本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域,是一種供熱期調(diào)峰約束下電網(wǎng)棄風(fēng)情況分析方法。
背景技術(shù):
我國風(fēng)能源資源豐富,分布集中,適合大規(guī)模開發(fā)。2016年底,全國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量1.49億千瓦,占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9%,風(fēng)電發(fā)電量占全部發(fā)電量的4%,風(fēng)電發(fā)展仍具有很大潛力。但在風(fēng)電快速發(fā)展的同時,由于風(fēng)電的隨機(jī)性和反調(diào)峰特性等原因,導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重,2016年全國棄風(fēng)電量497億千瓦時,其中,東北、華北和西北地區(qū),即"三北"地區(qū)的棄風(fēng)率高達(dá)30%以上。“三北”地區(qū)熱負(fù)荷高、電負(fù)荷低,冬季供暖期,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行模式降低了系統(tǒng)的靈活性,電網(wǎng)風(fēng)電接納空間減小,進(jìn)一步加劇了棄風(fēng)問題。以“三北”地區(qū)為代表的嚴(yán)重棄風(fēng)問題已成為制約我國風(fēng)電開發(fā)和利用的瓶頸。
我國能源分布與用電負(fù)荷呈逆向分布,不同地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與電源比例不同,棄風(fēng)情況和原因也不盡相同。因此,準(zhǔn)確分析電網(wǎng)棄風(fēng)情況及棄風(fēng)規(guī)律,可為制定有效風(fēng)電消納措施提供依據(jù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是,提供一種科學(xué)合理,適用性強(qiáng),效果佳,能夠從統(tǒng)計角度和調(diào)度運(yùn)行角度分析的供熱期調(diào)峰約束下電網(wǎng)棄風(fēng)情況分析方法。
解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種供熱期調(diào)峰約束下電網(wǎng)棄風(fēng)情況分析方法,其特征是,以棄風(fēng)電量統(tǒng)計入手,從統(tǒng)計角度掌握棄風(fēng)特性及規(guī)律;從電網(wǎng)運(yùn)行角度,建立特定電源比例結(jié)構(gòu)下供熱期區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型,從調(diào)峰角度分析熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰裕度對風(fēng)電上網(wǎng)空間影響,定量分析風(fēng)電滲透率、熱負(fù)荷及電負(fù)荷比例對棄風(fēng)消納影響,具體包括的內(nèi)容是:
1)棄風(fēng)機(jī)理分析與棄風(fēng)統(tǒng)計
(a)供熱期電網(wǎng)棄風(fēng)機(jī)理
對于熱電機(jī)組工作于“以熱定電”方式下,當(dāng)系統(tǒng)調(diào)峰能力不足時,為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,只能通過對風(fēng)電場棄風(fēng)限電來保證電力平衡和電網(wǎng)安全;
供熱期電網(wǎng)棄風(fēng)機(jī)理表達(dá)式為(1)式:
pqf,t=pg,min,t+pwind,t-pload,t(1)
式中,pqf,t為t時刻系統(tǒng)棄風(fēng)功率,mw;pg,min,t為t時刻系統(tǒng)常規(guī)機(jī)組最小技術(shù)出力,mw;pwind,t為t時刻系統(tǒng)風(fēng)電可發(fā)出力,mw;pload,t為t時刻系統(tǒng)電負(fù)荷需求,mw;
當(dāng)pqf,t>0時,即為電網(wǎng)棄風(fēng)功率;當(dāng)pqf,t<0時,電網(wǎng)棄風(fēng)功率為0,電出力不足部分由常規(guī)機(jī)組向上調(diào)峰進(jìn)行補(bǔ)充;
(b)棄風(fēng)統(tǒng)計
基于風(fēng)速-功率曲線法的風(fēng)電場棄風(fēng)統(tǒng)計按(2)式計算:
式中,pqf,w(t)為t時刻風(fēng)電場棄風(fēng)功率,mw;n為風(fēng)電場風(fēng)機(jī)臺數(shù);p(v,i,t)為t時刻風(fēng)電機(jī)組i在風(fēng)速v下的出力,mw;pacc,w(t)為t時刻電網(wǎng)實(shí)際接納風(fēng)電場出力,mw;其中,p(v,i,t)基于機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線對應(yīng)求得;
由于風(fēng)速-功率曲線是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行結(jié)果擬合而來,其與機(jī)組實(shí)際出力存在誤差,因此,假設(shè)約束為(3)式:
式中,pqf,w(t)>0時,即為風(fēng)電場棄風(fēng)功率;pqf,w(t)<0時,風(fēng)電場棄風(fēng)功率為0;
2)供熱期區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型
棄風(fēng)限電指令一般從調(diào)度側(cè)給定,機(jī)組組合出力則按照一定目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,因此,需要建立包含風(fēng)電場的區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型,來分析由調(diào)峰導(dǎo)致的棄風(fēng)限電;
(a)調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)
含風(fēng)電的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度通常會以系統(tǒng)發(fā)電成本最小為調(diào)度目標(biāo),結(jié)合當(dāng)前嚴(yán)重的環(huán)境污染,選擇以系統(tǒng)煤耗量最小為調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù),其中,風(fēng)電機(jī)組發(fā)電成本相對較小可忽略不計;因此,目標(biāo)函數(shù)為(4)式:
式中,fc(i,t)為純凝式火電機(jī)組i煤耗量函數(shù);fb(j,t)為背壓式熱電機(jī)組j煤耗量函數(shù);fe(k,t)為抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組k煤耗量函數(shù);f為總煤耗量函數(shù);m、n、r為各類機(jī)組臺數(shù);t為調(diào)度時間,h;
①常規(guī)火電機(jī)組煤耗量函數(shù):
對于純凝式火電機(jī)組,其煤耗量函數(shù)fc(i,t)可以表示為發(fā)電功率的二次形式為(5)式:
式中,ai、bi、ci為機(jī)組i煤耗系數(shù);
②熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煤耗量函數(shù):
背壓式熱電機(jī)組利用汽輪機(jī)尾部余熱作為熱源,煤耗量函數(shù)fb(j,t)與純凝式火電機(jī)組相同;
根據(jù)抽汽式機(jī)組運(yùn)行原理,若t時刻機(jī)組k其純凝工況下發(fā)電功率為
式中,cv,k為機(jī)組k電-熱功率關(guān)系比例系數(shù);
將(6)式代入純凝式火電機(jī)組煤耗量函數(shù),即得到抽汽式機(jī)組的煤耗量fe(k,t)函數(shù)與機(jī)組的熱功率
式中,fe(k,t)為抽氣式機(jī)組k煤耗量函數(shù);ak、bk、ck為機(jī)組k煤耗系數(shù);
(b)風(fēng)電接納空間
基于(7)式的目標(biāo)函數(shù),考慮供熱期機(jī)組電熱耦合運(yùn)行特性,風(fēng)電接納空間為(8)式:
式中,
棄風(fēng)功率為(9)式:
式中,
(c)運(yùn)行約束條件
電力系統(tǒng)約束:
①電力電量平衡約束為(10)式:
式中,
②聯(lián)絡(luò)線功率約束為(11)式:
式中,
③機(jī)組出力約束:
抽汽式機(jī)組k約束為(12)式:
式中,pe,min,k為抽氣式機(jī)組k在凝汽工況下最小電出力、pe,max,k為抽氣式機(jī)組k在凝汽工況下最大電出力;cm,k、cv,k、kk為機(jī)組參數(shù),均為常數(shù);
背壓式機(jī)組j約束為(13)式:
純凝式機(jī)組i約束為(14)式:
式中,pup,i為機(jī)組向上爬坡速率、pdown,i為機(jī)組向下爬坡速率,熱電機(jī)組爬坡速率約束應(yīng)將電熱出力轉(zhuǎn)換為純凝工況下電功率約束,與(6)、(7)式折算過程相同;
熱力系統(tǒng)約束:
①熱力熱量平衡約束為(15)式:
式中,
②機(jī)組熱出力約束為(16)式:
式中,
