风电并网对系统运行的影响和对策

风电并网对系统运行的影响和对策IntegrationofWindPowerintoPowerSystemsandMarketOperations Impact Solution 胡明MingHu运行规划 OperationPlanning 系统运行及可靠性 O R 阿尔伯塔省电力运行机构 AESO 2 阿尔伯塔省电力工业概况Alberta sElectricIndustry 最大负荷 Peakload 9 775MW年负荷系数 annualloadfactor 80 装机容量 InstalledCapacity 12 368MW 280台发电机组 generatingunits 200电力交易商 Wholesalemarketparticipants 21 000km输电线 Transmissionline 2对外联络线 Interties 与BC省780MW 与Sask 省150MW BC Alta Sask 煤电Coal5 893MW 燃气电厂Gas4 895MW 其它Other214MW 风电Wind523MW 水电869MW 主要风电项目开发地区 Primaryregion 11 000MW风电项目意向 WindpowerInterest 300KM 3 风电大规模并网对系统运行带来的挑战TheSystemOperationChallengeofLarge ScaleWindPowerIntegration 如何应对风电出力变化和不确定性HowtohandlethevariabilityanduncertaintyinSystemOperation理解风电出力的变化规律 风电出力变化研究 Understandthewindpowervariability Windpowervariabilitystudy 理解风电出力的不确定性 风电出力预测试点项目 Understandwindpoweruncertainty Windpowerforecastpilotproject 理解和评估对系统运行的影响 系统影响分析 1 Understandandassessthepotentialimpactonsystemoperation SystemImpactstudy phase 1 评估潜在的系统应对措施及手段 系统影响分析 2 Assesspotentialmitigationsolutions SystemImpactstudy phase 2 应对措施的实施 发展风电的市场及运行框架 Solutionsimplementation Market OperationFramework 4 理解风电出力的不稳定性Understandthewindpowervariability AESO和风电行业合作 完成了 阿尔伯塔风电出力变化研究 AESOworkwithwindindustry contractedGENIVAR PhoenixEngineering toconduct Albertawindpowervariabilitystudy 研究结果提供了2004年风电出力全年每分钟的仿真结果 Providedsimulatedminute to minutewindpowerdataforthewholeyear 2004 基于2004年气候测量数据 未来风电发站方案及风电场模型 BasedonmeasuredmeteorologydataacrosssouthernAlbertaofpotentialfuturewindfarmsandwindpowerproductionsimulationmodel4个未来风电发站方案 For4scenarios 250MW 900MW 1500MWand 2000MW 250MW为2004年已有规模 用于模型验证 The250MWwastheexistingwindpowerscenario forthepurposeofwindpowerproductionsimulationmodelvalidation为下一步的 风电的系统影响 提供必要的基础和数据 ThedatawasrequiredandusedlaterforAESO WindpowersystemImpactstudies 研究的主要结论 风电出力的不稳定随着发展规模的增加而增大 但由于分布的分散互补性 并非按比例增大 Akeyconclusionofthisstudy Thewindpowervariabilitydoesincreasewiththewindpowerdevelopmentlevel butnotproportionallyduetodiversification 5 理解风电出力的不稳定性 2 分散互补性UnderstandtheVariabilityofWindPower 2 Diversification 不同分布的风电场出力不稳定性的叠加 分散互补的影响Thecombinedvariabilityofdifferentwindfarms Diversificationimpact不同分布的风电场出力不稳定性的叠加不是简单的算术叠加 而是向量叠加 向量的方向取决于不同风电场的相关情况 Thecombinedvariability randomnature isthevector sumofeachindividualvariabilityotherthansimple sum完全正相关相互独立完全反相关positivecorrelateindependentnegativecorrelate空间分散 时间互补 Diversification Space Time 对短时出力变化互补明显平滑效应 moresmoothingeffectforshort termvariability对长期出力变化互补性减低接力效应 持续增减 lesssmoothingeffectandmorerelayeffectforlong termvariability Rampingissue 取决于风场的位置分布和风向 Alsorelatedwithlocationdistributionofwindfarmsandwinddirections 6 理解风电出力的不确定性 风电出力预测试点项目UnderstandtheUncertaintyofWindPower 1 ForecastingPilotProject 试点三种不同的预测方法 为期1年 Trialthreeverydifferentforecastingmethodsoveraoneyearperiod