风电火电打捆送出时的输电容量优化方法.pdf

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第40卷第8期2012年4月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl0l_40No.8Apr.16,2012风电火电打捆送出时的输电容量优化方法华文,徐政(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘要:风电火电打捆送出是实现大容量风电远距离送出的一种比较经济可行的方法。针对现有的可再生能源政策以及火电机组的实际运行特性,提出了风电优先同时考虑火电机组最小技术出力的风电火电打捆送出策略。利用风电场群出力持续曲线来描述风电场群的年出力特性,基于此曲线以及风电火电送出策略给出了确定输电容量下的风电与火电年实际可送出电量以及阻塞电量的计算方法。在综合考虑由于阻塞电量导致的损失,打捆送出时对火电的不利影响以及输电线路建设成本的基础上,给出了输电容量的优化方法。算例分析表明该算法可以在优化输电成本的同时,最大程度地减少风电火电打捆送出时各方面的不利影响。关键词:风力发电;火力发电;打捆送出;输电容量AmethodtooptimizetransmissioncapacityofwindpowerincombinationwiththermalpowerHUAWen,XUZheng(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Itisaneconomicwaytotransmitlargecapacityofwindpowerincombinationwiththermalpowertofaraway.Consideringthecurrentrenewableenergypolicyandtheoperationcharacteristicsofthermalplant,thispaperproposesastrategytotransmitwindpowerincombinationwiththermalpower,whichtakesbothwindpowerpriorityandminimumtechnologicaloutputofthermalintoconsideration.Theannualoutputcharacteristicofwindfarmsisdescribedbythewindpowerdurationcurve,basedonwhichtheannualtransmittedpowerandthecongestionlossduetotransmissionlimitationarecalculated.Theoptimaltransmissioncapacityiscalculatedbymakingabalancebetweencongestionlossandthecostoftransmissionline,also,thenegativeeffectonthermalpowerwhiletransmittingpowerincombinationwithwindpowerisconsidered.Theresultshowsthattheproposedmethodcanminimizethetransmissioncost;alsothenegativeeffectofbothwindpowerandthermalpowerCanberelieved.Keywords:windpower;thermalpower;combinedtransmission;transmissioncapacity中图分类号:TM715;TM73文献标识码:A文章编号:1674.3415(2012)08.012t-050引言我国地域辽阔,风资源分布不均衡,目前全国规划设计的8个千万千瓦级的大型风电场除江苏、山东、河北以外其余的全部分布在内蒙古、新疆、吉林以及甘肃等三北地区。三北地区目前的网络结构无法接纳如此大规模的风电容量,且该地区的用电负荷较小,无法消纳当地的全部风电功率,大规模风电如何外送成为了三北地区风电发展的主要问题】。由于风能的随机性、波动性以及间歇性,大规模风电并网运行后将给电网的调频调峰带来一系列的问题【4{J,现有的调频调峰电源容量可能无法满足大容量风电接入后的调频调峰要求【8],为了保证风电接入后系统的安全稳定运行,需要配套增加一定的调频调峰电源。内蒙、新疆地区煤炭资源丰富,文献『9.1O]指出火电机组可以满足大容量风电加入后的调频调峰需求,因此可考虑为大型风电场群配套一定的火电机组作为调频调峰电源,将火电与风电打捆送出。这样不仅可以提高风电并网运行后电网的可靠性,而且可以提高外送线路的利用率,降低大容量风电外送的输电成本。目前,对于大规模风电送出容量如何确定的问题已有一些文献做了研究。文献fl11提出了一种应用多场景概率同时考虑负荷、经济等不确定性因素来决定风电场的外送容量的方法;文献【12】分析了不同输电容量对电力系统可靠性的影响,指出应该综合考虑经济性以及系统的可靠性来确定风电外送一l22.电力系统保护与控制容量;文献[13.14]提出了一种基于最优经济性的风电外送容量的确定方法。