目前國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)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(jìn)行分析，同時無法考慮全時段風(fēng)電出力特性，從多個場景長時間尺度來評估風(fēng)電消納能力。本文首先歸納風(fēng)電消納能力評估的相關(guān)因素，提出了一種確定性和概率性相結(jié)合的方法，從多個角度對風(fēng)電的消納能力進(jìn)行科學(xué)計算與評估。其中確定性評估方法主要基于單一嚴(yán)苛場景進(jìn)行分析，概率性評估方法則基于含風(fēng)電的8760小時時序運(yùn)行模擬結(jié)果，在確保全年最大棄風(fēng)電量比例低于5%的情況下，得到的最大風(fēng)電接入容量。接著以某省級電網(wǎng)為例，評估其風(fēng)電消納能力，識別影響電網(wǎng)風(fēng)電消納的關(guān)鍵因素。
風(fēng)電消納能力評估相關(guān)因素
調(diào)峰能力
相比傳統(tǒng)的發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電的出力具有顯著的不確定性和不可控性，當(dāng)風(fēng)速變化引起風(fēng)電場功率變化時，需要隨時調(diào)整系統(tǒng)中常規(guī)能源機(jī)組的出力，以滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。在不考慮風(fēng)電場功率預(yù)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(fēng)電的預(yù)期出力，為了滿足系統(tǒng)電力平衡，電網(wǎng)開機(jī)計劃與運(yùn)行方式按風(fēng)電場出力為0考慮。當(dāng)電網(wǎng)中風(fēng)電出力增大時，需要降低電網(wǎng)中常規(guī)能源機(jī)組出力以保證電網(wǎng)電力平衡，此時，決定電網(wǎng)的調(diào)峰能力取決于整個電網(wǎng)中常規(guī)能源機(jī)組降低出力的能力。在考慮風(fēng)電場功率預(yù)測的情況下，系統(tǒng)將風(fēng)電出力預(yù)測納入電網(wǎng)調(diào)度與開機(jī)計劃，將風(fēng)電當(dāng)作負(fù)的負(fù)荷處理，此時，部分調(diào)峰能力已經(jīng)在發(fā)電計劃中體現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)電實際出力與預(yù)測產(chǎn)生偏差時，需要調(diào)用系統(tǒng)剩余的調(diào)峰能力。
隨著系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)占系統(tǒng)最大負(fù)荷的比例不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的調(diào)峰需求將逐步增加，電網(wǎng)的調(diào)峰能力可能成為風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)瓶頸。可用于平衡風(fēng)電功率波動的電網(wǎng)調(diào)峰容量對于電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式、電網(wǎng)的不同負(fù)荷水平都是不同的，因此，系統(tǒng)調(diào)峰能力將直接影響風(fēng)電的消納水平。
調(diào)頻能力
電力系統(tǒng)需要保持供需之間的實時平衡。由于負(fù)荷的不確定性，預(yù)測負(fù)荷與實際負(fù)荷之間存在一定的偏差，并由此產(chǎn)生不平衡負(fù)荷，電力系統(tǒng)需要實時平衡這部分偏差。系統(tǒng)的AGC、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用等就是為平衡這部分偏差所設(shè)置的。其中，AGC用于實時處理較小的負(fù)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(nèi)負(fù)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(nèi)外的普遍情況，系統(tǒng)AGC需求約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%，這部分AGC需求僅對應(yīng)負(fù)荷短期的波動。