基于隨機(jī)生產(chǎn)模擬的新能源接入系統(tǒng)發(fā)電成本評(píng)估

基于隨機(jī)生產(chǎn)模擬的新能源接入系統(tǒng)發(fā)電成本評(píng)估

0風(fēng)電場(chǎng)參與隨機(jī)生產(chǎn)模擬研究隨著規(guī)模和數(shù)量的增加，風(fēng)壓站和光照站在能源系統(tǒng)中的作用不容忽視。在電力規(guī)劃中,研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站對(duì)節(jié)約常規(guī)發(fā)電機(jī)組燃料及減少系統(tǒng)發(fā)電成本的貢獻(xiàn)意義重大。電力系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬是評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、分析生產(chǎn)成本及制定燃料計(jì)劃的主要工具,是電力系統(tǒng)規(guī)劃的重要組成部分。目前,在關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)參與隨機(jī)生產(chǎn)模擬的研究中,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的處理主要有2種方法:一種是將風(fēng)電場(chǎng)處理為多狀態(tài)機(jī)組,安排風(fēng)電帶基荷;另一種是將風(fēng)電場(chǎng)出力處理為負(fù)的負(fù)荷,直接在負(fù)荷中剔除。上述2種處理風(fēng)電的方法均無法考慮實(shí)際電網(wǎng)中由于調(diào)峰問題造成的谷荷棄風(fēng)帶來的功率損失。而關(guān)于光伏電站參與隨機(jī)生產(chǎn)模擬還未見相關(guān)的研究報(bào)道。本文結(jié)合隨機(jī)生產(chǎn)模擬的特性與風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的電源特性開展研究,并利用IEEE-RTS79系統(tǒng)對(duì)該方法進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。1日負(fù)荷與風(fēng)力的關(guān)系雖然風(fēng)電與光伏電源均為間歇式電源接入電網(wǎng),但它們的具體電源特性卻有顯著不同。風(fēng)電特性取決于風(fēng)資源特性。文獻(xiàn)的研究表明,風(fēng)電波動(dòng)主要與天氣相關(guān),而天氣變化通常采用多天時(shí)間尺度,一般可忽略其與日負(fù)荷的相關(guān)性。風(fēng)電并網(wǎng)后,風(fēng)電電量能否全部利用主要取決于在日負(fù)荷谷荷時(shí)段是否有足夠的出力空間。負(fù)荷分布會(huì)制約風(fēng)電電量的充分利用。晝夜交替使光伏電源天然具有日時(shí)間尺度的周期性,與日負(fù)荷強(qiáng)相關(guān)。通常光伏出力的變化趨勢(shì)與日負(fù)荷變化一致度較高,并且負(fù)荷日變化量一般遠(yuǎn)大于光伏出力日變化量,所以可認(rèn)為光伏電源并網(wǎng)后不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)出力空間不足問題,即負(fù)荷分布不會(huì)制約光伏電源電量的充分利用。2電源的參與原則在經(jīng)典隨機(jī)生產(chǎn)模擬的框架下,考察風(fēng)、光電源的參與原則,主要需要明確的問題為:(1)風(fēng)、光電源參與下如何形成負(fù)荷持續(xù)曲線;(2)機(jī)組帶負(fù)荷順序是否需要變化。2.1光伏電源出力修正負(fù)荷持續(xù)曲線由于隨機(jī)生產(chǎn)模擬核心是把發(fā)電機(jī)組的隨機(jī)停運(yùn)與隨機(jī)負(fù)荷巧妙地結(jié)合起來,將發(fā)電機(jī)組的隨機(jī)停運(yùn)和隨機(jī)負(fù)荷處理為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量,按一定順序進(jìn)行卷積運(yùn)算。而光伏電源出力與負(fù)荷強(qiáng)相關(guān),說明不能將光伏電源處理為獨(dú)立參與隨機(jī)生產(chǎn)模擬的多態(tài)機(jī)組,同時(shí)負(fù)荷分布不制約光伏電源電量的充分利用,說明將光伏電源出力合并到負(fù)荷持續(xù)曲線中去是合理的,所以應(yīng)該用光伏電源出力修正原始負(fù)荷持續(xù)曲線。具體可根據(jù)光強(qiáng)的時(shí)序模型折算出光伏電源的時(shí)序出力,利用時(shí)序負(fù)荷曲線減去時(shí)序光伏電源出力得到凈負(fù)荷曲線,之后基于凈負(fù)荷曲線計(jì)算負(fù)荷持續(xù)曲線。