大規(guī)模風(fēng)電的不確定性與電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定

大規(guī)模風(fēng)電的不確定性與電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定

與傳統(tǒng)的熱能發(fā)電相比，優(yōu)先負(fù)荷和波動(dòng)是風(fēng)裝置的主要特征。同時(shí)，它也是限制大規(guī)模電網(wǎng)從輔助電源轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)電網(wǎng)的主要因素。以往的研究、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,要想解決電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性與大規(guī)模風(fēng)電波動(dòng)性、不確定性之間的矛盾,就必須對(duì)風(fēng)電電力進(jìn)行可用化處理,從隨機(jī)波動(dòng)的、不確定的風(fēng)電電力中挑選出具有一定穩(wěn)定程度、能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供可靠電能的風(fēng)電,將波動(dòng)性的大規(guī)模風(fēng)電去波動(dòng)化。大規(guī)模風(fēng)電的可用化過(guò)程,雖然造成了一定量的棄風(fēng),但是,正是由于舍棄了波動(dòng)性極強(qiáng)的不可用風(fēng)能,才能保證大部分穩(wěn)定的風(fēng)能被有效利用,從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電成為電網(wǎng)可靠的主力電源。本文在內(nèi)蒙古電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電有功功率波動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行風(fēng)電電力可用化處理,通過(guò)對(duì)蒙西電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電電力的去波動(dòng)化,給出可用電力、不可用電力在總風(fēng)能中所占比重。大規(guī)模風(fēng)電可用化處理,既是電網(wǎng)接納風(fēng)電的手段,同時(shí),也是對(duì)風(fēng)電自身的一種改造、取舍,使其具備電網(wǎng)主力電源應(yīng)具備的穩(wěn)定可靠性。1風(fēng)電電源的不確定性強(qiáng)依據(jù)一般規(guī)律,可將大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展分為三個(gè)階段:第一階段,小容量風(fēng)電并網(wǎng),以電網(wǎng)輔助能源形勢(shì)運(yùn)行。這一階段,風(fēng)電容量占電網(wǎng)總發(fā)電容量比重較小(不超過(guò)最大發(fā)電負(fù)荷的5%--10%),因此,風(fēng)電自身的運(yùn)行特性不會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生大的影響,風(fēng)電的各種波動(dòng)、不穩(wěn)定性都可被電網(wǎng)吸收、化解,電網(wǎng)視小容量風(fēng)電為輔助電源。第二階段,大容量風(fēng)電并網(wǎng),同傳統(tǒng)火電、水電一同構(gòu)成電網(wǎng)主要的能源形勢(shì)。這一階段,風(fēng)電并網(wǎng)容量占電網(wǎng)總發(fā)電容量比重大大提高,風(fēng)電電力超過(guò)最大發(fā)電負(fù)荷的20%,風(fēng)電自身的運(yùn)行特性將對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響,僅依靠其它電源電網(wǎng)已經(jīng)不能吸收、消化風(fēng)電的各種波動(dòng)、不穩(wěn)定性,風(fēng)電逐步成為電網(wǎng)的主要電源之一。第三那階段,并網(wǎng)風(fēng)電成為電網(wǎng)最主要的發(fā)電容量,全網(wǎng)的發(fā)供電大部分甚至全部來(lái)自于大規(guī)模風(fēng)電。大規(guī)模風(fēng)電需通過(guò)各種技術(shù)手段(儲(chǔ)能、大型季節(jié)性抽水蓄能電站等)實(shí)現(xiàn)電力的穩(wěn)定、可靠供應(yīng),完全具備電網(wǎng)常規(guī)電源能力。眾所周知,電力系統(tǒng)是由主力電源、輸配電網(wǎng)以及用戶負(fù)荷組成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。由于用戶負(fù)荷總是存在這樣、那樣的隨機(jī)波動(dòng),這就要求主力電源具有較高穩(wěn)定性、可控性,能夠依據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行實(shí)時(shí)出力調(diào)整。風(fēng)力發(fā)電原動(dòng)力受制于自然風(fēng)能,因此,其有功出力具有較大隨機(jī)性、不確定性。當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量較小,風(fēng)電電力占電網(wǎng)發(fā)電電力比重不大時(shí),這種有功的波動(dòng)可看作是特殊的用戶負(fù)荷波動(dòng),能夠被電網(wǎng)吸收、消納。但隨著風(fēng)電裝機(jī)比例的增長(zhǎng),發(fā)電負(fù)荷不斷升高,風(fēng)電成為電網(wǎng)主力電源之一。