含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的經(jīng)濟性評價指標研究

含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的經(jīng)濟性評價指標研究

0含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式的經(jīng)濟性評價屋頂發(fā)電是一種技術成熟的可支配能源發(fā)電形式，在世界各國引起了迅速發(fā)展。由于目前在風電出力的間歇性和反調(diào)峰特性以及預測準確性和蓄能技術上的制約,風電接入給基于電源可控性和負荷可預測性的發(fā)電計劃制定帶來了挑戰(zhàn)。如何制定科學、合理的含風電系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度計劃,促進電力系統(tǒng)的節(jié)能減排和風電發(fā)展,成為研究熱點。目前,對含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的研究主要集中在風電功率預測和調(diào)度模型等方面,而對含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式的適用性分析和經(jīng)濟性評價的研究則較少。文獻設計了適用于風電運行管理的扁平化調(diào)度模式;文獻分別從風電出力特性的角度和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的角度提出了5種風電計劃的編制模式。但上述文獻均未構(gòu)建調(diào)度模型和提出經(jīng)濟性評價指標,也沒有對不同調(diào)度模式進行量化比對分析,所述調(diào)度模式的適用性有待進一步探討。此外,現(xiàn)有含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式的優(yōu)化模型研究多基于發(fā)電能耗最小的目標,卻很少計及風電接入后引起機組啟停所增能耗的影響。文獻針對風電接入電網(wǎng)后調(diào)度面臨的節(jié)能降耗與風電利用效率之間的矛盾,建立了計及風電接納能力的電網(wǎng)調(diào)度決策模型,但也未考慮風電接入后火電機組啟停的影響。在中國,隨著小火電機組的關停,火電機組以大容量、高參數(shù)的機組為主,啟停能耗普遍較高,不考慮機組啟停狀態(tài)變化,難以客觀、準確地評價風電接入對系統(tǒng)能耗的影響。在上述背景下,本文分別以棄風量最小和能耗最小為目標函數(shù)建立相應的機組組合模型,研究了含風電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的經(jīng)濟性評價指標,并通過對10機測試系統(tǒng)的定量計算,分析了2種發(fā)電調(diào)度模式的經(jīng)濟性。1基于區(qū)塊法的能源規(guī)劃模式和模型及其解決方案1.1基于電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)劃模式1網(wǎng)發(fā)電企業(yè)《可再生能源法(修正案)》指出:全額保障性收購電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)符合并網(wǎng)技術標準的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項目的上網(wǎng)電量,發(fā)電企業(yè)有義務配合電網(wǎng)企業(yè)保障電網(wǎng)安全。對于風力發(fā)電而言,即在保障電力系統(tǒng)安全運行的情況下,盡可能接納風電,使風力發(fā)電企業(yè)的棄風量最小,本文將其簡稱為棄風量最小調(diào)度模式。2低系統(tǒng)煤耗的概念以系統(tǒng)煤耗最小為目標的傳統(tǒng)調(diào)度方式能夠最大化降低系統(tǒng)煤耗,符合節(jié)能發(fā)電調(diào)度的節(jié)能、經(jīng)濟原則。按能耗最小調(diào)度模式進行風電調(diào)度就是在保障電力系統(tǒng)安全運行的情況下,使電力系統(tǒng)的化石能源消耗量最小。