但是这些文献仅仅考虑了纯风电送出,由于风电的波动性和随机性,大容量远距离的纯风电送出会给输电系统带来较多的技术难题,例如交流线路的无功控制,直流线路的功率控制等等。本文在文献[13.141的基础上提出了一种风电火电打捆送出时的输电容量优化方法,综合考虑了风电火电机组的运行特性以及国家对于可再生能源的相关政策,在最大化风电火电送出的同时,使得输电经济效益达到最佳。1风电火电打捆送出时的送出策略2006年起实施的《中华人民共和国可再生能源法》规定电网企业需全额收购其电网覆盖范围内可再生能源,因此在风电火电打捆送出时应优先考虑风电的送出。但是由于风电机组出力的随机性与波动性,其日出力变化很大,为了保证外送功率不超过输电容量,若在风电机组大发时对火电机组采取停机策略,则火电机组需要频繁的启停操作,这不仅对火电厂的运行不利,会造成很大的启停费用。因此在风电大发时考虑风电场采取适当的弃风措施,防止火电机组的负荷率过低甚至出现被迫停机的状况,以提高火电机组的经济性。在一定输电容量下,风电与火电打捆送出策略为:优先考虑风电送出,当风电与火电的总发电功率超出输电容量时,火电机组考虑降出力运行,若火电机组以最小技术出力运行时的风火电的总功率仍超出输电容量,则考虑风电场群弃风以使得总的外送功率控制在输电容量之内。2输电容量对风电火电打捆送出的影响由于风电功率的时空分布特性,相对于单个风机的出力特性,风电场群的出力会有较大的不同Il引。风电场群很少出现出力为零的情况,风电场群的地理范围越大风电场群的最大出力标么值越小。为了描述风电场群的出力特性,可以利用风电场群的出力持续曲线[13,161来刻画风电场群的年出力特性。设输电容量为尸T,火电机组群总的装机容量为H,火电机组群的最小技术出力为i,为风电场群的最大可能出力,(f)表示风电场群出力持续曲线。图1与图2给出了输电容量对风电与火电送出的影响。区域A(着色区)的面积表示风电场群年弃风电量,区域B(斜线区)的面积表示风电场群的年输出电量,区域C(竖线区)的面积表示在该输电容量下火电机组年可送出电量上限。当尸TPm+i时,风电场群不存在弃风情况;当<+时,表明由于输电容量限制,风电场群需要弃风以降低输电功率,此时风电场群最—大可输出功率为PTPTH,一年中需要弃风的时间为,弃风电量为区域A对应的面积。当风电场群输出功率大于一H时,火电机组需要降出力运行,一年中火电机组需要降出力运行的时间为tT(火电运行按最严重情况考虑,即最大化火电的降出力运行时间)。H8760tha图1<+尸THi时风电火电打捆送出电量Fig.1AnnualtransmittedwindandthermalpowerwhenPT<em+尸THi图2尸T+PTmin时风电火电打捆送出电量Fig.2AnnualtransmittedwindandthermalpowerwhenPTem+Hi3风电火电打捆送出时的输电容量优化方法3.1确定输电容量下的风电火电年送电量与阻塞电量的计算方法风电场群的年送出电量与火电机组的年送出电量Em分别如式(1)与式(2)所示。华文,等风电火电打捆送出时的输电容量优化方法一123-f.≥+一1一④一一一<+一H=min(P ̄TxH,rest)(1)(2)式(1)中:表示风电场群的装机容量;表示无输电限制时的风电场群年利用小时数。式(2)中:H为火电机组的无输电限制时的年利用小时数;为输电线路扣除风电场年输电量后的剩余可输电电量,可由式(3)表示。—删=8760PTwF(3)若输电线路的剩余可输电电量小于火电机组最小出力时的发电量,则说明在该输电容量下火电机组常年处于最小技术出力状态,这是明显不符合火电厂经济运行的,因此要求输电线路的剩余输电容量大于火电机组处于最小出力时间时的发电量,即删>Hito(4)风电场群的弃风电量EwFL0s。与火电机组由于输电容量限制不得不减少的发电量HL。。。计算方法分别如式(5)与式(6)所示。10+-I.一-ll[一(一)p<+L(5)—ETHLoss=max(O,PTHHETrest)(6)为了配合风电的送出,在风电机组出力较大时火电机组需要采用降出力运行,以使得风电火电的总出力不超过输电容量。当火电机组的负荷率下降时,机组单位供电煤耗会上升,这会导致火电机组的运行成本增加。一年中火电机组由于降出力运行导致的煤耗增加量可由式(7)表示。=“T[re(r/)一m0]r/(t)PTHdt(7)式(7)中:表示火电机组每年因为降出力导致的煤耗增加量;77()表示时刻机组的负荷率;re(r/)表示机组负荷率为77时的单位供电煤耗;m表示机组额定负荷时的单位供电煤耗。刀(f)可由式(8)计算得到—77):-g—(t)(8)一式中:(,)为考虑弃风后风电场群的实际年出力。3.2风电火电打捆送出时的输电容量优化为了说明输电容量与风电场群以及火电机组总装机容量之间的关系,假设输电容量是连续的,实际的工程中可以根据此值调整取得最优解。综合考虑输电项目建设成本、风电场群弃风损失、火电机组由于输电限制导致的阻塞电量损失以及打捆送出对火电的不利影响,风电火电打捆送出时的输电容量优化函数可以由式(9)~式(16)表示(按静态投资考虑)。min,:g2±墨2±±!墨(9)矸)s.t.