本發(fā)明的一種供熱期調(diào)峰約束下電網(wǎng)棄風(fēng)情況分析方法,它以棄風(fēng)電量統(tǒng)計入手,從統(tǒng)計角度掌握棄風(fēng)特性及規(guī)律;從電網(wǎng)運(yùn)行角度,建立特定電源比例結(jié)構(gòu)下供熱期區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型,從調(diào)峰角度分析熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰裕度對風(fēng)電上網(wǎng)空間影響,定量分析風(fēng)電滲透率、熱負(fù)荷及電負(fù)荷比例對棄風(fēng)消納影響,具有科學(xué)合理,適用性強(qiáng),效果佳等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
圖1為區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為風(fēng)電接納情況圖;
圖3為機(jī)組出力曲線圖;
圖4為風(fēng)電場1月份棄風(fēng)電量統(tǒng)計圖;
圖5為風(fēng)電場年棄風(fēng)電量統(tǒng)計圖;
圖6為不同風(fēng)電裝機(jī)占比棄風(fēng)情況圖;
圖7為不同熱負(fù)荷需求下棄風(fēng)情況圖;
圖8為不同電負(fù)荷增加比例下棄風(fēng)情況圖。
具體實(shí)施方式
下面利用附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明的一種供熱期調(diào)峰約束下電網(wǎng)棄風(fēng)情況分析方法,以棄風(fēng)電量統(tǒng)計入手,從統(tǒng)計角度掌握棄風(fēng)特性及規(guī)律;從電網(wǎng)運(yùn)行角度,建立特定電源比例結(jié)構(gòu)下供熱期區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型,從調(diào)峰角度分析熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰裕度對風(fēng)電上網(wǎng)空間影響,定量分析風(fēng)電滲透率、熱負(fù)荷及電負(fù)荷比例對棄風(fēng)消納影響,具體包括的內(nèi)容是:
1)棄風(fēng)機(jī)理分析與棄風(fēng)統(tǒng)計
(a)供熱期電網(wǎng)棄風(fēng)機(jī)理
對于熱電機(jī)組工作于“以熱定電”方式下,當(dāng)系統(tǒng)調(diào)峰能力不足時,為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,只能通過對風(fēng)電場棄風(fēng)限電來保證電力平衡和電網(wǎng)安全;
供熱期電網(wǎng)棄風(fēng)機(jī)理表達(dá)式為(1)式:
pqf,t=pg,min,t+pwind,tpload,t(1)
式中,pqf,t為t時刻系統(tǒng)棄風(fēng)功率,mw;pg,min,t為t時刻系統(tǒng)常規(guī)機(jī)組最小技術(shù)出力,mw;pwind,t為t時刻系統(tǒng)風(fēng)電可發(fā)出力,mw;pload,t為t時刻系統(tǒng)電負(fù)荷需求,mw;
當(dāng)pqf,t>0時,即為電網(wǎng)棄風(fēng)功率;當(dāng)pqf,t<0時,電網(wǎng)棄風(fēng)功率為0,電出力不足部分由常規(guī)機(jī)組向上調(diào)峰進(jìn)行補(bǔ)充;
(b)棄風(fēng)統(tǒng)計
基于風(fēng)速-功率曲線法的風(fēng)電場棄風(fēng)統(tǒng)計按(2)式計算:
式中,pqf,w(t)為t時刻風(fēng)電場棄風(fēng)功率,mw;n為風(fēng)電場風(fēng)機(jī)臺數(shù);p(v,i,t)為t時刻風(fēng)電機(jī)組i在風(fēng)速v下的出力,mw;pacc,w(t)為t時刻電網(wǎng)實(shí)際接納風(fēng)電場出力,mw;其中,p(v,i,t)基于機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線對應(yīng)求得;
由于風(fēng)速-功率曲線是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行結(jié)果擬合而來,其與機(jī)組實(shí)際出力存在誤差,因此,假設(shè)約束為(3)式:
式中,pqf,w(t)>0時,即為風(fēng)電場棄風(fēng)功率;pqf,w(t)<0時,風(fēng)電場棄風(fēng)功率為0;
2)供熱期區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型