1.2基于風力系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)劃模型1風電機組運行耗量模型基于能耗最小的風電調(diào)度模型中,目標函數(shù)是調(diào)度周期內(nèi)火電機組的運行能耗和啟停能耗最小。minF=Τ∑t=1Ν∑i=1minF=∑t=1T∑i=1NUi,tOCi(Pi,t)+Ui,t(1-Ui,t-1)SCi,t(1)式中:T為時段數(shù);N為火電機組數(shù);Ui,t為機組i在時段t的運行狀態(tài)變量,Ui,t=0表示停機,Ui,t=1表示運行;Pi,t為火電機組i在時段t的功率變量;OCi(Pi,t)為運行機組的運行耗量,一般表示為機組功率的二次函數(shù),即OCi(Pi,t)=aiP2i,t2i,t+biPi,t+ci,其中ai,bi,ci為運行耗量參數(shù);SCi,t為機組i在時段t的啟動耗量,與停機時間的長短相關?；跅夛L量最小的風電調(diào)度模型中,目標函數(shù)是調(diào)度周期內(nèi)在可能棄風的情況下風電的實際被調(diào)用量最大,即minΤ∑t=1Ν∑i=1(Ui,tΟCi(Ρi,t)+Ui,t(1-Ui,t-1)SCi,t)+βΤ∑t=1(Ρ*W,t-ΡW,t)(2)min∑t=1T∑i=1N(Ui,tOCi(Pi,t)+Ui,t(1?Ui,t?1)SCi,t)+β∑t=1T(P?W,t?PW,t)(2)式中:PW,t為時段t風電場實際被調(diào)用的風電功率總量;P*W,t為時段t風電場預測可被調(diào)度的風電功率總量;β為優(yōu)先系數(shù),數(shù)倍于火電系統(tǒng)總煤耗的最大值。2機組1515火電機組容量約束:Ui,tPi,min≤Pi≤Ui,tPi,max(3)最小啟停時間約束:{(Ui,t-1-Ui,t)(Τi,t-1-Τi,on)≥0(Ui,t-Ui,t-1)(Τi,t-1-Τi,off)≥0(4)爬坡率約束:{Ρi,t-1-Ρi,t≤ΔΡi,downΡi,t-Ρi,t-1≤ΔΡi,up(5)式中:Pi,min和Pi,max分別為機組i的最小和最大出力;Ti,on和Ti,off分別為機組i的最小連續(xù)運行和停機時間;ΔPi,up和ΔPi,down分別為機組i的上、下爬坡限制。32風能機組技術的限制實際調(diào)用的風電電量約束:0≤PW,t≤P*W,t(6)4含風電系統(tǒng)能耗最小調(diào)度模型功率平衡約束:Ν∑i=1Ui,tΡi,t+ΡW,t=ΡL,t(7)式中:PL,t為時段t系統(tǒng)的負荷需求。旋轉(zhuǎn)備用約束:{Ν∑i=1Ui,t(ΡUi,t-Ρi,t)≥ΡLut+AUSR,tΝ∑i=1Ui,t(Ρi,t-ΡDi,t)≥ADSR,t(8)式中:PUi,t和PDi,t分別為機組i在時段t的最大可用出力和最小可用出力;PLut為未納入風電時系統(tǒng)需要的上旋轉(zhuǎn)備用量,一般取為系統(tǒng)負荷的5%～10%;AUSR,t和ADSR,t分別為由于風電接入而增加的上、下旋轉(zhuǎn)備用量,由風電備用比例系數(shù)r與PW,t相乘得到,其中r一般取0.1～0.2。系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量與調(diào)用風電量相關,當2種模式的風電調(diào)用量不同時,系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量大小不一致(備用設置的合理性分析見附錄A)。目標函數(shù)(式(1))和約束(式(3)—式(8))組成了含風電系統(tǒng)能耗最小調(diào)度模型;目標函數(shù)(式(2))和約束(式(3)—式(8))組成了含風電系統(tǒng)棄風量最小調(diào)度模型。1.3基于mip的機組優(yōu)化計算含風電系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度模型是一個多變量、非線性、混合整數(shù)規(guī)劃問題。當前,基于分支定界算法的混合整數(shù)規(guī)劃(MIP)商業(yè)軟件在一定程度上已具備解決大規(guī)模優(yōu)化問題的能力,因此,通過巧妙構(gòu)建MIP模型并采用商業(yè)軟件進行優(yōu)化計算,已成為求解機組優(yōu)化問題的主要方法。鑒于此,本文參照文獻的方法,對模型的目標函數(shù)及約束條件進行線性化處理,將其轉(zhuǎn)換成線性混合整數(shù)的形式,直接對含風電系統(tǒng)能耗最小調(diào)度模型和棄風量最小調(diào)度模型進行求解。