電力系統(tǒng)消納風(fēng)電能力評(píng)估的多因素分析

電力系統(tǒng)消納風(fēng)電能力評(píng)估的多因素分析

0風(fēng)電消納能力評(píng)估方法提出近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電呈現(xiàn)出明顯的社會(huì)和環(huán)境效應(yīng)。我國(guó)陸上與海上風(fēng)電可開(kāi)發(fā)量分別為6~10億kW與1~2億kW,現(xiàn)已在建8個(gè)千萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地。風(fēng)電作為一種新型電源,其隨機(jī)波動(dòng)特性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定帶來(lái)諸多新挑戰(zhàn)。風(fēng)電自特性、系統(tǒng)調(diào)峰能力、系統(tǒng)備用水平、系統(tǒng)調(diào)頻能力、電網(wǎng)傳輸能力、系統(tǒng)負(fù)荷特性、風(fēng)電并網(wǎng)等因素影響并制約著風(fēng)電消納能力。建立科學(xué)的消納能力評(píng)估方法,有助于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃,更可以輔助實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)度決策。從4個(gè)方面分析現(xiàn)有的風(fēng)電消納能力評(píng)估方法,得出如下結(jié)論:1)現(xiàn)有研究多聚焦于極端時(shí)段的評(píng)估分析,特別是比較高峰、低谷時(shí)段,分析調(diào)峰引起的消納能力。然而電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線與風(fēng)電出力曲線相匹配的結(jié)果存在多樣性,需要以這些研究為基礎(chǔ),發(fā)展出全時(shí)段消納能力的評(píng)估方法,以揭示非峰非谷時(shí)段可能出現(xiàn)的消納能力不足的問(wèn)題。2)現(xiàn)有研究多聚焦于單個(gè)因素的獨(dú)立分析,例如單獨(dú)分析調(diào)峰、備用等因素引起的消納能力。對(duì)于電源結(jié)構(gòu)既定的電力系統(tǒng)而言,需要從電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需求出發(fā),研究考慮多種因素并存時(shí)的消納能力評(píng)估方法。3)國(guó)家能源局發(fā)布的《風(fēng)電廠功率預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)管理暫行辦法》提出,自2012年1月1日起,我國(guó)所有并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電廠必須建立風(fēng)電預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系。盡管風(fēng)功率預(yù)測(cè)的精度還遠(yuǎn)不及負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度,但是它也為調(diào)度運(yùn)行提供了非常寶貴的參考信息。因此,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員更關(guān)心如何在已知日前風(fēng)功率預(yù)測(cè)信息的前提下評(píng)估系統(tǒng)在次日消納風(fēng)電的能力。這就需要對(duì)現(xiàn)有研究中未能充分利用風(fēng)電預(yù)測(cè)信息的不足加以改進(jìn),從而使系統(tǒng)消納能力的評(píng)估結(jié)果更有助于對(duì)實(shí)際運(yùn)行的決策輔助。