抽水蓄能電站對地區電網風電接納能力的研究

龔向陽，勵文偉，鄭瑜，鄭琦

(國網寧波供電公司,浙江 寧波 315010)

抽水蓄能電站對地區電網風電接納能力的研究

龔向陽，勵文偉，鄭瑜，鄭琦

(國網寧波供電公司,浙江 寧波 315010)

以地區電網實際系統為例，將抽水蓄能機組和風電機組一起納入組合問題當中，建立抽水蓄能-風電聯合供電模型，并以風電最大經濟效益為目標構建聯合系統優化運行模型。并利用該優化模型分析了不同季節典型日下抽水蓄能電站對風電接入電網各項指標的影響。結果表明，在該地區電網中，只有當風電容量超過系統的接納能力時，抽水系能電站的作用才能較為顯著的得意體現。與此同時，風電并網的各項指標也隨著抽水蓄能電站容量的增加而得以改善。

風電;抽水蓄能;優化運行

1 引言

我國能源結構中，超過80%是燃煤火電，對環境污染嚴重。而風力發電作為一種技術成熟的新能源技術，具有規模化開發和商業化發展的前景。大力發展風力發電，不僅有利于調整能源結構，而且對于生態環境的污染幾乎為零。近年來，我國風電規模迅速發展，并網總量連續兩年位居全球第一，年發電量超過1000億千瓦時，占全國總發電量的2%，是當前我國的第三大主力電源。但風電的接入將會加大電網負荷的峰谷差，增加系統調度的壓力，并且其影響隨著風電裝機容量的增大而增大，因此，必須提高調峰容量[1-2]。

燃煤火電作為我國電網的主要電源，以其作為調峰機組，容量必定受到限制，也影響其經濟性，同時還增加了溫室氣體排放和環境污染，削弱了風電在環保方面的優勢。從調峰系數來看，傳統火電機組為40%～60%，水電機組為100%，而抽水蓄能機組的調峰系數可達200%。因此，抽水蓄能機組無疑是電網接入風電后增加調峰性能的首選手段[3]。

抽水蓄能電站機組容量大，調節范圍廣，響應速度快，能夠有效的起到削峰填谷的作用。國內外研究機構也對抽水蓄能-風電聯合協同運行開展了大量的研究。本文以地區電網為例，通過典型日機組情況，分析了抽水蓄能電站與電網接納風電能力之間的關系。

2 抽水蓄能-風電聯合供電的數學模型

在本文所研究的系統中，以一個研究周期內傳統燃煤發電機組的煤耗量最小為目標函數，其表達式為[4-6]：

(1)

其中，T表示一個研究周期；N表示電網中可調度的機組總數；fk(pk,t)示第k臺燃煤機組在t時刻出力為pk,t的煤耗量；σk,t表示第k臺機組在t時刻的運行狀態；運行為1，停運為0；Δt表示最小單位間隔持續的時間。

函數(1)的約束條件為發用電平衡，由于在電網中，除了火電、水電、風電外，其他新能源電站發電量所占比重非常小，在此約束條件中，暫時忽略不計。則其等式約束條件為[7-9]：

(2)

Pwind,t表示t時刻電網接入的風電功率，Pwater,t表示t時刻電網接入的水電站發電功率，PL,t表示t時刻的負荷，PH,t表示t時刻抽水蓄能的抽水功率，ηt表示抽水蓄能機組狀態，發電為1，抽水為0。

此外，其不等式約束條件還包括常規機組出力的上下限，機組運行時間約束，機組爬坡/下坡速率約束，系統備用容量約束，抽水蓄能電站約束，其不等式如下[10-11]：

pk,min·σk,t≤pk,t≤pk,max·σk,t

(3)

(4)

t=1,2,…,T-1

(5)

(6)

0≤Pw,t≤Wc,t·Pw,c

(7)

Smin≤St≤Smax

(8)

St+1=St-PH,t·η·Δt+Ph,t·(1-ηt)·Δt·μ

(9)

