三北地區電網最大風電消納能力的優化調度研究

0基本模型的提出“三北”地區的電網主要為燃煤發電。嚴重缺乏適應良好性能的水電供電，許多電氣供應裝置主要用于發電裝置。例如，東北能源占主導地位的80%，但靈活調整器的比例只有7.8%。2010年冬天，55%的員工組成了電池裝置。電網負荷特性是電網調度的重要依據。近年來,“三北”地區電網低谷用電量增長偏緩,尖峰用電量卻增長較快,電網的峰谷差在逐年加大,如東北電網最大峰谷差,2009年為1067.5萬kW,2010年為1229萬kW,2011年則超過了1300萬kW。負荷峰谷差增加使電網的調峰能力下降。風力發電是目前新能源發電中技術最成熟、最具規模化開發條件及商業化前景的發電方式。至2010年底,國內已并網運行的風電裝機容量達到29.56GW,其中“三北”地區就占91%,蒙西、蒙東、遼寧、吉林、黑龍江等省區的風電并網容量更是超過了其統調總容量10%。風電具有隨機性、間歇性和不可控性,特別是其反調峰特性更增加了電網調峰困難。《節能發電調度辦法實施細則》規定:“燃煤熱電聯產機組按照以熱定電的原則安排發電負荷;無調節能力的風能具有第一發電優先性序位”。然而在冬季,水電機組的枯水期、熱電機組的供暖期、風電機組的大發期以及風電的反調峰特性相互疊加,導致系統調峰非常困難、棄風現象時有發生。因此,在滿足電網電、熱負荷的前提下,如何提高風電消納能力已成為“三北”地區電網節能調度中殛需研究的問題。國內已有很多學者對節能調度進行了系統研究,提出了風電-抽水蓄能協調、風電-火電協調、省間互濟等各種措施。但這些研究僅針對純凝機組進行,優[1化4-1調6]度中未考慮熱負荷優化問題,即未考慮熱負荷對電網節能調度及其風電消納能力的影響,因而與“三北”電網的實際情況不完全相符。本文在對煤電機組中的純凝機組和熱電機組分別建模基礎上,構建了一種電負荷由全網機組平衡、熱負荷由各熱電廠就地平衡,且對風電棄風進行懲罰的節能調度模型,研究了內點法求解該模型最優解的方法。然后提出了一種根據優化結果計算電網風電最大消納能力的方法,并分析了熱負荷對電網消納能力的影響。實例計算表明:本文調度模型能增加系統風電消納能力,具有較好的節能效果。1機組的耗煤特性1.1臺背壓式機組和純凝機組的組合抽汽式機組在發電的同時對外供熱,并能在較大范圍內同時滿足熱、電兩負荷的要求。也就是說,當發電功率不變時,供熱抽汽量可以在容許范圍內任意變動;當供熱抽汽量不變時,發電功率可以在容許范圍內任意變動。熱電機組可以等效成一臺背壓式機組和一臺純凝機組的組合。對于一次調節抽汽式汽輪機,其流量和功率可用下式來表示:其中,D0、De、Dc分別為機組的進汽量、抽汽量、凝汽量;Pi、PiΙ、PiΠ分別為機組功率、背壓(高缸)、凝氣(低缸)功率。1)背壓部分背壓機組的排汽量等于進汽量,且全部用于做功,倘若供熱參數確定,即進汽量確定,背壓機組的輸出功率也確定了,所以稱它為“以熱定電”的機組。此時,凝汽量Dc=0。其中,Q為背壓部分所產生的熱功率,ΔHtΙ是高壓缸焓降,ηtΙ為高壓缸發電效率,k2為常數。2)純凝汽部分機組的抽汽量De=0,即:汽機的總進汽量為:其中,ΔHt是純凝汽系統焓降,ηt為系統發電效率,Bc、k1為常數。則單臺熱電機組的煤耗特性為:1.2純冷工藝的耗量特性單臺純凝機組的煤耗特性為:其中,各項系數均為擬合常數。2節能規劃模型2.1fconijt煤耗量模型考慮風電棄風懲罰后,以系統煤耗量最小建立的目標函數如下:其中,F是系統的煤耗總量,FCHPijt是熱電廠i內第j臺熱電機組t時段時的煤耗量,FCONijt是火電廠i內第j臺純凝機組t時段的煤耗量,是風電場i在t時段的棄風功率,γ為電煤轉化系數(懲罰因子),α是系統熱電廠的數目,β是熱電廠內熱電機組的數目,χ是火電廠的數目,δ是火電廠內純凝機組的數目,φ是風電場的數目,T為運行周期。全文統一規定功率的單位為MW,電能單位為MWh,發電煤耗為t/MWh,供熱單位GJ/h。2.2熱電機組熱出力1)等式約束:在電力系統的運行過程中,必須滿足電負荷的平衡:其中,PCHPijt為熱電廠i第j臺熱電機組t時段的電出力,FCONijt是火電廠i第j臺純凝機組t時段的出力,Pfsit是第i個風電場實際消納風電,Pt是系統在t時段的總電力負荷。(2)供熱平衡每座熱電廠都有自己獨立的供熱區域,區域內熱負荷由該廠的多臺熱電機組平衡:其中,Qij是第i座熱電廠j臺機組的熱出力,Qi是區域i在t時段的熱負荷需求。