適用于評估風電接納能力的時序生產模擬算法

楊寧 王震宇 孫羽 吳珂鳴

摘要 近幾年來，隨著我國風電產業的迅猛發展，其在對電網風電的接納能力研究越來越多的同時，也逐漸暴露出一些問題，如：（1）研究僅只是針對最大接納電力，而忽略了年最大的接納電量、甚至是折合風電的年利用小時量等的研究;（2）分析的方法多為典型日分析法，其可信度較低。因此，深入研究電消納的問題，對提升風電資源高效、可持續的運用及電網安全運行尤為關鍵。本文主要就適用于評估風電接納能力的時序生產模擬算法進行研究，以期能夠提升電網風電的消納水平。

[關鍵詞]評估 風電接納能力 時序生產 模擬算法

1 前言

風電并網容量呈現出逐年上升的趨勢，與傳統的電源相同，風電的出力極易受自然風能影響，從而存在波動性、隨機性、不確定等特征，這就導致了風機并網運行時會隨機表現反調峰的特征，最終給主網系統調峰能力造成影響。而如何在高比例、大容量的風電并網中，將電網風電消納的能力準確地評估出來，仍是當前電網調度、調峰的重點課題。本文主要就某省電網作為案例，分析其電網風力在出力時的空間、時間特性，進而總結出電網中風電的規模化影響，并與最值負荷的預測方案，提出適用于評估風電接納能力的時序生產模擬算法。

2 電網風力在出力時的空間、時間特性

2.1 不同時間風功率的波動特性

風電的出力在一定程度上會受到自然環境的影響，基于風電場中每臺風機各個時刻風功率的輸出數據，可以獲得5min和th間隔間風電場風功率的波動量曲線，而風電場風功率的波動量可通過以下兩個公式獲得：

式（1）、式（2）中，Pit是t時刻的第i臺風機的輸出風電功率;而pt是t時刻時，輸出風電的功率;i是風機的序號;N則是風機的數量，APt是t時刻的風功率的波動量。

風電場一月份是最大的風功率波動月份，風電場每小時出力的波動量<自身裝機容量的40%;且每月或每周的波動量<裝機容量的75%。由此可以得出，風電場功率波動具有可界定升降區域。

2.2 不同空間輸出功率的特性

將風電場中的集群效應納入考慮的范疇，可以得出，風電集群的額定容量與最大出率比是集群效益的系數，可列公式如下：

式（3）中，p代表的是集群效應的系數，而P∑max代表的是各個風電場出力的總和，Pk是風電場的額定容量，其中k-l，2……。

風電場中的總裝機容量高達350MW時，其集群效應的系數約為0.8，那么，可以得出，風場群功率在輸出時的最高閥限約是其裝機容量的80%，而這樣的裝機容量較實際最高處理水平來說，太過理想化，且風電場存在聚群效應，且隨著風電規模的擴大，輸出的功率波動會隨之下降。

3 適用于評估風電接納能力的時序生產模擬算法

風電的特性、負荷的水平、網架的機構以及電源結構等是影響電網接納能力的因素，其中，風電的特性主要囊括了風電的裝機容量以及出力時的時空特性;負荷水平涉及的是電網負荷的需求以及負荷的增長率;網架的結構涉及負荷的備用容量、區域之間的傳輸容量以及電力平衡的穩定條件，電源結構包括了裝機的容量、電源類型、運行的方案以及啟停的狀態。而這些影響因素并非恒定不可變的，比如，一些水電出力的水平以及負荷的調節能力會因庫存的水量而發生改變，而核電或火電則因季節氣候而發生改變，風電出力會因時間的尺度而出現不同波動等。因此，尋找一種適用于評估風電接納能力的時序生產模擬算法，不僅能夠綜合多種約束條件的同時計算、評估電網風電的接納能力;而且還能夠有效降低成本，進而提升風電并網的效率。

3.1 計算模型建立所需的目標函數

計算模型的目標函數主要是以系統的總體經濟型作為優選目標，盡可能將火電、風電以及水電的最低運行成本納入考慮范疇而建立的;可用公式表示目標函數：

式（4）中，Cost表示的是系統運行時所需的成泵，而I代表的則是水電、火電機組以及風電場總數;T代表的是時段數;而Pfire、Cfire、Phydro、Chydro、Pwind、Cwind是火電、水電以及風電技術出力以及單位電量運行的成本。本次研究中，關于風電場電量的單位運行成本Cwind歸為O，其目的是為了最大限度降低棄風電量，進而實現風電的優先消納。

