風電場接入對系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求影響的三種情況,并較好地區(qū)分了含風電系統(tǒng)的調(diào)峰壓力狀態(tài)。根據(jù)上述分類方法,含風電系統(tǒng)調(diào)峰容量需求集合Ωpv被分成三個子集:ΩH,pv、ΩM,pv、ΩR,pv,其包括的場景及對應的概率分別如式(3)和式(4)所示。式中,ΩH,pv、ΩM,pv、ΩR,pv分別表示Healthy、Marginal、Risk三類調(diào)峰容量需求狀態(tài)的場景集合,Ppvh、Ppvj、Pkpv分別為ΩH,pv、ΩM,pv、ΩR,pv三個集合中第h、j、k個風電出力場景對應的調(diào)峰容量需求;NH、NM、NR分別為Healthy、Marginal、Risk三種調(diào)峰容量需求狀態(tài)子集所包括的調(diào)峰容量需求場景數(shù)。2.3場景基于d的測量結果受計算復雜性的限制,實際工作中不可能對每一個場景都進行詳細的分析和評估,因此,采用基于KantorovichDistance(KD)的forward場景削減技術對各調(diào)峰容量需求狀態(tài)包括的場景進行削減,進而得到能夠代表各調(diào)峰容量需求狀態(tài)的典型風電出力場景及對應的概率?；贙D的forward場景削減技術是一個優(yōu)化的過程,通過反復迭代,從原始場景集合Ω中尋找與其他場景KD距離最小的場景,將其置入目標場景集合Ω′。兩個場景集Ω和Ω′的KD定義如下:式中,c(·)是一個非負、連續(xù)、對稱的距離函數(shù);s和s′分別為原始場景集W和目標場景集Ω′中的場景;ps和ps′分別為場景s和s′在Ω和Ω′中的概率。對于某一種調(diào)峰容量需求狀態(tài)而言,Ω代表含風電系統(tǒng)調(diào)峰容量需求的初始場景集合,而Ω′代表削減后的目標場景集合,因此,式(5)等效為在本文中,將c(s,s′）定義為兩個場景的調(diào)峰容量需求之差的絕對值,即采用上面闡述的基于KD的forward場景削減技術即可對各類調(diào)峰容量需求狀態(tài)子集進行場景削減。在削減后得到的目標場景集Ω′中,每個調(diào)峰容量需求場景P′pv對應的風電出力曲線P′w即選取的典型風電出力曲線,這些典型風電曲線能夠反映隨機性的風電加入后對系統(tǒng)調(diào)峰需求的影響。為了在調(diào)峰需求分析中,合理評估風力發(fā)電的經(jīng)濟性,獲得的風電典型出力曲線必須能夠正確反映風能的電量特性,即與風電場的期望發(fā)電量保持一致。為此,需根據(jù)運行周期內(nèi)風電場的期望發(fā)電量對目標場景集中與原始場景集KD距離最短的場景s′對應的風電出力曲線進行修正,修正公式為式中,且s∈ΩNs;ΩNs為對原始場景集削減后剩余場景的集合。對于每類調(diào)峰容量需求包括的場景進行削減的最終結果及其對應的概率如下所示:2.4調(diào)峰容量需求狀態(tài)經(jīng)過上面的調(diào)峰容量需求場景狀態(tài)分類以及場景削減,含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求模型如下:式中,l=H、M、R,分別代表Healthy、Marginal、Risk三種調(diào)峰容量需求狀態(tài),下文出現(xiàn)的l均為此意義;?′lpv、?′lw、?′lpro分別為調(diào)峰容量需求狀態(tài)l的調(diào)峰需求和風電出力曲線的目標場景集合及其各典型場景對應的概率集合;P′lpv,i、P′lw,i、p′l,i分別為調(diào)峰容量需求狀態(tài)l目標場景集第i個典型場景的調(diào)峰容量需求、風電出力及其對應的概率。此風電調(diào)峰容量需求模型通過選取典型的系統(tǒng)調(diào)峰需求場景對風電調(diào)峰容量需求的隨機性進行建模,從而可應用于下面的考慮風電隨機性的調(diào)峰運行特性分析研究。3表中含風電站電氣系統(tǒng)的調(diào)峰運行特性分析3.1調(diào)峰運行特性模型含風電場的電力系統(tǒng)調(diào)峰運行特性分析研究的目標是在滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求及各種約束條件的前提下,充分利用可再生能源,使運行周期內(nèi)系統(tǒng)的發(fā)電成本最小?？紤]到風電的隨機性,在調(diào)峰平衡運行模擬模型目標函數(shù)中計及了系統(tǒng)由于風電變化而導致的上調(diào)峰能力不足帶來的缺電損失費和下調(diào)峰能力不足帶來的棄風懲罰費用。