2風電企業(yè)受益電力系統(tǒng)接入并消納風電,一方面有利于電力系統(tǒng)的節(jié)能減排,另一方面風電企業(yè)也因此受益。因此,本文從風電企業(yè)的發(fā)電收益和電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性2個角度建立相應的經(jīng)濟性評價指標,對含風電系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度模式的經(jīng)濟性進行比較分析。2.1風電利用率由于國內(nèi)風電上網(wǎng)價格執(zhí)行標桿電價,實際被調(diào)用的風電越多,風力發(fā)電企業(yè)獲利越多。風電的利用率η定義為某一調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)中被調(diào)用的風電總量與風電企業(yè)可發(fā)的風電總量的比值:η=Τ∑t=1ΡW,tΤ∑t=1Ρ*W,t(9)從式(9)可知,某種調(diào)度模式下風電利用率越高,表明實際調(diào)用的風電量越大,風電企業(yè)的收益越多。2.2耗水平等監(jiān)測在不同的調(diào)度模式下,風電的利用率、系統(tǒng)的能耗水平等不盡相同。為了表征不同調(diào)度模式對含風電系統(tǒng)調(diào)度效果的影響,本文提出了可用風電的單位價值、系統(tǒng)能耗、系統(tǒng)調(diào)峰能力3項評價指標。1系統(tǒng)總煤耗與風電單位價值風電對于火電系統(tǒng)的價值主要體現(xiàn)在節(jié)約系統(tǒng)總煤耗上。定義無風電接入時系統(tǒng)總煤耗與風電接入后系統(tǒng)總煤耗之差為風電價值CV,則系統(tǒng)中可用風電的單位價值C可以用式(10)表示。某種調(diào)度模式下可用風電的單位價值越大,則風電的利用效率越高,該調(diào)度模式對降低系統(tǒng)能耗的效果越明顯。C=CVΤ∑t=1Ρ*W,t(10)2能耗差異率指標某一調(diào)度周期內(nèi),火電系統(tǒng)的能耗主要由火電機組的運行能耗和啟停能耗組成。運行能耗OC、啟停能耗SC、總能耗TC的計算表達式如下:ΟC=Τ∑t=1Ν∑i=1aiΡ2i,t+biΡi,t+ci(11)SC=Τ∑t=1Ν∑i=1SCi,t(12)TC=OC+SC(13)為體現(xiàn)不同調(diào)度模式的能耗差異程度,本文給出了能耗差異率指標γ,即棄風量最小調(diào)度模式的能耗TC1與能耗最小調(diào)度模式的能耗TC2的差值與能耗最小模式的能耗比值,如式(14)所示。能耗差異率越大,則2種調(diào)度模式下系統(tǒng)的能耗差距越大。γ=ΤC1-ΤC2ΤC2(14)3低壓系統(tǒng)的調(diào)峰技術文獻指出:國內(nèi)電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題主要集中在負荷低谷時段,風電接入系統(tǒng)后,由于風電出力的波動性和反調(diào)峰性,系統(tǒng)的低谷調(diào)峰問題更加突顯。火電機組的調(diào)峰能力越充足,則電力系統(tǒng)由于調(diào)峰問題遭受的經(jīng)濟損失期望值越小,運行經(jīng)濟性越好。系統(tǒng)低谷下調(diào)峰能力PR,t計算如下:ΡR,t=Ν∑i=1(Ρi,t-ΡDi,t)(15)3模型比較分析3.1能耗最小調(diào)度模式當系統(tǒng)的風電接入量較少時,2種調(diào)度模式均全額接納風電,優(yōu)化調(diào)度模型一致,故結(jié)果也應相同;當風電接入量增加到一定值時,雖然棄風量最小調(diào)度模式仍能全額接納風電,但能耗最小調(diào)度模式為實現(xiàn)系統(tǒng)能耗最小則可能出現(xiàn)經(jīng)濟性棄風,顯然能耗最小調(diào)度模式的節(jié)能效果比棄風量最小調(diào)度模式好;當風電接入量繼續(xù)增加,棄風量最小調(diào)度模式為保證系統(tǒng)安全運行不得不選擇棄風(本文稱為技術性棄風),而能耗最小調(diào)度模式則存在技術棄風和經(jīng)濟棄風,但火電機組還存在一定的經(jīng)濟運行優(yōu)化空間,故兩者的調(diào)度效果存在差異,但較前一種情況的差異會小些;最終風電接入量增加到某個限值后,能耗最小調(diào)度模式下火電機組的經(jīng)濟運行優(yōu)化空間接近于0,2種調(diào)度模式的棄風量接近,此時2種調(diào)度模式的調(diào)度效果將趨于一致。