當(dāng)系統(tǒng)中接入較多風(fēng)電時，由于風(fēng)電場本身不能夠提供AGC服務(wù)，因此，系統(tǒng)中常規(guī)機(jī)組不僅需要為負(fù)荷提供AGC服務(wù)，而且還要為風(fēng)電場的出力波動提供AGC服務(wù)。系統(tǒng)AGC的服務(wù)對象由原始負(fù)荷曲線變?yōu)榭紤]風(fēng)電出力后的等效負(fù)荷曲線。因此，需要研究風(fēng)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(wù)需求，評估系統(tǒng)調(diào)頻儲備對風(fēng)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(yīng)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(diào)度而言，負(fù)荷備用的作用是為了應(yīng)對系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測的偏差而可能產(chǎn)生的負(fù)荷-發(fā)電不平衡。風(fēng)電的接入為系統(tǒng)負(fù)荷與發(fā)電平衡帶來了新的不確定性。與常規(guī)機(jī)組不同，風(fēng)電出力具有間歇性，難以進(jìn)行自如的有功控制，對于日前調(diào)度而言，系統(tǒng)常規(guī)機(jī)組不僅要為負(fù)荷預(yù)留備用，而且需要為風(fēng)電預(yù)留備用。在風(fēng)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(diào)度，可以暫不考慮風(fēng)電的出力。隨著風(fēng)電接入容量的增加及隨之對電網(wǎng)影響的增大，調(diào)度運(yùn)行中考慮風(fēng)電預(yù)測出力已經(jīng)成為大勢所趨。
目前數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)對風(fēng)速預(yù)測的精度較低，而且風(fēng)速預(yù)測誤差隨著預(yù)測提前時段的增長而急劇增加，因此相比負(fù)荷而言，風(fēng)電的短期具有較大的不確定性。在日前發(fā)電計劃中，風(fēng)電出力的不確定性可能大于負(fù)荷的不確定性。風(fēng)電接入后，系統(tǒng)需要取更多的旋轉(zhuǎn)備用以應(yīng)對風(fēng)電實際出力與預(yù)測值的偏差。因此，系統(tǒng)備用儲備對風(fēng)電消納能力產(chǎn)生較大的影響。
風(fēng)電消納能力評估方法
本文提出的確定性與概率性相結(jié)合的風(fēng)電消納能力評估方法框架圖如圖1所示。
風(fēng)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(jìn)行科學(xué)的假定或設(shè)定后展開相應(yīng)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(fù)荷曲線與風(fēng)電出力曲線，對風(fēng)電消納能力進(jìn)行分析與評估。
確定性分析的場景庫主要從負(fù)荷曲線和日風(fēng)電場出力曲線兩個維度來建立。對于負(fù)荷，選取最大負(fù)荷日、最小負(fù)荷日、最大峰谷差日三個典型場景;針對每個典型的負(fù)荷場景，根據(jù)95%置信度下的風(fēng)電最大出力與最小出力，構(gòu)建理論正調(diào)峰、理論反調(diào)峰日風(fēng)電場出力曲線，最終組合為6個確定性風(fēng)電消納能力評估場景。
對每個確定性場景，分別使用軟件進(jìn)行日運(yùn)行模擬計算，統(tǒng)計各場景系統(tǒng)的總調(diào)峰需求、風(fēng)電引起的峰荷正旋轉(zhuǎn)備用以及谷荷負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，同時統(tǒng)計運(yùn)行模擬結(jié)果中火電的調(diào)峰率以及火電提供的旋備比例，其中火電的調(diào)峰率定義為火電峰荷電力除以火電的開機(jī)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(jī)容量。
