風(fēng)電消納能力的衡量

風(fēng)電消納能力的衡量

0風(fēng)電消納能力影響因素研究電力系統(tǒng)的風(fēng)能消耗能力和電力容量與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特征、價(jià)格制度、電網(wǎng)運(yùn)營模式以及規(guī)劃和規(guī)劃密切相關(guān)。我國將在“三北”地區(qū)和東部沿海地區(qū)建設(shè)8個千萬千瓦級的風(fēng)電基地,預(yù)計(jì)2020年風(fēng)電裝機(jī)將突破1.5億kW,年均增速高達(dá)20%左右。未來,我國風(fēng)電將呈現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展態(tài)勢,風(fēng)電消納已成為社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行迫切需要解決的重大問題。目前,國內(nèi)已有不少針對風(fēng)電消納能力的研究成果報(bào)道[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。文獻(xiàn)從政策層面提出了促進(jìn)我國風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展思路,建立了一套風(fēng)電消納能力研究方法,分析得出抽水蓄能建設(shè)規(guī)模、跨區(qū)輸電能力是最主要影響因素;文獻(xiàn)以甘肅酒泉地區(qū)為例,定性提出了風(fēng)電消納方案與打捆外送模式;從系統(tǒng)規(guī)劃層面,文獻(xiàn)引入風(fēng)電保證容量和有效容量概念,從電力系統(tǒng)規(guī)劃層面提出了中國風(fēng)電合理開發(fā)規(guī)模及效益評估的研究方法。此外,還有學(xué)者從電網(wǎng)安全運(yùn)行角度,分析風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后對電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定的影響,從而界定系統(tǒng)最大接納風(fēng)電能力。上述研究較多為定性研究,定量化研究的尚沒有全面考慮各種影響風(fēng)電消納能力的關(guān)鍵因素。采用定量化研究方法是準(zhǔn)確衡量風(fēng)電消納能力的基礎(chǔ)和依據(jù)。為準(zhǔn)確衡量風(fēng)電消納能力,需要識別影響風(fēng)電消納能力的眾多影響因素。本文著重分析國外Balmorel模型架構(gòu)及其運(yùn)用于風(fēng)電消納能力定量化研究的優(yōu)勢和重要特征,并對我國某省級電網(wǎng)2011年風(fēng)電實(shí)際消納能力進(jìn)行分析。1模型機(jī)分析1.1基于balmsol模型的熱價(jià)模型Balmorel模型是一個基于線性混合整數(shù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。以發(fā)電成本、供熱成本、輸電成本、新增發(fā)輸容量的投資費(fèi)用以及SO2、CO2等氣體排放費(fèi)用的綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo),建立的方程滿足電量/供熱量平衡、各類型發(fā)電機(jī)組特性約束、輸電容量約束以及SO2與CO2排放約束、風(fēng)電消納目標(biāo)約束等條件。Balmorel模型考慮了含風(fēng)電、太陽能等新能源在內(nèi)的大部分類型發(fā)電機(jī)組,模型決策變量涵蓋了各類型發(fā)電機(jī)組不同時(shí)段的啟停狀態(tài)及其發(fā)電/供熱量、各區(qū)域間輸電容量投資規(guī)劃、電力外受和外送量、用戶需求響應(yīng)等,可方便用于針對相關(guān)政策等邊界條件變化的多情景分析。模型的架構(gòu)如圖1所示。1.2balmsom模型的應(yīng)用Balmorel模型作為電力系統(tǒng)分析工具,能夠進(jìn)行小時(shí)級的電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬,在歐洲應(yīng)用較為廣泛,特別適用于風(fēng)電和熱電聯(lián)產(chǎn)比重較大的系統(tǒng)。Balmorel模型最初用于分析波羅的海地區(qū)的電源發(fā)展規(guī)劃,爾后多次完善,逐步擴(kuò)寬模型應(yīng)用范圍,目前可用于各方經(jīng)濟(jì)利益調(diào)整模擬、環(huán)境政策模擬、電力市場模擬以及風(fēng)電消納能力分析等。