大規(guī)模風(fēng)電的負(fù)荷波動(dòng)性將傳遞給電網(wǎng),造成電網(wǎng)主力電源功率的不確定性、隨機(jī)性。在實(shí)際運(yùn)行中,風(fēng)電有功功率的波動(dòng)性表現(xiàn)為風(fēng)電電力與風(fēng)電電量之間的不確定性關(guān)系。即風(fēng)電裝機(jī)不能完全等同于風(fēng)電電力。這就導(dǎo)致電網(wǎng)進(jìn)行有功負(fù)荷計(jì)劃管理、電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中的諸多問(wèn)題。1.1大規(guī)模風(fēng)電和傳統(tǒng)用電發(fā)電系統(tǒng)比較現(xiàn)行的電網(wǎng)有功功率管理中,計(jì)劃管理是主要內(nèi)容。各發(fā)電企業(yè)按照裝機(jī)容量大小,進(jìn)行年計(jì)劃電量的分配。然后按照年計(jì)劃電量情況,安排實(shí)時(shí)運(yùn)行中接帶負(fù)荷的大小。大規(guī)模風(fēng)電雖然也有裝機(jī)容量指標(biāo),但是,其容量不能直接轉(zhuǎn)化成電力。這就造成風(fēng)電年計(jì)劃制定后,不能像傳統(tǒng)火電一樣,直接分解到實(shí)時(shí)運(yùn)行中。風(fēng)電電力不能直接用裝機(jī)容量標(biāo)的,風(fēng)電帶負(fù)荷能力需用風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量和設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)共同標(biāo)的。1.2風(fēng)力發(fā)電側(cè)規(guī)劃影響電力生產(chǎn)建設(shè)總是需要與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)一致,這是進(jìn)行電力規(guī)劃建設(shè)的基本要求。特定地區(qū)每年規(guī)劃建設(shè)的新機(jī)組容量既要滿足新增負(fù)荷的供電要求,同時(shí)亦不能超出電力需求太多。新增發(fā)電容量不足,將導(dǎo)致用電緊張,拉閘限電。發(fā)電容量增長(zhǎng)過(guò)快,又會(huì)導(dǎo)致機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)下降,無(wú)法正?；厥胀顿Y。內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)發(fā)展大規(guī)模風(fēng)電以來(lái),設(shè)計(jì)風(fēng)電的規(guī)劃建設(shè)面對(duì)較嚴(yán)重問(wèn)題。若依據(jù)年地區(qū)用電量進(jìn)行發(fā)電側(cè)規(guī)劃,得出的風(fēng)電新增裝機(jī)容量往往偏于保守。當(dāng)小風(fēng)或無(wú)風(fēng)期,風(fēng)電電力不能滿發(fā)或沒(méi)有發(fā)電能力時(shí),會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)電出力不足。若按照風(fēng)電最小電力進(jìn)行發(fā)電側(cè)規(guī)劃,又會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃出的結(jié)果偏樂(lè)觀。這就是大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后,電網(wǎng)的1+X問(wèn)題,即固定容量的火電裝機(jī)1加上可變?nèi)萘康娘L(fēng)電電力X究竟等于多少發(fā)電能力的問(wèn)題。1.3風(fēng)電電力的不確定性作為清潔能源,原則上應(yīng)當(dāng)盡量保證其上網(wǎng)發(fā)電,但是作為電網(wǎng)主力電源之一,調(diào)峰、錯(cuò)峰又是必須要進(jìn)行的。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,大規(guī)模風(fēng)電具備較大深度的調(diào)峰能力,蒙西電網(wǎng)風(fēng)電基本具備與季節(jié)性水電機(jī)組相同的調(diào)峰能力。若風(fēng)電大規(guī)模參與調(diào)峰,則勢(shì)必造成的棄風(fēng)。以上問(wèn)題,本質(zhì)上講都是由于風(fēng)電電力的波動(dòng)性、不確定性造成的。對(duì)風(fēng)電電力進(jìn)行可用化處理,剔除風(fēng)電電力中高波動(dòng)性的少部分風(fēng)能,保留具有一定穩(wěn)定性的風(fēng)電上網(wǎng),能夠在一定程度上將不確定性風(fēng)電轉(zhuǎn)化為較確定電力,滿足電網(wǎng)運(yùn)行、規(guī)劃的要求。2風(fēng)電功率特性的確定面對(duì)大規(guī)模風(fēng)電有功功率不確定性問(wèn)題,采用概率統(tǒng)計(jì)手段,研究其波動(dòng)特性是一種有效方法。國(guó)內(nèi)東北電力公司最早進(jìn)行風(fēng)電有功功率特性研究。選擇東北電網(wǎng)實(shí)際風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,對(duì)風(fēng)電最大出力、最小出力、一分鐘功率變化、日功率變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、概率分析。