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基于確定性和概率性的風電消納能力評估研究(上)
日期:2021-09-22   [復制鏈接]
責任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
為緩解當前能源短缺、氣候變暖、環(huán)境污染的矛盾,大規(guī)模發(fā)展風能、太陽能等新能源發(fā)電成為必然趨勢。然而,由于大規(guī)模風電開發(fā)過程中與當?shù)仉娋W、電源發(fā)展規(guī)劃脫節(jié),再加上風電固有的隨機波動特性,中國多個電網出現(xiàn)了較為嚴重的棄風問題,制約了其消納能力和并網低碳效益。所以合理的風電發(fā)展規(guī)劃尤為重要,而規(guī)劃的首要前提是根據(jù)不同電網的特點,評估其風電的消納能力。

目前國內外關于風電消納能力分析的研究主要考慮的是極端時段和單一因素,缺乏對影響消納能力的各個層面進行分析,同時無法考慮全時段風電出力特性,從多個場景長時間尺度來評估風電消納能力。本文首先歸納風電消納能力評估的相關因素,提出了一種確定性和概率性相結合的方法,從多個角度對風電的消納能力進行科學計算與評估。其中確定性評估方法主要基于單一嚴苛場景進行分析,概率性評估方法則基于含風電的8760小時時序運行模擬結果,在確保全年最大棄風電量比例低于5%的情況下,得到的最大風電接入容量。接著以某省級電網為例,評估其風電消納能力,識別影響電網風電消納的關鍵因素。

風電消納能力評估相關因素

調峰能力

相比傳統(tǒng)的發(fā)電方式,風力發(fā)電的出力具有顯著的不確定性和不可控性,當風速變化引起風電場功率變化時,需要隨時調整系統(tǒng)中常規(guī)能源機組的出力,以滿足系統(tǒng)負荷需求。在不考慮風電場功率預測的情況下,傳統(tǒng)的系統(tǒng)日前發(fā)電計劃中無法考慮風電的預期出力,為了滿足系統(tǒng)電力平衡,電網開機計劃與運行方式按風電場出力為0考慮。當電網中風電出力增大時,需要降低電網中常規(guī)能源機組出力以保證電網電力平衡,此時,決定電網的調峰能力取決于整個電網中常規(guī)能源機組降低出力的能力。在考慮風電場功率預測的情況下,系統(tǒng)將風電出力預測納入電網調度與開機計劃,將風電當作負的負荷處理,此時,部分調峰能力已經在發(fā)電計劃中體現(xiàn),當風電實際出力與預測產生偏差時,需要調用系統(tǒng)剩余的調峰能力。

隨著系統(tǒng)內風電裝機占系統(tǒng)最大負荷的比例不斷擴大,電網的調峰需求將逐步增加,電網的調峰能力可能成為風電發(fā)展的技術瓶頸??捎糜谄胶怙L電功率波動的電網調峰容量對于電網的不同運行方式、電網的不同負荷水平都是不同的,因此,系統(tǒng)調峰能力將直接影響風電的消納水平。

調頻能力

電力系統(tǒng)需要保持供需之間的實時平衡。由于負荷的不確定性,預測負荷與實際負荷之間存在一定的偏差,并由此產生不平衡負荷,電力系統(tǒng)需要實時平衡這部分偏差。系統(tǒng)的AGC、旋轉備用、非旋轉備用和替代備用等就是為平衡這部分偏差所設置的。其中,AGC用于實時處理較小的負荷與發(fā)電功率的不匹配,維持系統(tǒng)頻率,并使控制區(qū)內負荷與發(fā)電功率的偏差及控制區(qū)之間的交換功率實際值與計劃值的偏差最小。

根據(jù)國內外的普遍情況,系統(tǒng)AGC需求約為系統(tǒng)最大負荷的3%,這部分AGC需求僅對應負荷短期的波動。當系統(tǒng)中接入較多風電時,由于風電場本身不能夠提供AGC服務,因此,系統(tǒng)中常規(guī)機組不僅需要為負荷提供AGC服務,而且還要為風電場的出力波動提供AGC服務。系統(tǒng)AGC的服務對象由原始負荷曲線變?yōu)榭紤]風電出力后的等效負荷曲線。因此,需要研究風電出力秒級至分鐘級的波動特性以及由此增加的系統(tǒng)AGC服務需求,評估系統(tǒng)調頻儲備對風電消納能力的影響。