式(9)表示每個時刻抽水蓄能儲水容量與前一時刻儲水容量的等式關系，μ為抽水時的效率。

3 地區電網日負荷數據及機組參數

不同季節電網負荷波動的差別很大。而對于風電而言，盡管其功率是隨機波動的，但小時級以上的風電功率可以較好的預測。

春季是一年中風能最為豐富的季節；而夏季的負荷較重，抽水蓄能電廠要承擔削峰填谷的任務，調峰能力下降，因此本文選擇這兩個季節的日負荷進行分析，如圖1、圖2所示。

圖1 春夏季風電容量因素

從圖1中看，春季日負荷有兩峰兩谷，最高負荷出現在白天十點左右，最低負荷出現在清晨。且早高峰負荷高于晚高峰；夏季日負荷有三峰三谷，最高負荷出現在白天十點及下午兩點左右，最低負荷出現在清晨。從風電的容量因素看，風電出力在大部分時間都小于其額定功率。

在春夏兩季的典型日下，考慮五種風電裝機容量，分別為：50MW，100MW，200MW，500MW，1000MW。抽水蓄能考慮三種情況：無抽水蓄能，100MW，500MW。

4 算例計算及分析

根據式(1)～式(9)的約束條件，利用C++編制數學模型，并對算例進行求解計算。根據結果對春夏季風電利用率，風電電量比重及煤耗量進行指標分析。

4.1 風力發電利用率

風力發電利用率是指在給定的時間段，實際接入電網的風電電量與風電所能發出的總電量之比[8]。顯然，該利用率大于零；若小于1，則表示當地存在棄風。下圖為根據計算所得春夏兩季典型日內風電利用率與風電容量及抽水蓄能容量三者間的關系：

圖3 春季風電利用率情況

圖4 夏季風電利用率情況

由上圖可知，當風電容量較小時，無論抽水蓄能的容量如何，風電利用率均能得到100%，即無棄風現象，此時，隨著風電容量的增加，電網的煤耗必然減少。但當風電容量達到一定數值后，其利用率明顯下降，此時，如果將風電全部接入，則其煤耗反而增加，其經濟性降低。但同時，在有棄風的情況下，抽水蓄能的作用得以體現。由圖中可知，在棄風情況下，隨著抽水蓄能容量增加，風電的利用率也有所提高。

4.2 風電的占比

風電占比是指在給定時間內，接入電網的實際風電電量與電網實際總發電量的百分比[9]。圖5、圖6展示在春夏兩季，風電電量占比的變化情況。

圖5 春季風電電量占比情況

從圖中可以看出，隨著風電裝機容量的增大，風電電量所占比重也是呈上升趨勢的。抽水蓄能的加入，提高了風電的利用率，進而也提高了風電電量所占的比重。

圖6 夏季風電電量占比情況

4.3 耗煤量

本文以常規機組典型日的最小煤耗量為目標函數[10]。可以預計，風電的加入必然減少煤耗量，且隨著風電容量的增加而進一步減小；同時抽水蓄能的加入將進一步減小煤耗量。該地區電網的煤耗量隨風電容量及抽水蓄能容量變化如下圖所示。

圖7 春季能源消耗量情況

圖8 夏季能源消耗量情況

由圖可得出結論，隨著風電容量的增加，煤耗量將不斷減小。在系統出現棄風時，抽水蓄能電站會促進煤耗量的降低。

5 結論

本文研究了抽水蓄能電站對地區電網的風電接納能力的研究。研究結論表明，在風電容量較小時，風電的利用率高，風電占比也較小，煤耗量較大，此時抽水蓄能電站的配置對于風電幾乎沒有影響。當風電容量增大到出現棄風以后，抽水蓄能電站的作用才得以體現，且隨著蓄能電站容量的增加，風電的利用率和占比均將提高，煤耗量進一步減小。

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Research on the Pumped-storage Power Station to Wind Generation Integration Capability of the Regional Power Grid

GONGXiang-yang，LIWen-wei,ZHENGYu,ZHENGQi

(Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315010,China)

Based on regional power grid,the pumped storage station was considered in the unit commitment problem.An pumped storage station-wind generation optimal operation model of the power system was built aimed to get the maximum economic benefits of wind generation.It analyzed the impact of the pumped storage power station with diffenret capacity of grid connecting wind power in a day in different seasons.The result showed when the wind power is small,the impact of pumped storage is not obvious.And the impact of increasing the pumped power storage station improved just until the capacity of wind power was so large the some was abandoned.

wind generation ;pumped storage station;optimal operation

1004-289X(2015)03-0041-04

TM71

B

2014-05-12