區(qū)域小水電、分散式風(fēng)電研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

謝金芝，黃云虹，王紹坤

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司安陽(yáng)供電公司，河南 安陽(yáng)455006）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，能源的消耗也迅猛增長(zhǎng)。化石燃料作為主要能源，它的急劇消耗引起了能源危機(jī)、環(huán)境污染等許多問(wèn)題。發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為社會(huì)的共識(shí)。分散式風(fēng)電、小水電是可再生能源今后發(fā)展的重點(diǎn)。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，到2015年，全國(guó)風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)9 000萬(wàn)千瓦，目前除了國(guó)家已規(guī)劃的大規(guī)模、集中式、接入電網(wǎng)8個(gè)千萬(wàn)級(jí)風(fēng)機(jī)基地外，分散式風(fēng)電開(kāi)始得到政策上的重視。2011年底，國(guó)家能源局下發(fā)《分散式接入風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確了分散式接入風(fēng)電項(xiàng)目的定義、接入電壓等級(jí)、項(xiàng)目規(guī)模、核準(zhǔn)審批等。未來(lái)我國(guó)將不再一味發(fā)展大型風(fēng)電基地，也將鼓勵(lì)風(fēng)電的分散式開(kāi)發(fā)，鼓勵(lì)通過(guò)先試點(diǎn)示范、再綜合規(guī)劃的方式，逐步擴(kuò)大分散式接入的開(kāi)發(fā)規(guī)模。2012年我國(guó)首次核準(zhǔn)18個(gè)分散式風(fēng)電接入項(xiàng)目，具有極強(qiáng)的典型示范意義。與此同時(shí)，“十二五”規(guī)劃按照安全、經(jīng)濟(jì)、綠色、和諧的規(guī)劃原則，統(tǒng)籌未來(lái)十年和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略以及各種電源結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，提出了優(yōu)先開(kāi)發(fā)水電，因地制宜發(fā)展分布式發(fā)電的方針。

在現(xiàn)階段，小水電包括裝機(jī)容量在25 MW及以下的水電站和相關(guān)的地方供電網(wǎng)。由于小水電容量較小，因此克服河流水量季節(jié)性變化的能力差，在降水季節(jié)性變化大的地區(qū)，小水電的出力波動(dòng)性大。分散式接入風(fēng)電指風(fēng)電場(chǎng)位于負(fù)荷中心周圍，所產(chǎn)生的電能不會(huì)被大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送，而是就近接入當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)110 k V或66 k V以下的降壓變壓器消納，其裝機(jī)容量一般小于50 MW［1］。風(fēng)電具有波動(dòng)性、隨機(jī)性，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成沖擊，分散式風(fēng)電由于規(guī)模較小，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊雖然比大型風(fēng)電場(chǎng)小，但仍不可忽視。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)調(diào)度和控制的基礎(chǔ)，它影響著電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。早在20世紀(jì)90年代，就有關(guān)于風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的研究［2］。目前關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)的研究很多：文獻(xiàn)［3］采用分級(jí)的思想，根據(jù)風(fēng)電出力預(yù)測(cè)置信度水平的高低將風(fēng)電預(yù)測(cè)功率分為基荷出力、次級(jí)出力及高頻出力三個(gè)分量，然后以分級(jí)結(jié)果和相關(guān)可靠性要求輔助決策電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，從而減少風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［4］則在風(fēng)速預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，將隨機(jī)規(guī)劃理論中的機(jī)會(huì)約束規(guī)劃應(yīng)用到含風(fēng)電的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，從而建立隨機(jī)模型。文獻(xiàn)［5］建立了風(fēng)電-水電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的線性規(guī)劃模型，并指出了水電可以為風(fēng)電提供容量支持以及風(fēng)電可以為水電提供電量支持的風(fēng)電、水電互補(bǔ)特性。文獻(xiàn)［6］分別采用點(diǎn)預(yù)測(cè)、區(qū)間預(yù)測(cè)和分位點(diǎn)預(yù)測(cè)的方法描述風(fēng)電預(yù)測(cè)出力，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模型，從而使調(diào)度運(yùn)行方案的魯棒性得到提高。文獻(xiàn)［7］根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)滾動(dòng)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)有功出力的安全區(qū)域，為使風(fēng)電場(chǎng)安排其風(fēng)電有功出力在安全范圍內(nèi)提供輔助決策依據(jù)。文獻(xiàn)［8］在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度環(huán)境下，以BP-ANN為基礎(chǔ)建立風(fēng)電短期出力預(yù)測(cè)模型并對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而達(dá)到減少預(yù)測(cè)誤差的目的，但是其誤差修正方法有待進(jìn)一步完善。文獻(xiàn)［9］將風(fēng)電功率與“誤差帶”的預(yù)測(cè)納入調(diào)度計(jì)劃的制定中，設(shè)計(jì)考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的日前和日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃漸進(jìn)優(yōu)化模型，并以最新的預(yù)測(cè)信息為依據(jù)對(duì)已制定的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