通過(guò)上述方法,能夠較全面的認(rèn)識(shí)地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電有功出力性質(zhì),但是,如何將上述概率結(jié)果運(yùn)用到確定性的電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中,現(xiàn)有方法并沒(méi)有給出答案。2.1設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)裝機(jī)容量代表大規(guī)模風(fēng)電最大接帶負(fù)荷能力,而風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)代表風(fēng)電年發(fā)電能力。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電計(jì)劃制定,應(yīng)按照風(fēng)電場(chǎng)年設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)進(jìn)行核定分配。設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)依據(jù)風(fēng)場(chǎng)所在區(qū)域多年風(fēng)況平均值計(jì)算得出,其等同于火電廠裝機(jī)容量概念,盡管存在大風(fēng)年、小風(fēng)年出力差別,但是均不會(huì)偏差太大,一般會(huì)滿足20%誤差。風(fēng)電場(chǎng)最大利用小時(shí)數(shù)指特定年,風(fēng)場(chǎng)全部風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能的利用小時(shí)數(shù),該利用小時(shí)數(shù)可作為風(fēng)場(chǎng)該年最大發(fā)電能力的標(biāo)的。而風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際利用小時(shí)數(shù)指特定年風(fēng)場(chǎng)實(shí)際發(fā)電利用小時(shí)數(shù),這部分發(fā)電量是全年最大利用小時(shí)數(shù)減去調(diào)峰限電、機(jī)組檢修限電以及不可用風(fēng)能后的實(shí)際利用小時(shí)數(shù)。其合理值不應(yīng)低于風(fēng)電場(chǎng)最小成本發(fā)電量。2.2風(fēng)電功率變化率概率統(tǒng)計(jì)采用概率分析法,可得出在不同時(shí)間區(qū)間上,蒙西電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電負(fù)荷波動(dòng)概率特性。風(fēng)電有功功率波動(dòng)在不同時(shí)間段的概率統(tǒng)計(jì)由曲線可以看出,大規(guī)模風(fēng)電波動(dòng)是一個(gè)漸變的過(guò)程,我們選擇5、10分鐘的功率變化;1、3小時(shí)和24小時(shí)的功率變化作為研究基礎(chǔ),具體結(jié)果如下:通過(guò)不同時(shí)間間隔的功率波動(dòng)概率統(tǒng)計(jì),內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)電有功功率變化率概率統(tǒng)計(jì)分布呈現(xiàn)如下特點(diǎn):5分鐘基準(zhǔn)變化率小于1%的概率為87.39%,大于5%的概率僅為0.57%;10分鐘基準(zhǔn)變化率小于1%的概率為73.75%,而10分鐘基準(zhǔn)變化率大于5%的概率為1.26%;1小時(shí)基準(zhǔn)變化率在1%-5%的概率為53.98%,1小時(shí)基準(zhǔn)變化率大于10%的概率為3.21%,大于30%的概率僅為0.16%;3小時(shí)基準(zhǔn)變化率在1%-5%的概率為43.76%,3小時(shí)基準(zhǔn)變化率大于10%的概率為15.26%,大于30%的概率為0.85%;24小時(shí)全網(wǎng)風(fēng)電總出力變化低于裝機(jī)容量20%的概率為83.07%,高于裝機(jī)容量30%的概率為5.63%。依據(jù)上述概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)風(fēng)電的波動(dòng)性有了較深入的認(rèn)識(shí),可以從量化的角度得出風(fēng)電較強(qiáng)波動(dòng)分量、一般波動(dòng)分量以及穩(wěn)定分量各自在風(fēng)能中所占比重,進(jìn)而對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行去波動(dòng)化處理。去掉強(qiáng)波動(dòng)風(fēng)能、部分保留一般波動(dòng)分能,保證穩(wěn)定風(fēng)能上網(wǎng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)能可用化。3基于概率統(tǒng)計(jì)分析的大規(guī)模風(fēng)電穩(wěn)定上網(wǎng)技術(shù)采用上節(jié)的概率分析方法,給出了蒙西電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電負(fù)荷波動(dòng)特性的較準(zhǔn)確量化結(jié)果,但是,如何將這種概率分析結(jié)論應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度管理中呢?