備用能力

電力系統(tǒng)中各類備用的作用是為了應對電力系統(tǒng)的各種不確定性。其中對于電力系統(tǒng)短期調度而言,負荷備用的作用是為了應對系統(tǒng)負荷預測的偏差而可能產生的負荷-發(fā)電不平衡。風電的接入為系統(tǒng)負荷與發(fā)電平衡帶來了新的不確定性。與常規(guī)機組不同,風電出力具有間歇性,難以進行自如的有功控制,對于日前調度而言,系統(tǒng)常規(guī)機組不僅要為負荷預留備用,而且需要為風電預留備用。在風電接入容量較小的情況下,無論日前發(fā)電計劃還是實時調度,可以暫不考慮風電的出力。隨著風電接入容量的增加及隨之對電網影響的增大,調度運行中考慮風電預測出力已經成為大勢所趨。

目前數(shù)值天氣預報技術對風速預測的精度較低,而且風速預測誤差隨著預測提前時段的增長而急劇增加,因此相比負荷而言,風電的短期具有較大的不確定性。在日前發(fā)電計劃中,風電出力的不確定性可能大于負荷的不確定性。風電接入后,系統(tǒng)需要取更多的旋轉備用以應對風電實際出力與預測值的偏差。因此,系統(tǒng)備用儲備對風電消納能力產生較大的影響。

風電消納能力評估方法

本文提出的確定性與概率性相結合的風電消納能力評估方法框架圖如圖1所示。


風電消納能力確定性評估模型與方法

確定性的分析方法是指通過對電力系統(tǒng)各邊界條件進行科學的假定或設定后展開相應分析的方法,本文中主要基于確定性分析場景庫,根據(jù)典型系統(tǒng)負荷曲線與風電出力曲線,對風電消納能力進行分析與評估。

確定性分析的場景庫主要從負荷曲線和日風電場出力曲線兩個維度來建立。對于負荷,選取最大負荷日、最小負荷日、最大峰谷差日三個典型場景;針對每個典型的負荷場景,根據(jù)95%置信度下的風電最大出力與最小出力,構建理論正調峰、理論反調峰日風電場出力曲線,最終組合為6個確定性風電消納能力評估場景。

對每個確定性場景,分別使用軟件進行日運行模擬計算,統(tǒng)計各場景系統(tǒng)的總調峰需求、風電引起的峰荷正旋轉備用以及谷荷負旋轉備用,同時統(tǒng)計運行模擬結果中火電的調峰率以及火電提供的旋備比例,其中火電的調峰率定義為火電峰荷電力除以火電的開機容量,火電提供的旋備比例等于火電提供的旋備容量除以開機容量。

對于調峰約束,選取調峰需求最大及火電調峰率最高的場景作為調峰約束下的關鍵場景;逐步增加風電裝機容量,使用軟件進行運行模擬,直至系統(tǒng)調峰能力不足出現(xiàn)棄風,則該臨界場景下風電容量即為調峰約束下風電可消納容量。

對于備用約束,選取備用需求最大以及火電提供旋備比例最低的場景作為備用約束下的關鍵場景;逐步增加風電裝機容量,使用軟件進行運行模擬,直至系統(tǒng)備用不足或者出現(xiàn)棄風,則該臨界場景下風電容量即為備用約束下風電可消納容量。

對于調頻約束,調頻需求主要在最大負荷日由負荷引起,在最小負荷日風電出力波動則占較大比例,選取最大最小負荷日為關鍵場景,風電選取典型出力曲線;逐步增加風電裝機容量,利用軟件運行模擬的開機方案,對比系統(tǒng)的調頻能力與調頻需求,直至系統(tǒng)調頻不足,則該臨界場景下的風電容量即為調頻約束下風電可消納容量。

風電消納能力概率性評估模型與方法

新能源消納能力概率性評估基于概率性分析場景庫來對各因素下的新能源消納能力進行評估。使用軟件運行模擬生成全年8760點風電時序出力,將風電時序出力與時序負荷一一對應,則可以得到365個含風電的概率性場景,即為概率性評估場景庫。對概率性評估場景庫的各個場景分別進行考慮多種約束的運行模擬,統(tǒng)計全年的棄風電量,即可表征風電的消納水平。

設置風電消納能力概率性評估最大棄風電量比例為5%,逐步增加風電裝機容量,同時根據(jù)風電裝機容量不斷提高備用率,計算在不同裝機容量下全年的棄風電量比例,直至棄風達到設定值,此時的風電裝機容量為概率性風電消納能力。

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》(上旬刊),作者單位:王彤(南方電網科學研究院有限責任公司),朱靜慧(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司) 

原標題:基于確定性和概率性的風電消納能力評估研究(上)
 
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來源:中國電力企業(yè)管理
 
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