1.2 含風(fēng)電、水電的機(jī)組組合問(wèn)題

針對(duì)機(jī)組組合問(wèn)題的求解，分為計(jì)及網(wǎng)絡(luò)安全約束和不計(jì)及網(wǎng)絡(luò)安全約束兩種。

不考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題的建模求解方法目前包括優(yōu)先級(jí)表法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、分支定界法等：（1）優(yōu)先級(jí)表法，文獻(xiàn)［10］將啟發(fā)式的方法應(yīng)用到單時(shí)段機(jī)組排列順序和時(shí)段間制約關(guān)系的處理中，使優(yōu)先級(jí)表法的有效性得到了提高，文獻(xiàn)［11］將優(yōu)先級(jí)表法和粒子群優(yōu)化算法（PSO）結(jié)合起來(lái)，并將其應(yīng)用到機(jī)組組合求解問(wèn)題中，使計(jì)算結(jié)果克服了局部最優(yōu)的問(wèn)題；（2）動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，文獻(xiàn)［12］采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，根據(jù)給定的負(fù)荷水平，綜合考慮機(jī)組的利用程度，聯(lián)合機(jī)組傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行機(jī)組組合問(wèn)題的求解，并取得了較好的效果，文獻(xiàn)［13］提出了一種基于有限順序法的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，該方法計(jì)算速度快，但它只適用于小型機(jī)組，對(duì)于中、大型機(jī)組的系統(tǒng)，其計(jì)算結(jié)果不理想；（3）分支定界法，分支定界方法是一種搜索與迭代的方法，選擇不同的分支變量和子問(wèn)題進(jìn)行分支，文獻(xiàn)［14、15］中采用分支定界法對(duì)機(jī)組組合問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，但實(shí)際電力系統(tǒng)中，機(jī)組數(shù)量較多，采用分支定界法不但會(huì)造成計(jì)算量過(guò)大，并且可能需要對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化和分解，這對(duì)該方法在實(shí)際環(huán)境下的應(yīng)用造成了一定的困難。

考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題的求解方法如增廣拉格朗日松弛法。文獻(xiàn)［16］將傳輸功率約束直接采用松弛法求解，但該方法的計(jì)算時(shí)間會(huì)隨著電力系統(tǒng)輸電元件的增多而迅速增長(zhǎng)。因此，以傳統(tǒng)的拉格朗日松弛法為基礎(chǔ)，在目標(biāo)函數(shù)上增加供電與負(fù)荷平衡約束的二次懲罰項(xiàng)，從而使得目標(biāo)函數(shù)的凸性增加，然后利用輔助問(wèn)題原理使二次懲罰項(xiàng)線性化，使之成為單機(jī)可分解的形式，即增廣拉格朗日松弛法。由于機(jī)組組合問(wèn)題中存在離散變量，且不是嚴(yán)格凸的問(wèn)題，對(duì)偶問(wèn)題獲得的機(jī)組組合結(jié)果不一定在可行域范圍內(nèi)，因此還需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和處理，才能得到滿足網(wǎng)絡(luò)安全約束條件的機(jī)組組合方案［17、18］。文獻(xiàn)［19］將支路潮流約束、靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束以及暫態(tài)穩(wěn)定約束納入到機(jī)組組合問(wèn)題中，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)考慮系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的多目標(biāo)機(jī)組組合模型。