AWSTruewind US WEPROG Denmark EnergyandMeteo Germany 分别针对4个不同地理气候条件的地区4differentgeographicterrains windregimesinAlberta每小时提供未来1 48小时的平均风速 矗立及变化 T 1toT 48hoursforecastedrefreshedhourly w s MWs ramprate 7个现有风场 5个未来风场 7existingand5futurefacilitiestorepresentgeographicdiversityandfutureexpansion统一的风场气象数据收集 On siteMetDataCollectionbyGENIVAR独立的结果分析 IndependentanalyticalanalysisfromORTECHPower FundedbyAlbertaElectricSystemOperatorAlbertaEnergyResearchInstituteAlbertaDepartmentOfEnergy 7 理解风电出力的不确定性 2 预测误差实例UnderstandtheUncertaintyofWindPower 2 forecasterrorexample 时间误差PhaseError 误报FalseAlarm 变化率误差RampRate 漏报Miss 8 理解风电的不确定性 3 UnderstandtheUncertaintyofWindPower 3 不确定性不等同于变化 UncertaintyisdifferentthanVariability不确定性只是无法预测的变化 预测误差Uncertaintyisonlytheunpredictablevariability forecasterror风电出力预测的相对误差高于负荷预测 Therelativedegreeofuncertaintyofwindpowerisbiggerthanloadbasedontoday sforecastcapability1日前预测 负荷一般1 3 风电 10 100 Day aheadforecast 1 3 errorforloadvs 10 forwindpower准确预测风电出力变化有难度 Thepredictionofwindpowerrampingischallenging常用的预测误差指标 例如 平均 误差 方差等不适用 Thestandardaccuracymetricsusedtodescribeforecastperformancemaynotbeapplicableormeaningfultosystemoperations suchasMAPE RMSEbecausetheycansuppressrampingsignals需要制定新的预测误差指标 能够全面反映幅值 相位 误报 漏报及变化趋势误差 Needsomeaccuracymetricsthatcandescribenotonlymagnitudeerror butalsophaseerror false alarmrate capture rate rampingrateerrorAESO制定了基于出力变化事件的幅值 相位误差图AESOdevelopedanchanging event basedmagnitude phaseaccuracycharttoassessandunderstandwindpowerforecastcapability 9 理解风电出力变化及不确定对系统运行的影响UnderstandandAssesstheSystemImpactofWindPowerVariabilityandUncertainty 1 系统的关键是要维持实时的系统供需平衡 Systemoperationinvolvesmaintainingaconstantbalancebetweensupplyanddemand包括4个重要环节 Fourkeyaspectstoachievingsystembalance预测维持系统供需平衡的平衡能力 Abilitytoforecastthebalancingrequirement保证充足的系统资源 Adequatesystemresourcesforthisrequirement容量 备用及调节控制能力 Supplysources generation andcontrolsources ancillaryservices 相应的运行规程 Operatingpoliciesandprocedures实时的运行决策 Real timeoperatingdecisions风电出力变化及不确定对以上4个环节均有影响 Thevariabilityanduncertaintyofwindpowermayimpactalloftheaboveaspects2种分析方法 理论分析 仿真分析Twowaystoanalyzeimpact statisticalandsimulation 10 运行预测OperationForecasting 系统影响分析方法 SystemImpactAnalysisFramework 其它变化及不确定Othervariability uncertainties 系统整体变化及不确定SystemOverallvariability uncertainties 负荷变化及不确定Loadvariability uncertainties 风电变化及不确定WindPowervariability uncertainties 区域控制误差ACE 性能指标1CPS1 性能指标2CPS2 输电能力越限OTCViolation 基于理论的统计分析Statisticalanalysis 实时调度模拟 Real timeDispatchsimulation 衡量各种变化的指标Variabilityindices 发电备用调度模拟结果SimulationofEnergymarket Regulatingreserve Tieflow 模拟的性能指标Simulatedresultsof ACE CPS2OTCviolations 非计划潮流UnscheduledInterchange 运行性能评估PerformanceAssessment 潮流交换发电调度备用调度InterchangeschedulingEnergymarketdispatchAncillaryservices 