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算例分析

本部分利用前文的分析方法，對(duì)某省級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃年的風(fēng)電消納能力進(jìn)行評(píng)估，所涉及的模擬計(jì)算采用清華大學(xué)電機(jī)系開(kāi)發(fā)的電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)。該省級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃年預(yù)測(cè)最大負(fù)荷12600萬(wàn)千瓦，總裝機(jī)容量16000萬(wàn)千瓦，其中煤電占48%，氣電20%，核電15%，新能源占10%，其他占7%。

風(fēng)電特性分析

首先收集該省級(jí)電網(wǎng)已投產(chǎn)的7座風(fēng)電場(chǎng)歷史出力數(shù)據(jù)，進(jìn)行月度和日出力特性分析。其中最大出力特性分析時(shí)，取95%保證率對(duì)應(yīng)的出力，目的是有效地篩選掉瞬時(shí)沖擊出力。

月度出力特性。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，全省風(fēng)電月平均出力呈現(xiàn)豐小枯大的特點(diǎn)。全年各月平均出力在0.10～0.34之間，5～9月平均出力較小，豐枯期電量比約為39%:61%。全省風(fēng)電月最大出力依然呈現(xiàn)豐小枯大的特點(diǎn)。全年各月最大出力在0.29～0.55之間，7～9月最大出力較小，全年最大出力出現(xiàn)在12月。

日出力特性。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，全省風(fēng)電日平均出力豐期的出力范圍為17%～19%，枯期的出力范圍為26%～30%，且晚上20時(shí)到凌晨平均出力略高。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，全省風(fēng)電日最大出力豐期的出力范圍為40%～51%，午后12時(shí)到下午5時(shí)最大出力較高；枯期的出力范圍為49%～55%，晚上9時(shí)到凌晨最大出力較高。

確定性風(fēng)電消納能力評(píng)估

確定性評(píng)估場(chǎng)景庫(kù)。對(duì)于負(fù)荷共選取3個(gè)場(chǎng)景，分別為最大負(fù)荷日、最小負(fù)荷日以及最大峰谷差日；對(duì)于風(fēng)電，選取2個(gè)場(chǎng)景，分別是理論正調(diào)峰和理論反調(diào)峰出力曲線組合生成的場(chǎng)景。

對(duì)各個(gè)場(chǎng)景分別進(jìn)行運(yùn)行模擬，表1中分別統(tǒng)計(jì)了各場(chǎng)景系統(tǒng)的總調(diào)峰需求、風(fēng)電引起的峰荷正旋轉(zhuǎn)備用及谷荷負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，表中同時(shí)統(tǒng)計(jì)了運(yùn)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(kāi)機(jī)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(kāi)機(jī)容量。


從調(diào)峰角度分析：最大峰谷差日反調(diào)峰場(chǎng)景系統(tǒng)調(diào)峰需求最大，同時(shí)火電機(jī)組調(diào)峰率較大，燃機(jī)完全參與調(diào)峰，最小負(fù)荷日反調(diào)峰場(chǎng)景燃機(jī)開(kāi)機(jī)容量下，火電機(jī)組調(diào)峰率最大，燃機(jī)完全參與調(diào)峰，因而選擇該兩個(gè)場(chǎng)景為調(diào)峰約束下風(fēng)電消納能力評(píng)估的關(guān)鍵受限場(chǎng)景；從備用角度分析：最大負(fù)荷日正調(diào)峰場(chǎng)景下風(fēng)電峰荷正旋轉(zhuǎn)備用需求最高，最小負(fù)荷日正調(diào)峰燃機(jī)能夠提供的旋備容量在各場(chǎng)景中是最低的，因而選擇該兩個(gè)場(chǎng)景為備用約束下風(fēng)電消納能力評(píng)估的關(guān)鍵受限場(chǎng)景（見(jiàn)圖2）。


調(diào)峰約束下風(fēng)電消納能力評(píng)估。選取確定性場(chǎng)景庫(kù)分析指出的影響風(fēng)電消納的調(diào)峰約束關(guān)鍵受限場(chǎng)景：最大峰谷差日反調(diào)峰場(chǎng)景以及最小負(fù)荷日反調(diào)峰場(chǎng)景，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，使用軟件進(jìn)行運(yùn)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(chǎng)景下風(fēng)電容量即為調(diào)峰約束下風(fēng)電可消納容量。仿真結(jié)果如表2所示。