對于調(diào)峰約束，選取調(diào)峰需求最大及火電調(diào)峰率最高的場景作為調(diào)峰約束下的關(guān)鍵場景;逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬，直至系統(tǒng)調(diào)峰能力不足出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場景下風(fēng)電容量即為調(diào)峰約束下風(fēng)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(guān)鍵場景;逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬，直至系統(tǒng)備用不足或者出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場景下風(fēng)電容量即為備用約束下風(fēng)電可消納容量。
對于調(diào)頻約束，調(diào)頻需求主要在最大負(fù)荷日由負(fù)荷引起，在最小負(fù)荷日風(fēng)電出力波動則占較大比例，選取最大最小負(fù)荷日為關(guān)鍵場景，風(fēng)電選取典型出力曲線;逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，利用軟件運(yùn)行模擬的開機(jī)方案，對比系統(tǒng)的調(diào)頻能力與調(diào)頻需求，直至系統(tǒng)調(diào)頻不足，則該臨界場景下的風(fēng)電容量即為調(diào)頻約束下風(fēng)電可消納容量。
風(fēng)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(jìn)行評估。使用軟件運(yùn)行模擬生成全年8760點風(fēng)電時序出力，將風(fēng)電時序出力與時序負(fù)荷一一對應(yīng)，則可以得到365個含風(fēng)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(jìn)行考慮多種約束的運(yùn)行模擬，統(tǒng)計全年的棄風(fēng)電量，即可表征風(fēng)電的消納水平。
設(shè)置風(fēng)電消納能力概率性評估最大棄風(fēng)電量比例為5%，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，同時根據(jù)風(fēng)電裝機(jī)容量不斷提高備用率，計算在不同裝機(jī)容量下全年的棄風(fēng)電量比例，直至棄風(fēng)達(dá)到設(shè)定值，此時的風(fēng)電裝機(jī)容量為概率性風(fēng)電消納能力。
算例分析
本部分利用前文的分析方法，對某省級電網(wǎng)規(guī)劃年的風(fēng)電消納能力進(jìn)行評估，所涉及的模擬計算采用清華大學(xué)電機(jī)系開發(fā)的電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)。該省級電網(wǎng)規(guī)劃年預(yù)測最大負(fù)荷12600萬千瓦，總裝機(jī)容量16000萬千瓦，其中煤電占48%，氣電20%，核電15%，新能源占10%，其他占7%。
風(fēng)電特性分析
首先收集該省級電網(wǎng)已投產(chǎn)的7座風(fēng)電場歷史出力數(shù)據(jù)，進(jìn)行月度和日出力特性分析。其中最大出力特性分析時，取95%保證率對應(yīng)的出力，目的是有效地篩選掉瞬時沖擊出力。
月度出力特性。從統(tǒng)計結(jié)果來看，全省風(fēng)電月平均出力呈現(xiàn)豐小枯大的特點。全年各月平均出力在0.10～0.34之間，5～9月平均出力較小，豐枯期電量比約為39%:61%。全省風(fēng)電月最大出力依然呈現(xiàn)豐小枯大的特點。全年各月最大出力在0.29～0.55之間，7～9月最大出力較小，全年最大出力出現(xiàn)在12月。
日出力特性。從統(tǒng)計結(jié)果來看，全省風(fēng)電日平均出力豐期的出力范圍為17%～19%，枯期的出力范圍為26%～30%，且晚上20時到凌晨平均出力略高。
從統(tǒng)計結(jié)果來看，全省風(fēng)電日最大出力豐期的出力范圍為40%～51%，午后12時到下午5時最大出力較高;枯期的出力范圍為49%～55%，晚上9時到凌晨最大出力較高。
確定性風(fēng)電消納能力評估
確定性評估場景庫。對于負(fù)荷共選取3個場景，分別為最大負(fù)荷日、最小負(fù)荷日以及最大峰谷差日;對于風(fēng)電，選取2個場景，分別是理論正調(diào)峰和理論反調(diào)峰出力曲線組合生成的場景。
對各個場景分別進(jìn)行運(yùn)行模擬，表1中分別統(tǒng)計了各場景系統(tǒng)的總調(diào)峰需求、風(fēng)電引起的峰荷正旋轉(zhuǎn)備用及谷荷負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，表中同時統(tǒng)計了運(yùn)行模擬結(jié)果中火電的調(diào)峰率以及火電提供的旋備比例，其中火電的調(diào)峰率定義為火電峰荷電力除以火電的開機(jī)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(jī)容量。
