基于隨機生產(chǎn)模擬的新能源接入系統(tǒng)發(fā)電成本評估

基于隨機生產(chǎn)模擬的新能源接入系統(tǒng)發(fā)電成本評估

0風電場參與隨機生產(chǎn)模擬研究隨著規(guī)模和數(shù)量的增加，風壓站和光照站在能源系統(tǒng)中的作用不容忽視。在電力規(guī)劃中,研究并網(wǎng)風電場與光伏電站對節(jié)約常規(guī)發(fā)電機組燃料及減少系統(tǒng)發(fā)電成本的貢獻意義重大。電力系統(tǒng)隨機生產(chǎn)模擬是評價電力系統(tǒng)運行技術(shù)經(jīng)濟指標、分析生產(chǎn)成本及制定燃料計劃的主要工具,是電力系統(tǒng)規(guī)劃的重要組成部分。目前,在關(guān)于風電場參與隨機生產(chǎn)模擬的研究中,對風電場的處理主要有2種方法:一種是將風電場處理為多狀態(tài)機組,安排風電帶基荷;另一種是將風電場出力處理為負的負荷,直接在負荷中剔除。上述2種處理風電的方法均無法考慮實際電網(wǎng)中由于調(diào)峰問題造成的谷荷棄風帶來的功率損失。而關(guān)于光伏電站參與隨機生產(chǎn)模擬還未見相關(guān)的研究報道。本文結(jié)合隨機生產(chǎn)模擬的特性與風電場和光伏電站的電源特性開展研究,并利用IEEE-RTS79系統(tǒng)對該方法進行了測試驗證。1日負荷與風力的關(guān)系雖然風電與光伏電源均為間歇式電源接入電網(wǎng),但它們的具體電源特性卻有顯著不同。風電特性取決于風資源特性。文獻的研究表明,風電波動主要與天氣相關(guān),而天氣變化通常采用多天時間尺度,一般可忽略其與日負荷的相關(guān)性。風電并網(wǎng)后,風電電量能否全部利用主要取決于在日負荷谷荷時段是否有足夠的出力空間。負荷分布會制約風電電量的充分利用。晝夜交替使光伏電源天然具有日時間尺度的周期性,與日負荷強相關(guān)。通常光伏出力的變化趨勢與日負荷變化一致度較高,并且負荷日變化量一般遠大于光伏出力日變化量,所以可認為光伏電源并網(wǎng)后不會出現(xiàn)風電并網(wǎng)出力空間不足問題,即負荷分布不會制約光伏電源電量的充分利用。2電源的參與原則在經(jīng)典隨機生產(chǎn)模擬的框架下,考察風、光電源的參與原則,主要需要明確的問題為:(1)風、光電源參與下如何形成負荷持續(xù)曲線;(2)機組帶負荷順序是否需要變化。2.1光伏電源出力修正負荷持續(xù)曲線由于隨機生產(chǎn)模擬核心是把發(fā)電機組的隨機停運與隨機負荷巧妙地結(jié)合起來,將發(fā)電機組的隨機停運和隨機負荷處理為相互獨立的隨機變量,按一定順序進行卷積運算。而光伏電源出力與負荷強相關(guān),說明不能將光伏電源處理為獨立參與隨機生產(chǎn)模擬的多態(tài)機組,同時負荷分布不制約光伏電源電量的充分利用,說明將光伏電源出力合并到負荷持續(xù)曲線中去是合理的,所以應該用光伏電源出力修正原始負荷持續(xù)曲線。具體可根據(jù)光強的時序模型折算出光伏電源的時序出力,利用時序負荷曲線減去時序光伏電源出力得到凈負荷曲線,之后基于凈負荷曲線計算負荷持續(xù)曲線。圖1對比了原始負荷持續(xù)曲線和剔除光伏出力的凈負荷持續(xù)曲線,原始持續(xù)負荷曲線為IEEE-RTS測試系統(tǒng)負荷時序曲線整理得到,凈負荷持續(xù)曲線是IEEE-RTS測試系統(tǒng)負荷時序曲線減去某光伏電站全年出力整理得到。由圖1可知,由于光伏電源與負荷的在日時間尺度上的強相關(guān)性,使光伏電源對原始負荷分布中各個負荷水平影響是不均勻的,修改了負荷曲線形狀,這將影響帶腰荷的機組的發(fā)電量,也說明在隨機生產(chǎn)模擬中將光伏電源出力處理為與負荷相互獨立隨機變量是不可行的,應該將其作為負的負荷合并到負荷持續(xù)曲線中去。而對于風電,其電量能否充分利用受制于是否有充足的出力空間,涉及模擬過程中的細節(jié),不適于將風電作為負的負荷,并且風電與負荷相關(guān)性可以忽略,均說明在隨機生產(chǎn)模擬過程中適宜將風電處理為多態(tài)機組。2.2等效負荷持續(xù)曲線由文獻可知在中國現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)下,棄風主要來源于低谷負荷時風電出力空間不足,考慮這一運行約束,在隨機生產(chǎn)模擬中應該調(diào)整文獻中機組帶負荷順序。由原來將等效風電多態(tài)機組首先安排在基荷帶負荷,調(diào)整為安排完基荷機組后再安排等效風電多態(tài)機組帶負荷。基荷機組通常包括核電機組、恒出力的水電機組及非啟停調(diào)峰的火電機組最小出力部分等?；扇萘康拇笮】赏ㄟ^泛化的調(diào)峰容量比推算得到。安排完風電后,可以按機組容量或經(jīng)濟性順序安排化石燃料調(diào)峰機組帶負荷,按機組利用小時數(shù)順序安排調(diào)峰水電機組帶負荷,在水、火機組帶負荷順序的基礎(chǔ)上為水電機組找到合適的帶負荷位置使其充分發(fā)揮容量及電量價值?