含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案評(píng)估方法

含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案評(píng)估方法

在中國的大力發(fā)展中，有必要科學(xué)地調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。為了完全接收大規(guī)模的電網(wǎng)，有必要科學(xué)地實(shí)施電源和電網(wǎng)擴(kuò)建計(jì)劃（通常稱為電力計(jì)劃）。在文獻(xiàn)中，記錄了幾個(gè)基于電網(wǎng)的規(guī)劃方案的可靠性。在文獻(xiàn)中，建立了具有代表性的電氣系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，并提出了投資成本最低的規(guī)劃方案。在文獻(xiàn)中，價(jià)值評(píng)估方法是通過嵌入式安全約束的經(jīng)濟(jì)預(yù)算編制方法，獲得系統(tǒng)每一段（通常1h）的總成本，確定規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別是考慮到可支配能源電網(wǎng)的評(píng)價(jià)分析。然而，缺點(diǎn)是沒有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的輸出調(diào)節(jié)能力是否限制了風(fēng)電工程的適應(yīng)性。在經(jīng)濟(jì)預(yù)算模型中，只考慮靜態(tài)安全約束，而不考慮動(dòng)態(tài)安全約束。如果系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不符合安全約束，通過上述分析，筆者提出了一種更完整的價(jià)值評(píng)價(jià)方法，以對(duì)規(guī)劃方案的整體成本進(jìn)行評(píng)估。1成本評(píng)估方法評(píng)估框架如圖1所示.全社會(huì)成本評(píng)估包括:(1)電源的容量成本評(píng)估;(2)電網(wǎng)成本評(píng)估;(3)燃料成本評(píng)估;(4)環(huán)境成本評(píng)估;(5)網(wǎng)損成本評(píng)估;(6)可靠性成本評(píng)估,以上各項(xiàng)評(píng)估輸出的成本之和構(gòu)成了全社會(huì)成本.圖中的虛線框表示(3)(4)(5)項(xiàng)成本評(píng)估是統(tǒng)一進(jìn)行的.需指出,該框架完全適用于含風(fēng)能、太陽能等可再生能源電力規(guī)劃的評(píng)估.2全社會(huì)成本評(píng)估針對(duì)給定的含大規(guī)模風(fēng)電的電源、電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案,評(píng)估全社會(huì)成本的方法如下.2.1系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在:(1)常規(guī)火電機(jī)組必須具備充足的調(diào)節(jié)容量(正向和負(fù)向旋轉(zhuǎn)備用)和足夠快的調(diào)節(jié)速率,以便平衡風(fēng)電出力波動(dòng);(2)擴(kuò)展后的電網(wǎng)必須能夠承受線路有功潮流和節(jié)點(diǎn)電壓頻繁的波動(dòng),滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束,若無法滿足,則需要進(jìn)行相應(yīng)的校正性控制.需指出,這里的靜態(tài)安全約束包括線路潮流約束和節(jié)點(diǎn)電壓幅值約束,動(dòng)態(tài)安全約束是指給定的預(yù)想事故發(fā)生后系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定的約束,它可借助動(dòng)態(tài)安全域邊界的超平面形式將其變成節(jié)點(diǎn)注入功率的線性組合不等式約束,這樣使該約束的計(jì)及變得十分簡易.考慮到上述因素,本文在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合機(jī)組組合優(yōu)化模型與校正性控制模型,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行過程的模擬,從而可保證評(píng)估的合理性和結(jié)果的可信度.圖2給出了研究的時(shí)間框架,對(duì)全年8,760,h逐時(shí)段的模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀況.圖3給出了全社會(huì)成本評(píng)估的詳細(xì)流程.具體步驟如下:根據(jù)規(guī)劃水平年時(shí)序的風(fēng)電出力和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù),對(duì)于給定的電源和電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案,首先進(jìn)行第1個(gè)調(diào)度周期(日或周)的機(jī)組組合優(yōu)化獲得該周期內(nèi)每一時(shí)段的各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)(啟停)和發(fā)電出力.