4)現(xiàn)有研究的評(píng)估結(jié)果多以一維的方式展現(xiàn),無(wú)法全面反映風(fēng)電出力形狀特性(正調(diào)峰、平調(diào)峰、反調(diào)峰)與出力大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,缺乏類似“卡尺”的判據(jù)功能,無(wú)法幫助調(diào)度人員快速判斷特定風(fēng)電出力曲線是否可被電力系統(tǒng)消納?；谏鲜龇治?本文以分析全時(shí)段、計(jì)及多因素、考慮日前風(fēng)電出力預(yù)測(cè)、探尋風(fēng)電“可消納包絡(luò)帶”為出發(fā)點(diǎn),提出一種基于日前風(fēng)功率預(yù)測(cè)的風(fēng)電消納能力評(píng)估方法。先將日前預(yù)測(cè)所得風(fēng)電作為基本信息,優(yōu)化常規(guī)機(jī)組的啟停狀態(tài);基于此決策,探尋系統(tǒng)次日全時(shí)段可消納風(fēng)電的上下限,并基于二次規(guī)劃模型生成極端風(fēng)電出力作為判據(jù)樣本,分析系統(tǒng)次日消納風(fēng)電的能力,為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度運(yùn)行人員提供決策判據(jù)。1算例結(jié)果及物理意義如圖1所示,本文提出的基于日前風(fēng)功率預(yù)測(cè)的風(fēng)電消納能力評(píng)估方法分為2個(gè)環(huán)節(jié):1)將日前預(yù)測(cè)所得風(fēng)電作為基本信息,基于系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè),以“確保系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)所得風(fēng)電按最小棄風(fēng)方式消納”為原則,在日前優(yōu)化次日的常規(guī)機(jī)組啟停狀態(tài);2)基于既定的機(jī)組啟停安排,以日前計(jì)劃所得的可消納風(fēng)電為起點(diǎn),向正負(fù)2個(gè)方向進(jìn)行延拓,探尋系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中可消納風(fēng)電的上限與下限,并以極端風(fēng)電出力是否可被消納為判據(jù),確定次日全時(shí)段可消納風(fēng)電的“包絡(luò)帶”?；谠撛u(píng)估方法,期望得到如圖2所示的評(píng)估結(jié)果。評(píng)估結(jié)果給出了系統(tǒng)可消納風(fēng)電的上限、下限及極端出力,分別對(duì)應(yīng)著不同的物理意義:1)當(dāng)風(fēng)電出力大于可消納風(fēng)電的上限時(shí),系統(tǒng)受限于調(diào)峰能力(即最低出力的要求)與負(fù)荷跟蹤能力而無(wú)法消納;2)當(dāng)風(fēng)電出力小于可消納風(fēng)電的下限時(shí),系統(tǒng)受限于開(kāi)機(jī)容量(即最大出力不足)而無(wú)法滿足系統(tǒng)電力平衡。需要強(qiáng)調(diào)的是,可消納風(fēng)電下限不一定為0,原因在于:若日前預(yù)測(cè)的風(fēng)電出力相對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷比例較高,則日前機(jī)組組合時(shí)將關(guān)閉更多的常規(guī)機(jī)組,致使系統(tǒng)在次日面臨風(fēng)電脫網(wǎng)(并網(wǎng)容量為0)的情況時(shí),因常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)容量不足而無(wú)法滿足基本的供電平衡,危及系統(tǒng)安全。3)可消納極端風(fēng)電出力是系統(tǒng)可消納的波動(dòng)程度最為劇烈的風(fēng)電出力。由此,可消納風(fēng)電上下限所界定的“包絡(luò)帶”即為全時(shí)段風(fēng)電消納能力。該評(píng)估結(jié)果考慮了電力系統(tǒng)運(yùn)行的多因素與日前風(fēng)電出力預(yù)測(cè),具備類似“卡尺”的判據(jù)功能,可幫助調(diào)度人員快速判斷風(fēng)電是否可被電力系統(tǒng)消納,輔助實(shí)際的調(diào)度決策。