大規模風電與火電經濟調度分析

彭 誠

（合肥職業技術學院汽車系，安徽 巢湖238000）

0 引言

全球在歷經兩次石油危機后，興起對能源使用的全面反思，伴隨火力發電而來的二氧化碳、氮氧化物等氣體污染造成了溫室效應，使得我們對新能源與潔凈能源的需求極為迫切。以風力能源為基礎的混合發電系統成為再生能源應用中相當重要的一種方式，隨著新建風力電廠的增加，妥善地調度與規劃風力機組，可減少電力系統的發電成本，降低產業界的電費支出，有助于國家各項產業的發展［1－2］。

風力的隨機性及不確定性，造成了其發電量的不穩定性，使得其運行及控制較為復雜。合理的常規能源與間歇性能源發電協調優化，有助于挖掘電網潛力。當前大部分電力系統中仍然以火電為主，因此，風電與火電的協調調度成為了研究熱點［3－4］。文獻［5］利用機組組合方法，分別從兩種不同的調度模式對火電機組啟停對風電功率消納的影響進行了分析，通過常規發電機組與風電機組統一優化，得到系統整體棄風電量。文獻［6］考慮環境因素，提出了CO2價格機制，通過綜合分析經濟和環境效益，調整機組的運行計劃，提高了電力系統的運行效率，對風電功率實施優先并網策略。實際電網運行中，一旦出現棄風，會給電網運行帶來諸多壓力，因此，風電與火電的協調運行成為了關鍵。

本文建立大規模風電與火電經濟調度分析模型，考慮上升備用容量和下降備用容量的需求，適當地評估出風力機可接入系統的最大發電容量，以達到系統燃料成本最大化節省的目標。通過大容量電力系統仿真驗證了所提方法的有效性，為電網調度運行提供了相應的參考。

1 風電與火電經濟調度模型

1.1 目標函數

風電與火電混合發電系統的經濟調度是指根據系統所需電量，合理地安排各風電機組和火電機組的運行情況，以此來滿足系統需求，同時，在符合系統及機組規劃上的限制的情況下，使系統中火電機組燃料成本最低。由于風電與火電混合發電系統的運行控制策略將影響系統的運行成本，為確保系統供電的安全及可靠性，風電機組出力必須保持在可接受的發電量。對于系統成本計算，模型一般假設火電機組的燃料成本為二次式，可用下式計算：

式中，Fi為第i組火力機組的燃料成本；ai、bi、ci分別為火電機組發電電量報價曲線系數；PTi為第i組火電機組的出力。

風電與火電混合發電系統中，由于風力發電不需要耗費燃料，因此，可以將最小化之目標函數寫成：

式中，NT為火電機組總數。

1.2 系統約束條件

風電出力具有隨機性和不確定性，同時，在系統輕載時段，因考慮火電機組最低發電量限制，風電場必須強制降低或切除發電功率。為了避免因風電機組發電量不穩定而影響供電質量及火電機組頻繁啟停導致發電成本增加，本文除了考慮上升備用容量需求以外，也規劃了下降備用容量的需求。文中，上升備用容量需求假設隨著風力發電量的增加而呈線性遞增，而下降備用容量需求則取一個固定值，因此，系統平衡條件為：

式中，PD，t為系統負荷。

系統上升備用容量需求：

式中，USi為發電機組i的上升備用容量；USRB為基本上升備用容量需求；r為額外提供之上升備用容量系數（新增備用系數），其值為實際風力發電量的某一百分比；PmaxWT為系統所有風電機組實際最大出力。

系統下降備用容量需求：

式中，DSi為發電機組i的下降備用容量；DSRB為基本下降備用容量需求。

1.3 火電約束條件

為了提高風電與火電混合發電系統供電的可靠性，火電機組必須有能力提供系統負載及備用容量需求，同時，也須限制每個火電機組備用容量上限值，以此增強系統應對緊急事故的能力。因此，火電機組最大發電量及最小發電量限制如下：

