三北地區(qū)電網(wǎng)最大風(fēng)電消納能力的優(yōu)化調(diào)度研究

三北地區(qū)電網(wǎng)最大風(fēng)電消納能力的優(yōu)化調(diào)度研究

0基本模型的提出“三北”地區(qū)的電網(wǎng)主要為燃煤發(fā)電。嚴重缺乏適應(yīng)良好性能的水電供電，許多電氣供應(yīng)裝置主要用于發(fā)電裝置。例如，東北能源占主導(dǎo)地位的80%，但靈活調(diào)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(wǎng)負荷特性是電網(wǎng)調(diào)度的重要依據(jù)。近年來,“三北”地區(qū)電網(wǎng)低谷用電量增長偏緩,尖峰用電量卻增長較快,電網(wǎng)的峰谷差在逐年加大,如東北電網(wǎng)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(wǎng)的調(diào)峰能力下降。風(fēng)力發(fā)電是目前新能源發(fā)電中技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件及商業(yè)化前景的發(fā)電方式。至2010年底,國內(nèi)已并網(wǎng)運行的風(fēng)電裝機容量達到29.56GW,其中“三北”地區(qū)就占91%,蒙西、蒙東、遼寧、吉林、黑龍江等省區(qū)的風(fēng)電并網(wǎng)容量更是超過了其統(tǒng)調(diào)總?cè)萘?0%。風(fēng)電具有隨機性、間歇性和不可控性,特別是其反調(diào)峰特性更增加了電網(wǎng)調(diào)峰困難。《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法實施細則》規(guī)定:“燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組按照以熱定電的原則安排發(fā)電負荷;無調(diào)節(jié)能力的風(fēng)能具有第一發(fā)電優(yōu)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(fēng)電機組的大發(fā)期以及風(fēng)電的反調(diào)峰特性相互疊加,導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰非常困難、棄風(fēng)現(xiàn)象時有發(fā)生。因此,在滿足電網(wǎng)電、熱負荷的前提下,如何提高風(fēng)電消納能力已成為“三北”地區(qū)電網(wǎng)節(jié)能調(diào)度中殛需研究的問題。國內(nèi)已有很多學(xué)者對節(jié)能調(diào)度進行了系統(tǒng)研究,提出了風(fēng)電-抽水蓄能協(xié)調(diào)、風(fēng)電-火電協(xié)調(diào)、省間互濟等各種措施。但這些研究僅針對純凝機組進行,優(yōu)[1化4-1調(diào)6]度中未考慮熱負荷優(yōu)化問題,即未考慮熱負荷對電網(wǎng)節(jié)能調(diào)度及其風(fēng)電消納能力的影響,因而與“三北”電網(wǎng)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?；A(chǔ)上,構(gòu)建了一種電負荷由全網(wǎng)機組平衡、熱負荷由各熱電廠就地平衡,且對風(fēng)電棄風(fēng)進行懲罰的節(jié)能調(diào)度模型,研究了內(nèi)點法求解該模型最優(yōu)解的方法。然后提出了一種根據(jù)優(yōu)化結(jié)果計算電網(wǎng)風(fēng)電最大消納能力的方法,并分析了熱負荷對電網(wǎng)消納能力的影響。實例計算表明:本文調(diào)度模型能增加系統(tǒng)風(fēng)電消納能力,具有較好的節(jié)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(fā)電的同時對外供熱,并能在較大范圍內(nèi)同時滿足熱、電兩負荷的要求。也就是說,當(dāng)發(fā)電功率不變時,供熱抽汽量可以在容許范圍內(nèi)任意變動;當(dāng)供熱抽汽量不變時,發(fā)電功率可以在容許范圍內(nèi)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(diào)節(jié)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(shù)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(chǎn)生的熱功率,ΔHtΙ是高壓缸焓降,ηtΙ為高壓缸發(fā)電效率,k2為常數(shù)。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(tǒng)焓降,ηt為系統(tǒng)發(fā)電效率,Bc、k1為常數(shù)。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(shù)均為擬合常數(shù)。2節(jié)能規(guī)劃模型2.1fconijt煤耗量模型考慮風(fēng)電棄風(fēng)懲罰后,以系統(tǒng)煤耗量最小建立的目標(biāo)函數(shù)如下:其中,F是系統(tǒng)的煤耗總量,FCHPijt是熱電廠i內(nèi)第j臺熱電機組t時段時的煤耗量,FCONijt是火電廠i內(nèi)第j臺純凝機組t時段的煤耗量,是風(fēng)電場i在t時段的棄風(fēng)功率,γ為電煤轉(zhuǎn)化系數(shù)(懲罰因子),α是系統(tǒng)熱電廠的數(shù)目,β是熱電廠內(nèi)熱電機組的數(shù)目,χ是火電廠的數(shù)目,δ是火電廠內(nèi)純凝機組的數(shù)目,φ是風(fēng)電場的數(shù)目,T為運行周期。全文統(tǒng)一規(guī)定功率的單位為MW,電能單位為MWh,發(fā)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(tǒng)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(fēng)電場實際消納風(fēng)電,Pt是系統(tǒng)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(qū)域,區(qū)域內(nèi)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(qū)域i在t時段的熱負荷需求。