2機(jī)組組合優(yōu)化的約束設(shè)備水平的不斷提高,使風(fēng)電場(chǎng)普遍安裝風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)成為可能,從而使計(jì)劃部門在安排日前發(fā)電計(jì)劃時(shí),既已掌握次日風(fēng)電出力的預(yù)測(cè)信息,可以此為基本信息安排常規(guī)機(jī)組啟停。次日全時(shí)段記為t∈1,…,T,日前預(yù)測(cè)t時(shí)段系統(tǒng)負(fù)荷為PLOAD,t,日前預(yù)測(cè)t時(shí)段風(fēng)電出力為P(0)WIND,t。由此安排常規(guī)機(jī)組啟停狀態(tài),待優(yōu)化變量包括:1)常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)狀態(tài)D＝{di|i∈1…N}(單臺(tái)機(jī)組全時(shí)段啟停狀態(tài)恒定,di＝1即機(jī)組i開(kāi)機(jī),di=0即機(jī)組i停機(jī));2)常規(guī)機(jī)組i(包括非風(fēng)電機(jī)組與外送聯(lián)絡(luò)線等值機(jī)組)在時(shí)段t的出力PG,i,t;3)系統(tǒng)在時(shí)段t可消納的風(fēng)電出力PWIND,t。日前計(jì)劃安排常規(guī)機(jī)組啟停時(shí),以“確保系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)所得風(fēng)電按最小棄風(fēng)方式消納”為原則,優(yōu)化目標(biāo)為優(yōu)化過(guò)程中需要滿足的約束條件包括:2)常規(guī)機(jī)組在時(shí)段t的出力約束,即對(duì)于非風(fēng)電機(jī)組來(lái)講,PminG,i,t與PmaxG,i,t分別為機(jī)組的最小出力與最大出力;對(duì)于聯(lián)絡(luò)線傳輸功率來(lái)講,PminG,i,t與PmaxG,i,t分別為外送合同規(guī)定的時(shí)段t最小輸送電力與最大輸送電力。3)常規(guī)機(jī)組增減出力約束,即需要說(shuō)明的是,對(duì)于非風(fēng)電機(jī)組,Rup,maxG,i與Rdown,maxG,i分別為機(jī)組的最大增出力速率與最大減出力速率;對(duì)于聯(lián)絡(luò)線功率,Rup,maxG,i與Rdown,maxG,i分別為聯(lián)絡(luò)線考核標(biāo)準(zhǔn)約束下的功率波動(dòng)允許值的上下限。4)風(fēng)電出力約束,即5)系統(tǒng)在時(shí)段t的旋轉(zhuǎn)備用約束,即式中St1、St2分別為滿足系統(tǒng)安全要求的最小正備用容量與最小負(fù)備用容量。6)常規(guī)機(jī)組啟停狀態(tài)約束,即式中:可關(guān)閉常規(guī)機(jī)組主要是允許啟停的燃煤火電或燃機(jī);非可關(guān)閉機(jī)組保持開(kāi)機(jī)狀態(tài),狀態(tài)量di固定為1;可關(guān)閉機(jī)組開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī),狀態(tài)量di可取1或0。式(1)—(9)構(gòu)成了一個(gè)含日前風(fēng)電預(yù)測(cè)的機(jī)組組合問(wèn)題,求解得常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)狀態(tài)D*＝{di*|i∈1…N}與可消納的風(fēng)電出力P*WIND,t。D*作為既定量,參與下文所述的風(fēng)電消納能力評(píng)估,從根本上影響著次日系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力。3風(fēng)能消耗能評(píng)價(jià)模型3.1機(jī)組啟停狀態(tài)的確定日前計(jì)劃所安排的機(jī)組啟停狀態(tài)D*可以消納風(fēng)電出力P*WIND,t,但并不意味著P*WIND,t是系統(tǒng)可消納風(fēng)電的極限值。