風(fēng)電的發(fā)電特性及優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)分析

摘?要：風(fēng)力發(fā)電作為可再生清潔能源風(fēng)能的轉(zhuǎn)化利用，在能源替代與節(jié)能減排的低碳電力發(fā)展中扮演重要角色。風(fēng)速具有概率隨機(jī)性和參數(shù)模糊性的多重不確定性特征，風(fēng)電并網(wǎng)后其隨機(jī)模糊不確定注入功率影響電力系統(tǒng)潮流分布與調(diào)度決策，需要對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)采取優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，文章詳細(xì)分析了風(fēng)電的發(fā)電特性及優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;發(fā)電特性;優(yōu)化運(yùn)行;技術(shù)

一、 引言

近年來，傳統(tǒng)能源不僅傳出能源緊缺問題，更由于其污染氣體的排放引發(fā)環(huán)境問題而讓人深惡痛絕。全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，清潔能源正在逐漸取代傳統(tǒng)能源的使用。風(fēng)力發(fā)電作為重要的能源形式，由于其具有節(jié)能減排，取之不盡的特性深受喜愛，未來風(fēng)力發(fā)電在我國的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)波動(dòng)性也給電網(wǎng)運(yùn)行帶來一定的影響和挑戰(zhàn)，系統(tǒng)面臨一定的新能源消納壓力，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為此，首先，分析了風(fēng)力發(fā)電的出力特性，其次，分析了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，最后，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行了實(shí)例分析。

二、 ?風(fēng)電的發(fā)電特性

風(fēng)電的出力大小具有明顯的間歇性和波動(dòng)性，在較長的時(shí)間尺度下，出力時(shí)大時(shí)小，與風(fēng)速具有直接的關(guān)聯(lián)。對(duì)于風(fēng)電出力大小的表示，可以采取分段線性公式進(jìn)行表示。當(dāng)風(fēng)速在不同的區(qū)間時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的出力大小也有所不同，從而較為準(zhǔn)確地表達(dá)出風(fēng)電的出力特性。對(duì)于風(fēng)速的模擬，可以采用威布爾分布函數(shù)進(jìn)行表示。當(dāng)準(zhǔn)確表達(dá)出風(fēng)電的發(fā)電特性之后，就可以對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，提高風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

三、 ?風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度和靈活運(yùn)行模型

對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，可以根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)實(shí)際情況，采用優(yōu)化調(diào)度策略，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活運(yùn)行水平。在分析風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行之前，首先需要構(gòu)建風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，在模型中考慮多種影響風(fēng)電消納的因素，為此以下分別對(duì)模型中的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和模型的具體求解算法等進(jìn)行分析。

（一）目標(biāo)函數(shù)

文章以系統(tǒng)的風(fēng)電消納電量最大為目標(biāo)函數(shù)，風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)如下式所示。

上式中的Pw，t為風(fēng)電在時(shí)段t的消納電量，目標(biāo)函數(shù)前面取負(fù)號(hào)，就可以轉(zhuǎn)化為最小值優(yōu)化問題，方面后續(xù)對(duì)模型的求解。

（二）約束條件

在風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型中，常規(guī)的約束條件包括系統(tǒng)的有功功率平衡約束、各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓在合理的范圍之內(nèi)，各線路的潮流在允許的載流量范圍之內(nèi)等。除此之外，對(duì)于系統(tǒng)中并網(wǎng)的風(fēng)電，應(yīng)根據(jù)各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的具體裝機(jī)容量，具有一定的出力上下限約束，如式（2）所示。

在上式中的Pprew，i，t為風(fēng)電的預(yù)測(cè)出力。此外，常規(guī)火電機(jī)組應(yīng)該滿足一定的機(jī)組爬坡約束，如式（3）所示。因?yàn)轱L(fēng)電的出力具有一定的間歇性，常規(guī)火電機(jī)組應(yīng)該能夠追隨可再生能源發(fā)電的實(shí)時(shí)變化，以保證系統(tǒng)的功率實(shí)時(shí)平衡。

在上式（3）中的PupG，i和PdownG，i分別為常規(guī)火電機(jī)組的出力增減速率，速率越大，表明機(jī)組的爬坡能力越強(qiáng)。對(duì)于并網(wǎng)的風(fēng)電電源，應(yīng)采用一定的功率控制方式。若風(fēng)電電源采用恒功率因素運(yùn)行方式，即應(yīng)滿足如下等式約束。

式中Qw，i，t分別為風(fēng)電在時(shí)段t的無功出力。對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的求解，需要采用相應(yīng)的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

四、 案例分析

對(duì)上述構(gòu)建的風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解，首先通過求解機(jī)組組合模型，確定機(jī)組合理的開機(jī)方式。在此基礎(chǔ)上就可以具體分析風(fēng)電并網(wǎng)的消納電量情況。在模型的具體求解中，主要采用的為預(yù)測(cè)校正內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行優(yōu)化模型的具體求解。文章采用IEEE 39節(jié)點(diǎn)算例對(duì)電力系統(tǒng)中的并網(wǎng)風(fēng)電消納進(jìn)行分析，將系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)12接入風(fēng)電場(chǎng)，進(jìn)行分析可再生能源的并網(wǎng)消納情況。當(dāng)分別構(gòu)建不同的場(chǎng)景，在風(fēng)電具有不同的裝機(jī)容量下分析風(fēng)電的消納情況。場(chǎng)景1為風(fēng)電的裝機(jī)容量為1190MW，場(chǎng)景2為風(fēng)電的裝機(jī)容量為1800MW，場(chǎng)景3為風(fēng)電的裝機(jī)容量為2300MW。在上述各種場(chǎng)景下的系統(tǒng)棄風(fēng)率、棄光率和可再生能源的滲透率如表1所示。

由表1可知，當(dāng)風(fēng)電的裝機(jī)容量越大時(shí)，則系統(tǒng)的棄風(fēng)率隨之增大，因?yàn)橄到y(tǒng)中可調(diào)節(jié)的資源難以滿足大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的消納需求，故有一部分的可再生能源電量無法消納，在發(fā)展可再生能源時(shí)，應(yīng)考慮到電力系統(tǒng)的實(shí)際情況。同時(shí)，在風(fēng)電出力較大的時(shí)段，此時(shí)火電機(jī)組的出力曲線會(huì)有明顯的降低，表明火電需要騰出一定的空間用以接納可再生能源的電量。當(dāng)可再生能源的電量較小時(shí)，則需要火電機(jī)組進(jìn)一步增大有功功率，以滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求。

五、 結(jié)語

近年來，風(fēng)電的裝機(jī)容量在不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電在系統(tǒng)中的占比不斷提高，可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為我國重要的能源形式之一。但可再生能源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，大量可再生能源并網(wǎng)后會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的沖擊和挑戰(zhàn)，文章主要分析了風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的消納問題和運(yùn)行靈活性問題，以使風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：馬彬彬，濟(jì)南和源工程咨詢有限公司。