其中,PtWD是風電場在t時段的預測出力。其中,PtWD是風電場在t時段的預測出力。(1)機組電出力約束其中,PCHPijmin、PCHPijmax、PCONijmin、PCONijmax分別為熱電廠i內熱電機組j出力上下限和火電廠i內純凝機組j出力下上限。(2)熱電機組熱出力約束其中,Qijmin、Qijmax為熱電廠i內熱電機組j的熱出力下上限。其中,γdowni、γupi為常規火電機組i每分鐘輸出有功功率的最大下坡和上坡速率(MW/min),T60為一個運行時段,通常為60min,機組最大爬坡速率一般為額定功率的4%~5%。(4)熱電比約束單臺熱電機組的熱電比約束如下,其中,πij為熱電機組的標準熱電比,σij為熱電機組的實際熱電比。2.3規調度模型對比常規調度模型中一般把火電機組全部用純凝機組來模擬,本文則區別對待純凝機組和供熱機組。因此,與常規調度模型相比,本文提出的新型調度模型中增加了機組熱負荷優化,優化變量增加較多。常規調度模型一般采用遺傳算法、蟻群算法等智能算法求解,能精確處理問題中的離散變量,但這些方法在求解本文新型調度模型時,易出現計算速度慢的特點。然而內點法具有較高的計算速度,且魯棒性好,所以本文采用該方法。3等效容量系數法的不足1)常規計算方法對電網來說,最大負荷Pmax決定了電網中的機組運行容量P開機,而機組的最小技術負荷P小小于電網的最小負荷Pmin,最小負荷與機組最小技術負荷的差值即為電網的調峰裕度,如圖1黑粗線部分所示。目前,許多文獻就將電網的每日調峰裕度看做電網的最大風電消納能力。2)等效容量系數法文獻認為:每日調峰裕度等于最大入網風電功率,而通常所說的風電消納能力指的是系統規劃中的最大風電裝機容量,由于風電機組不能時刻滿發,若定義等效容量系數ξ等于風電場最大出力與風電場裝機容量之比,則考慮了風電等效容量系數后,電網最大風電消納能力:3)基于優化調度結果的最大風電消納能力本文認為:電網最小負荷(或調峰裕度)與風電最大出力的發生時刻不一定一致,因此,等效容量系數法計算結果缺乏實際意義。更科學的方法應該是根據典型日的調度結果,逐點計算電網調峰裕度、風電發電負荷率和風電最大裝機容量,然后取該調度周期內風電最大裝機容量中的最小值作為電網的最大風電消納能力:其中,Pwzj是風電最大允許裝機容量。4計算與分析4.1熱電機組及機組算例系統包括一座熱電廠(3臺熱電機組)、一座火電廠(2臺純凝火電機組)和一個風電場(10臺風電機組)。設#1~3為熱電機組,#4~5為純凝機組。熱電機組單機容量為100MW,#4機組容量為100MW,#5機組容量為200MW,風電場裝機容量為120WM。計算周期為一個交易日,1h為一個時段,共24個時段。各時段熱、電負荷數值及風電出力如表1所示,熱電機組、純凝機組參數如表2、3所示。熱電機組的最小技術出力為單機容量的70%,純凝機組的最小出力為額定機組的50%。4.2種調度方法消納風電的仿真采用常規調度(熱電機組按照純凝機組)與新型調度計算時,棄風量對比狀況如表4所示,煤耗量對比狀況如表5所示,新型調度方式機組之間的電負荷分配如表6所示。由表4可知,現有的節能調度方法不能夠完全消納風電,在負荷低谷期,為了系統的負荷平衡,不得不棄掉一部分風電。同樣可以看出,由于風力發電的反調峰特性,棄風現象一般發生在夜間,而且兩種調度模型得到的實際風電消納空間差別較大,新模型由于考慮了棄風懲罰,因此棄風量下降。表明考慮熱負荷的新型調度方式能夠吸納更多的風電,同時新型調度方式仍然存在部分棄風現象。分析可知新型節能調度方式減少了系統對煤炭的消耗,它能夠節約煤炭75.084噸,占常規調度總煤耗量的1.565%,具有良好的節能效益。4.3計算結果常規計算方法、等效容量系數法及其本文方法的電網消納能力計算結果如表7所示。從表8可以看出:新型優化調度下,逐點計算電網調峰裕度、風電發電負荷率和最大風電消納能力,更能真實的反映電網對風電的真實消納能力。4.4熱負荷下電網風電消納能力計算結果假設各個時段的電負荷不變、熱負荷以同一比例變化,則不同熱負荷下的電網風電消納能力計算結果如表8所示。可以看出,隨著系統熱負荷的增加,電網風電消納能力減少。5風電棄風新型調度模型1)本文在對煤電機組中的純凝機組和熱電機組分別建模基礎上,構建了一種電負荷由全網機組平衡、熱