基于源網(wǎng)荷協(xié)同的發(fā)電能力提升初探

徐杰彥 裴冠榮 張薇 何楠

摘要??? 本文以可再生能源實時發(fā)電效率最大化為目標(biāo)，針對不同的場景組合方式進(jìn)行分析，初步測算源、網(wǎng)、荷協(xié)同調(diào)度控制對于可再生能源實時發(fā)電效率提升的程度。首先，分析通過源源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)同、網(wǎng)荷互動、源荷響應(yīng)四種方式，對于可再生能源發(fā)電效率的提升。其次，應(yīng)用張家口可再生能源發(fā)電項目的實際案例數(shù)據(jù)對源網(wǎng)荷協(xié)同的效果進(jìn)行測算。最后，對源網(wǎng)荷協(xié)同對于可再生能源發(fā)電效率的提升進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】源網(wǎng)荷協(xié)同 可再生能源 發(fā)電效率提升 源源互補(bǔ) 源網(wǎng)協(xié)同 網(wǎng)荷互動 源荷響應(yīng)

1 引言

隨著可再生能源的發(fā)展、智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)和柔性負(fù)荷的大量出現(xiàn)，包括多能互補(bǔ)在內(nèi)的源網(wǎng)荷協(xié)同技術(shù)成為促進(jìn)可再生能源消納的重要途徑，具有廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)我國調(diào)度管理的規(guī)定，源、網(wǎng)、荷協(xié)同調(diào)度控制在時間尺度上可以分為中長期、短期、超短期、日內(nèi)和實時，在空間層次上可以分為國、網(wǎng)、省、地、縣五級調(diào)度，因此源、網(wǎng)、荷需要在時間和空間兩個維度上都進(jìn)行協(xié)同，才能使其總體效益達(dá)到最大化。對于包含源、網(wǎng)、荷的地區(qū)內(nèi)小型電力系統(tǒng)，其風(fēng)光儲容量優(yōu)化配比已在規(guī)劃設(shè)計階段完成，調(diào)峰所需的調(diào)度計劃通常由，上級調(diào)度部門給出，其監(jiān)控中心的主要職責(zé)是調(diào)度計劃的執(zhí)行和對源、荷隨機(jī)波動的平抑，因此可再生能源并網(wǎng)發(fā)電效率取決于計劃的執(zhí)行能力及源、荷的實時協(xié)同性。

由于可再生能源的間歇性和波動性及其并網(wǎng)后對電網(wǎng)的沖擊，國內(nèi)對于可再生能源并網(wǎng)的管理與常規(guī)能源不同，多數(shù)以限值管理方式為主，可再生能源場站參與電網(wǎng)調(diào)峰時其發(fā)電計劃是作為出力的上限值，不要求場站出力密切跟蹤發(fā)電計劃，當(dāng)可再生能源場站發(fā)電能不足時則可以偏離發(fā)電計劃;可再生能源功率集中送出斷面限值的運(yùn)行方式同上，不僅防止超出輸電通道容量，而且防止可再生能源大幅波動對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，對于包含可再生能源的小型電力系統(tǒng)集中監(jiān)控中心，只有通過充分利用可再生能源在計劃范圍內(nèi)的實時發(fā)電能力和電網(wǎng)送出斷面的可用裕度空間，并結(jié)合儲能、可控負(fù)荷等的實時調(diào)節(jié)能力，才能實現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電效率的最大化;更長時間尺度的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和更大范圍的資源優(yōu)化則由.上級調(diào)度部門完成，其對于可再生能源發(fā)電效率的提升作用在此不做討論。事實上，調(diào)度計劃的準(zhǔn)確性對于源、網(wǎng)、荷實時協(xié)同控制的效能和可再生能源并網(wǎng)發(fā)電效率的提升具有重要影響，準(zhǔn)確性較差的調(diào)度計劃不僅增加電網(wǎng)二次調(diào)節(jié)的壓力，而且會造成可再生資源的浪費(fèi)。本文主要研究源、網(wǎng)、荷實時調(diào)控問題，為便于分析，暫不考慮調(diào)度計劃的合理性。

由于電力系統(tǒng)在能源構(gòu)成、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用戶需求等方面的不確定性和電網(wǎng)調(diào)控目標(biāo)的多樣性，因此源、網(wǎng)、荷的協(xié)同也會根據(jù)不同的場景采用不同的調(diào)度控制方式和組合，應(yīng)用不同的策略或算法，無法將所有情況都納入一-個統(tǒng)-的計算模型。本文以可再生能源實時發(fā)電效率最大化為目標(biāo)，針對不同的場景組合方式進(jìn)行分析，初步測算源、網(wǎng)、荷協(xié)同調(diào)度控制對于可再生能源實時發(fā)電效率提升的程度。

2 源網(wǎng)荷協(xié)同調(diào)控

2.1 源源互補(bǔ)提高發(fā)電效率

充分利用風(fēng)光資源在出力時間和輸出功率方面的互補(bǔ)特性，彌補(bǔ)單一電源出力不均、不穩(wěn)定等問題，在光照強(qiáng)度、風(fēng)速情況不佳時，通過儲能系統(tǒng)的輸出對風(fēng)光電站出力形成互補(bǔ)，提高資源利用效率。