圖1對(duì)比了原始負(fù)荷持續(xù)曲線和剔除光伏出力的凈負(fù)荷持續(xù)曲線,原始持續(xù)負(fù)荷曲線為IEEE-RTS測(cè)試系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)序曲線整理得到,凈負(fù)荷持續(xù)曲線是IEEE-RTS測(cè)試系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)序曲線減去某光伏電站全年出力整理得到。由圖1可知,由于光伏電源與負(fù)荷的在日時(shí)間尺度上的強(qiáng)相關(guān)性,使光伏電源對(duì)原始負(fù)荷分布中各個(gè)負(fù)荷水平影響是不均勻的,修改了負(fù)荷曲線形狀,這將影響帶腰荷的機(jī)組的發(fā)電量,也說明在隨機(jī)生產(chǎn)模擬中將光伏電源出力處理為與負(fù)荷相互獨(dú)立隨機(jī)變量是不可行的,應(yīng)該將其作為負(fù)的負(fù)荷合并到負(fù)荷持續(xù)曲線中去。而對(duì)于風(fēng)電,其電量能否充分利用受制于是否有充足的出力空間,涉及模擬過程中的細(xì)節(jié),不適于將風(fēng)電作為負(fù)的負(fù)荷,并且風(fēng)電與負(fù)荷相關(guān)性可以忽略,均說明在隨機(jī)生產(chǎn)模擬過程中適宜將風(fēng)電處理為多態(tài)機(jī)組。2.2等效負(fù)荷持續(xù)曲線由文獻(xiàn)可知在中國(guó)現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)下,棄風(fēng)主要來源于低谷負(fù)荷時(shí)風(fēng)電出力空間不足,考慮這一運(yùn)行約束,在隨機(jī)生產(chǎn)模擬中應(yīng)該調(diào)整文獻(xiàn)中機(jī)組帶負(fù)荷順序。由原來將等效風(fēng)電多態(tài)機(jī)組首先安排在基荷帶負(fù)荷,調(diào)整為安排完基荷機(jī)組后再安排等效風(fēng)電多態(tài)機(jī)組帶負(fù)荷。基荷機(jī)組通常包括核電機(jī)組、恒出力的水電機(jī)組及非啟停調(diào)峰的火電機(jī)組最小出力部分等?；扇萘康拇笮】赏ㄟ^泛化的調(diào)峰容量比推算得到。安排完風(fēng)電后,可以按機(jī)組容量或經(jīng)濟(jì)性順序安排化石燃料調(diào)峰機(jī)組帶負(fù)荷,按機(jī)組利用小時(shí)數(shù)順序安排調(diào)峰水電機(jī)組帶負(fù)荷,在水、火機(jī)組帶負(fù)荷順序的基礎(chǔ)上為水電機(jī)組找到合適的帶負(fù)荷位置使其充分發(fā)揮容量及電量?jī)r(jià)值?；诖朔N機(jī)組帶負(fù)荷順序,等效風(fēng)電機(jī)組在等效負(fù)荷持續(xù)曲線上會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的2種情況。圖2中C是風(fēng)電裝機(jī)容量,陰影面積為風(fēng)電總發(fā)電量。圖2a)陰影完全在等效持續(xù)負(fù)荷曲線內(nèi),此時(shí)不棄風(fēng);圖2b)陰影的一部分在等效持續(xù)負(fù)荷曲線外,此時(shí)棄風(fēng)。對(duì)應(yīng)可提出棄風(fēng)指標(biāo):棄風(fēng)功率損失期望(LossofWindEnergyExpectation,LWEE)和棄風(fēng)比率(AbandonedWindRate,AWR),表達(dá)式如下:式中:S為圖2中陰影總面積;S*為等效負(fù)荷曲線內(nèi)陰影所對(duì)應(yīng)的面積。3隨機(jī)生產(chǎn)模擬流程根據(jù)上述分析,圖3給出含大規(guī)模風(fēng)、光電源的電力系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬流程。流程中安排機(jī)組帶負(fù)荷算法可采用卷積算法、半不變量法或等效電量函數(shù)法等,具體算法本文不再贅述。4隨機(jī)生產(chǎn)模擬、中風(fēng)和光電源模型4.1基于機(jī)組的風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化配置由文獻(xiàn)知,風(fēng)電出力可由Beta分布描述。根據(jù)已知分布選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)數(shù)目可以形成風(fēng)電出力的多狀態(tài)概率,或者直接選用多年運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)未作擬合的離散的原始風(fēng)電分布數(shù)據(jù)。