實(shí)際上,在既定開(kāi)機(jī)狀態(tài)D*的條件下,以P*WIND,t為起點(diǎn)向正負(fù)2個(gè)方向延拓,可以找到系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可消納風(fēng)電的下限與上限,繼而找到系統(tǒng)可消納風(fēng)電的“包絡(luò)帶”?；诩榷ǖ臋C(jī)組啟停狀態(tài)D*,以各類機(jī)組的出力方式PG,i,t、PWIND,t為優(yōu)化變量,可以直接優(yōu)化確定可消納風(fēng)電的下限。目標(biāo)函數(shù)為部分約束條件如下:1)時(shí)段t的電力平衡約束為2)時(shí)段t的風(fēng)電出力約束為3)時(shí)段t的旋轉(zhuǎn)備用約束為求解式(3)—(5)、(10)—(14)構(gòu)成的優(yōu)化問(wèn)題,得可消納風(fēng)電下限{PWIND,t(nin)}。3.2風(fēng)電出力預(yù)測(cè)模型不同于可消納風(fēng)電下限的確定,不能通過(guò)單次優(yōu)化直接找到可消納風(fēng)電的上限,須以后文所述的極端風(fēng)電出力為校核判據(jù),迭代探尋可消納風(fēng)電的上限。采用這種方法的原因在于:直接優(yōu)化可消納風(fēng)電的上限,無(wú)法保證上下限所界定的“包絡(luò)帶”內(nèi)的所有風(fēng)電都可以被消納,缺乏實(shí)用意義。因此,定義拓展因子為μm＋,取值范圍為(1,＋∞),表示第m次拓展時(shí)待消納風(fēng)電出力為μm＋P*WIND,t。對(duì)于第m次拓展,預(yù)設(shè)的拓展因子為μm＋,決策全時(shí)段可消納風(fēng)電上限的目標(biāo)函數(shù)為式(15)的物理意義是:將潛在的風(fēng)電出力資源拓展到μm＋P*WIND,t,基于既定開(kāi)機(jī)模式D*,以“確保系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)所得風(fēng)電按最小棄風(fēng)方式消納”為原則,優(yōu)化各類機(jī)組的出力方式PG,i,t、PWIND,t。時(shí)段t的風(fēng)電出力約束修改為式(3)—(5)、(11)、(13)—(16)構(gòu)成優(yōu)化模型,求解得第m次拓展系統(tǒng)可消納風(fēng)電上限PWIND,t(max-m)。3.3極端等效負(fù)荷定義系統(tǒng)負(fù)荷扣除風(fēng)電出力后由常規(guī)機(jī)組承擔(dān)的剩余負(fù)荷稱為等效負(fù)荷。對(duì)于常規(guī)機(jī)組而言,其承擔(dān)的實(shí)際負(fù)荷即為等效負(fù)荷。分析系統(tǒng)可消納風(fēng)電的問(wèn)題可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉治龀Ｒ?guī)機(jī)組群可消納等效負(fù)荷的問(wèn)題。系統(tǒng)等效負(fù)荷的上限是確定的,即系統(tǒng)等效負(fù)荷的下限是隨著可消納風(fēng)電上限的延拓而變化的,第m次拓展時(shí)等效負(fù)荷下限為在第m次拓展時(shí),等效負(fù)荷的上限與下限均能被系統(tǒng)消納,但不能確保處于2者所界定的“包絡(luò)帶”內(nèi)的所有負(fù)荷曲線都可以被系統(tǒng)消納,因?yàn)樯舷夼c下限并非“包絡(luò)帶”內(nèi)峰谷差最大、或負(fù)荷率最低、或負(fù)荷增長(zhǎng)(跌落)最快的等效負(fù)荷。實(shí)際上,最考驗(yàn)系統(tǒng)消納能力的是極端等效負(fù)荷,其將使常規(guī)機(jī)組面臨最極端的調(diào)峰壓力與負(fù)荷追蹤壓力。極端系統(tǒng)負(fù)荷,須滿足的條件包括:1)全時(shí)段處于可消納等效負(fù)荷的上限與下限所界定的“包絡(luò)帶”內(nèi);2)具備最極端的波動(dòng)特性,使常規(guī)機(jī)組群面臨最極端的負(fù)荷追蹤壓力。