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為緩解當(dāng)前能源短缺、氣候變暖、環(huán)境污染的矛盾，大規(guī)模發(fā)展風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電成為必然趨勢。然而，由于大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)過程中與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)、電源發(fā)展規(guī)劃脫節(jié)，再加上風(fēng)電固有的隨機波動特性，中國多個電網(wǎng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，制約了其消納能力和并網(wǎng)低碳效益。所以合理的風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃尤為重要，而規(guī)劃的首要前提是根據(jù)不同電網(wǎng)的特點，評估其風(fēng)電的消納能力。

目前國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電消納能力分析的研究主要考慮的是極端時段和單一因素，缺乏對影響消納能力的各個層面進(jìn)行分析，同時無法考慮全時段風(fēng)電出力特性，從多個場景長時間尺度來評估風(fēng)電消納能力。本文首先歸納風(fēng)電消納能力評估的相關(guān)因素，提出了一種確定性和概率性相結(jié)合的方法，從多個角度對風(fēng)電的消納能力進(jìn)行科學(xué)計算與評估。其中確定性評估方法主要基于單一嚴(yán)苛場景進(jìn)行分析，概率性評估方法則基于含風(fēng)電的8760小時時序運行模擬結(jié)果，在確保全年最大棄風(fēng)電量比例低于5%的情況下，得到的最大風(fēng)電接入容量。接著以某省級電網(wǎng)為例，評估其風(fēng)電消納能力，識別影響電網(wǎng)風(fēng)電消納的關(guān)鍵因素。

風(fēng)電消納能力評估相關(guān)因素

調(diào)峰能力

相比傳統(tǒng)的發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電的出力具有顯著的不確定性和不可控性，當(dāng)風(fēng)速變化引起風(fēng)電場功率變化時，需要隨時調(diào)整系統(tǒng)中常規(guī)能源機組的出力，以滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。在不考慮風(fēng)電場功率預(yù)測的情況下，傳統(tǒng)的系統(tǒng)日前發(fā)電計劃中無法考慮風(fēng)電的預(yù)期出力，為了滿足系統(tǒng)電力平衡，電網(wǎng)開機計劃與運行方式按風(fēng)電場出力為0考慮。當(dāng)電網(wǎng)中風(fēng)電出力增大時，需要降低電網(wǎng)中常規(guī)能源機組出力以保證電網(wǎng)電力平衡，此時，決定電網(wǎng)的調(diào)峰能力取決于整個電網(wǎng)中常規(guī)能源機組降低出力的能力。在考慮風(fēng)電場功率預(yù)測的情況下，系統(tǒng)將風(fēng)電出力預(yù)測納入電網(wǎng)調(diào)度與開機計劃，將風(fēng)電當(dāng)作負(fù)的負(fù)荷處理，此時，部分調(diào)峰能力已經(jīng)在發(fā)電計劃中體現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)電實際出力與預(yù)測產(chǎn)生偏差時，需要調(diào)用系統(tǒng)剩余的調(diào)峰能力。

隨著系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電裝機占系統(tǒng)最大負(fù)荷的比例不斷擴大，電網(wǎng)的調(diào)峰需求將逐步增加，電網(wǎng)的調(diào)峰能力可能成為風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)瓶頸?？捎糜谄胶怙L(fēng)電功率波動的電網(wǎng)調(diào)峰容量對于電網(wǎng)的不同運行方式、電網(wǎng)的不同負(fù)荷水平都是不同的，因此，系統(tǒng)調(diào)峰能力將直接影響風(fēng)電的消納水平。

調(diào)頻能力

電力系統(tǒng)需要保持供需之間的實時平衡。由于負(fù)荷的不確定性，預(yù)測負(fù)荷與實際負(fù)荷之間存在一定的偏差，并由此產(chǎn)生不平衡負(fù)荷，電力系統(tǒng)需要實時平衡這部分偏差。系統(tǒng)的AGC、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和替代備用等就是為平衡這部分偏差所設(shè)置的。其中，AGC用于實時處理較小的負(fù)荷與發(fā)電功率的不匹配，維持系統(tǒng)頻率，并使控制區(qū)內(nèi)負(fù)荷與發(fā)電功率的偏差及控制區(qū)之間的交換功率實際值與計劃值的偏差最小。

根據(jù)國內(nèi)外的普遍情況，系統(tǒng)AGC需求約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%，這部分AGC需求僅對應(yīng)負(fù)荷短期的波動。當(dāng)系統(tǒng)中接入較多風(fēng)電時，由于風(fēng)電場本身不能夠提供AGC服務(wù)，因此，系統(tǒng)中常規(guī)機組不僅需要為負(fù)荷提供AGC服務(wù)，而且還要為風(fēng)電場的出力波動提供AGC服務(wù)。系統(tǒng)AGC的服務(wù)對象由原始負(fù)荷曲線變?yōu)榭紤]風(fēng)電出力后的等效負(fù)荷曲線。因此，需要研究風(fēng)電出力秒級至分鐘級的波動特性以及由此增加的系統(tǒng)AGC服務(wù)需求，評估系統(tǒng)調(diào)頻儲備對風(fēng)電消納能力的影響。

