含風(fēng)電和抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)機(jī)組組合的思考

張嘯寒

（華能新能源股份有限公司，北京 100036）

現(xiàn)階段電力系統(tǒng)正朝著規(guī)模化、集中化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的風(fēng)電、核電等發(fā)電方式也在快速發(fā)展中。電力系統(tǒng)中不同機(jī)組有不同的運(yùn)行約束和成本特性，而機(jī)組組合問(wèn)題主要指的是在固定調(diào)度周期內(nèi)，選擇最優(yōu)的機(jī)組組合，將運(yùn)行成本降到最低。含風(fēng)電與抽水蓄能電站的機(jī)組組合問(wèn)題是目前電力領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，通過(guò)合理選擇機(jī)組組合及出力大小，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)電與抽水蓄能電站入網(wǎng)的影響

在傳統(tǒng)能源不斷枯竭的背景下，新能源發(fā)電逐漸成為研究重點(diǎn)內(nèi)容，其中，風(fēng)能作為效益較好、成果較多的一種能源，在發(fā)電領(lǐng)域中占據(jù)了重要地位。在對(duì)風(fēng)電引入對(duì)電力系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行研究時(shí)，可明顯觀察到其與傳統(tǒng)能源相比體現(xiàn)出一定的技術(shù)特性。風(fēng)電出力與風(fēng)速有關(guān)，當(dāng)某一時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速波動(dòng)明顯時(shí)，則風(fēng)電出力的波動(dòng)較明顯。以東海風(fēng)場(chǎng)為例，其相關(guān)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)電出力的最大波動(dòng)變化可達(dá)10 MW/min，此時(shí)，對(duì)系統(tǒng)AGC容量和調(diào)峰有更高的要求，影響了系統(tǒng)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。對(duì)于機(jī)組組合問(wèn)題而言，考慮到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，要求多開(kāi)啟機(jī)組來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

電力儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用能有效解決風(fēng)電引入導(dǎo)致的容量增加問(wèn)題。在相關(guān)設(shè)備的作用下，可針對(duì)風(fēng)電不穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整，降低風(fēng)電引入對(duì)電力系統(tǒng)造成的不利影響。現(xiàn)階段，儲(chǔ)能系統(tǒng)中運(yùn)行優(yōu)勢(shì)明顯的是抽水蓄能方式，在風(fēng)電與抽水蓄能協(xié)調(diào)配合的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著抽水蓄能系統(tǒng)的發(fā)展，它已經(jīng)逐漸成為優(yōu)化電力系統(tǒng)的措施之一，主要體現(xiàn)在改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力以及完善線路輸電性能等。

2 含風(fēng)電及抽水蓄能電站的相關(guān)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮到抽水蓄能和風(fēng)電的成本主要在于建設(shè)成本，因此，在選擇目標(biāo)函數(shù)通常要考慮火電機(jī)組運(yùn)行成本。其中，機(jī)組啟動(dòng)成本一般與停機(jī)時(shí)間有關(guān)，當(dāng)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，熱量消耗有所增加，相應(yīng)的費(fèi)用有所增加。利用相關(guān)的計(jì)算公式可對(duì)運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，由于啟動(dòng)耗量常數(shù)以及冷卻時(shí)間確定難度大，可將機(jī)組關(guān)機(jī)費(fèi)用假設(shè)為常數(shù)。

2.2 約束條件

在系統(tǒng)功率平衡方面，同一區(qū)域的電力系統(tǒng)不需要考慮其尾流效應(yīng)時(shí)不同位置風(fēng)速情況的差異，認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)出力基本相同。對(duì)于抽水蓄能電站而言，其發(fā)電功率與抽水功率可作為2個(gè)變量來(lái)計(jì)算。在安全約束問(wèn)題上，還應(yīng)考慮電力系統(tǒng)網(wǎng)損問(wèn)題。在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用方面，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)在滿足電力供應(yīng)需求前提下，保留一定旋轉(zhuǎn)備用來(lái)平衡功率。旋轉(zhuǎn)備用的容量越大，則說(shuō)明系統(tǒng)有較好的可靠性。科學(xué)的旋轉(zhuǎn)備用應(yīng)同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性和可靠性，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，通常加入電力系統(tǒng)的可靠性約束，采用相應(yīng)的可靠性指標(biāo)判斷旋轉(zhuǎn)備用是否滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。

綜上所述，含風(fēng)電與抽水蓄能電站的系統(tǒng)機(jī)組問(wèn)題的關(guān)鍵在于建立一個(gè)滿足電力系統(tǒng)約束的模型，在實(shí)際建立模型時(shí)，通常在數(shù)學(xué)模型上建立抽水蓄能和風(fēng)電的UC模型。常規(guī)機(jī)組約束條件主要包括開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、爬坡速度約束等，抽水蓄能電站則考慮水庫(kù)容量約束、發(fā)電及抽水的相關(guān)約束等。在充分考慮約束條件的基礎(chǔ)上，可促進(jìn)電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