基于第2節(jié)所建立的調(diào)峰容量需求模型,含風電系統(tǒng)的調(diào)峰運行特性分析模型的目標函數(shù)如下:其中式中,F為運行周期內(nèi)總費用;Nu為常規(guī)發(fā)電機組數(shù);fu,l,i(t)為典型風電出力Plw,i對應的機組u在t時刻的發(fā)電費用,包括運行費用f1u,l,i(Pu.t)、啟停費用Su,l,i(t)和SO2及NOx的排污費用f2u,l,i(NOx,SO2);Ol,i(t)為系統(tǒng)上調(diào)峰能力不足而造成的缺電損失費;Cl,i(t)為系統(tǒng)下調(diào)峰能力不足造成的棄風電量懲罰費用。Ol,i(t)和Cl,i(t)的計算式為式中,γ為單位缺電量的損失費;ρ為單位棄風電量的懲罰費用;ENSW.l,i(t)、ENAW.l,i(t)分別為典型風電出力P′lw,i對應的t時刻系統(tǒng)缺電量和棄風電量。3.2機組運行約束含風電系統(tǒng)的調(diào)峰運行特性分析模型的約束條件包括系統(tǒng)運行約束、常規(guī)機組約束和風電場出力相關的約束。對于每個典型風電出力場景P′lw,i,均需滿足以下約束:(1)系統(tǒng)運行限制式中,P′lw,i,t為典型風電出力P′lw,it時刻的出力;Lt、PL.t分別為時刻t系統(tǒng)的負荷值和網(wǎng)損值。(2)系統(tǒng)的等待約束式中,Pu.max為機組u的最大出力;Rt為時刻t系統(tǒng)備用;xu,t為機組u的運行狀態(tài),1為開機,0為停機。(2)傳統(tǒng)設備的限制式中,Pu.min為機組u的最小技術出力。(3)風電站運行限制(1)風電站的輸出受到限制，即風電站的輸出不超過風電場的總安裝能力式中,Pwtotal為風電場總容量。(2)風電站的負荷限制，即風電站的負荷和拋棄風電站的負荷，相當于風電場的期望負荷式中,Ew、EeNAW分別為系統(tǒng)利用的風電電量和棄風電量;tE為風電場的年期望利用小時。4調(diào)峰運行特性數(shù)據(jù)分析本文的測試系統(tǒng)基于某一實際系統(tǒng)的2015年的負荷特性和電源數(shù)據(jù)和某一風電場的實際出力數(shù)據(jù),采用本文提出的模型,分析電網(wǎng)接入風電后的調(diào)峰需求及調(diào)峰運行特性指標。系統(tǒng)的火電發(fā)電機組參數(shù)、不同負荷率的煤耗特性和負荷特性分別見表1、表2和表3所示。最大負荷為87000MW,風電場總容量為17400MW,最大負荷的20%。4.1典型風電出力曲線采用建立的含風電系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求模型,對一風場接入系統(tǒng)后的凈負荷進行建模,調(diào)峰需求目標場景集包括3個典型場景,可得出3種調(diào)峰需求狀態(tài)對應的典型風電出力曲線,如下圖所示。由圖可見,采用風電調(diào)峰容量需求模型產(chǎn)生的3條典型風電出力曲線各不相同,反映出了風電出力的三種調(diào)峰容量需求,并且,風電接入以后,系統(tǒng)的調(diào)峰狀態(tài)較多的集中于Marginal狀態(tài),其概率達到0.84,而Healthy和Risk狀態(tài)的概率分別為0.13和0.03。由此,整體來看系統(tǒng)接納此容量的風電調(diào)峰沒有問題。4.2解決風電接入系統(tǒng)可能會導致燃料消耗、總排放量降低在風電調(diào)峰需求典型出力曲線基礎上,進行系統(tǒng)的調(diào)峰運行特性分析,其運行指標見表4。根據(jù)表4的調(diào)峰運行模擬結果可以看出,風電接入以后,系統(tǒng)的總燃料消耗、總排放量相對于風電接入系統(tǒng)以前均有所減少,火電發(fā)電量降低;同時,由于風電的波動性,風電并網(wǎng)系統(tǒng)的常規(guī)機組調(diào)峰壓力增加,從而導致火電單位發(fā)電量的燃料消耗相對于風電接入前有所增加。這說明,風電的接入使并網(wǎng)系統(tǒng)的燃料消耗成本降低,但由于其波動性的影響,加大了常規(guī)機組的調(diào)峰壓力,從而附加一部分調(diào)峰成本。4.3風電圍巖總煤耗量和用電負荷的影響采用文中模型對不同滲透率風電并網(wǎng)系統(tǒng)做了調(diào)峰平衡運行模擬,風電的滲透率(風電容量占系統(tǒng)最大負荷的比例)以10%為步長依次增加到80%,其結果見表5。由表5可知,隨著風電裝機容量的增大,火電發(fā)電量和系統(tǒng)總煤耗量都逐步減少,這說明,增加風電接入系統(tǒng)的容量,在可以替代火電發(fā)電量從而節(jié)省了燃料消耗,但隨著風電裝機容量的增大,增加相同的風電裝機替代的火電發(fā)電量越來越少。從風電滲透率30%開始,隨著風電裝機容量的增大,火電單位發(fā)電量的煤耗呈增加的趨勢,這是因為,隨著風電容量的增加,火電的調(diào)峰深度逐步加大,火電機組的出力率降低,從而導致火電單位煤耗的增大。