含風電系統發電調度的經濟性評價指標研究

0含風電系統發電調度模式的經濟性評價屋頂發電是一種技術成熟的可支配能源發電形式，在世界各國引起了迅速發展。由于目前在風電出力的間歇性和反調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電計劃制定帶來了挑戰。如何制定科學、合理的含風電系統的發電調度計劃,促進電力系統的節能減排和風電發展,成為研究熱點。目前,對含風電系統發電調度的研究主要集中在風電功率預測和調度模型等方面,而對含風電系統發電調度模式的適用性分析和經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度模式;文獻分別從風電出力特性的角度和電力系統安全穩定運行的角度提出了5種風電計劃的編制模式。但上述文獻均未構建調度模型和提出經濟性評價指標,也沒有對不同調度模式進行量化比對分析,所述調度模式的適用性有待進一步探討。此外,現有含風電系統發電調度模式的優化模型研究多基于發電能耗最小的目標,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后調度面臨的節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調度決策模型,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、高參數的機組為主,啟停能耗普遍較高,不考慮機組啟停狀態變化,難以客觀、準確地評價風電接入對系統能耗的影響。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建立相應的機組組合模型,研究了含風電系統發電調度的經濟性評價指標,并通過對10機測試系統的定量計算,分析了2種發電調度模式的經濟性。1基于區塊法的能源規劃模式和模型及其解決方案1.1基于電網系統的發電規劃模式1網發電企業《可再生能源法(修正案)》指出:全額保障性收購電網覆蓋范圍內符合并網技術標準的可再生能源并網發電項目的上網電量,發電企業有義務配合電網企業保障電網安全。對于風力發電而言,即在保障電力系統安全運行的情況下,盡可能接納風電,使風力發電企業的棄風量最小,本文將其簡稱為棄風量最小調度模式。2低系統煤耗的概念以系統煤耗最小為目標的傳統調度方式能夠最大化降低系統煤耗,符合節能發電調度的節能、經濟原則。按能耗最小調度模式進行風電調度就是在保障電力系統安全運行的情況下,使電力系統的化石能源消耗量最小。1.2基于風力系統的發電規劃模型1風電機組運行耗量模型基于能耗最小的風電調度模型中,目標函數是調度周期內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;N為火電機組數;Ui,t為機組i在時段t的運行狀態變量,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,即OCi(Pi,t)=aiP2i,t2i,t+biPi,t+ci,其中ai,bi,ci為運行耗量參數;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。基于棄風量最小的風電調度模型中,目標函數是調度周期內在可能棄風的情況下風電的實際被調用量最大,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風電場實際被調用的風電功率總量;P*W,t為時段t風電場預測可被調度的風電功率總量;β為優先系數,數倍于火電系統總煤耗的最大值。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用的風電電量約束:0≤PW,t≤P*W,t(6)4含風電系統能耗最小調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系統的負荷需求。旋轉備用約束:{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需要的上旋轉備用量,一般取為系統負荷的5%～10%;AUSR,t和ADSR,t分別為由于風電接入而增加的上、下旋轉備用量,由風電備用比例系數r與PW,t相乘得到,其中r一般取0.1～0.2。系統的旋轉備用容量與調用風電量相關,當2種模式的風電調用量不同時,系統旋轉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(式(1))和約束(式(3)—式(8))組成了含風電系統能耗最小調度模型;目標函數(式(2))和約束(式(3)—式(8))組成了含風電系統棄風量最小調度模型。1.3基于mip的機組優化計算含風電系統的發電調度模型是一個多變量、非線性、混合整數規劃問題。當前,基于分支定界算法的混合整數規劃(MIP)商業軟件在一定程度上已具備解決大規模優化問題的能力,因此,通過巧妙構建MIP模型并采用商業軟件進行優化計算,已成為求解機組優化問題的主要方法。鑒于此,本文參照文獻的方法,對模型的目標函數及約束條件進行線性化處理,將其轉換成線性混合整數的形式,直接對含風電系統能耗最小調度模型和棄風量最小調度模型進行求解。2風電企業受益電力系統接入并消納風電,一方面有利于電力系統的節能減排,另一方面風電企業也因此受益。因此,本文從風電企業的發電收益和電力系統運行經濟性2個角度建立相應的經濟性評價指標,對含風電系統的發電調度模式的經濟性進行比較分析。2.1風電利用率由于國內風電上網價格執行標桿電價,實際被調用的風電越多,風力發電企業獲利越多。風電的利用率η定義為某一調度周期內系統中被調用的風電總量與風電企業可發的風電總量的比值:η=Τ∑t=1ΡW,tΤ∑t=1Ρ*W,t(9)從式(9)可知,某種調度模式下風電利用率越高,表明實際調用的風電量越大,風電企業的收益越多。