3.2計算與分析3.2.1未納入風電時的旋轉(zhuǎn)備用取本文采用10機測試系統(tǒng)進行仿真計算,10臺機組參數(shù)、負荷等數(shù)據(jù)見文獻,未納入風電時的旋轉(zhuǎn)備用取系統(tǒng)總負荷的10%,風電備用比例系數(shù)取0.1。國內(nèi)某風電場24時段可用風電出力預測值如表1所示,后續(xù)分析中的增加風電接入量水平均以此風電場預測值Pe為基準成倍數(shù)增加。3.2.2計算示例驗證1圖1:美國統(tǒng)一機制下的“兩網(wǎng)”2種模式在不同風電接入水平下,風電的利用率曲線如圖1所示。可知,棄風量最小調(diào)度模式的風電利用率整體上大于能耗最小調(diào)度模式的風電利用率,故棄風量最小調(diào)度模式下風電被調(diào)用量較多,風電企業(yè)的收益較多。2種調(diào)度模式下風電機組單位價值的對比2種調(diào)度模式下可用風電的單位價值如圖2所示?？捎蔑L電的單位價值均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,表明2種模式下可用風電的單位價值存在一個極值點,使單位風電降低系統(tǒng)能耗的效果最佳。同時,隨著風電接入的增加,2種調(diào)度模式的可用風電單位價值的大小呈現(xiàn)出先一致,然后差異增大,最后趨于一致。這是由于當風電接入量較少時,2種調(diào)度模式都能全額接納風電,調(diào)度效果一致;隨著系統(tǒng)風電接入量增加,能耗最小調(diào)度模式下火電機組經(jīng)濟運行的優(yōu)化空間先增大后變小,最后接近于0?？梢?算例仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論一致。3啟停機能耗對比不考慮火電機組啟停能耗,2種調(diào)度模式下系統(tǒng)運行能耗水平如圖3所示。棄風量最小調(diào)度模式的運行能耗整體上大于能耗最小調(diào)度模式的運行能耗。當風電接入水平超過某一臨界值時,棄風量最小調(diào)度模式為了最大限度地接納風電,導致通過風電節(jié)約的煤耗量無法彌補由于火電機組偏離經(jīng)濟運行區(qū)域而增加的煤耗,而能耗最小調(diào)度模式會進行適當?shù)臈夛L,保證系統(tǒng)的能耗最小?？紤]火電機組的啟停能耗,不同風電接入水平下,2種調(diào)度模式的總能耗如表2所示,啟停能耗、運行能耗如圖4所示?？芍?①棄風量最小調(diào)度模式下的啟停能耗高于能耗最小調(diào)度模式,這是由于棄風量最小調(diào)度模式為最大限度地接納風電導致頻繁啟停機組,而能耗最小調(diào)度模式可進行適當?shù)臈夛L避免頻繁啟停機組以保證整體能耗最小;②棄風量最小調(diào)度模式的運行能耗低于能耗最小調(diào)度模式,這是由于棄風量最小調(diào)度模式中有些機組頻繁啟停,導致長時間開機的機組所帶負荷較大,更接近于機組的經(jīng)濟運行點,降低了運行能耗;③結(jié)合表2的2種調(diào)度模式的系統(tǒng)總能耗數(shù)據(jù)和①,②的分析說明,棄風量最小調(diào)度模式相對于能耗最小調(diào)度模式,所節(jié)約的運行能耗不足以抵消由于機組頻繁啟停而增加的啟停能耗。隨著國內(nèi)關停小火電政策的落實和節(jié)能發(fā)電調(diào)度的推進,大容量、高啟停能耗的大火電機組將逐步承擔起以前小機組所肩負的調(diào)峰任務。為模擬這一變化帶來的影響,本文將算例中機組3—機組10的啟停機能耗水平增加到原來的20倍。不同火電機組啟停機能耗水平下,2種調(diào)度模式的能耗差異率變化曲線如圖5所示。當系統(tǒng)的火電機組啟停機能耗較高時,2種模式的能耗差異率較系統(tǒng)火電機組啟停機能耗較低時要大得多。由于國內(nèi)發(fā)電資源以大容量火電機組為主,故大規(guī)模風電并網(wǎng)后采用能耗最小調(diào)度模式時,系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢明顯。4能耗最小調(diào)度模式2種模式下系統(tǒng)的下調(diào)峰容量如圖6所示。負荷低谷時期,能耗最小調(diào)度模式的系統(tǒng)下調(diào)峰容