目前,Balmorel模型已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用案例說明,Balmorel模型能夠充分挖掘影響風(fēng)電消納能力的關(guān)鍵因素,是精細(xì)化分析風(fēng)電消納能力的定量化研究工具。其適用性體現(xiàn)在:(1)精細(xì)化研究風(fēng)電消納能力。Balmorel模型能夠做到全年8760h的生產(chǎn)模擬,能夠考慮不同時(shí)段的負(fù)荷特性、電網(wǎng)運(yùn)行方式、各類電源調(diào)度計(jì)劃安排、外送電力情況等,基于各類型機(jī)組邊際成本實(shí)施統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)調(diào)度,計(jì)算風(fēng)電在每個時(shí)段的消納空間,從而完整并準(zhǔn)確衡量風(fēng)電在各個時(shí)段和全年的消納能力。并且,在進(jìn)行逐小時(shí)的生產(chǎn)模擬中,在滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等約束條件下,最大限度減少棄風(fēng)。(2)實(shí)現(xiàn)對各種資源合理利用和整合。Balmorel模型實(shí)現(xiàn)了發(fā)、輸、用電資源的有效利用和整合。主要體現(xiàn)在:(1)允許火電機(jī)組參與啟停調(diào)峰,引入了機(jī)組組合模塊,詳細(xì)考慮了機(jī)組啟停狀態(tài)、啟動成本、爬坡速率等;(2)實(shí)現(xiàn)了供熱機(jī)組的靈活調(diào)度策略,考慮了電能和熱能的存儲和轉(zhuǎn)化;(3)引入需求響應(yīng)策略,增加了用戶對用電和用熱需求的價(jià)格響應(yīng);(4)優(yōu)化調(diào)度不同地區(qū)之間的外送受電能,促進(jìn)系統(tǒng)電力平衡。因此,Balmorel模型能夠模擬在改變資源利用的不同邊界條件下,系統(tǒng)消納風(fēng)電的最大能力。2臺純凝火機(jī)組及其消納能力以某省2011年風(fēng)電并網(wǎng)實(shí)例進(jìn)行風(fēng)電消納能力研究。該省實(shí)際供電區(qū)域共分為9個,其中每個供電區(qū)域又分為若干個供熱區(qū)域,分區(qū)之間存在電氣聯(lián)系,如圖2所示。2011年該省將有41臺抽凝式供熱機(jī)組,總?cè)萘窟_(dá)到9360MW;3臺純凝火電機(jī)組,總?cè)萘窟_(dá)到1920MW;具有多年調(diào)節(jié)性能水電站,總?cè)萘窟_(dá)到1000MW,分布在D和F分區(qū);風(fēng)電主要分布在A和B地區(qū),容量分別達(dá)到2200MW和2300MW。C和D區(qū)是主要負(fù)荷中心。2011年該省最大負(fù)荷預(yù)計(jì)為10480MW,文獻(xiàn)分析得出2011年該省電力盈余將達(dá)到20%,供大于求的形勢非常突出。不僅如此,該省供熱機(jī)組占全部火電機(jī)組容量超過70%,加之低谷時(shí)段風(fēng)電呈現(xiàn)明顯反調(diào)峰特性,棄風(fēng)問題突出。為此,本文首先針對該系統(tǒng)現(xiàn)狀設(shè)置基準(zhǔn)情景,分析接入4500MW風(fēng)電后,系統(tǒng)最大的消納能力。進(jìn)而,在基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上,通過改變各類資源利用的不同邊界條件分析風(fēng)電消納能力變化情況,為減少棄風(fēng)尋求解決方案。2.1基準(zhǔn)情景設(shè)置該省目前采用風(fēng)電省內(nèi)平衡、就地消納的原則,故無風(fēng)電外送需求。為保證新投純凝火電機(jī)組有一定發(fā)電量,部分純凝火電機(jī)組不參與啟停調(diào)峰。因此,根據(jù)2011年各供電分區(qū)電力負(fù)荷預(yù)測、各供熱分區(qū)的熱負(fù)荷預(yù)測、電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)組發(fā)電特性,考慮分區(qū)之間的輸電容量約束,風(fēng)電全年發(fā)電預(yù)測曲線,以及無風(fēng)電外送需求、部分純凝機(jī)組不參與啟停調(diào)峰等邊界條件設(shè)置基準(zhǔn)情景。模擬結(jié)果如圖3和表1所示,圖3中的最大發(fā)電量即為風(fēng)電全年發(fā)電預(yù)測曲線。可見,在基準(zhǔn)情景下,風(fēng)電全年8760h內(nèi)的棄風(fēng)電量比例較高,達(dá)到了19.17%。