儲能對可再生能源并網(wǎng)發(fā)電具有顯著的支撐作用。不同的儲能系統(tǒng)容量對于發(fā)電效率的提升程度不同，儲能系統(tǒng)也分為不同的類型，具有不同的特點(diǎn)，目前國內(nèi)儲能系統(tǒng)主要用于削峰填谷和輔助改善發(fā)電單元出力性能。如果不考慮網(wǎng)架約束，則在儲能容量配置充足的情形下，可實現(xiàn)功率和計劃無偏差，并且使可再生能源的利用率達(dá)到100%。但儲能電站建造運(yùn)行成本較高，頻繁充放電也將降低其運(yùn)行壽命，降低聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此經(jīng)過經(jīng)濟(jì)

技術(shù)比較，通常配置有限的儲能容量。

在線協(xié)同控制需要考慮儲能電站容量和功率約束、風(fēng)電場和光伏電站的功率和響應(yīng)速度約束，將聯(lián)合系統(tǒng)的計劃出力合理分配給風(fēng)/光/儲，優(yōu)化三者運(yùn)行，在兼顧跟蹤計劃出力的基礎(chǔ)上，降低儲能電站的充放電次數(shù)，提高其運(yùn)行壽命。可再生能源發(fā)電提升程度為可再生能源優(yōu)化發(fā)電出力與其限值的差值之和。即

采用實際案例計算源源互補(bǔ)前后的效果如圖1和圖2所示，采用少量儲能補(bǔ)充低谷出力，在高峰時通過儲能減小峰值負(fù)荷，從而減小了間歇性能源的功率波動。通過源源互補(bǔ)，間歇性能源的功率曲線形狀得到優(yōu)化。

2.2 源網(wǎng)協(xié)同提高發(fā)電效率

源網(wǎng)系統(tǒng)的基本思路是應(yīng)用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)、功率預(yù)測系統(tǒng)、可再生能源實時調(diào)度控制技術(shù)，保證風(fēng)光電站持續(xù)不間斷發(fā)電。光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電形式具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動性，同時，這類發(fā)電系統(tǒng)均需要通過電力電子接口接入電網(wǎng)，減小了系統(tǒng)的等效慣性。這些特點(diǎn)都嚴(yán)重危害了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)為解決這類問題提供了一種可行的方案。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是通過模擬同步機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源或負(fù)荷具有同步機(jī)組的慣量、阻尼、頻率和電壓調(diào)整等運(yùn)行外特性的技術(shù)，從而在平抑電網(wǎng)功率波動的同時還可為系統(tǒng)提供慣性支撐，以維持頻率和電壓穩(wěn)定。

當(dāng)可再生能源的特性對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響時，將對可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電設(shè)置限值，采用虛擬同步機(jī)技術(shù)使可再生能源的發(fā)電能力得到充分利用，在極端情況下，所有可再生能源全部按照最大能力發(fā)電，則發(fā)電提升的程度為可再生能源最大發(fā)電能力與其限值的差值之和。即

其中

采用實際案例計算源網(wǎng)協(xié)同前后的效果如圖3所示，采用虛擬同步機(jī)技術(shù)后，聯(lián)合系統(tǒng)的功率得到有效控制，通過將儲能系統(tǒng)跨日調(diào)度，在考慮限值的情況下，可以實現(xiàn)沒有棄電。

2.3 網(wǎng)荷互動提高發(fā)電效率

一般來說，負(fù)荷包括不變負(fù)荷和可控負(fù)荷兩部分。應(yīng)用柔性負(fù)荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，根據(jù)多種負(fù)荷響應(yīng)策略，對用戶不同類型負(fù)荷實施精準(zhǔn)控制。在調(diào)度周期內(nèi)，對各類柔性負(fù)荷、可中斷負(fù)荷等可控負(fù)荷進(jìn)行的適當(dāng)調(diào)節(jié)，將高峰時段的部分可控負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時段，實現(xiàn)削峰填谷，不僅可以減小調(diào)峰壓力，而且可以減小不必要的停機(jī)。

對于網(wǎng)荷互動提高可再生能源的發(fā)電效率主要取決于低谷負(fù)荷期間的可控負(fù)荷的上調(diào)空間。在極端情況下，負(fù)荷低谷期間可再生能源發(fā)電的提升程度等于各可控負(fù)荷的最大上調(diào)空間之和。即