然后轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)運(yùn)行模擬,即基于每個(gè)時(shí)段進(jìn)行交流潮流計(jì)算,并校驗(yàn)是否滿足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束,若滿足則獲得該時(shí)段系統(tǒng)的燃料耗量、網(wǎng)損電量、各項(xiàng)污染物的排放量,再將其轉(zhuǎn)化為貨幣化的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)并進(jìn)行累積;反之,則需進(jìn)行計(jì)及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束的發(fā)電經(jīng)濟(jì)調(diào)度(若調(diào)度也失敗,則需進(jìn)行校正性控制)進(jìn)而確定系統(tǒng)新的運(yùn)行點(diǎn),最后輸出此時(shí)段的燃料成本、環(huán)境成本和網(wǎng)損成本并進(jìn)行累積,重復(fù)進(jìn)行上述過程直至該調(diào)度周期模擬結(jié)束.然后,再進(jìn)行下一個(gè)調(diào)度周期的機(jī)組組合,重復(fù)以上過程直至全年模擬結(jié)束,最終集成出全年8760h的系統(tǒng)各項(xiàng)成本.需指出的是:上述評(píng)估過程中連續(xù)的機(jī)組組合之間計(jì)及了機(jī)組的最小運(yùn)行啟停機(jī)時(shí)間的關(guān)聯(lián)性約束;在風(fēng)電的極端出力模式或系統(tǒng)無法滿足其功率調(diào)節(jié)要求而出現(xiàn)機(jī)組組合無解的情況下,需要采取相應(yīng)的控制措施使之有解(如棄風(fēng)或削減負(fù)荷).環(huán)境成本是由環(huán)境對(duì)策成本和環(huán)境損失成本構(gòu)成.環(huán)境對(duì)策成本指采取環(huán)境保護(hù)措施而付出的成本,包括安裝脫硫、脫硝設(shè)備的投資成本及運(yùn)行成本.而環(huán)境損失成本的評(píng)估是,在考慮應(yīng)對(duì)環(huán)境污染措施的條件下,根據(jù)該時(shí)段燃料污染物的排放量,再結(jié)合其環(huán)境價(jià)值,即可得到相應(yīng)的環(huán)境損失成本.圖3中對(duì)環(huán)境損失成本是按小時(shí)進(jìn)行的,最終累積獲得全年8760h的相應(yīng)成本.2.2機(jī)組運(yùn)行成本電源容量成本包括系統(tǒng)原有機(jī)組的折舊成本及其運(yùn)行維護(hù)成本、新建機(jī)組的投資成本及其運(yùn)行維護(hù)成本;電網(wǎng)成本包括系統(tǒng)原有線路和變電站的折舊成本及其運(yùn)行維護(hù)成本、新建線路和變電站的投資成本及其運(yùn)行維護(hù)成本,上述各成本均為年值形式.2.3可靠性成本vd首先通過基于序貫蒙特卡羅仿真的含風(fēng)電發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估獲得期望缺供電量,然后利用單位停電的經(jīng)濟(jì)損失(即單位電量的可靠性成本或價(jià)值),將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的可靠性成本(或風(fēng)險(xiǎn)成本).3方案評(píng)估結(jié)果基于上述框架,利用MATLAB編制了整套評(píng)估程序,并進(jìn)行了算例分析.示例系統(tǒng)如圖4所示.其中,Bus1、Bus2表示風(fēng)電場(chǎng)匯集升壓站節(jié)點(diǎn),總的裝機(jī)容量分別為2000MW和2400,MW,分別經(jīng)由線路L1-3和L2-4接入系統(tǒng),這些風(fēng)電通過Bus6外送,送出功率為3,000,MW,為了使外送線路保持較高的利用率,這里假定線路外送功率為恒定值.規(guī)劃年時(shí)序的風(fēng)電出力與負(fù)荷曲線采用文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù).系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)見表1和表2.表3給出了風(fēng)電接入系統(tǒng)后的5個(gè)初始電力規(guī)劃方案.其中,方案1、方案2與方案3,具有不同的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案和相同的電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案;而方案1、方案4與方案5具有相同的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案和不同的電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方案.由此可對(duì)上述方案進(jìn)行不同層次的分析比較.算例中機(jī)組、線路和風(fēng)機(jī)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及可靠性參數(shù)見表4和表5.考慮如下預(yù)想事故:線路L1-3、L2-4和L5-8首端發(fā)生三相短路故障,在0.10s時(shí)切除故障線路.5個(gè)方案下每個(gè)預(yù)想事故對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)安全域邊界超平面系數(shù)如表6所示.