2.2耗水平等監測在不同的調度模式下,風電的利用率、系統的能耗水平等不盡相同。為了表征不同調度模式對含風電系統調度效果的影響,本文提出了可用風電的單位價值、系統能耗、系統調峰能力3項評價指標。1系統總煤耗與風電單位價值風電對于火電系統的價值主要體現在節約系統總煤耗上。定義無風電接入時系統總煤耗與風電接入后系統總煤耗之差為風電價值CV,則系統中可用風電的單位價值C可以用式(10)表示。某種調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,該調度模式對降低系統能耗的效果越明顯。C=CVΤ∑t=1Ρ*W,t(10)2能耗差異率指標某一調度周期內,火電系統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)為體現不同調度模式的能耗差異程度,本文給出了能耗差異率指標γ,即棄風量最小調度模式的能耗TC1與能耗最小調度模式的能耗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種調度模式下系統的能耗差距越大。γ=ΤC1-ΤC2ΤC2(14)3低壓系統的調峰技術文獻指出:國內電力系統的調峰問題主要集中在負荷低谷時段,風電接入系統后,由于風電出力的波動性和反調峰性,系統的低谷調峰問題更加突顯。火電機組的調峰能力越充足,則電力系統由于調峰問題遭受的經濟損失期望值越小,運行經濟性越好。系統低谷下調峰能力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能耗最小調度模式當系統的風電接入量較少時,2種調度模式均全額接納風電,優化調度模型一致,故結果也應相同;當風電接入量增加到一定值時,雖然棄風量最小調度模式仍能全額接納風電,但能耗最小調度模式為實現系統能耗最小則可能出現經濟性棄風,顯然能耗最小調度模式的節能效果比棄風量最小調度模式好;當風電接入量繼續增加,棄風量最小調度模式為保證系統安全運行不得不選擇棄風(本文稱為技術性棄風),而能耗最小調度模式則存在技術棄風和經濟棄風,但火電機組還存在一定的經濟運行優化空間,故兩者的調度效果存在差異,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,能耗最小調度模式下火電機組的經濟運行優化空間接近于0,2種調度模式的棄風量接近,此時2種調度模式的調度效果將趨于一致。3.2計算與分析3.2.1未納入風電時的旋轉備用取本文采用10機測試系統進行仿真計算,10臺機組參數、負荷等數據見文獻,未納入風電時的旋轉備用取系統總負荷的10%,風電備用比例系數取0.1。國內某風電場24時段可用風電出力預測值如表1所示,后續分析中的增加風電接入量水平均以此風電場預測值Pe為基準成倍數增加。3.2.2計算示例驗證1圖1:美國統一機制下的“兩網”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,棄風量最小調度模式的風電利用率整體上大于能耗最小調度模式的風電利用率,故棄風量最小調度模式下風電被調用量較多,風電企業的收益較多。2種調度模式下風電機組單位價值的對比2種調度模式下可用風電的單位價值如圖2所示。可用風電的單位價值均呈現出先升后降的趨勢,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能耗的效果最佳。同時,隨著風電接入的增加,2種調度模式的可用風電單位價值的大小呈現出先一致,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種調度模式都能全額接納風電,調度效果一致;隨著系統風電接入量增加,能耗最小調度模式下火電機組經濟運行的優化空間先增大后變小,最后接近于0。可見,算例仿真結果與理論分析結論一致。3啟停機能耗對比不考慮火電機組啟停能耗,2種調度模式下系統運行能耗水平如圖3所示。棄風量最小調度模式的運行能耗整體上大于能耗最小調度模式的運行能耗。當風電接入水平超過某一臨界值時,棄風量最小調度模式為了最大限度地接納風電,導致通過風電節約的煤耗量無法彌補由于火電機組偏離經濟運行區域而增加的煤耗,而能耗最小調度模式會進行適當的棄風,保證系統的能耗最小。考慮火電機組的啟停能耗,不同風電接入水平下,2種調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。可知:①棄風量最小調度模式下的啟停能耗高于能耗最小調度模式,這是由于棄風量最小調度模式為最大限度地接納風電導致頻繁啟停機組,而能耗最小調度模式可進行適當的棄風避免頻繁啟停機組以保證整體能耗最小;②棄風量最小調度模式的運行能耗低于能耗最小調度模式,這是由于棄風量最小調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,更接近于機組的經濟運行點,降低了運行能耗;③結合表2的2種調度模式的系統總能耗數據和①,②的分析說明,棄風量最小調度模式相對于能耗最小調度模式,所節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。隨著國內關停小火電政策的落實和節能發電調度的推進,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種調度模式的能耗差異率變化曲線如圖5所示。當系統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火電機組啟停機能耗較低時要大得多。由于國內發電資源以大容量火電機組為主,故大規模風電并網后采用能耗最小調度模式時,系統節能優勢明顯。4能耗最小調度模式2種模式下系統的下調峰容量如圖6所示。負荷低谷時期,能耗最小調度模式的系統下調峰容