從調(diào)峰角度分析：最大峰谷差日反調(diào)峰場景系統(tǒng)調(diào)峰需求最大，同時火電機(jī)組調(diào)峰率較大，燃機(jī)完全參與調(diào)峰，最小負(fù)荷日反調(diào)峰場景燃機(jī)開機(jī)容量下，火電機(jī)組調(diào)峰率最大，燃機(jī)完全參與調(diào)峰，因而選擇該兩個場景為調(diào)峰約束下風(fēng)電消納能力評估的關(guān)鍵受限場景;從備用角度分析：最大負(fù)荷日正調(diào)峰場景下風(fēng)電峰荷正旋轉(zhuǎn)備用需求最高，最小負(fù)荷日正調(diào)峰燃機(jī)能夠提供的旋備容量在各場景中是最低的，因而選擇該兩個場景為備用約束下風(fēng)電消納能力評估的關(guān)鍵受限場景(見圖2)。
調(diào)峰約束下風(fēng)電消納能力評估。選取確定性場景庫分析指出的影響風(fēng)電消納的調(diào)峰約束關(guān)鍵受限場景：最大峰谷差日反調(diào)峰場景以及最小負(fù)荷日反調(diào)峰場景，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬，直至系統(tǒng)調(diào)峰能力不足出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場景下風(fēng)電容量即為調(diào)峰約束下風(fēng)電可消納容量。仿真結(jié)果如表2所示。
對于最大峰谷差日反調(diào)峰場景和最小負(fù)荷日反調(diào)峰場景，當(dāng)風(fēng)電均從規(guī)劃裝機(jī)減至6000兆瓦時，系統(tǒng)基本不棄風(fēng)。因此可知，考慮調(diào)峰約束的確定性場景評估下，風(fēng)電消納能力為6000兆瓦。
備用約束下風(fēng)電消納能力評估。選取確定性場景庫分析指出的影響風(fēng)電消納的備用約束關(guān)鍵受限場景：最小負(fù)荷日正調(diào)峰場景與最大負(fù)荷日正調(diào)峰場景，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬，直至系統(tǒng)備用容量不足出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場景下風(fēng)電容量即為備用約束下風(fēng)電可消納容量，評估結(jié)果如圖3~4所示。
上述結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)電容量逐漸增加時，風(fēng)電所需備用容量也逐漸增加。由于兩方案均為風(fēng)電正調(diào)峰方案，隨著風(fēng)電容量的增加，水電機(jī)組調(diào)峰需求降低，因此能夠空出更多的容量提供旋備，火電機(jī)組開機(jī)容量也隨風(fēng)電容量增加而降低。所以，火電為風(fēng)電提供的旋備容量并非隨風(fēng)電增加而單調(diào)增加。整體而言，旋備容量在上述各場景下均保持充足。當(dāng)風(fēng)電增加至30000兆瓦，系統(tǒng)調(diào)峰不足出現(xiàn)棄風(fēng)984.745兆瓦，此時系統(tǒng)備用仍然充足，說明該場景下調(diào)峰約束的限制比備用約束的限制強(qiáng)，備用容量不是限制風(fēng)電接入的關(guān)鍵因素。
調(diào)頻約束下風(fēng)電消納能力評估。首先根據(jù)該省級電網(wǎng)風(fēng)電的歷史出力特性，模擬生成規(guī)劃年風(fēng)電時序出力，進(jìn)而計算得到分鐘級出力變化的標(biāo)準(zhǔn)差為123兆瓦，風(fēng)電分鐘級出力變化最大幅值為856兆瓦。同時，統(tǒng)計該省歷史負(fù)荷小時級波動，推算得到規(guī)劃年小時級負(fù)荷變化幅度為-24530兆瓦～+24150兆瓦。負(fù)荷分鐘級變化幅度一般為小時級變化幅度的1/15到1/40且正負(fù)變化概率大致相等，本文負(fù)荷分鐘級變化為小時級變化幅度的1/15，則近似計算出負(fù)荷分鐘級變化的區(qū)間為-1635兆瓦～+1610兆瓦。通過對風(fēng)電出力與負(fù)荷分鐘級變化的分析，可得到風(fēng)電接入后的系統(tǒng)調(diào)頻需求，結(jié)果如表3所示。