標(biāo)煤價(jià)格取為700元/t,天然氣價(jià)格取為2元/m3,單位電量網(wǎng)損成本取為0.25元/(kW·h),單位電量中斷的經(jīng)濟(jì)損失取為50元/(kW·h),由此獲得的各方案評(píng)估結(jié)果如表7所示,其中的各項(xiàng)成本均為年值形式.需指出,表6中方案的負(fù)荷削減電量由以下2部分構(gòu)成:(1)機(jī)組組合無解所需的負(fù)荷削減;(2)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度失敗所采取校正性控制措施對(duì)應(yīng)的負(fù)荷削減.它們所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也納入了全社會(huì)成本.1)不同電源規(guī)劃方案間的比較方案1、方案2與方案3新增機(jī)組總?cè)萘拷葡嗟?約為2,400,MW.由表6可見,方案2與方案3在全年運(yùn)行模擬過程中均造成一定的棄風(fēng)和負(fù)荷削減,其原因在于:(1)火電機(jī)組受最小運(yùn)行時(shí)間、最小停機(jī)時(shí)間及最小技術(shù)出力等約束的限制,功率調(diào)節(jié)能力較差;(2)為滿足系統(tǒng)的安全運(yùn)行而采取的控制措施所致.方案1也存在一定的棄風(fēng)和負(fù)荷削減,原因是系統(tǒng)的安全約束限制所致(主要是動(dòng)態(tài)安全約束),但是相對(duì)于方案2與方案3,其值較小.其中,由于燃?xì)鈾C(jī)組啟停時(shí)間短,調(diào)峰能力強(qiáng),因而在機(jī)組組合過程中系統(tǒng)并未造成棄風(fēng)和負(fù)荷削減.方案1的燃料成本相較于方案2、方案3稍大,原因是后2個(gè)方案在運(yùn)行模擬過程中進(jìn)行了負(fù)荷削減(即相應(yīng)地減少了燃料成本),但由此造成的經(jīng)濟(jì)損失非常大,分別約為17億元和13億元.對(duì)于環(huán)境成本,方案1優(yōu)于方案2和方案3,評(píng)估結(jié)果表明:三者全年排放的二氧化碳分別約為5,035萬噸、5,192萬噸和5,326萬噸(其大部分是由系統(tǒng)中原有的燃煤機(jī)組排放),方案1較后兩者分別少157萬噸和291萬噸,這是因?yàn)槿細(xì)鈾C(jī)組的環(huán)保性能較好.需指出,排放的二氧化碳所造成的經(jīng)濟(jì)損失在文獻(xiàn)中可能被嚴(yán)重低估.從全社會(huì)成本角度看,方案1明顯優(yōu)于方案2和方案3.2)不同電網(wǎng)規(guī)劃方案間的比較方案1、方案4和方案5三者具有相同的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案,但方案4較方案1少建線路L5-8,方案5較方案1多建一回線路L4-6.由表2可見,方案4在系統(tǒng)運(yùn)行模擬過程中存在一定的棄風(fēng)和負(fù)荷削減,評(píng)估結(jié)果表明:少擴(kuò)建線路L5-8在一些情況下會(huì)導(dǎo)致安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度失敗,故必須采取相應(yīng)的校正性控制措施,與此同時(shí),系統(tǒng)的可靠性也嚴(yán)重下降,其可靠性成本較方案1增加了約6.8倍.方案5較方案1由于多擴(kuò)建一回線路,方案僅有很少量的棄風(fēng)和負(fù)荷削減,而且其可靠性成本較方案1降低了約55%.由表6可知:5個(gè)方案中方案5的全社會(huì)成本最低,故為最佳方案.此外,表6中還給出了按文獻(xiàn)方法各方案的評(píng)估結(jié)果,從中可以發(fā)現(xiàn):(1)方案2、方案3和方案4的全社會(huì)成本相較于本文方法的評(píng)估結(jié)果都偏低,原因是系統(tǒng)運(yùn)行模擬過程中的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型忽略了動(dòng)態(tài)安全約束,也沒有考慮安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度失敗后的校正性控制,故由于計(jì)及上述因素而導(dǎo)致的負(fù)荷削減的經(jīng)濟(jì)損失并未納入其全社會(huì)成本;(2)方案1和方案5的全社會(huì)成本相較于本文方法的評(píng)估結(jié)果數(shù)值都偏高,這是由于系統(tǒng)運(yùn)行模擬過程中沒有考慮機(jī)組組合優(yōu)化模型所致;(3)各方案的棄風(fēng)電量皆為0,這是因?yàn)闆]有考慮常規(guī)火電機(jī)組對(duì)風(fēng)電的接納制約因素.故在評(píng)估含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案時(shí),詳細(xì)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行過程十分重要,否則可能導(dǎo)致錯(cuò)誤決策.4基于機(jī)組組合優(yōu)化模型的全社會(huì)成本初步評(píng)估.本文立足于全社會(huì)成本視角,建立了含大規(guī)模風(fēng)電的電力規(guī)劃方案評(píng)估的整體框架.為計(jì)及風(fēng)電出力的波動(dòng)性,在計(jì)及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型基礎(chǔ)上,結(jié)合機(jī)組組合優(yōu)化模型與校