3 對(duì)隨機(jī)性機(jī)組組合的探究

在對(duì)含風(fēng)電與抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題進(jìn)行探究時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)的機(jī)組組合問(wèn)題，將風(fēng)電出力看作是發(fā)電負(fù)荷來(lái)處理。但自然風(fēng)速的變化波動(dòng)較大，導(dǎo)致風(fēng)電出力很難有準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。由于受到預(yù)測(cè)技術(shù)限制，風(fēng)電預(yù)測(cè)值與實(shí)際值間有一定差異，將對(duì)系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題造成影響。此時(shí)，需要重點(diǎn)研究風(fēng)電隨機(jī)性條件下對(duì)含風(fēng)電與抽水蓄能電站機(jī)組組合問(wèn)題的求解。

3.1 風(fēng)電隨機(jī)性的分析

目前，通常利用正態(tài)分布圖表示誤差負(fù)荷，正態(tài)分布的準(zhǔn)確性和廣泛適用性，使其成為最適用于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的分布模型。根據(jù)現(xiàn)有的風(fēng)電預(yù)測(cè)技術(shù)，通常誤差標(biāo)準(zhǔn)差在風(fēng)電出力大小10%左右，當(dāng)風(fēng)電容量較大時(shí)，將對(duì)系統(tǒng)中的其他機(jī)組有更高的要求。

3.2 風(fēng)電隨機(jī)性對(duì)機(jī)組組合問(wèn)題的影響

在含風(fēng)電與抽水蓄能機(jī)組組合問(wèn)題上，通常有足夠的旋轉(zhuǎn)備用，可保證系統(tǒng)安全性。而風(fēng)電隨機(jī)性具有的變化快等特點(diǎn)，將對(duì)機(jī)組組合的最優(yōu)解產(chǎn)生影響。主要是由于利用與間歇性相同的方法，計(jì)算結(jié)果較為合理，但考慮到風(fēng)電隨機(jī)性問(wèn)題，得到的機(jī)組組合無(wú)法保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。當(dāng)風(fēng)電出力在某個(gè)時(shí)間段與預(yù)測(cè)值有一定差異時(shí)，電力系統(tǒng)內(nèi)有充足的備用容量，但傳統(tǒng)機(jī)組的出力速度受到爬坡效率的限制，可能造成沒(méi)有充足的爬坡容量進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，確定數(shù)量的備用容量能保障系統(tǒng)安全性，但無(wú)法保證風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化，即額外備用在經(jīng)濟(jì)和安全性上不能獲得平衡狀態(tài)，使得風(fēng)電隨機(jī)性較差。

為了解決機(jī)組組合問(wèn)題，可以采用Benders分解法，利用蒙特卡羅抽象以及場(chǎng)景樹(shù)縮減技術(shù)來(lái)生成一定量的風(fēng)電場(chǎng)景，分析風(fēng)電隨機(jī)性，對(duì)不同風(fēng)電出力情況下的系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題進(jìn)行求解。根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果，可得出在考慮到風(fēng)電隨機(jī)性情況下，電力系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)組組合成本將小幅度增長(zhǎng)，并會(huì)隨著風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差的增加而增加。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，要求系統(tǒng)多開(kāi)啟機(jī)組來(lái)保持爬坡容量。將抽水蓄能引入系統(tǒng)中后，機(jī)組組合成本將得到較好的控制，提高了組合經(jīng)濟(jì)性。在對(duì)不同預(yù)測(cè)誤差和抽水蓄能容量進(jìn)行對(duì)比后，全面分析了不同情況下抽水蓄能對(duì)機(jī)組組合產(chǎn)生的影響，可發(fā)現(xiàn)抽水蓄能的加入提高了電力系統(tǒng)的安全性，對(duì)電力系統(tǒng)效能的實(shí)現(xiàn)有積極作用。

4 結(jié)論

綜上所述，電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平的提高有重要作用，為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要加強(qiáng)對(duì)機(jī)組組合問(wèn)題研究的重視。通過(guò)建立包含風(fēng)電及抽水蓄能隨機(jī)性組合的相關(guān)模型，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行求解，進(jìn)一步得到最佳的機(jī)組組合，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的完善發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］余民.含風(fēng)電和抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)機(jī)組組合研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

［2］宗瑾.含風(fēng)電和抽水蓄能的電力系統(tǒng)二階段發(fā)電調(diào)度模型及算法研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.