各种运行规程Operatingpolicies procedures 11 统计分析实例 1小时的变化分析Statisticanalysisexample 1hourvariability 负荷与风电出力相互独立Thevariabilityofloadandwindpowerareindependent随着风电的增加 风电出力对系统整体的变化及不确定的影响从可忽略到共同主导Aswindpowerincrease thewindpowervariabilitycanincreasetheoverallsystemvariabilitytoalevelthatcannotbeignoredandmoredominate 12 统计分析实例 4小时的系统不确定性影响Statisticanalysisexample 4houruncertainty 风电不确定性对系统整体不确定性的影响随电规模增大而增大 Thewindpoweruncertaintycanhaveignorableorsignificantimpactonoverallsystemuncertaintydependonthepenetrationlevelandtimeframes风电增加对系统不确定性的影响更加显著Windpoweruncertaintycouldincreasefasterthanloadaslevelincrease 13 统计分析实例 风电出力持续变化分析Statisticanalysisexample Changingevent basedanalysis 250MW 900MW 1500MW 2000MW 随着风电规模的增大Therewillbemore longerandfasterpersistentsystemchangingaswindpenetrationincrease对调节跟踪能力有限的系统带来压力Itputpressureonsystemwithlimitedrampingcapability 幅度1400 1600MW历时5 6小时系统持续变化发生4次 thereis4changingeventswithdurationof5 6hoursandramp downmagnitudeof1400 1600MW 14 Step2 每分钟仿真1 minutesimulation 仿真分析 方法及假设条件Simulation basedanalysis MethodologyandAssumption Step3 计算对运行性能的影响 CalculateimpacttosystemperformancecriteriaCPS2OTCviolation Step1 发电调度决策仿真DetermineEnergyMarketDispatch Every20minutes 未来20分钟调度决策EnergyMarketDispatchfornext20minutes 当前调度误差CurrentSupply DemandImbalance ACE 预期负荷变化ExpectedLoadchange 潮流交换计划InterchangeSchedulechange 风电出力预测Expectedwindgeneration persistentforecast 调度有效性准则出力调度幅度应 20MWDispatchvalidationMWthreshold ifimbalancewithin 20MW noinstructionismadeandanyimbalanceishandledbyRRorACE 计算调度出力变化 考虑系统应变速度和相应时间CalculatetheEnergymarketmovementwithrampingcapabilitylimitationandresponsedelay 计算调度出力与实际需求间的误差 Calculatethemismatchbetweensupplyanddemand 计算平衡出力误差所需的调节备用 Calculaterequiredregulatingreservemovementtobalancethemismatch10 ofMWrange min 无法平衡的误差即为 区域控制误差 RemainingmismatchissimulatedACE 递归迭代算法RecursiveIterationAlgorithm 15 基于仿真的分析 仿真模型分析界面Simulation basedanalysis SimulationmodelGUI Load 风电出力Windpower 仿真调度出力SimulatedEMD 历史调度出力HistoricalEMD 潮流输出限制ExportLimit 潮流输入限制ImportLimit 潮流计划InterchangeSchedule 仿真潮流交换SimulatedInterchange 历史区控误差HIST ACE 仿真区控误差SIM ACE 调节备用容量RRrange 仿真备用调度SIM RRdispatch 仿真区控误差SIM ACE 仿真性能指标越限SIM CPS2Violation 余度Ld Ld 20 minmovingminimumoff schedule 输电可靠性备用TRM SystemdataqualityTag WindpowerdataqualityTag 16 系统影响分析1 结论SystemImpactStudyphase 1conclusions 4个风电开发方案 包括1个当前方案 验正模型 用以确定风电增加对系统的增量影响 所有 个风电发展方案都有性能指标越陷的问题4winddevelopmentscenarios existing 3future toidentifytheincrementalimpacteffect All3growthscenariosstudiedresultedinoneormoreperformanceviolations 分析结果显示风电增加和系统运行控制性能指标下降和传输能力越限的因果关系 Thereisanobservablerelationshipbetweenincreasedwindpowerdevelopment DecreasedCPS2performanceandIncreasedOTCviolations 大规模风电并网运行将需要制定 