2 區(qū)域小水電、分散式風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)

2.1 提高風(fēng)電出力預(yù)測(cè)精度

由于風(fēng)電原動(dòng)力是隨機(jī)、間歇、不可控的，而且風(fēng)電場(chǎng)地理位置、環(huán)境不同導(dǎo)致風(fēng)切變不同，目前關(guān)于風(fēng)電出力預(yù)測(cè)的研究雖然很多，但風(fēng)電出力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度一直不高。而風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度的前提在于高精度的風(fēng)電出力預(yù)測(cè)，因此今后應(yīng)該著重開(kāi)展關(guān)于風(fēng)電出力預(yù)測(cè)的研究。

2.2 聯(lián)合運(yùn)行

分散式風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊雖然比大型風(fēng)電場(chǎng)小，但仍不可忽視，對(duì)其合理的調(diào)度可以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。區(qū)域小水電具有一定的庫(kù)容，可以平抑水庫(kù)短期來(lái)水不均的影響，而且，水電機(jī)組啟停機(jī)時(shí)間短、運(yùn)行靈活，因此可以利用水電機(jī)組的運(yùn)行特性平抑風(fēng)電出力的短期波動(dòng)、減少棄風(fēng)。區(qū)域小水電由于庫(kù)容較小，在降水季節(jié)性變化大的地區(qū)，其出力季節(jié)性波動(dòng)大，但風(fēng)電出力季節(jié)性變化較小，因此可以利用風(fēng)電在枯水季節(jié)為水電提供電量支持。綜上所述，可以采用區(qū)域小水電-分散式風(fēng)電聯(lián)合調(diào)度的方法，利用水電的容量特性，平抑風(fēng)電的短期波動(dòng)，利用風(fēng)電長(zhǎng)期變化小的特性，為水電提供電量支持。由于分散式風(fēng)電和區(qū)域小水電有自己的運(yùn)行特性，因此今后可以借鑒關(guān)于大型風(fēng)電場(chǎng)-水電站聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行研究的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展關(guān)于區(qū)域小水電-分散式風(fēng)電的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

分散式風(fēng)電、小水電是可再生能源今后發(fā)展的重點(diǎn)。目前已經(jīng)進(jìn)行了很多關(guān)于大型風(fēng)電、常規(guī)水電站優(yōu)化調(diào)度的研究，分散式風(fēng)電、區(qū)域小水電與大型風(fēng)電、常規(guī)水電有一定的相似性，但也有其特有的運(yùn)行特性，比如區(qū)域小水電出力不可連續(xù)調(diào)節(jié)、每天可用發(fā)電量較小、一般啟停機(jī)次數(shù)不超過(guò)3次等。因此可以借鑒關(guān)于大型風(fēng)電、常規(guī)水電站優(yōu)化運(yùn)行研究的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展區(qū)域小水電、分散式風(fēng)電優(yōu)化運(yùn)行的研究。本文介紹了風(fēng)電、水電優(yōu)化運(yùn)行的研究現(xiàn)狀并分析了今后該領(lǐng)域的發(fā)展方向。優(yōu)化分散式風(fēng)電、區(qū)域小水電運(yùn)行方式，提高風(fēng)電預(yù)測(cè)精度可減少棄水棄風(fēng)，減小風(fēng)電、水電的功率波動(dòng)，減少火電機(jī)組啟停次數(shù)，使火電在高效、平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行，減少其低出力運(yùn)行時(shí)間，從而提高火電機(jī)組運(yùn)行效率，減少機(jī)組啟停費(fèi)用，并延長(zhǎng)火電機(jī)組的運(yùn)行壽命，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排具有重要意義。

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