對(duì)于最大峰谷差日反調(diào)峰場(chǎng)景和最小負(fù)荷日反調(diào)峰場(chǎng)景，當(dāng)風(fēng)電均從規(guī)劃裝機(jī)減至6000兆瓦時(shí)，系統(tǒng)基本不棄風(fēng)。因此可知，考慮調(diào)峰約束的確定性場(chǎng)景評(píng)估下，風(fēng)電消納能力為6000兆瓦。

備用約束下風(fēng)電消納能力評(píng)估。選取確定性場(chǎng)景庫(kù)分析指出的影響風(fēng)電消納的備用約束關(guān)鍵受限場(chǎng)景：最小負(fù)荷日正調(diào)峰場(chǎng)景與最大負(fù)荷日正調(diào)峰場(chǎng)景，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，使用軟件進(jìn)行運(yùn)行模擬，直至系統(tǒng)備用容量不足出現(xiàn)棄風(fēng)，則該臨界場(chǎng)景下風(fēng)電容量即為備用約束下風(fēng)電可消納容量，評(píng)估結(jié)果如圖3~4所示。


上述結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)電容量逐漸增加時(shí)，風(fēng)電所需備用容量也逐漸增加。由于兩方案均為風(fēng)電正調(diào)峰方案，隨著風(fēng)電容量的增加，水電機(jī)組調(diào)峰需求降低，因此能夠空出更多的容量提供旋備，火電機(jī)組開(kāi)機(jī)容量也隨風(fēng)電容量增加而降低。所以，火電為風(fēng)電提供的旋備容量并非隨風(fēng)電增加而單調(diào)增加。整體而言，旋備容量在上述各場(chǎng)景下均保持充足。當(dāng)風(fēng)電增加至30000兆瓦，系統(tǒng)調(diào)峰不足出現(xiàn)棄風(fēng)984.745兆瓦，此時(shí)系統(tǒng)備用仍然充足，說(shuō)明該場(chǎng)景下調(diào)峰約束的限制比備用約束的限制強(qiáng)，備用容量不是限制風(fēng)電接入的關(guān)鍵因素。

調(diào)頻約束下風(fēng)電消納能力評(píng)估。首先根據(jù)該省級(jí)電網(wǎng)風(fēng)電的歷史出力特性，模擬生成規(guī)劃年風(fēng)電時(shí)序出力，進(jìn)而計(jì)算得到分鐘級(jí)出力變化的標(biāo)準(zhǔn)差為123兆瓦，風(fēng)電分鐘級(jí)出力變化最大幅值為856兆瓦。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)該省歷史負(fù)荷小時(shí)級(jí)波動(dòng)，推算得到規(guī)劃年小時(shí)級(jí)負(fù)荷變化幅度為-24530兆瓦～+24150兆瓦。負(fù)荷分鐘級(jí)變化幅度一般為小時(shí)級(jí)變化幅度的1/15到1/40且正負(fù)變化概率大致相等，本文負(fù)荷分鐘級(jí)變化為小時(shí)級(jí)變化幅度的1/15，則近似計(jì)算出負(fù)荷分鐘級(jí)變化的區(qū)間為-1635兆瓦～+1610兆瓦。通過(guò)對(duì)風(fēng)電出力與負(fù)荷分鐘級(jí)變化的分析，可得到風(fēng)電接入后的系統(tǒng)調(diào)頻需求，結(jié)果如表3所示。


對(duì)于風(fēng)電反調(diào)峰特點(diǎn)明顯，夜間波動(dòng)大的電網(wǎng)而言，系統(tǒng)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)荷日由風(fēng)電出力波動(dòng)引起。設(shè)各類型機(jī)組1分鐘可調(diào)出力占裝機(jī)容量的比例：燃煤、燃油與燃?xì)鈾C(jī)組為1%；水電機(jī)組與抽蓄機(jī)組為30%；其他機(jī)組按0處理。計(jì)算得到系統(tǒng)在最大負(fù)荷日和最小負(fù)荷日能提供的調(diào)頻能力約為4020兆瓦和2880兆瓦，均滿足風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)的調(diào)頻需求。繼續(xù)增大風(fēng)電裝機(jī)容量，提高系統(tǒng)調(diào)頻需求，直到系統(tǒng)調(diào)頻能力無(wú)法滿足，得到最小負(fù)荷日和最大負(fù)荷日對(duì)應(yīng)風(fēng)電消納能力為25600兆瓦和37800兆瓦。