实施应对措施以保证系统的安全可靠运行Itishighlylikelythatmitigatingmeasureswillneedtobedevelopedandimplementedinordertointegratelargescalewindpowerandmaintainthereliableandsafesystemoperation 17 调查评估各种针对出力变化和不确定性的应对措施 系统影响分析 InvestigateandAssessDifferentMitigationsolutionsofPowerVariabilityandUncertainty 10 SystemImpactStudyphase 2 有效的应对措施包括 Effectivemitigatingmeasuresforwindpowerintegrationare 风电出力预测 windpowerforecasting增加发电调度的可控变化能力 Moreenergymarketrampingcapability增加的调节备用或追踪备用容量 additionalregulatingorfollowingservice风电出力管理 windpowermanagement无效的应对措施 Theineffectivemitigatingmeasuresare 负荷的自然增长 IncreasesinAIESload增加调节备用的调节速度 Increasingtheregulatingreservesramprate 18 风电出力变化及不确定应对措施的实施 AESO发展风电市场 运行框架SolutionsofWindPowerVariabilityandUncertainty AESOMarketandOperationFramework MOF forWindPowerIntegration 1 原则 在保证系统安全可靠运行和市场公平和效率的同时尽量增加风电的并网TointegrateasmuchwindpowerintotheAlbertasystemasisfeasiblewithoutcompromisingsystemreliabilityorthefair efficientandopenlycompetitiveoperationofthemarket 目的是建立一个稳固的基础作为通过实践不断改进完善的起点Theintentistodevelopasolidstartingpointfromwhichtocontinuouslyimprove建立适当的机制使得市场力量能够优化解决方案 Tosetuppropermechanismtoallowthemarketforceleadtosolutionsoptimization在获得合理风电出力预测的前提下 运行人员可以制定计划采用以下措施吸收预测的分风电发电 Thepremise IftheSystemOperatorreceivesareasonableforecastofwindpowergeneration thentheycanestablishanoperatingplantoaccommodatetheforecastwindenergybyusingthefollowingresources tools 预测 Forecasting发电调度排序 TheEnergyMarketMeritOrder调节备用 RegulatingReserves跟踪备用 WindFollowingServices风电出力管理 WindPowerManagement 19 市场运行框架 具体工作AESOMOFforWindPowerIntegration Workstreams 市场 运行规则 Market OperatingRules风电出力管理 WindPowerManagement风电出力预测 WindPowerForecasting额外的辅助服务的预测和获取 AdditionalAccessoryServicesForecast Procurement系统运行辅助软件工具 SystemOperatorTools接入系统 Interconnection接入排序管理 QueueManagementPractices接入系统标准 出力管理 预测等 StandardsforInterconnection PowerManagement ForecastingRequirement 电源发展方案预测方法 GeneratorScenarioDevelopmentMethodology输电网规划 TransmissionPlanning鼓励分散多样性 Diversity 20 具体工作之一运行辅助软件工具MOFWorkStream 1 Operatortools 分析工具 Engineeringtool用以在设计 测试各种可能实施的运行规程 Todesignandtestprotocols proceduresbeforeimplementationintoOPPs实时运行的辅助工具 Real timesystemoperationtool用以帮助有效管理 Toeffectivelymanage 各种规程的实时操作 Theproceduresinthereal time保证复杂运行决策的有效 一致和透明度 complicatedreal timesystemoperationwithEfficiency ConsistencyandTransparency提供知识 信息 经验共享和不断完善的共享平台Commonbasisforknowledgesharing experienceandcontinuousimprovement 21 运行辅助软件工具的功能框架Workstream Tools Architecture 各种分析评估 OperationassessmentTobalancebetweenSupplyandDemandToassessthesituation riskof SystemRampingCapabilitySupplyShortfallissueSupplySurplus Zero offer issueMinimumtechnicaloutputissueOTCviolationissue LoadForecast EMS WindPowerforecast InterchangeScheduleorForecast EMS Uncertaintyanalysis 系统的变化SystemChanges ATClimits IPCTCP EnergyMarketMeritOrders EMS RRMeritOrders ETSorEMS Generato