；诖朔N機組帶負荷順序,等效風電機組在等效負荷持續(xù)曲線上會出現(xiàn)如圖2所示的2種情況。圖2中C是風電裝機容量,陰影面積為風電總發(fā)電量。圖2a)陰影完全在等效持續(xù)負荷曲線內(nèi),此時不棄風;圖2b)陰影的一部分在等效持續(xù)負荷曲線外,此時棄風。對應可提出棄風指標:棄風功率損失期望(LossofWindEnergyExpectation,LWEE)和棄風比率(AbandonedWindRate,AWR),表達式如下:式中:S為圖2中陰影總面積;S*為等效負荷曲線內(nèi)陰影所對應的面積。3隨機生產(chǎn)模擬流程根據(jù)上述分析,圖3給出含大規(guī)模風、光電源的電力系統(tǒng)隨機生產(chǎn)模擬流程。流程中安排機組帶負荷算法可采用卷積算法、半不變量法或等效電量函數(shù)法等,具體算法本文不再贅述。4隨機生產(chǎn)模擬、中風和光電源模型4.1基于機組的風電機組優(yōu)化配置由文獻知,風電出力可由Beta分布描述。根據(jù)已知分布選擇適當?shù)臓顟B(tài)數(shù)目可以形成風電出力的多狀態(tài)概率,或者直接選用多年運行的風電場未作擬合的離散的原始風電分布數(shù)據(jù)。通常在規(guī)劃階段只測得風速出力分布,此時可以通過風電機組模型將風速分布轉(zhuǎn)化成風電出力分布,進而通過選擇適當?shù)臓顟B(tài)數(shù)目形成等效的風電多狀態(tài)機組。通常風速分布可以由Weibull分布、Rayleigh分布、Chi-2分布或Lognormal分布來描述。4.2光伏電池生物固性測試如果考慮光伏電池最大功率跟蹤策略,光伏電池的輸出功率如下式:式中:Ppv為光伏電池實際輸出功率;Ypv為光伏電池在標準測試條件下的額定功率;fpv為光伏電池損耗系數(shù);RT為實際光輻射強度;RSTC為標準測試條件下的光輻射強度;α為光伏電池功率溫度系數(shù);TC為實際環(huán)境溫度;TSTC為標準測試條件下的環(huán)境溫度,取25℃。根據(jù)式(3)及光伏電站時序光照強度水平和時序溫度水平可以形成光伏出力的時序出力曲線。5光伏機組模型及模型驗證本文采用算例為IEEE-RTS32機系統(tǒng),裝機容量為3405MW,最大常規(guī)機組單機容量為400MW,最小常規(guī)機組單機容量為12MW,年最大負荷為2850MW。根據(jù)文獻關(guān)于算例調(diào)峰容量比的設(shè)置,折算得到各機組的最小出力。機組參數(shù)如表1所示。算例考察周期為一周,采用IEEE-RTS第50周時序負荷數(shù)據(jù)。算例假設(shè)可用水電電量為8400MW·h。光伏電源模型中選定中國規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模光伏發(fā)電的西北地區(qū)(西寧:北緯36°,東經(jīng)101°)作為光照強度設(shè)定取值區(qū),通過HOMER軟件計算得到時序光照強度曲線,根據(jù)西寧的天氣歷史數(shù)據(jù)得到的時序溫度曲線。光伏電池損耗系數(shù)為0.87,光伏電池功率溫度系數(shù)取單晶硅典型值0.0046。風電模型中風速模型服從Weibull分布,形狀參數(shù)為1.96,尺度參數(shù)為6.54;風電機組模型采用文獻所描述模型,其中額定風速為14m/s,切入、切出風速分別為3m/s、25m/s。安排機組具體算法采用半不變量算法。根據(jù)本文方法對下述4種情景,得到計算結(jié)果如表2所示。情景1:并網(wǎng)風、光電源容量均為零。情景2:并網(wǎng)光伏電源容量為200MW。情景3:并網(wǎng)光伏電源容量為200MW,并網(wǎng)風電容量為300MW。情景4:并網(wǎng)光伏電源容量為200MW,并網(wǎng)風電容量為600MW。由表2可知,風光電源接入后有效地減少了系統(tǒng)的發(fā)電成本,節(jié)約了化石燃料。根據(jù)情景3和情景4可知,風電接入容量為300MW和600MW時均會出現(xiàn)風電功率損失,并且風電接入規(guī)模越大棄風功率損失越大,說明了算例系統(tǒng)中常規(guī)靈活電源比重較小,風電出力空間狹小。減小棄風功率可以通過利用啟停靈活燃氣機組替代強迫出力大的機組,或者通過有效的負荷管理修改負荷分布特性,削減峰谷差,以有效增加風電出力空間。6風電與光伏電源參與隨機生產(chǎn)模擬及風功率損失期望模型可再生能源并網(wǎng)會有效減少化石能源消耗,減小系統(tǒng)發(fā)電成本,帶來巨大的環(huán)境效益。本文從電源規(guī)劃的角度,利用隨機生產(chǎn)模擬對可再生能源接入系統(tǒng)發(fā)電成本進行了評估。根據(jù)風電與光伏電源