基于时序仿真的风电年度计划制定方法论文_刘佳

中国水利水电第五工程局有限公司四川成都 610066

摘要：采用时序仿真的方法，以年度最大可平衡风电为目标，综合考虑风电出力特性、负荷特性、机组调峰特性、不同种类供热机组热电耦合特性、开机方式和电网送出能力等因素，优化全年运行方式，科学、合理地将风电纳入电网年度运行方式安排。

关键词：风力发电；时序仿真；年度计划；机组组合；

基于时序仿真的风电年度计划方法，综合考虑风电出力特性、负荷特性、机组调峰特性、电网送出能力等因素，逐时段优化全网含风电的电力平衡，建立了用于研究省级电网年度风电计划的优化模型。

一、概述

随着风电并网容量持续快速增长，占全网电源的比例不断攀升，大规模风电并网给电网功率平衡、发电计划制定、电网调峰调频带来了很大困难。为了最大限度地提高风电上网电量，必须从年度、月度、日前、日内和实时多个时间尺度合理安排风电发电计划。其中，风电年度计划应以年度风电预测为基础，重构得到风电时间序列，然后根据全网运行方式进行电力平衡优化，最终得到可纳入电力系统运行的计划电量。通过制定风电年度计划，可以在年度运行方式中预留合理的风电接纳空间，保证年度计划的可执行性，同时可优化系统运行方式和检修安排，提高常规机组运行效益，对于优化风电管理、提高电力系统风电利用率具有重要的指导作用，对区域电网和风电的建设也具有指导性意义。准确制定风电年度计划需要采用时序电力平衡的方法，考虑年度风电运行特性、系统调峰能力、电网送出能力以及火电机组的开机方式，对全网各时段进行电力平衡分析，优化常规机组和风电运行方式。然而，受到建模复杂性以及计算时间等因素影响，目前风电年度计划的研究较少。现有方法多采用基于典型日的电力平衡方法，该方法是在最严重情况下的风电平衡情况，不能体现每日风电出力特性以及全网应如何优化机组启停和检修安排，如果将其用来指导全年的风电调度方式，计算结果必将过于保守，不利于提高风电实际上网电量。

二、时序仿真方法叙述

时序生产模拟对发电系统的运行和决策都起着重要作用，其中短时间尺度的生产模拟时间一般为几小时到几十小时，可以为优化系统运行方式、提高风电平衡能力提供真实的场景模拟，为调度部门提供合理的发电计划；长时间尺度的生产模拟时间可以是数月或数年，可模拟不同的装机规模、电网架构等条件下的年度风电电力平衡情况，为风电年度运行方式、产业发展规划及电网建设规划提供参考依据。时序仿真法已被国内外广泛用于电力平衡和发电生产计划安排中。然而，由于该方法建模复杂、模型涉及变量众多，长时间尺度仿真计算时间长，限制了其在含风电的电网优化调度中的应用。由于风电的年、月、日出力变化均较大，为了更好地表征风电出力变化特性，在考虑年度风电电力平衡问题时更加全面，采用时序生产模拟仿真方法。根据负荷和风电预测出力序列，模拟各发电机组的运行状况；将系统负荷、风电出力、发电机组出力作为随时间变化的时间序列；系统负荷与机组出力之间的平衡关系作为平衡约束，得到最优风电年度计划指标。

三、基于时序仿真的风电电力平衡模型

1.数学模型概述。风电年度电力平衡主要有以下两个制约因素：（1）电网结构约束；（2）电网调峰能力约束。为充分考虑这两种约束条件，实现尽可能多地接纳风电的目标，为电网新能源发电规划和优化调度运行提供技术支持，建立了一套完备的风电电力平衡数学模型。中国省级电网覆盖面积大、电网结构复杂，建立详细的电网拓扑结构开展长时间尺度时序生产模拟仿真耗时巨大，难以应用于生产实际，且电力系统实际运行中主要受制于少量断面送出能力。考虑实际电网运行中的制约因素，针对电网结构约束，模型中采用了分区的建模思想。综合考虑风电分布情况及电网结构，对电网进行划分。在考虑电网拓扑和面临的运行问题分区原则下，根据实际电网情况确定每个分区的风电装机容量、用电负荷、常规机组情况及各分区间的传输容量限制。将一个省级电网按区域划分为几个小型电网计算的建模思想，不仅能够显著提高模型计算效率，而且能够反映出电网的实际运行情况。其次，风力发电集中的某”地区火电装机比重大，其调峰能力对风电平衡能力产生巨大影响。因此，模型重点考虑不同类型火电机组的运行特性，特别是供热机组的建模，而对供热机组的建模也是一般的经济调度数学模型经常忽略的问题。模型考虑的火电机组类型包括凝汽式机组、背压式机组、抽汽式机组。特别注意的是，背压式机组和抽汽式机组一般运行在“以热定电”模式下，此类热电联产机组供热期和非供热期的建模对年度风电平衡至关重要，需重点考虑其供热期内的热电耦合特性。最后，数学模型中还应综合考虑系统平衡约束、电网安全约束、系统备用约束、电量约束等约束条件。实际应用中，可根据实际电网条件对部分约束条件进行取舍。

2.目标函数。为尽可能平衡更多的风电，基于时序仿真的风电年度电力平衡方法的目标函数如下式所示：

机和停机，均为二进制变量，前者为０表示不处于启动过程，为１表示正在启动，后者为０表示不处于停机过程，为１表示正在停机；ｋ由机组最小启机或停机时间参数决定，其反映了最小启机或停机的时间步长。此约束的考虑，主要是由于受到机组的物理特性及机组能耗和运行成本的制约，机组不能频繁启停。