全清洁能源发电转型过程中火电退出顺序评估.docx

1、第37卷第1期2021年1月文章编号：1674-3814(2021)01-0127-08电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergy中图分类号：TK01Vol.37No.lJan.2021文献标志码：A全清洁能源发电转型过程中火电退出顺序评估倪祺霖】，李延和2,张红丽.刘福锁】,董凌七方保民(1.南京南瑞集团公司，江苏南京211106；2国网青海省电力公司，青海西宁810000)EvaluationoftheExitSequenceofThermalPowerUnitsintheTransitiontoAllCleanEnergyGenerationNIZhenlin1,L

2、IYanhe2,ZHANGHongli1,LIUFusuo1,DONGLing2,FANGBaomin2(1.NARIGroupCorporation,Nanjing211106,Jiangsu,China；2.StateGridQinghaiElectricPowerCompany,Xining810000,Qinghai,China)ABSTRACT：Toreducethepowergridstabilitydeclinecausedbythewithdrawalofthermalpowerduringthetransitiontoallcleanenergypowergeneration

3、,theexitsequenceofthermalpowerunitsinaregionshouldbeoptimizedtoreducetherisksfacedbythepowergridintheprocessoftransition.Thispapercalculatestheriskparametersofthepowergridintheaspectsofadequacyandsafetyaftertheexitofdifferentthermalpowerunitsintheregionbybuildingthepowerflowmodeoftheregionalpowergri

4、d.Onthisbasis,consideringemergencycontrolmeasuresandschedulingschemes,theriskparametersofdifferentdimensionsaretransformedintoeconomiclosses,soastogenerateariskassessmentmatrix,anddeterminetheexitsequenceoftheoptimizedthermalpowerunitbylayeredoptimizationmethod.Finally,withaprovincialpowergridinChin

5、aasanexample,acomprehensiveevaluationofthedecommissioningsequenceofthermalpowerunitsinthisregionisgiven,andthefeasibilityofthismethodisverified.KEYWORDS：fullcleanenergytransformation:safety；adequacy；riskassessment；economicloss；exitsequenceofthermalpowerunits摘要：针对全清洁能源发电转型过程中因退出火电而造成的电网稳定性下降的问题，拟优化区域

6、内火电机组退出的顺序以降低转型过程中电网面临的风险。通过搭建区域电网潮流的方式，计算区域内不同火电机组退出后电网在充裕性和安全性方面的风险参数，在此基础上，结合紧急控制措施和调度方案，将不同量纲的风险参数转化为经济损失量，从而生成风险评估矩阵，并通过逐层寻优的方法确定优化后的火基金项目：国网青海省电力公司2020年科技项目(52280019004X)oProjectSupportedbytheScienceandtechnologyProgramoftheStateGridQinghaiElectricPowerCompanyin2020(52280019004X).电机组退出顺序。以中国某省

7、级电网为例，给出该区域火电机组退役顺序的综合评估，验证了该方法的可行性。翘词：全清洁能源转型；安全性；充裕性；风险评估；经济效益；火电退出顺序随着全球气候变暖愈加严重，中国十分重视清洁能源的发展在巴黎协定上，中国己经承诺在2020年实现碳排放较2005年下降40%45%凡最迟在2030年达到顶峰因此，中国有环境优势的省级供电公司在全清洁能源发电方面已进行了大量研究,例如青海、四川等。连续3年“绿电日”实践的顺利开展，证明了中国在全清洁能源发电方面已经取得了很大进展*、然而，由于新能源电源大规模并网后对配网的结构、运行方式和控制方式等会造成很大影响宵气以目前对新能源技术的研究时，只能在转型过程中

8、实现阶段性的全清洁能源发电，如在汛期时,水电和储能技术为完全退出火电提供了可能性12-13。在阶段性实现全清洁能源发电时，火电机组需要逐步退出，但火电机组在调峰、调频和暂态调节方面的能力是新能源机组无法比拟的。根据文献14-15所述，火电机组的退出可能会影响区域内电网的电力充裕性和电网安全稳定运行，火电退出后电网下降的安全裕度越多，为了弥补下降的裕度而实施的源网规划和安控措施的设计难度越高。因此，本文拟研究全清洁能源转型中火电退出顺序对电网的影响，以降低转型过程中产生的经济损失。文献16中结合方差分析中的3。准则，引入BP神经网络模型对其进行学习训练，对火电机组进行综合能力评估，但该文献从机组

9、本身研究其综合能力，而没有结合地区研究火电机组对该区域电网的影响。文献17从经济效益的角度对退出机组后电网的经济运行进行了探讨和研究，但没有考虑火电机组退出后电网存在的安全运行风险。文献18采取鲁棒调度策略求解火电经济调度问题以应对高比例新能源发电的不确定性，但仅仅分析了区域电网在充裕性不足的情况下采取的策略。火电机组对于区域内电网的重要性受地理位置、性能等因素的影响，因此退出火电机组对区域的影响要从多个方面进行综合评估。为补充全清洁能源发电转型过程中现有火电综合评估方法的不足，本文通过分析退出火电机组后区域电网面临的充裕性风险和安全性风险，并将其量化为统一的经济损失指标，来评估火电机组的重要