綜上所述，對(duì)某省級(jí)電網(wǎng)風(fēng)電消納能力確定性評(píng)估的結(jié)果來(lái)看，調(diào)峰能力是制約風(fēng)電消納的關(guān)鍵要素，若考慮極端嚴(yán)苛調(diào)峰場(chǎng)景，風(fēng)電可消納容量為6000兆瓦。

概率性風(fēng)電消納能力評(píng)估

使用軟件運(yùn)行模擬生成該省規(guī)劃年全年的風(fēng)電時(shí)序出力，將風(fēng)電時(shí)序出力與時(shí)序負(fù)荷一一對(duì)應(yīng)，可以得到365個(gè)含風(fēng)電的概率性場(chǎng)景，即為概率性評(píng)估場(chǎng)景庫(kù)。對(duì)概率性評(píng)估場(chǎng)景庫(kù)的各個(gè)場(chǎng)景分別進(jìn)行考慮多種約束的運(yùn)行模擬，統(tǒng)計(jì)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(píng)估最大棄風(fēng)電量比例為5%，逐步增加風(fēng)電裝機(jī)容量，直至棄風(fēng)達(dá)到設(shè)定的5%，此時(shí)的風(fēng)電裝機(jī)容量為概率性風(fēng)電消納能力。評(píng)估結(jié)果如表4所示。

當(dāng)風(fēng)電增加至70000兆瓦，全年的棄風(fēng)電量比例超過(guò)設(shè)定的5%為5.62%，增加至60000兆瓦，全年棄風(fēng)比例為4.19%，線性計(jì)算風(fēng)電棄風(fēng)比例為5%的裝機(jī)容量，則風(fēng)電概率性消納能力為65600兆瓦，此時(shí)火電利用小時(shí)數(shù)約為2820.93小時(shí)，風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)約為1921.93小時(shí)，棄風(fēng)電量約為67.02億千瓦時(shí)。同時(shí)可以看出，雖然該省級(jí)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力足以消納65600兆瓦的風(fēng)電，但此時(shí)火電利用小時(shí)數(shù)被擠壓僅為2821小時(shí)。若假設(shè)保證火電自負(fù)盈虧的最低利用小時(shí)數(shù)為3500小時(shí)，則該省級(jí)電網(wǎng)建議消納的最大風(fēng)電容量為40000兆瓦。

結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種確定性和概率性相結(jié)合的方法，從多個(gè)角度對(duì)風(fēng)電的消納能力進(jìn)行科學(xué)計(jì)算與評(píng)估。首先分析了影響風(fēng)電消納能力評(píng)估的相關(guān)因素，接著基于此構(gòu)建并篩選確定性場(chǎng)景庫(kù)，篩選嚴(yán)苛場(chǎng)景，從系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用約束角度評(píng)估風(fēng)電消納能力。概率性評(píng)估方法主要基于全年365個(gè)含風(fēng)電的概率性場(chǎng)景進(jìn)行模擬分析，確保全年最大棄風(fēng)電量比例低于5%時(shí)得到風(fēng)電最大裝機(jī)容量即為風(fēng)電消納能力。

通過(guò)某省級(jí)電網(wǎng)的實(shí)際算例，分析了限制該省風(fēng)電發(fā)展的確定性因素為調(diào)峰約束，如果考慮極端調(diào)峰約束的確定性場(chǎng)景下，風(fēng)電的消納能力僅為6000兆瓦。進(jìn)一步進(jìn)行概率性消納能力評(píng)估，得到風(fēng)電消納能力為40000兆瓦。從不同角度，為風(fēng)電規(guī)劃建設(shè)提供建議，也驗(yàn)證了本文提出方法的科學(xué)性和實(shí)用性。下一步可考慮從潮流概率化的角度，研究風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)潮流的影響。

本文刊載于《中國(guó)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(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)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(píng)估研究（下）