通常在規(guī)劃階段只測(cè)得風(fēng)速出力分布,此時(shí)可以通過風(fēng)電機(jī)組模型將風(fēng)速分布轉(zhuǎn)化成風(fēng)電出力分布,進(jìn)而通過選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)數(shù)目形成等效的風(fēng)電多狀態(tài)機(jī)組。通常風(fēng)速分布可以由Weibull分布、Rayleigh分布、Chi-2分布或Lognormal分布來描述。4.2光伏電池生物固性測(cè)試如果考慮光伏電池最大功率跟蹤策略,光伏電池的輸出功率如下式:式中:Ppv為光伏電池實(shí)際輸出功率;Ypv為光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的額定功率;fpv為光伏電池?fù)p耗系數(shù);RT為實(shí)際光輻射強(qiáng)度;RSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光輻射強(qiáng)度;α為光伏電池功率溫度系數(shù);TC為實(shí)際環(huán)境溫度;TSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的環(huán)境溫度,取25℃。根據(jù)式(3)及光伏電站時(shí)序光照強(qiáng)度水平和時(shí)序溫度水平可以形成光伏出力的時(shí)序出力曲線。5光伏機(jī)組模型及模型驗(yàn)證本文采用算例為IEEE-RTS32機(jī)系統(tǒng),裝機(jī)容量為3405MW,最大常規(guī)機(jī)組單機(jī)容量為400MW,最小常規(guī)機(jī)組單機(jī)容量為12MW,年最大負(fù)荷為2850MW。根據(jù)文獻(xiàn)關(guān)于算例調(diào)峰容量比的設(shè)置,折算得到各機(jī)組的最小出力。機(jī)組參數(shù)如表1所示。算例考察周期為一周,采用IEEE-RTS第50周時(shí)序負(fù)荷數(shù)據(jù)。算例假設(shè)可用水電電量為8400MW·h。光伏電源模型中選定中國(guó)規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模光伏發(fā)電的西北地區(qū)(西寧:北緯36°,東經(jīng)101°)作為光照強(qiáng)度設(shè)定取值區(qū),通過HOMER軟件計(jì)算得到時(shí)序光照強(qiáng)度曲線,根據(jù)西寧的天氣歷史數(shù)據(jù)得到的時(shí)序溫度曲線。光伏電池?fù)p耗系數(shù)為0.87,光伏電池功率溫度系數(shù)取單晶硅典型值0.0046。風(fēng)電模型中風(fēng)速模型服從Weibull分布,形狀參數(shù)為1.96,尺度參數(shù)為6.54;風(fēng)電機(jī)組模型采用文獻(xiàn)所描述模型,其中額定風(fēng)速為14m/s,切入、切出風(fēng)速分別為3m/s、25m/s。安排機(jī)組具體算法采用半不變量算法。根據(jù)本文方法對(duì)下述4種情景,得到計(jì)算結(jié)果如表2所示。情景1:并網(wǎng)風(fēng)、光電源容量均為零。情景2:并網(wǎng)光伏電源容量為200MW。情景3:并網(wǎng)光伏電源容量為200MW,并網(wǎng)風(fēng)電容量為300MW。情景4:并網(wǎng)光伏電源容量為200MW,并網(wǎng)風(fēng)電容量為600MW。由表2可知,風(fēng)光電源接入后有效地減少了系統(tǒng)的發(fā)電成本,節(jié)約了化石燃料。根據(jù)情景3和情景4可知,風(fēng)電接入容量為300MW和600MW時(shí)均會(huì)出現(xiàn)風(fēng)電功率損失,并且風(fēng)電接入規(guī)模越大棄風(fēng)功率損失越大,說明了算例系統(tǒng)中常規(guī)靈活電源比重較小,風(fēng)電出力空間狹小。減小棄風(fēng)功率可以通過利用啟停靈活燃?xì)鈾C(jī)組替代強(qiáng)迫出力大的機(jī)組,或者通過有效的負(fù)荷管理修改負(fù)荷分布特性,削減峰谷差,以有效增加風(fēng)電出力空間。6風(fēng)電與光伏電源參與隨機(jī)生產(chǎn)模擬及風(fēng)功率損失期望模型可再生能源并網(wǎng)會(huì)有效減少化石能源消耗,減小系統(tǒng)發(fā)電成本,帶來巨大的環(huán)境效益。本文從電源規(guī)劃的角度,利用隨機(jī)生產(chǎn)模擬對(duì)可再生能源接入系統(tǒng)發(fā)電成本進(jìn)行了評(píng)估。根據(jù)風(fēng)電與光伏電源