式中，PTi，min、PTi，max為機組i出力的最小和最大值。

考慮到控制性能標準（CPS：Control Performance Standard）的要求，備用容量約束：

式中，T為備用調節周期；Rdi、Rui為發電機組i的正、負爬坡速率。

2 風電出力模型與約束

風電機組的發電量取決于風速大小，其與風速之關系可用風機—功率曲線近似表示如下：

式中，vin為風電機組切入風速；vout為風電機組切出風速；vr為風電機組額定風速；pj（v）為第j臺風機的出力與風速之關系式；PRj為風電場額定容量。

除了風速之外，風力發電機組也可以通過對風機葉片進行調整來控制其輸出功率。風機實際出力的可控制范圍如PWj下所示：

式中，PWj為第j臺風機的實際出力為第j臺風機的可用功率。

因此，系統風力發電機組在特定風速下的出力情況為：

考慮到系統下降備用容量需求及火電機組最低出力的限制，風電機組的出力必須滿足下式：

此外，系統可提供最大上升備用容量的大小也限制風電機組的輸出功率，因此，風電機組的出力必須滿足下式：

根據式（11）（12）（13）可決定風電機組實際可并入系統的最大發電量，如下所示：

3 算例分析

為了驗證本文提出的經濟調度模型，本文選取文獻［7］提供的區域電網，系統52臺火電機組，系統機組的燃料成本曲線都可用二次式表示，負載需求為18 000MW，下降備用容量需求DSRB為900MW，基本上升備用容量需求USRB也為900MW，r為20%。本文假設系統可用的風力發電量為4 000MW，系統實際可產生的最大風力發電量為4 000MW。通過仿真計算，因風電接入而節省的發電成本約為10.1萬美元，系統額外增加的備用容量為800MW。為了了解系統備用容量需求對調度結果所造成的影響，針對不同的r值進行一系列仿真。

圖1為新增上升備用系數與系統發電成本的關系曲線，圖2為新增上升備用系數與系統額外增加成本的關系曲線。隨著r的增加，系統必須額外規劃更多的備用容量，將使得發電成本隨之快速遞增。當r值過大時，受限于系統供應備用容量上限的影響，系統實際最大風力發電量卻必須減少。

圖3為可用風力發電量與發電成本的關系曲線，圖4為實際最大風力發電量與節省成本的關系曲線。由圖中可以看到，各負荷在考慮與不考慮風力發電容量時，其發電成本所節省的程度：輕載（12 000MW）時，雖然系統有足夠的能力供給備用容量需求，卻受限于火電機組最小發電量的限制和系統下降備用容量的需求，使得風電接入所能節省的燃料成本并不明顯；隨著負載的增加（16 000MW），發電成本之節省程度亦隨之提升；而在重載（18 000MW）時，由于風力發電取代了部分較昂貴機組的發電量，促進了系統發電成本的節省程度大幅提升。從圖中可以得出，過大的風力發電容量，在輕載時，風電的輸出容易受到火電機組最小發電量的影響；但在重載時，由于系統備用容量的限制，將導致風電機組實際可提供的最大發電量降低。

圖1 r與發電成本的關系

圖2 r與額外增加成本的關系

圖3 可用風力發電量與發電成本的關系

圖4 實際最大風力發電量與節省成本的關系

4 結語

當孤立系統并入大量的風力發電容量時，調度與規劃的觀念需要做相應的改進，以確保系統運轉的安全及可靠。考慮風力發電的不確定性，系統必須額外規劃足夠的上升備用容量，以此來應付負荷和風電的突然波動，而系統下降備用容量的設置則可減少風電機組在輕載時強迫降低發電量的概率，同時，避免火力機組的頻繁啟停，達到最大化節省發電成本的目標。實例仿真結果證明了本優化調度模型的有效性，能夠為系統提供調度及規劃的參考。

［1］李俊峰，蔡豐波，喬黎明，等.2014中國風電發展報告［R］，2014.

［2］國家電力監管委員會.電網企業全額收購可再生能源電量監管辦法［Z］，2007.

［3］Contaxis G C，Kabouris J.Short Term Scheduling in a Wind／Diesel Autonomous Energy System［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1991，6（3）：1161－1167.

［4］Karaki S H，Chedid R B，Ramadan R.Probabilistic Production Costing of Diesel－Wind Energy Conversion Systems［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2000，15（3）：284－289.

［5］張粒子，周娜，王楠.大規模風電接入電力系統調度模式的經濟性比較［J］.電力系統自動化，2011，35（22）：105－110.

［6］王彩霞，喬穎，魯宗相，等.低碳經濟下風火互濟系統日前發電計劃模式分析［J］.電力系統自動化，2011，35（22）：111－117.

［7］Chen C L，Chen N M.Direct Search Method for Solving Economic Dispatch Problem Considering Transmission Capacity Constraints［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2001，16（4）：764－769.