棄風(fēng)限電指令一般從調(diào)度側(cè)給定,機(jī)組組合出力則按照一定目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,因此,需要建立包含風(fēng)電場的區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度模型,來分析由調(diào)峰導(dǎo)致的棄風(fēng)限電;
(a)調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)
含風(fēng)電的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度通常會以系統(tǒng)發(fā)電成本最小為調(diào)度目標(biāo),結(jié)合當(dāng)前嚴(yán)重的環(huán)境污染,選擇以系統(tǒng)煤耗量最小為調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù),其中,風(fēng)電機(jī)組發(fā)電成本相對較小可忽略不計;因此,目標(biāo)函數(shù)為(4)式:
式中,fc(i,t)為純凝式火電機(jī)組i煤耗量函數(shù);fb(j,t)為背壓式熱電機(jī)組j煤耗量函數(shù);fe(k,t)為抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組k煤耗量函數(shù);f為總煤耗量函數(shù);m、n、r為各類機(jī)組臺數(shù);t為調(diào)度時間,h;
①常規(guī)火電機(jī)組煤耗量函數(shù):
對于純凝式火電機(jī)組,其煤耗量函數(shù)fc(i,t)可以表示為發(fā)電功率的二次形式為(5)式:
式中,ai、bi、ci為機(jī)組i煤耗系數(shù);
②熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煤耗量函數(shù):
背壓式熱電機(jī)組利用汽輪機(jī)尾部余熱作為熱源,煤耗量函數(shù)fb(j,t)與純凝式火電機(jī)組相同;
根據(jù)抽汽式機(jī)組運(yùn)行原理,若t時刻機(jī)組k其純凝工況下發(fā)電功率為
式中,cv,k為機(jī)組k電-熱功率關(guān)系比例系數(shù);
將(6)式代入純凝式火電機(jī)組煤耗量函數(shù),即得到抽汽式機(jī)組的煤耗量fe(k,t)函數(shù)與機(jī)組的熱功率
式中,fe(k,t)為抽氣式機(jī)組k煤耗量函數(shù);ak、bk、ck為機(jī)組k煤耗系數(shù);
(b)風(fēng)電接納空間
基于(7)式的目標(biāo)函數(shù),考慮供熱期機(jī)組電熱耦合運(yùn)行特性,風(fēng)電接納空間為(8)式:
式中,
棄風(fēng)功率為(9)式:
式中,
(c)運(yùn)行約束條件
電力系統(tǒng)約束:
①電力電量平衡約束為(10)式:
式中,
②聯(lián)絡(luò)線功率約束為(11)式:
式中,
③機(jī)組出力約束:
抽汽式機(jī)組k約束為(12)式:
式中,pe,min,k為抽氣式機(jī)組k在凝汽工況下最小電出力、pe,max,k為抽氣式機(jī)組k在凝汽工況下最大電出力;cm,k、cv,k、kk為機(jī)組參數(shù),均為常數(shù);
背壓式機(jī)組j約束為(13)式:
純凝式機(jī)組i約束為(14)式:
式中,pup,i為機(jī)組向上爬坡速率、pdown,i為機(jī)組向下爬坡速率,熱電機(jī)組爬坡速率約束應(yīng)將電熱出力轉(zhuǎn)換為純凝工況下電功率約束,與(6)、(7)式折算過程相同;
熱力系統(tǒng)約束:
①熱力熱量平衡約束為(15)式:
式中,
②機(jī)組熱出力約束為(16)式:
式中,
下面結(jié)合當(dāng)前我國“三北”地區(qū)某區(qū)域電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,簡化該區(qū)域電網(wǎng)電源裝機(jī)結(jié)構(gòu),從統(tǒng)計角度和電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行角度定量分析棄風(fēng)情況。
表1不同機(jī)組裝機(jī)容量
假設(shè)該區(qū)域熱負(fù)荷基本不變?yōu)?150mw,其中,熱電廠1向a地區(qū)500mw熱負(fù)荷供熱,熱電廠2向b地區(qū)850mw熱負(fù)荷供熱,熱電廠3向c地區(qū)800mw熱負(fù)荷供熱;電廠4為火電廠;電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖1所示。