對于風(fēng)電反調(diào)峰特點明顯，夜間波動大的電網(wǎng)而言，系統(tǒng)調(diào)頻需求主要在最大負(fù)荷日由負(fù)荷引起，在最小負(fù)荷日由風(fēng)電出力波動引起。設(shè)各類型機(jī)組1分鐘可調(diào)出力占裝機(jī)容量的比例：燃煤、燃油與燃?xì)鈾C(jī)組為1%;水電機(jī)組與抽蓄機(jī)組為30%;其他機(jī)組按0處理。計算得到系統(tǒng)在最大負(fù)荷日和最小負(fù)荷日能提供的調(diào)頻能力約為4020兆瓦和2880兆瓦，均滿足風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)的調(diào)頻需求。繼續(xù)增大風(fēng)電裝機(jī)容量，提高系統(tǒng)調(diào)頻需求，直到系統(tǒng)調(diào)頻能力無法滿足，得到最小負(fù)荷日和最大負(fù)荷日對應(yīng)風(fēng)電消納能力為25600兆瓦和37800兆瓦。
綜上所述，對某省級電網(wǎng)風(fēng)電消納能力確定性評估的結(jié)果來看，調(diào)峰能力是制約風(fēng)電消納的關(guān)鍵要素，若考慮極端嚴(yán)苛調(diào)峰場景，風(fēng)電可消納容量為6000兆瓦。
概率性風(fēng)電消納能力評估
使用軟件運(yùn)行模擬生成該省規(guī)劃年全年的風(fēng)電時序出力，將風(fēng)電時序出力與時序負(fù)荷一一對應(yīng)，可以得到365個含風(fēng)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(jìn)行考慮多種約束的運(yùn)行模擬，統(tǒng)計全年的棄風(fēng)電量，即可表征風(fēng)電的消納水平。設(shè)置風(fēng)電消納能力概率性評估最大棄風(fēng)電量比例為5%，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，直至棄風(fēng)達(dá)到設(shè)定的5%，此時的風(fēng)電裝機(jī)容量為概率性風(fēng)電消納能力。評估結(jié)果如表4所示。
當(dāng)風(fēng)電增加至70000兆瓦，全年的棄風(fēng)電量比例超過設(shè)定的5%為5.62%，增加至60000兆瓦，全年棄風(fēng)比例為4.19%，線性計算風(fēng)電棄風(fēng)比例為5%的裝機(jī)容量，則風(fēng)電概率性消納能力為65600兆瓦，此時火電利用小時數(shù)約為2820.93小時，風(fēng)電利用小時數(shù)約為1921.93小時，棄風(fēng)電量約為67.02億千瓦時。同時可以看出，雖然該省級電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力足以消納65600兆瓦的風(fēng)電，但此時火電利用小時數(shù)被擠壓僅為2821小時。若假設(shè)保證火電自負(fù)盈虧的最低利用小時數(shù)為3500小時，則該省級電網(wǎng)建議消納的最大風(fēng)電容量為40000兆瓦。
結(jié) 語
本文提出了一種確定性和概率性相結(jié)合的方法，從多個角度對風(fēng)電的消納能力進(jìn)行科學(xué)計算與評估。首先分析了影響風(fēng)電消納能力評估的相關(guān)因素，接著基于此構(gòu)建并篩選確定性場景庫，篩選嚴(yán)苛場景，從系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用約束角度評估風(fēng)電消納能力。概率性評估方法主要基于全年365個含風(fēng)電的概率性場景進(jìn)行模擬分析，確保全年最大棄風(fēng)電量比例低于5%時得到風(fēng)電最大裝機(jī)容量即為風(fēng)電消納能力。
通過某省級電網(wǎng)的實際算例，分析了限制該省風(fēng)電發(fā)展的確定性因素為調(diào)峰約束，如果考慮極端調(diào)峰約束的確定性場景下，風(fēng)電的消納能力僅為6000兆瓦。進(jìn)一步進(jìn)行概率性消納能力評估，得到風(fēng)電消納能力為40000兆瓦。從不同角度，為風(fēng)電規(guī)劃建設(shè)提供建議，也驗證了本文提出方法的科學(xué)性和實用性。下一步可考慮從潮流概率化的角度，研究風(fēng)電接入對系統(tǒng)潮流的影響。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年01期，作者王彤供職于南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，朱靜慧供職于中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司