3.2 約束的條件

3.2.1 系統運行時的約束條件

電力平衡的約束公式表示為：

上述公式中，PLoad，t表示的是t時刻的區域電網負荷，而PLoad，max表示的是區域內電網最大的負荷;Plink，t表示是t時刻聯絡線傳輸的功率，其中，送出為（+），受入為（-），Pfire，imin與Pfire， i，max代表的分別是第i臺的火電機組最小以及最大的發電出力。

3.2.2 機組爬坡的速度約束

通常情況下，火電機組是作為系統最主要的電源，其裝機的容量比例較高。但爬坡的能力受到限制，就會影響到其負荷的跟蹤能力;加之，現有的電力系統，燃氣輪機的機組，在總電源裝機的容量占比偏小，無法全部承擔調峰的任務，其中，機組的爬坡速度約束可用公式表示為：

Pi，t-1-Δpdit≤pit≤pi，t-1+Δpuit

其中，Δpdit，Δpuit為第i臺常規機組從第t-l時段到第t時段允許的降出力最大值和升出力最大值;風電機組沒有爬坡率約束的限制。

3.2.3 水電機組的模型約束

一般而言，水電機組可劃分為兩種;一種是常規的水電機組，另一種是抽水儲能水輪機，而后者又可劃分為發電、蓄能兩類;其中，發電輪機無調節出力的能力，全部是由自然的來水量保障其能力;因此，要降水量的損失減少至最低，需充分勞累電網負荷曲線底層負荷的工作，并將其歸屬于恒定的出力;再在從負荷需求的曲線中扣除水電供電的部分，最終獲取等效負荷曲線。因此，此種水電廠，可得如下數學模型：Phydro，t=Pconstanto

常規的水電機組自身已經具有出力調節的功能，因此，其主要負責的是系統中間負荷以及尖峰負荷的供電，并可以依據系統實際所需來調節出力的情況。此外，水電機組的出力還會受另外兩個因素的制約：

（1）水電機組的容量;

（2）儲水量庫存的限制。

而這兩個因素，通常采用常規發電機組功率約束進行描述。

3.2.4 聯絡線的約束

電網正常運行期間，各個區域間的傳輸容量極易受到聯絡線限制，最終影響到風電集中并網的接納能力;在模型中，這種限制可用公式表示為：- PLine，i，max≤PLine，i≤PLine，imax式中，PLine，i表示的是第i條傳輸線輸電的功率，而-PLine，i，max、PLine，i，max是該條傳輸線的傳輸容量極限，其中，PLine，i的數值，即可是正數也可是負數，而符號代表的是線上功能傳輸的走向。

3.2.5 斷面潮流安全約束

其中，1，L分別表示斷面編號和總斷面數;gli，glj分別為第i臺常規機組和第j臺風電機組對第1斷面的靈敏度因子，可以通過直流潮流對應的導納矩陣獲得;TLlt，TLlt為斷面潮流的最小值和最大值。

3.2.6 風電系統的出力約束

整個風電系統的出力，極易受到其自身理論功率約束;加之，風電系統的出力存在一定的時空性，最終使得整個風電系統的實際發出功率較理論功率小。

4 結語

隨著我國市場經濟的不斷發展，電力的負荷水平也在不斷提升，使得交直流輸電的網架結構大規模建設、清潔能源的大范圍并網，最終導致電網消納風電的運行過程越來越復雜;而如何評估和計算電網風網的消納能力，是降低電網棄風、確保電網運行穩定、經濟的重要基礎。本文主要提出適用于評估風電接納能力的時序生產模擬算法，得到以下結論：

（1）時序生產模擬算法在省級的電網調度和聲場中適用，能夠進一步為大時間尺度的省級電網接納能力進行量化分析;

（2）不同季節、不同運行的條件下，其風電的接納能力各不相同;而實際負荷波谷值是制約風電消納能力的一個重要因素;

（3）對電網進行調度時，需根據負荷的變化來控制和調節風場風機的投運比例，進而最大限度降低棄風;且在對未來風電進行投資和規劃時，應結合風電消納的能力進行評估，進而實現清潔能源的實用、經濟。

參考文獻

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