2.4 源荷響應(yīng)提高發(fā)電效率

文獻(xiàn)[9]認(rèn)為棄風(fēng)棄光源自于系統(tǒng)靈活性供給與需求的不平衡。源荷響應(yīng)是解決這種不平衡的有效措施。源荷響應(yīng)可以通過兩級協(xié)調(diào)策略實現(xiàn)，一級協(xié)調(diào)控制根據(jù)日前風(fēng)電功率預(yù)測情況，以風(fēng)電消納能力最大為目標(biāo)，通過常規(guī)電源和高載能負(fù)荷在調(diào)節(jié)容量上的優(yōu)化配置，提高風(fēng)電消納水平;二級協(xié)調(diào)控制針對風(fēng)電功率實時波動情況，以風(fēng)電實時出力與計劃出力的偏差最小為目標(biāo)，通過常規(guī)電源和高載能負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制，平抑風(fēng)電波動，提高大規(guī)模風(fēng)電消納水平。

本文采用與上述二級協(xié)調(diào)控制相同的思路進(jìn)行研究，根據(jù)可再生能源功率波動進(jìn)行分層，提前預(yù)測并實時獲得氣候參數(shù)，通過柔性負(fù)荷對電源不同層次波動性和間歇性的實時響應(yīng)，實現(xiàn)源荷功率動態(tài)平衡，減小可再生能源并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，提升可再生能源的利用效率。

當(dāng)可再生能源的波動對電網(wǎng)正常運(yùn)行造成較大影響時，將對可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電設(shè)置限值，采用負(fù)荷自動響應(yīng)技術(shù)可以充分平抑可再生能源的功率波動，從而保持全網(wǎng)功率的平衡，可再生能源發(fā)電提升的程度為可再生能源最大發(fā)電能力與其限值的差值之和。即

采用實際案例計算源荷響應(yīng)前后的效果如圖5所示，采用源荷響應(yīng)前，在沒有儲能的情況下，間歇性能源的輸出功率超出規(guī)定限值的部分都將棄掉;根據(jù)間歇性能源的功率波動，使柔性負(fù)荷及時做出響應(yīng)（曲線如圖5所示），最終將極大減小電網(wǎng)功率平衡的偏差，無法消除的部分再由系統(tǒng)來完成平衡。

3 案例測算

3.1 控制目標(biāo)

控制目標(biāo)為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電最大化（棄風(fēng)/棄光最小化）或可再生能源提升程度最大化。即

3.2 約束條件

進(jìn)行全網(wǎng)優(yōu)化計算至少需要考慮以下約束條件：

（1）全網(wǎng)功率平衡約束，即全網(wǎng)發(fā)電等于全網(wǎng)負(fù)荷（包括聯(lián)絡(luò)線功率）與網(wǎng)絡(luò)損耗之和，即

（2）網(wǎng)架輸電斷面約束，包括區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間輸電線路或走廊斷面的功率限值約束，即

（3）場站調(diào)節(jié)速率約束，包括各發(fā)電單元、儲能設(shè)備和可控負(fù)荷的調(diào)節(jié)速率限值約束，即

（4）場站調(diào)節(jié)范圍約束，包括各發(fā)電單元、儲能設(shè)備和可控負(fù)荷的調(diào)節(jié)上下限值約束，即

（5）設(shè)備調(diào)節(jié)次數(shù)約束，包括儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷等設(shè)備在單位時間內(nèi)的調(diào)節(jié)頻度約束，即

（6）設(shè)備調(diào)節(jié)步長約束，即可調(diào)設(shè)備在每個控制周期中不應(yīng)超過的最大調(diào)節(jié)幅度約束，即

（7）設(shè)備調(diào)節(jié)時間約束，可控負(fù)荷具有的最小連續(xù)投入時間和最小連續(xù)中斷時間約束，即

3.3 案例試算

以張家口風(fēng)電場1月20日數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行源源互補(bǔ)效果分析，如圖1、圖2所示。24小時利用棄風(fēng)電量27.3MWh，占原始風(fēng)電量9.1%;利用棄光電量59MWh，占原始光伏電量19.5%。在充分利用棄風(fēng)、棄光電量的同時，通過源源互補(bǔ)，風(fēng)電光伏綜合發(fā)電曲線的峰谷差顯著減小，曲線形狀得到改善。

圖3所示為源網(wǎng)協(xié)同虛擬同步機(jī)的效果。理想情況下，借助儲能及電力電子控制技術(shù)，間歇式電源可以輸出類似同步發(fā)電機(jī)的光滑、可控的出力曲線。基于算例所用的24小時數(shù)據(jù)，間歇式電源提升發(fā)電能力13.8MW。

源荷響應(yīng)的算例如圖5所示，通過100MW可控負(fù)荷的投切，試圖盡可能地減少可再生能源實際發(fā)電與預(yù)測曲線的偏差。算例測算表明，偏差電量379MWh，占原始負(fù)荷總電量1.07%;最大偏差電力182.4MW，占原始負(fù)荷最大值10%。

4 結(jié)語

本文針對源網(wǎng)荷的不同場景，對小型電力系統(tǒng)采取的調(diào)控技術(shù)及其對可再生能源發(fā)電能力提升進(jìn)行了研究，采用實際運(yùn)行數(shù)據(jù)對典型情況進(jìn)行了測算，實現(xiàn)了源網(wǎng)荷協(xié)同技術(shù)對電網(wǎng)的產(chǎn)生效益的量化評估。

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