尸THmi<<PTH+Pmax(10)>尸THiC()=c ̄PTL+2尸T(尸T)=EL吣HⅢ(PT)=PTHEⅢE(PT)=(+E)LM(PT)=PMMTS式(9)中:厂表示单位送电量综合成本;C(PT)表示输变电项目建设成本;Lw(PT)表示输电项目回收期内因弃风导致的风电场群收益损失;H()表示输电项目回收期内因输电容量限制导致的火电厂收益损失;(PT)表示输变电项目回收期内总的输电电量;厶(PT)表示输变电项目回收期内火电机组由于降出力运行导致的成本增加。式(12)中:C,表示单位容量、单位长度的输电线路造价,c表示单位容量变电(换流)设备的造价。式(13)中:PWF表示风电的上网电价;表示输变电项目的静态投资回收期。式(14)中,H表示火电的上网电价。式(16)中,PM表示煤价。4算例分析设风电场群总的装机容量为5000Mw,火电机组总的装机容量为5000Mw,风电场群无输电限制时的年利用小时数为2200h,火电机组无输电限制时的年利用小时数为5500h,火电机组群的最小技术出力为额定出力的50%,输电距离为2500))))))¨//////..124..电力系统保护与控制km,投资回收期为20年,风电上网电价为0.50元/l(,火电上网电价为0.35元/kWh,输电线路的造价为5.47万元/(MW・100krn),变电(换流)设备为1360元/l(w,煤价为1000元/t。为简化问题分析,假设风电场群持续曲线为一直线,如图3所示。以某1000Mw超临界机组的供电煤耗曲线作为火电机组的煤耗曲线,如图4所示【l。l卜、I\\1\\、\、\\\、\\、、图3风电场群出力持续曲线Fig.3Thewindpowerdurationcurveofwindfarms至\曲耀蝼脚\\\\\\~~~~机组负荷率图4火电机组供电煤耗曲线Fig.4Thecoalconsumptionofpowersupplycurve图5给出了单位送电量综合成本随输电容量变化时的曲线。本算例中最优输送容量为7250MW,单位送电量综合成本为0.03922元/kWh,风电场群不存在弃风现象,火电机组也不存在因为输电容量限制导致年出力减少的情况,输电线路的年利用小时数为5238h。本算例中若为纯风电送出,即火电装机容量取零,风电场群装机容量为5000Mw,则最优输送容量为2400Mw,单位送电量的静态综合成本为0.0456元/kWh,输电线路的年利用小时数为4574h,输电成本为风电火电打捆送出时的1.16倍,输电线路的年利用小时数为风电火电打捆送出时的87.3%。由此可见风电火电打捆送出可以降低输电费用,提高线路利用率,具有良好的经济效益。当输电容量较小时,火电机组为了配合风电送出,需要频繁地降出力运行,使得供电煤耗增加。图6给出了本算例在不同输电容量下,火电机组为了配合风电送出供电煤耗增量与输电容量之间的关系。由图6可以看出火电厂的供电煤耗增量会随着输电容量的减少而显著增加,本例中按最优输电容量7250Mw送出时火电机组的供电煤耗增量很小。I●’f_\_:...’\_.\r\l::、\●\}卜\\:~~———一:矗26.46.66.87.07.27.4输电容鼍/MW图5输电费与输电容量的关系Fig.5Therelationshipbetweentransmissioncostandtransmissioncapacity岔8≥珊删菱zO\\\\、\’~、一—r~5.0556.06.57.07.5输电容量/MW×103图6火电供电煤耗增加量与输电容量的关系Fig.6Therelationshipbetweencoalconsumptionofpowersupplyandtransmissioncapacity若保持风电场群与火电机组总的装机容量10000MW不变,当风电比例由0~100%变化时,最优输电容量的变化如图7所示。由图7可以看出,风电比例图7最优输电容量随风电比例的变化Fig.7Theoptimumtransmissioncapacityvaryaswindpowerratiochanges208642O8¨∞OO00OOO0(q互\)0O0O0OOO0OO5O505221l参阱辞华文,等风电火电打捆送出时的输电容量优化方法..125..当风电火电打捆送出的总装机容量一定时,随着风电比例的增加,风电火电打捆送出所需的最优输电容量逐渐减少。同时计算结果表明在最优输电容量下不存在由于输电阻塞导致的火电电量损失,风电仅在风电比例较高时会存在少量的弃风损失。5结论本文在综合考虑了国家现行的有关风电政策以及火电机组运行的实际状况的基础上,给出了风电火电打捆送出时的送出策略。以风电场群持续出力曲线来描述风电场群的年出力特性,在综合考虑输电限制导致的电量损失、打捆送出对火电的不利影响以及输变电工程建设成本的基础上,提出了风电火电打捆送出时的容量优化方法。与纯风电送出相比,风电火电打捆送出能大幅降低输电费用,提高输电线路的利用率。火电为配合风电送出而采取降出力运行会导致供电煤耗增加,供电煤耗的增量随着输电容量的增加而显著减少。当风电火电的总装机容量一定时,最优输电容量随着风电比例的增加而减少。本文提出的方法对大容量风电火电打捆送出最优容量的选择具有一定的参考意义。参考文献[1]汪宁渤.甘肃酒泉千万千瓦风电基地面临的挑战及应对措施[J].