定義第m次拓展時(shí)段t系統(tǒng)極端等效負(fù)荷為P(ex-m)SYS,t為滿足條件1),其應(yīng)滿足如下約束條件:極端等效負(fù)荷在時(shí)段t至?xí)r段t+1的波動(dòng)為為滿足條件2),極端等效負(fù)荷應(yīng)具備最劇烈平均波動(dòng)。為了生成極端等效負(fù)荷,選擇優(yōu)化目標(biāo)為式(21)中式中PSYS(ex-m)是P(ex-m)SYS,t構(gòu)成的t×1向量;H(t)是一個(gè)t×t的矩陣,且滿足條件:H(t)的其他元素均為0,即則式(21)的等價(jià)問(wèn)題為以式(26)為優(yōu)化目標(biāo),式(19)為約束條件,構(gòu)成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的凸二次規(guī)劃問(wèn)題,求解得第m次拓展所對(duì)應(yīng)的時(shí)段t極端等效負(fù)荷P(ex-m)SYS,t。風(fēng)電出力“包絡(luò)帶”與等效負(fù)荷“包絡(luò)帶”是一一對(duì)應(yīng)的,則第m次拓展時(shí)的極端風(fēng)電出力為3.4校核極端風(fēng)電出力模型的建立極端風(fēng)電出力就是考驗(yàn)系統(tǒng)消納能力的極端場(chǎng)景,可以作為風(fēng)電出力“包絡(luò)帶”是否可被消納的校核樣本。校核所采用的目標(biāo)函數(shù)為對(duì)應(yīng)的風(fēng)電出力約束為式(3)—(5)(11)(13)—(14)(28)—(29)構(gòu)成優(yōu)化模型,求解該優(yōu)化問(wèn)題。則校核極端風(fēng)電出力是否可被系統(tǒng)消納的判據(jù)為式(30)的物理意義是系統(tǒng)對(duì)極端風(fēng)電出力的棄風(fēng)量不高于C%。據(jù)此可判斷:1)若滿足判據(jù)式(30),則系統(tǒng)可消納極端風(fēng)電出力,即系統(tǒng)可消納{PWIND,t(max-m)}與{PWIND,t(min)}界定的風(fēng)電出力“包絡(luò)帶”。繼而上調(diào)拓展因子,則式中:Δu+為拓展因子的試探步長(zhǎng);μ1+為初始拓展因子;μm+1+為更新的拓展因子。循環(huán)進(jìn)行式(15)—(31)所述過(guò)程,直到無(wú)法滿足判據(jù)式(30)。2)若不滿足判據(jù)式(30),則系統(tǒng)無(wú)法消納極端風(fēng)電出力,評(píng)估結(jié)束;前一次迭代所確定的“包絡(luò)帶”即為系統(tǒng)全時(shí)段風(fēng)電消納能力。4計(jì)算與分析4.1等效負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果本節(jié)以我國(guó)某地區(qū)電網(wǎng)某年電源規(guī)劃與負(fù)荷發(fā)展數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于日運(yùn)行模擬模型,選取某典型日(全年最大負(fù)荷日)進(jìn)行風(fēng)電消納能力的評(píng)估。圖3給出了日前掌握的典型日預(yù)測(cè)信息。相比于系統(tǒng)負(fù)荷曲線,等效負(fù)荷曲線發(fā)生了畸變:1)等效負(fù)荷的峰谷差相比系統(tǒng)負(fù)荷增加了1362.14MW,使系統(tǒng)面臨更為嚴(yán)峻的調(diào)峰壓力;2)等效負(fù)荷的負(fù)荷率相比系統(tǒng)負(fù)荷降低了0.0149,使常規(guī)機(jī)組承擔(dān)更為嚴(yán)峻的負(fù)荷跟蹤壓力?；陬A(yù)測(cè)所得的系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電出力,以“確保系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)所得風(fēng)電按最小棄風(fēng)方式消納”為原則進(jìn)行日前機(jī)組組合,確定區(qū)內(nèi)外共開(kāi)機(jī)135臺(tái),累計(jì)開(kāi)機(jī)容量112312.6MW。