備用能力

電力系統(tǒng)中各類備用的作用是為了應(yīng)對電力系統(tǒng)的各種不確定性。其中對于電力系統(tǒng)短期調(diào)度而言，負(fù)荷備用的作用是為了應(yīng)對系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測的偏差而可能產(chǎn)生的負(fù)荷-發(fā)電不平衡。風(fēng)電的接入為系統(tǒng)負(fù)荷與發(fā)電平衡帶來了新的不確定性。與常規(guī)機組不同，風(fēng)電出力具有間歇性，難以進(jìn)行自如的有功控制，對于日前調(diào)度而言，系統(tǒng)常規(guī)機組不僅要為負(fù)荷預(yù)留備用，而且需要為風(fēng)電預(yù)留備用。在風(fēng)電接入容量較小的情況下，無論日前發(fā)電計劃還是實時調(diào)度，可以暫不考慮風(fēng)電的出力。隨著風(fēng)電接入容量的增加及隨之對電網(wǎng)影響的增大，調(diào)度運行中考慮風(fēng)電預(yù)測出力已經(jīng)成為大勢所趨。

目前數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)對風(fēng)速預(yù)測的精度較低，而且風(fēng)速預(yù)測誤差隨著預(yù)測提前時段的增長而急劇增加，因此相比負(fù)荷而言，風(fēng)電的短期具有較大的不確定性。在日前發(fā)電計劃中，風(fēng)電出力的不確定性可能大于負(fù)荷的不確定性。風(fēng)電接入后，系統(tǒng)需要取更多的旋轉(zhuǎn)備用以應(yīng)對風(fēng)電實際出力與預(yù)測值的偏差。因此，系統(tǒng)備用儲備對風(fēng)電消納能力產(chǎn)生較大的影響。

風(fēng)電消納能力評估方法

本文提出的確定性與概率性相結(jié)合的風(fēng)電消納能力評估方法框架圖如圖1所示。


風(fēng)電消納能力確定性評估模型與方法

確定性的分析方法是指通過對電力系統(tǒng)各邊界條件進(jìn)行科學(xué)的假定或設(shè)定后展開相應(yīng)分析的方法，本文中主要基于確定性分析場景庫，根據(jù)典型系統(tǒng)負(fù)荷曲線與風(fēng)電出力曲線，對風(fēng)電消納能力進(jìn)行分析與評估。

確定性分析的場景庫主要從負(fù)荷曲線和日風(fēng)電場出力曲線兩個維度來建立。對于負(fù)荷，選取最大負(fù)荷日、最小負(fù)荷日、最大峰谷差日三個典型場景；針對每個典型的負(fù)荷場景，根據(jù)95%置信度下的風(fēng)電最大出力與最小出力，構(gòu)建理論正調(diào)峰、理論反調(diào)峰日風(fēng)電場出力曲線，最終組合為6個確定性風(fēng)電消納能力評估場景。

對每個確定性場景，分別使用軟件進(jìn)行日運行模擬計算，統(tǒng)計各場景系統(tǒng)的總調(diào)峰需求、風(fēng)電引起的峰荷正旋轉(zhuǎn)備用以及谷荷負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，同時統(tǒng)計運行模擬結(jié)果中火電的調(diào)峰率以及火電提供的旋備比例，其中火電的調(diào)峰率定義為火電峰荷電力除以火電的開機容量，火電提供的旋備比例等于火電提供的旋備容量除以開機容量。

對于調(diào)峰約束，選取調(diào)峰需求最大及火電調(diào)峰率最高的場景作為調(diào)峰約束下的關(guān)鍵場景；逐步增加風(fēng)電裝機容量，使用軟件進(jìn)行運行模擬，直至系統(tǒng)調(diào)峰能力不足出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場景下風(fēng)電容量即為調(diào)峰約束下風(fēng)電可消納容量。

對于備用約束，選取備用需求最大以及火電提供旋備比例最低的場景作為備用約束下的關(guān)鍵場景；逐步增加風(fēng)電裝機容量，使用軟件進(jìn)行運行模擬，直至系統(tǒng)備用不足或者出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場景下風(fēng)電容量即為備用約束下風(fēng)電可消納容量。

對于調(diào)頻約束，調(diào)頻需求主要在最大負(fù)荷日由負(fù)荷引起，在最小負(fù)荷日風(fēng)電出力波動則占較大比例，選取最大最小負(fù)荷日為關(guān)鍵場景，風(fēng)電選取典型出力曲線；逐步增加風(fēng)電裝機容量，利用軟件運行模擬的開機方案，對比系統(tǒng)的調(diào)頻能力與調(diào)頻需求，直至系統(tǒng)調(diào)頻不足，則該臨界場景下的風(fēng)電容量即為調(diào)頻約束下風(fēng)電可消納容量。

風(fēng)電消納能力概率性評估模型與方法

新能源消納能力概率性評估基于概率性分析場景庫來對各因素下的新能源消納能力進(jìn)行評估。使用軟件運行模擬生成全年8760點風(fēng)電時序出力，將風(fēng)電時序出力與時序負(fù)荷一一對應(yīng)，則可以得到365個含風(fēng)電的概率性場景，即為概率性評估場景庫。對概率性評估場景庫的各個場景分別進(jìn)行考慮多種約束的運行模擬，統(tǒng)計全年的棄風(fēng)電量，即可表征風(fēng)電的消納水平。

設(shè)置風(fēng)電消納能力概率性評估最大棄風(fēng)電量比例為5%，逐步增加風(fēng)電裝機容量，同時根據(jù)風(fēng)電裝機容量不斷提高備用率，計算在不同裝機容量下全年的棄風(fēng)電量比例，直至棄風(fēng)達(dá)到設(shè)定值，此時的風(fēng)電裝機容量為概率性風(fēng)電消納能力。

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬刊），作者單位：王彤（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司），朱靜慧（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司） 

原標(biāo)題：基于確定性和概率性的風(fēng)電消納能力評估研究（上）