戰略新興產業
國網能源研究院張富強等:提升風電消納水平的電力系統靈活性措施經濟性評估方法研究
時間: 2018/12/5 11:45:04


2018-12-05 09:23


該文受國家重點研發計劃項目未來電力系統結構形態演化模型及電力預測方法2016YFB0900101)和國家電網公司科技項目適應大規模新能源并網的電力系統調峰技術、經濟、政策評估模型和應用資助。


原文發表在《全球能源互聯網》2018年第1卷第5期,歡迎品讀。


本文引文信息


張富強,元博,張晉芳,等. 提升風電消納水平的電力系統靈活性措施經濟性評估方法研究[J]. 全球能源互聯網,20181(5)558-564.


ZHANG Fuqiang, YUAN Bo, ZHANG Jinfang, et al. Economic Evaluation of Power System Flexibility Means for Improvement of Wind Power Integration[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2018, 1(5): 558-564 in Chinese).


作者:張富強1,元博1,張晉芳1,張濤


單位:1.國網能源研究院有限公司;2.國網遼寧電科院;


引言


近年來,中國風電并網容量不斷增大,出現了嚴重的棄風現象,隨著各類技術可行的靈活性措施提出,亟需研究經濟合理的措施組合以降低棄風量。以提升風電消納能力為目標,提出了一種電力系統靈活性措施的經濟性評估方法。首先,構建基于成本效益的經濟性評價指標,即減少風電棄風量的單位成本,以量化各類靈活性措施對提高電網風電消納能力的效果;然后,采用時序生產模擬模型量化分析系統的年度棄風總量,生產模擬模型考慮常規電源、風電及負荷,以小時為仿真粒度進行機組組合和經濟調度;最后,構建了靈活性措施的年化成本模型。提出的指標及其評估方法具有較好的普適性,能夠量化評估各類系統靈活性措施針對緩解棄風的經濟性,并獲得成本最低的組合方案,對能源主管部門制定針對性的政策措施具有指導意義和應用價值。


一、 促進風電消納的電力系統靈活性措施


針對風電消納,需要基于導致棄風限電的根本原因來設計和建設系統靈活性提升手段,可用的靈活性資源包括:


1.熱電機組通過機組本體的爐機改造或配置儲熱、電極鍋爐、蓄熱磚等裝置,弱化供熱機組電-熱供應間的深度耦合特性,釋放以熱定電的發電約束,進一步降低機組供熱期最小出力,進而提升火電機組的深度調峰能力。


2.建設靈活性調節電源。抽水蓄能電站是一種相對成熟的儲能技術,其典型的運行方式是在負荷低谷時段作為電力負荷抽水,在負荷高峰時段發電,形成削峰填谷的效果。燃氣機組具有啟停機快速,機組出力范圍大的特點,是優質的調峰資源。電儲能設備也可成規模應用于電力系統,其商業模式和運行方式更加靈活。


3.需求響應是需求側管理的一種形式,是指電力用戶根據價格信號或通過激勵,改變自己固有習慣用電模式的行為。


4.新建或擴容輸電線路,風電棄風的重要原因之一是由于控制區內部輸電容量不足以及跨省跨區間的輸電通道容量不足。


二、靈活性措施經濟性評價指標


從措施本身來看,投資成本、運營成本、壽命等方面具有明顯的差異,熱電解耦、電儲能設施、需求響應在不同地域的成本差異很大。因此,評價不同靈活性措施需要構建適用性較強的指標。成本效益指標:


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λi是第i種靈活性措施的年度成本效益指標,元/MWh·年;Ci為靈活性措施的年化成本,元;QB為基準場景下年度系統棄風總量,MWhQi為采用靈活性措施后系統年度棄風總量,MWh


三、靈活性措施實施順序優化思路


基于年度成本效益指標,提出靈活性措施的尋優方法如下:


1.現狀電力系統棄風率量化計算以及棄風原因分析;


2.根據棄風原因分析,提出技術可行的靈活性措施類型;


3.計算每種靈活性措施在不同規模下的年度成本效益指標λ


4.根據λ值,對不同規模和不同類型的靈活性措施進行排序;


5.按照λ值由低到高的順序,逐步對現狀電力系統加入相應規模和類型的靈活性措施,直到滿足棄風率控制目標為止。


四、靈活性措施成本模型


措施成本主要包括投資成本以及運維成本。投資成本為設備初始實施的全部投入成本,通常包括主設備投資成本、設計成本和實施成本等。運維成本包括運行維護成本、各類損耗成本、設備更換成本等。各類成本需折算成研究水平年的現值。


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五、基于時序生產模擬的系統總棄風量評估方法


本文時序生產模擬以小時為時間單位,考慮電力系統各類約束限制下最小化電力供應成本。輸入數據包括電源數據、電網數據、負荷數據、燃料價格以及其他市場數據。生產模擬算法的核心為發電調度和潮流計算,即在日前安全約束機組組合確定的日內機組啟停發電計劃基礎上,以全系統發電成本最小為目標,根據負荷曲線調整機組出力,滿足負荷平衡約束、機組運行約束和電網安全約束,以實現經濟調度。輸出數據包括各類電源的開機狀態、出力水平、發電成本及收入狀況等。


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? 時序生產模擬仿真流程圖


六、算例分析


對測試系統,在不實施任何靈活性措施的情況下,針對基礎情景進行全年的時序仿真,計算結果得出,風電實際上網電量為2729GWh,全年棄風量671GWh,棄風率19.7%。系統目標棄風率為10%以內。棄風主要集中在夜間。


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? 算例系統結構


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? 各小時平均棄風量


針對3臺利用率較高的600MW火電機組,安裝電極鍋爐,總安裝量60MW600MW對應的成本效益指標如下圖,當改造規模增加,緩解單位棄風量的成本是在上升的,λ曲線有翹尾的現象即當在早期實施火電靈活性改造的時段,緩解棄風的經濟效益相對較好,但是隨著實施規模增多的情況下,棄風量緩解效果有限。


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? 不同規模發電側改造情景下的棄風減少量和λ


在電網側的措施是針對兩條重點阻塞線路增加容量,從總計1000MW1800MW。線路擴容單位年化成本為75萬元/MW。仿真后,獲得棄風減少量和λ指標如下圖所示。與發電側改造情況類似,初期線路容量的擴容對緩解棄風作用明顯,但是隨著實施規模增加,成本效益逐漸下降。


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? 不同規模輸電網擴容情景下的棄風減少量和λ


需要指出的是,發電側靈活性改造和線路增容兩種措施均是基于基礎場景構建的,各種措施的成本效益指標與基礎場景密切相關。如果需要實施多種措施的疊加效果,或者根據實際情況,按規劃時序將各類措施構建于系統中,需要在每種措施組合的情況下分別進行仿真,獲得成本效益指標。目前還難以用分析性方法準確推導出同時實施多種措施的效益是否等效于每個單獨的措施的疊加效益。由于措施的效果需要經過電力系統運行后,事后統計獲得,因此應用時序仿真的方式量化效益是更可行的研究手段。


 
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