大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的調(diào)峰問題研究

大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的調(diào)峰問題研究

0發(fā)展新能源發(fā)電,積極推動電網(wǎng)建設日本的核計算機化事故影響了世界核計算機化的發(fā)展進程，促使人們尋求其他替代措施來清潔能源。風電具有安全、清潔、充裕等特點,將成為未來人們利用清潔能源最主要的方式之一。然而由于風電出力具有間歇性、隨機性和反調(diào)峰性,大規(guī)模風電接入電網(wǎng)使得現(xiàn)有運行中的火電機組被迫大幅參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻工作,造成電網(wǎng)調(diào)度的難度和系統(tǒng)運行成本的增加。針對大規(guī)模風電并網(wǎng)存在的問題,現(xiàn)有文獻從各方面提出了不同解決方法,主要包括:1)提高風力發(fā)電系統(tǒng)短期功率預報精度,盡可能減少由于風電接入對系統(tǒng)調(diào)峰容量增量的需求;2)完善風機并網(wǎng)技術標準,引導產(chǎn)業(yè)開發(fā)適應電網(wǎng)要求的裝備,使風機具有低電壓穿越、有功無功控制等技術;3)利用可中斷負荷等用戶激勵響應,減少負荷需求,變相增加系統(tǒng)調(diào)峰容量;4)在更廣域的范圍內(nèi)配置風電,增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力;5)加快儲能等新興能源技術的發(fā)展。盡管國家從各個層面加強了風機并網(wǎng)技術管理,但是根據(jù)國家電監(jiān)會于2011年2月發(fā)布的《風電、光伏發(fā)電情況監(jiān)管報告》報告顯示,我國近1/4的風電設備處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),風電產(chǎn)能浪費的主要原因除了大規(guī)模電網(wǎng)基建工程滯后外,還有就是過去缺乏經(jīng)驗,對風電性能認識不夠,對其對電網(wǎng)安全運行帶來的危害認識不足。日前在吉林召開的國家電網(wǎng)風電工作座談會上提出國家電網(wǎng)擬全面實施風電上網(wǎng)的嚴格準入,提出風電場要具備功率控制、功率預測、低電壓穿越、監(jiān)控通信等功能要求,而國家能源局也公開表達了對合理棄風的肯定。事實上,允許放棄一定的邊際電量,降低電網(wǎng)的總體調(diào)峰需求和成本,避免電力系統(tǒng)為保障電網(wǎng)安全而增加昂貴的調(diào)峰邊際成本,與國家提出的鼓勵可再生資源發(fā)電并網(wǎng)的保障政策是相輔相成的,也就是說在強制要求電網(wǎng)公司收購可再生能源電力的同時,也應該滿足這種要求服從電網(wǎng)的安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行。以酒泉基地為例,機組容量為1000萬kW,外送工程如果用1000萬kW容量來配套,運行670萬kW以下的時間占了95%,超過970萬kW負荷的發(fā)電量僅為1%,也就是說,其中有三分之一電網(wǎng)投資只獲得1%的電量。文中針對上述問題,擬從風電功率概率分布和負荷功率分布情況,利用weibull分布擬合等效負荷曲線,分析棄風功率對系統(tǒng)調(diào)峰容量和風電發(fā)電容量的影響,研究在現(xiàn)有電源結(jié)構的情況下,論證合理棄風的必要性和可行性,為電網(wǎng)的規(guī)劃建設提供了理論決策支持。