出現(xiàn)棄風(fēng)的主要原因是:(1)冬季供熱期間,需要保障供熱任務(wù),供熱機(jī)組以熱定電,缺乏足夠調(diào)節(jié)能力;(2)大容量純凝機(jī)組必須保證在線運(yùn)行,在最小技術(shù)出力運(yùn)行也要擠占600MW發(fā)電空間,圖4顯示了A區(qū)內(nèi)不同典型日純凝機(jī)組、抽凝式供熱機(jī)組和風(fēng)電的發(fā)電計(jì)劃;(3)A區(qū)有2200MW的風(fēng)電需要送出,但A區(qū)到C區(qū)輸電容量約束為800MW,故受A區(qū)送出聯(lián)絡(luò)線容量約束,較多時(shí)段內(nèi)大量風(fēng)電送出受限,如圖5;(4)為考察本省消納風(fēng)電能力,在基準(zhǔn)情景中設(shè)置無外送電能需求,由于沒有增加風(fēng)電的消納市場空間,該省消納風(fēng)電能力有限。2.2機(jī)組調(diào)峰容量放松純凝火電機(jī)組必須在線運(yùn)行的約束,使其能夠靈活參與系統(tǒng)的啟停調(diào)峰,其他邊界條件和基準(zhǔn)情景一致,模擬結(jié)果見表2。該系統(tǒng)供熱機(jī)組總?cè)萘窟_(dá)到9360MW,供熱期最低出力達(dá)到70%以上,故供熱期調(diào)峰容量僅為2808MW;純凝火電機(jī)組最低出力在50%以上,調(diào)峰容量為960MW,該系統(tǒng)火電全部調(diào)峰容量為3768MW。由于增加了純凝機(jī)組參與系統(tǒng)啟停調(diào)峰,純凝機(jī)組能夠在風(fēng)電大發(fā)時(shí)段停機(jī),相當(dāng)于增加了系統(tǒng)調(diào)峰容量960MW,占全部調(diào)峰容量25%以上,為風(fēng)電消納釋放出更多空間。從表2看出,與基準(zhǔn)情景a相比,風(fēng)電棄風(fēng)電量比例下降近一半多?？梢?純凝機(jī)組靈活參與系統(tǒng)啟停調(diào)峰能夠明顯增加該系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。2.3外送需求種類遵循就近消納原則,在基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上,假設(shè)省內(nèi)需求的5%作為風(fēng)電外送需求(E為外送分區(qū))。結(jié)果表明,由于增加了外送需求,風(fēng)電棄風(fēng)電量相比基準(zhǔn)情景有所下降(見表3)。但是,相比于情景b而言,風(fēng)電消納能力提升幅度不大。2.4聯(lián)絡(luò)線送出潮流將A區(qū)到C區(qū)的輸電容量約束從800MW增加到1300MW后,聯(lián)絡(luò)線送出潮流都可以滿足,如圖6所示。對比圖5可知,由于增加了風(fēng)電送出,相比于基準(zhǔn)情景,風(fēng)電棄風(fēng)電量比例有所下降(見表4)。2.5a區(qū)風(fēng)電棄風(fēng)電量結(jié)果分析實(shí)施綜合解決策略,允許純凝機(jī)組參與靈活啟停調(diào)峰,并同時(shí)增加該省的外送電能和風(fēng)電送出聯(lián)絡(luò)線容量,優(yōu)化結(jié)果如圖7和表5所示?？梢?由于采取了靈活的調(diào)度運(yùn)行策略,風(fēng)電棄風(fēng)電量降到最小,A區(qū)風(fēng)電送出聯(lián)絡(luò)線沒有受限。但是,由于冬季供熱需求,供熱機(jī)組以熱定電、必須運(yùn)行的緣故,風(fēng)電還是需要在冬季部分時(shí)段(10、1、2月)棄風(fēng)。2.6調(diào)峰適應(yīng)性分析從圖8可知,影響該省風(fēng)電消納能力最主要因素是純凝機(jī)組是否參與系統(tǒng)的啟停調(diào)峰。由于情景b和情景e都增加了機(jī)組參與系統(tǒng)啟停調(diào)峰的靈活調(diào)度策略,因而相比于其他情景,明顯降低了棄風(fēng)電量。綜上所述,通過Balmorel模型優(yōu)化分析,在現(xiàn)有邊界條件下,接入4500MW風(fēng)電,存在近20%棄風(fēng)電量,主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)缺乏較多靈活調(diào)峰電源、風(fēng)電就地消納以及保障冬季供暖等因素共同決定的。如果采取其他有效利用資源的策略,在現(xiàn)有環(huán)境下改變部分邊界條件,則可以降低棄風(fēng)電量,提高風(fēng)電消納能力。3風(fēng)電消納能力模型分析風(fēng)電消納能力取決于電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、電網(wǎng)運(yùn)行方式和調(diào)度計(jì)劃安排、風(fēng)電市場消納空間等因素,促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)消納,需要依托整個電