本節(jié)將依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)分析得到的風(fēng)電負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律,對(duì)大規(guī)模風(fēng)電進(jìn)行可用化處理,通過(guò)對(duì)不同時(shí)間區(qū)間風(fēng)電電力的去波動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電的穩(wěn)定上網(wǎng)。3.1風(fēng)功率概率穩(wěn)定性研究風(fēng)電的功率波動(dòng)普遍存在,且在一定時(shí)間范圍內(nèi)具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模,這在上一節(jié)的風(fēng)功率概率波動(dòng)性研究中已有認(rèn)識(shí)。這樣的大規(guī)模有功功率波動(dòng)是無(wú)法滿足電網(wǎng)對(duì)主力電源運(yùn)行要求的,因此必須對(duì)大規(guī)模風(fēng)電有功功率實(shí)施去波動(dòng)化處理,即將上述風(fēng)功率曲線轉(zhuǎn)化為平滑曲線。3.1.1第一,拉出最短的風(fēng)速,必須限制上網(wǎng)當(dāng)電網(wǎng)面臨大規(guī)模風(fēng)電波動(dòng)時(shí),在機(jī)組方式一定的情況下,能夠接納的風(fēng)電波動(dòng)量由電網(wǎng)基本調(diào)峰能力決定,超過(guò)基本調(diào)峰能力的風(fēng)電波動(dòng),是電網(wǎng)無(wú)法接納的,必須限制上網(wǎng)。在圖7中,深色部分為電網(wǎng)基本調(diào)峰區(qū)間,超過(guò)這一區(qū)間的風(fēng)電波動(dòng)都將被限制上網(wǎng),得到僅依靠基本調(diào)峰能力情況下,風(fēng)功率曲線。3.1.2機(jī)組啟停計(jì)算按照基本調(diào)峰容量,雖然很好的實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模風(fēng)電有功功率的去波動(dòng)化,但是由于電網(wǎng)基本調(diào)峰能力有限,會(huì)造成較大規(guī)模的棄風(fēng),如圖8中曲線A-B段,長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)大量風(fēng)電被限制上網(wǎng)。在實(shí)際運(yùn)行中,除了基本調(diào)峰能力外,合理的安排機(jī)組啟停方式,也是電網(wǎng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)、風(fēng)電波動(dòng)的主要管理手段。與簡(jiǎn)單的火電機(jī)組調(diào)整負(fù)荷不同,由于啟停費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)性、安全性的限制,啟停機(jī)方式的改變不宜過(guò)于平凡,應(yīng)能保證啟動(dòng)機(jī)組具有一定的運(yùn)行時(shí)間。因此,設(shè)定7日為一個(gè)啟停機(jī)周期(火電機(jī)組D級(jí)檢修周期),即當(dāng)風(fēng)電電力大發(fā),超過(guò)電網(wǎng)基本調(diào)峰能力,且持續(xù)7日以上情況下,可考慮調(diào)整火電機(jī)組啟停方式,接納持續(xù)的大規(guī)模風(fēng)電上網(wǎng)。圖4-2中,考慮7天周期的機(jī)組啟停容量后,可得到新的風(fēng)電功率曲線,其中紅色部分為機(jī)組啟停容量。考慮機(jī)組啟停后得到的風(fēng)功率曲線,保留了方式一曲線的平滑性,同時(shí)由大大減少了棄風(fēng)量。3.2大規(guī)模風(fēng)電的可用化仿真采用上一節(jié)的去波動(dòng)化方法,能夠?qū)⒋笠?guī)模風(fēng)電轉(zhuǎn)化為具有一定穩(wěn)定性的常規(guī)電力。但是,在實(shí)際生產(chǎn)中,風(fēng)電的負(fù)荷曲線是無(wú)法事先得到的,只有依靠風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng),得出功率預(yù)測(cè)曲線。然后再根據(jù)去波動(dòng)化過(guò)程,對(duì)機(jī)組方式、風(fēng)電上網(wǎng)電力進(jìn)行調(diào)度管理。整個(gè)規(guī)程如下:大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后,如下圖考慮機(jī)組啟停機(jī)后,如下圖以上過(guò)程即為大規(guī)模風(fēng)電的可用化過(guò)程。采用內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),進(jìn)行可用化的仿真,如下圖:風(fēng)電的去波動(dòng)化,實(shí)質(zhì)上是將一部分波動(dòng)較大的風(fēng)能舍棄,保證基本風(fēng)電的上網(wǎng)。其中,波動(dòng)量的大小既是地區(qū)風(fēng)電的特性,同時(shí)也受到電網(wǎng)調(diào)峰能力、啟停機(jī)管理的限制。蒙西電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電去波動(dòng)化過(guò)程中,兩個(gè)窗口指標(biāo):電網(wǎng)日調(diào)峰能力、機(jī)組啟停容量,起到非常關(guān)鍵的作用。4以較低的投入產(chǎn)出比來(lái)制約電網(wǎng)健康發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明,風(fēng)電的波動(dòng)性是制約其大規(guī)模發(fā)展的最主要因素