最后以甘肅和陜甘青寧電網(wǎng)為例,對文中算法進行驗證。1負荷特性與峰谷差分析風電具有間歇性和隨機性的特點,目前還無法像其他常規(guī)電源那樣對其出力進行安排和控制。大規(guī)模風電并網(wǎng)運行將增加系統(tǒng)中不可控的發(fā)電出力,并對電力系統(tǒng)維持供需平衡的能力產(chǎn)生影響。適應風電接入后對系統(tǒng)維持供需平衡能力的影響,是電網(wǎng)接納風電能力的最重要條件。在不考慮聯(lián)絡線參與調(diào)峰的前提下,區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)可接納的風電功率很大程度受限于其他電源出力的調(diào)整能力,即調(diào)峰能力。當系統(tǒng)負荷處于最小值時,風電功率輸出可能達到最大,其他電源則要調(diào)整出力,讓出負荷由風電供電。但受常規(guī)火電微增特性的制約,降低出力運行或關停將提高其發(fā)電成本。如果能在電網(wǎng)負荷低谷時段適度棄風,不僅能夠減少常規(guī)火電降出力運行的壓力,也能夠提高電網(wǎng)接納風電并網(wǎng)能力,從而提高整個電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。電網(wǎng)的調(diào)峰特性與電網(wǎng)負荷及風電機組的出力特性密切相關,其調(diào)峰能力為常規(guī)裝機容量減去負荷功率,再加上風電出力功率。圖1為甘肅在夏季連續(xù)6日的風電場出力曲線、負荷曲線與等效負荷曲線。對于負荷曲線而言,其負荷特性具有明顯的規(guī)律性,每日午夜負荷水平最低,中午時達到次高峰,在晚上八點左右則達到最高峰;對于風電功率而言,同一區(qū)域的夏季常常具有近似的分布情況;從等效負荷中可以看出,風電的投入增大了系統(tǒng)峰谷差,此峰谷差中包含了負荷和風電之間的統(tǒng)計關系,如果對其進行建模,則可以分析出棄風容量對等效負荷概率分布以及備用容量概率分布情況的影響,為系統(tǒng)利用合理棄風,提高大規(guī)模風電消納能力提供理論依據(jù)。電網(wǎng)安排調(diào)峰的主要依據(jù)是系統(tǒng)的峰谷差;棄風的情況主要是發(fā)生在負荷為低谷的時候,為了有效分析系統(tǒng)的合理棄風對系統(tǒng)峰谷差和風機發(fā)電容量的影響,首先利用場景分析法分析下列四種極端情況:情況a和d屬于正調(diào)峰,有利于系統(tǒng)的運行,此處不再分析;情況b和c屬于反調(diào)峰,將惡化系統(tǒng)運行。從圖1中可以看出,等效負荷較小的情況往往在負荷較小并且風機出力較大時,因此風機對系統(tǒng)反調(diào)峰基本上是在等效負荷為較小時,若在此時合理棄風,將顯著影響系統(tǒng)調(diào)峰的峰谷差,可以以少量的棄風換取更大規(guī)模風電的接入。2棄風對發(fā)電容量的影響Weibull分布,又稱韋伯分布,由瑞典物理學家WallodiWeibull于1939年引進。其功率密度函數(shù)如式(1)所示。研究人員將weibull分布用于描述風速統(tǒng)計的概率密度函數(shù)。本文將其應用于對等效負荷的分析,圖2為利用該分布檢驗等效負荷的結(jié)果,從圖中可以看出,負荷的等效曲線符合weibull分布,可利用weibull概率密度函數(shù)對等效負荷進行分析。圖3為甘肅夏季的等效負荷密度函數(shù)。從該圖中可以看出,如果對系統(tǒng)中的風電機組進行棄風,則可以減少負荷的峰谷差,但是會造成風電發(fā)電容量的損失。從圖3中來看,棄風將會減少等效負荷在低谷時的概率分布。為了量化棄風對系統(tǒng)調(diào)峰和發(fā)電容量的影響,必須對系統(tǒng)調(diào)峰和發(fā)電容量的影響進行量化,現(xiàn)做出如下定義。