4.2風(fēng)電出力預(yù)測(cè)采用本文提出的評(píng)估模型,得到典型日可消納等效負(fù)荷如圖4所示?？梢钥吹?該評(píng)估結(jié)果給出了系統(tǒng)可消納等效負(fù)荷的上限、下限及極端出力。表1給出了典型日等效負(fù)荷消納能力的定量分析。極端等效負(fù)荷具有與上限負(fù)荷相同的最大負(fù)荷(110115.10MW),具備與下限負(fù)荷相同的最小負(fù)荷(36000.20MW),從而具有包絡(luò)帶內(nèi)最大的峰谷差(74114.90MW),使常規(guī)機(jī)組面臨最嚴(yán)峻的調(diào)峰壓力。與此同時(shí),極端等效負(fù)荷的負(fù)荷率(0.6625)顯著低于上限負(fù)荷(0.8317)與下限負(fù)荷(0.7228),其根本原因在于極端負(fù)荷相比于上限負(fù)荷與下限負(fù)荷波動(dòng)更加劇烈,這使得常規(guī)機(jī)組面臨最嚴(yán)峻的負(fù)荷跟蹤壓力。由圖4即可推出系統(tǒng)可消納風(fēng)電,如圖5所示。該評(píng)估結(jié)果給出了系統(tǒng)可消納風(fēng)電的上限、下限及極端風(fēng)電出力。當(dāng)風(fēng)電出力大于可消納風(fēng)電的上限,系統(tǒng)受限于調(diào)峰能力(即最低出力的要求)與負(fù)荷跟蹤能力而無(wú)法消納;當(dāng)風(fēng)電出力小于可消納風(fēng)電的下限,系統(tǒng)受限于開(kāi)機(jī)容量(即最大出力不足)而無(wú)法滿足系統(tǒng)平衡;可消納極端風(fēng)電出力是系統(tǒng)可消納的波動(dòng)最為劇烈的風(fēng)電出力。圖5中,基于風(fēng)電預(yù)測(cè)所得的常規(guī)機(jī)組啟停狀態(tài)具有高于預(yù)測(cè)風(fēng)電的消納能力。具體來(lái)看:1)上限風(fēng)電出力的最大功率為42837.60MW,占系統(tǒng)最大負(fù)荷比為38.90%,最小功率為0765.50MW,占系統(tǒng)最大負(fù)荷比為18.86%,這主要得益于其相對(duì)較小的峰谷差(22072.10MW)與相對(duì)不劇烈的波動(dòng)程度,使系統(tǒng)所面臨的反調(diào)峰壓力與負(fù)荷跟蹤壓力都相對(duì)較小。2)下限風(fēng)電出力為0,即既定的常規(guī)機(jī)組啟停狀態(tài)可滿足無(wú)風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷的供電要求。3)極端風(fēng)電出力具備更大的峰谷差(42371.70MW),其波動(dòng)程度也是最為劇烈的,使系統(tǒng)面臨最為嚴(yán)峻的反調(diào)峰和負(fù)荷跟蹤壓力。值得說(shuō)明的是,圖4、5的評(píng)估結(jié)果兼顧了系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生峰谷轉(zhuǎn)移的可能。圖6給出了等效負(fù)荷發(fā)生峰谷轉(zhuǎn)移的例子?？梢钥吹?日前預(yù)測(cè)的等效負(fù)荷峰、谷時(shí)段分別為第12個(gè)時(shí)段、第7個(gè)時(shí)段。等效負(fù)荷I峰、谷時(shí)段轉(zhuǎn)移至第11個(gè)時(shí)段、第19個(gè)時(shí)段,全時(shí)段處于“包絡(luò)帶”內(nèi),可被消納;等效負(fù)荷II峰、谷時(shí)段轉(zhuǎn)移至第9個(gè)時(shí)段、第4個(gè)時(shí)段,未全時(shí)段處于“包絡(luò)帶”內(nèi),需要棄風(fēng)。極端等效負(fù)荷是判定風(fēng)電“包絡(luò)帶”是否可被完全消納的判據(jù)樣本,為進(jìn)一步分析“包絡(luò)帶”拓展過(guò)程中極端等效負(fù)荷的變化趨勢(shì),繪制圖7?？梢钥吹?隨著拓展因子逐步增大,極端等效負(fù)荷的畸變程度逐步加劇,具體表現(xiàn)為:1)極端等效負(fù)荷的負(fù)荷率基本呈下降趨勢(shì);2)極端等效負(fù)荷的峰谷差基本呈增大趨勢(shì);3)極端等效負(fù)荷的平均波動(dòng)呈增