电网与清洁能源,2009,25(7):43.47.WANGNing-bo.ChallengesandcountermeasuresofJiuquan10enillionkilowaRsofwindpowerbaseingansu[J].PowerSystemandCleanEnergy,2009,25(7):43.47.[2]刘峻,何世恩.建设坚强智能电网助推酒泉风电基地—发展[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):1923.LIUJun,HEShi-en.StrongsmartgridboostsJiuquanwindpowerbasedevelopment[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(21):19-23.[3]李秀芬,张建成,迟永宁.内蒙古风电发展存在的问题及解决方案分析[J].内蒙古电力技术,2010,28(5):—14.——LIXiu-feng,ZHANGJiancheng,CHIYongning.AnalysistoexistingissuesanditssolutionsindevelopmentofInnerMongoliawindpower[J].InnerMongoliaElectricPower,2010,28(5):1-4.[4]张鹏,刘继春,吕林,等.基于风蓄协调的节能调度方法[J].电力系统保护与控制,2011,39(2):29.34.—ZHANGPeng,LIJichun,LfiLin,eta1.Theenergy-savingdispatchbasedonthecoordinationbetweenpumpedstoragehydroandwindenergy[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(2):29.34.[5]袁铁江,晁勤,李义岩,等.基于风电极限穿透功率的经济调度优化模型研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(1):15-22.—YUANTie-jiang,CHAOQin,LIYiyan,eta1.Researchonoptimizationmodelofeconomicdispatchbasedonwindpowerpenetrationlimit[J].PowerSystemProtectiona—ndControl,2011,39(1):1522.[6]姜文,严正.基于一种改进粒子群算法的含风电场电力系统动态经济调度[J].电力系统保护与控制,2010,—38(21):173178.JIANGWen,YANZheng.DynamiceconomicdispatchconsideringwindpowerpenetrationbasedonIPSO[JI.PowerSystemProtectionandControl,2010,38(21):173.178.[7]李付强,王彬,涂少良,等.京津唐电网风力发电并网调峰特性分析【JJ.电网技术,2009,33(18):128.132.—LIFu-qiang,WANGbin,TUShaoliang,eta1.AnalysisonpeakloadregulationperformanceofBeijing-・Tianjin・・Tangshanpowergridwithwindfarmsconnected[J].PowerSystemTechnology,2009,33(18):128-132.[8]肖创英,汪宁渤,丁坤,等.甘肃酒泉风电功率调节方式的研究[J].中国电机工程学报,2010,30(10):1-6.—XIAOChuang-ying,WANGNingbo,DINGKun,eta1.SystempowerregulationschemeforJiuquanpower—base[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(10):16.[9]王芝茗,苏安龙,鲁顺.基于电力平衡的辽宁电网接纳风电能力分析[J].电力系统自动化,2010,34(3):—8690.—WANGZhiming,SUAn.1ong,LUShun.AnalysisoncapacityofwindpowerintegratedintoLiaoningpowergridbasedonpowerbalance[J].AutomationofElectric—PowerSystems,2010,34(3):8690.[10]肖创英,汪宁渤,陟晶,等.甘肃酒泉风电出力特性—分析lJ1.电力系统自动化,2010,34(17):6467.—XIAOChuangying,WANGNing-bo,ZHIJing,eta1.PowercharacteristicsofJiuquanwindpowerbase[J].AutomationofElectricPowerSystems,2010,34(17):64.67.[11]袁越,吴博文,李振杰,等.基于多场景概率的含大型风电场的输电网柔性规划【J].电力自动化设备,2009,29(10):8-12.—YUANYue,WUBowen,LIZhen 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