定義1棄風對調(diào)峰的改善系數(shù)為式中:Picast為棄風功率;Ppr為電網(wǎng)在一段時間內(nèi)的最大調(diào)峰容量,k1為改善系數(shù)的比例因子,文中取值為0.5。定義2棄風對發(fā)電容量的影響為式中:f(x)為等效負荷的概率密度函數(shù);k2為棄風對發(fā)電容量影響的比例因子,文中取值為0.5,另外滿足k1+k2=1。對于定義1來說,其意義為合理的棄風,也就是在負荷最小、風速最大時的棄風將明顯改善電網(wǎng)的調(diào)峰容量,特別地,在棄風容量為0時,則對調(diào)峰的改善系數(shù)為0;對于定義2來說,棄風的時刻通常發(fā)生在負荷最小而風速最大的時刻,此時的等效負荷往往是最小的時刻,因此,棄風的容量通常為等效負荷的概率密度函數(shù)從0值開始進行積分,進而得到棄風對發(fā)電容量的影響,該算法為提高風電消納能力,提高系統(tǒng)經(jīng)濟安全運行提供分析基礎。需要注意的是,在上述兩個定義中,其系數(shù)均無量綱,也就是說,在一個含有風電系統(tǒng)的電網(wǎng)的等效負荷確定之后,根據(jù)文中算法,調(diào)峰改善系數(shù)與風電棄風容量間只會有一個固定交點,即為文中算法尋找最佳的棄風功率,但是不同的決策者往往會有不同的偏好,若希望系統(tǒng)運行更加保守,即希望棄風對調(diào)峰的改善情況更為明顯,則需要增大k1,減小k2,反之若希望系統(tǒng)能更多地接受風電,則減小k1,增大k2。3棄風功率對棄風容量和改善調(diào)峰比例的影響以甘肅和陜甘青寧兩個不同地理尺度上的夏季負荷及風電場功率為例,對文中算法進行驗證。甘肅負荷及風電功率情況如圖1所示;陜甘青寧夏季連續(xù)6天負荷及風電場及負荷功率情況如圖4所示。首先對圖4的等效負荷進行weibull檢驗,結(jié)果如圖5所示,從圖中可以看出,其服從weibull分布,可以利用文中方法進行分析。利用式(1)求出陜甘青寧地區(qū)的等效負荷概率分布密度函數(shù),如圖6所示。接下來利用定義1和定義2來研究棄風功率對棄風容量和改善調(diào)峰比例情況進行分析。圖7、圖8分別給出了甘肅電網(wǎng)和陜甘青寧電網(wǎng)的棄風功率對棄風容量、改善調(diào)峰比例情況之間的量化關系,圖中實線為棄風容量,虛線則為改善調(diào)峰比例。從圖中可以看出,棄風對調(diào)峰比例系數(shù)的改善服從比例分布,隨著棄風容量的增加,改善調(diào)峰比例也呈正比的增加;棄風功率對棄風容量的增加則呈現(xiàn)先緩后快的變化,這是因為剛剛開始的棄風發(fā)生在概率比較小的最小等效負荷,對棄風容量的影響不大,小于改善調(diào)峰比例增加值,但是隨著棄風功率的進一步增加,棄風容量增加將加速,并超過改善調(diào)峰比例系數(shù)。從圖7中可以看出,甘肅電網(wǎng)的最佳棄風功率應該在560MW附近,此時的棄風容量為1.6%左右,而改善調(diào)峰比例卻達到8%左右;從圖8中可以看出,陜甘青寧的最佳棄風功率應該在300MW附近,此時的棄風容量為0.4%左右,改善調(diào)峰情況達到4%左右,分析結(jié)果如表1所示。陜甘青寧四省中,甘肅的風機裝機容量占了很大部分比例,從表1可以看出,以甘肅風電主要的風能資源如果在更廣范圍內(nèi)配置風電,即可以尋求更小的棄風功率,來滿足更小的棄風容量和最大程度的改善調(diào)峰情況,這與國家要求在省級、區(qū)域、國家級范圍內(nèi)建立逐級間歇式能源消納的框架體系是保持一致的。4控制電用量分析本文研究了在現(xiàn)有電源結(jié)構下,從風電反調(diào)峰性的角度論證了合理棄風的必要性和可行性,然后利用weibull分布擬合等效負荷曲線并作