其中,PtWD是風(fēng)電場在t時段的預(yù)測出力。其中,PtWD是風(fēng)電場在t時段的預(yù)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(nèi)熱電機組j出力上下限和火電廠i內(nèi)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(nèi)熱電機組j的熱出力下上限。其中,γdowni、γupi為常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)熱電比,σij為熱電機組的實際熱電比。2.3規(guī)調(diào)度模型對比常規(guī)調(diào)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(qū)別對待純凝機組和供熱機組。因此,與常規(guī)調(diào)度模型相比,本文提出的新型調(diào)度模型中增加了機組熱負荷優(yōu)化,優(yōu)化變量增加較多。常規(guī)調(diào)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(diào)度模型時,易出現(xiàn)計算速度慢的特點。然而內(nèi)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(shù)法的不足1)常規(guī)計算方法對電網(wǎng)來說,最大負荷Pmax決定了電網(wǎng)中的機組運行容量P開機,而機組的最小技術(shù)負荷P小小于電網(wǎng)的最小負荷Pmin,最小負荷與機組最小技術(shù)負荷的差值即為電網(wǎng)的調(diào)峰裕度,如圖1黑粗線部分所示。目前,許多文獻就將電網(wǎng)的每日調(diào)峰裕度看做電網(wǎng)的最大風(fēng)電消納能力。2)等效容量系數(shù)法文獻認為:每日調(diào)峰裕度等于最大入網(wǎng)風(fēng)電功率,而通常所說的風(fēng)電消納能力指的是系統(tǒng)規(guī)劃中的最大風(fēng)電裝機容量,由于風(fēng)電機組不能時刻滿發(fā),若定義等效容量系數(shù)ξ等于風(fēng)電場最大出力與風(fēng)電場裝機容量之比,則考慮了風(fēng)電等效容量系數(shù)后,電網(wǎng)最大風(fēng)電消納能力:3)基于優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的最大風(fēng)電消納能力本文認為:電網(wǎng)最小負荷(或調(diào)峰裕度)與風(fēng)電最大出力的發(fā)生時刻不一定一致,因此,等效容量系數(shù)法計算結(jié)果缺乏實際意義。更科學(xué)的方法應(yīng)該是根據(jù)典型日的調(diào)度結(jié)果,逐點計算電網(wǎng)調(diào)峰裕度、風(fēng)電發(fā)電負荷率和風(fēng)電最大裝機容量,然后取該調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電最大裝機容量中的最小值作為電網(wǎng)的最大風(fēng)電消納能力:其中,Pwzj是風(fēng)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(tǒng)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(fēng)電場(10臺風(fēng)電機組)。設(shè)#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(fēng)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(shù)值及風(fēng)電出力如表1所示,熱電機組、純凝機組參數(shù)如表2、3所示。熱電機組的最小技術(shù)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(diào)度方法消納風(fēng)電的仿真采用常規(guī)調(diào)度(熱電機組按照純凝機組)與新型調(diào)度計算時,棄風(fēng)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(diào)度方式機組之間的電負荷分配如表6所示。由表4可知,現(xiàn)有的節(jié)能調(diào)度方法不能夠完全消納風(fēng)電,在負荷低谷期,為了系統(tǒng)的負荷平衡,不得不棄掉一部分風(fēng)電。同樣可以看出,由于風(fēng)力發(fā)電的反調(diào)峰特性,棄風(fēng)現(xiàn)象一般發(fā)生在夜間,而且兩種調(diào)度模型得到的實際風(fēng)電消納空間差別較大,新模型由于考慮了棄風(fēng)懲罰,因此棄風(fēng)量下降。表明考慮熱負荷的新型調(diào)度方式能夠吸納更多的風(fēng)電,同時新型調(diào)度方式仍然存在部分棄風(fēng)現(xiàn)象。分析可知新型節(jié)能調(diào)度方式減少了系統(tǒng)對煤炭的消耗,它能夠節(jié)約煤炭75.084噸,占常規(guī)調(diào)度總煤耗量的1.565%,具有良好的節(jié)能效益。4.3計算結(jié)果常規(guī)計算方法、等效容量系數(shù)法及其本文方法的電網(wǎng)消納能力計算結(jié)果如表7所示。從表8可以看出:新型優(yōu)化調(diào)度下,逐點計算電網(wǎng)調(diào)峰裕度、風(fēng)電發(fā)電負荷率和最大風(fēng)電消納能力,更能真實的反映電網(wǎng)對風(fēng)電的真實消納能力。4.4熱負荷下電網(wǎng)風(fēng)電消納能力計算結(jié)果假設(shè)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(wǎng)風(fēng)電消納能力計算結(jié)果如表8所示?？梢钥闯?隨著系統(tǒng)熱負荷的增加,電網(wǎng)風(fēng)電消納能力減少。5風(fēng)電棄風(fēng)新型調(diào)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?；A(chǔ)上,構(gòu)建了一種電負荷由全網(wǎng)機組平衡、熱