算例調(diào)度運(yùn)行結(jié)果:
基于上述供熱期電網(wǎng)調(diào)度模型求解運(yùn)行結(jié)果,如圖2所示,在0-6時棄風(fēng)較為嚴(yán)重,此時風(fēng)電大發(fā),但風(fēng)電接納空間較小,無法接納剩余風(fēng)電。
根據(jù)上述模型,以熱電廠3某臺熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和電廠4兩臺火電機(jī)組為研究對象,分析供熱期“風(fēng)熱沖突”下,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及火電機(jī)組出力情況。如圖3所示,0-6時,火電機(jī)組均達(dá)到最小技術(shù)出力,該熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在該時段熱出力為266.67mw,電出力為200mw,達(dá)到電熱耦合運(yùn)行的最小技術(shù)出力,根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電熱耦合關(guān)系可計算出在該供熱負(fù)荷水平下,電出力范圍為200-260mw之間,電出力可調(diào)范圍為60mw,約占其額定容量的20%,調(diào)峰裕度較小。
算例統(tǒng)計結(jié)果:
根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),基于風(fēng)速-功率曲線法統(tǒng)計該系統(tǒng)中某50mw風(fēng)電場棄風(fēng)情況。如圖4所示,風(fēng)電場1月份各時段棄風(fēng)電量統(tǒng)計情況,1月份棄風(fēng)電量2235mwh,負(fù)荷低谷時段棄風(fēng)電量1417mwh,峰平時段棄風(fēng)電量817mwh,低谷時段棄風(fēng)電量占總棄風(fēng)電量63.4%。
如圖5所示,風(fēng)電場年棄風(fēng)電量9556mwh,主要集中在冬季供熱期,供熱期棄風(fēng)電量約占全年棄風(fēng)電量93%。
算例影響因素定量分析:
將當(dāng)前風(fēng)電裝機(jī)容量占比作為最大占比,改變其在電源結(jié)構(gòu)中的比例,同時,風(fēng)電出力按上述比例系數(shù)變化,分析不同占比下棄風(fēng)情況。如圖6所示,0-20%的風(fēng)電裝機(jī)占比中,隨著風(fēng)電占比增加,棄風(fēng)電量近似呈線性增加;當(dāng)風(fēng)電滲透率小于4%時,電網(wǎng)幾乎不存在棄風(fēng)。
將系統(tǒng)中a、b和c地區(qū)熱負(fù)荷等量減小,分析其對風(fēng)電接納空間的影響。如圖7所示,隨著熱負(fù)荷減小,棄風(fēng)率迅速下降,且下降速率逐漸減??;熱負(fù)荷為2150mwh時,棄風(fēng)率30%,此時熱負(fù)荷需求約為額定供熱負(fù)荷的68.3%;熱負(fù)荷為1650mwh時,棄風(fēng)率為0,此時熱負(fù)荷需求約為額定供熱負(fù)荷的52.4%;因此,通過釋放熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱壓力,可提升機(jī)組調(diào)峰空間,減少棄風(fēng),將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱負(fù)荷減少為額定供熱負(fù)荷的52.4%時,可減少系統(tǒng)30%的棄風(fēng);24小時調(diào)度周期內(nèi),釋放500mw儲熱可增加約2000mwh風(fēng)電接納。
分析電負(fù)荷增加比例對棄風(fēng)影響程度,如圖8所示,隨著電負(fù)荷增加,棄風(fēng)率逐漸降低,比例增加到20%時,棄風(fēng)幾乎為零,當(dāng)棄風(fēng)率為30%和0%時,電源裝機(jī)容量約為日平均負(fù)荷的1.7和1.4倍。
本發(fā)明實(shí)施例中的計算條件、圖例、表等僅用于對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明,并非窮舉,并不構(gòu)成對權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定,本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得的啟示,不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就能夠想到其它實(shí)質(zhì)上等同的替代,均在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。