10、性，以确定在发展全清洁能源发电转型过程中退出火电机组的顺序。1全清洁能源转型中面临的风险1.1充裕性下降充裕性反映电网在任何时间尺度上都有充足的电力，全清洁能源转型过程中需要考虑因充裕性不足而出现电力系统广义阻塞的风险阿。本文在保证每时每刻水、风、光等清洁能源的发电出力大于用电负荷的电力平衡的前提下，研究退出火电机组后电网面临的充裕性下降的风险。因为保证电力平衡，所以将退出火电机组后的充裕性下降风险分为调频和调峰能力下降风险。以中国某省级电网为例，该省级电网装机整体特性为“大水电、大新能源、小火电”O由于大型水电机组多用于防洪，为西北电网调峰、调频，所以在省内起到的调峰功能十分有限。火电机组作

11、为该省级电网的基础性、支撑性电源，承担了大量为省内新能源发电进行深度调峰的任务，其调节作用地位更加重要。因此，当火电机组退出、新能源电机并网后，容易造成大量“弃风、弃光”的现象。退出不同容量的火电机组对区域内电网充裕性的影响不同，规划合理的火电机组退出顺序可减少电网下降的调峰能力。相比于火力发电机，新能源发电机在一定程度上具有随机性，存在着使电网频率发生变化的可能性l211o在火电机组退出的方式下，有些大功率直流线路换流站周围的新能源发电占比较高，直流在闭锁时暂态调节能力较差，若没有合适的安控措施，则会出现主网频率升高的问题。1.2安全风险安全风险反映为在退出火电机组后电网面临失稳的问题，本文

12、将安全风险分为过载风险和暂态稳定安全风险。由于火电机组和新能源机组装机地理位置的差异，退出不同位置的火电机组会改变电网的潮流情况。若区域内某地负荷较重，退出该地点的火电会加剧线路潮流的严重程度，此时多回线路发生N-1故障，线路可能出现过载的问题网。因为新能源机组在发电机理、并网方式上与传统火电机组有很大差别，所以对新能源机组的暂态特性的研究还不够深入。考虑到光能、风能等资源需要达到一定条件才可装机，所以新能源发电机装设地点较为集中，导致目前需要花费较高的代价来抑制电网故障下超高比例的新能源机组的暂态压升，例如使用调相机等措施。目前，中国大多数地区的电网强度还不足以支撑超高比例的新能源接入，这也

13、是新能源机端暂态压升问题的根本原因。若合理规划火电机组的退出顺序，可减少全清洁能源发电转型过程中电网下降的安全裕度以适应电网强度的逐渐强化，减少了因发展全清洁能源发电而出现的经济损失。2退出火电机组风险的评估指标为了降低全清洁能源发电转型的经济损失并统一评价参数量纲，本文将火电机组退出后存在的安全性和充裕性风险量化为经济损失，以此来评估火电机组对该区域的重要性。2.1过载风险针对区域内火电退出后可能出现的过载风险，本文将线路发生N-1故障的随机概率和发生故障后可能产生的经济损失的乘积定义为可能产生的过载风险。多回线路任一独立元件发生故障而被切除是一个随机事件，传统来说可以采用长期统计平均值的方

14、法来统计线路平均每年可能出现的故障次数，也可以考虑元件寿命和故障的相关性来评估线路发生故障的风险。电力电子岸件的故障率表示为U"0<T<TI11=Ti<T<?2（1）47冬】t2<t<t0式*7为元件使用时间；（0/】）为元件早期的故障期；（兀时为元件有效寿命期；（丁0）为元件损耗期；本凡、人3分别为元件在早期故障期、有效寿命期和元件损耗期时的故障率；四为形状系数。当电网稳定正常运行时，线路，每百千米在时刻t发生N-1故障的概率可定义为P/1-e刘（2）发生某故障后可能产生的经济损失Q定义为NQ矛式中：F"）为第/条线路发生过载后需要采取

15、的紧急控制措施量；C.W为第，条线路发生故障后采取紧急控制单位措施量的经济损失；T为紧急控制措施采取的时间。综上所述，退出一台火电后线路过载风险的评估参数4（万元）为A二丈（1-e刑C（/）（/）T（4）1式中：N为若有N条线路发生故障可能出现的过载问题。2.2暂稳安全风险针对区域内火电退出后可能出现的暂态安全风险，本文用扩展等面积准则（EEAC）计算退出一台火电机组后电网的暂态安全裕度26】。EEAC理论上以受扰轨迹的动态鞍点作为界限指标，将轨迹点经过动态鞍点时所具有的动能作为失稳裕度27-301o根据EEAC可计算出发生某种故障后该方式下的暂态功角稳定裕度、暂态电压稳定裕度和暂态频率稳定裕

16、度，将3种稳定裕度中最低的数值作为该方式下的暂稳裕度。通过计算可知哪些故障下电网存在暂态稳定风险，根据国家电网有限公司安全稳定运行导则所述，为保证发生暂态故障后电网的稳定运行，可以采取紧急控制策略。通过紧急控制策略的实施，可提高暂态稳定故障下电网的暂态安全裕度，定义为发生第j个故障后为保持电网安全裕度大于0所需要的紧急控制措施量。因此，可将火电退出后电网暂稳风险的评估参数A（万元）定义为R二（5）2/4umu''1式中：Pu（为发生第/种暂态故障的概率；Gn身）为第j条线路发生故障后采取紧急控制单位措施量的经济损失；M为有M种故障的暂态安全裕度为负数。2.3调频能力下降风险考核

17、一台火电机组一次调频性能评价指标有很多，但其中有些指标难以根据实测数据进行计算得到量化综合指标，例如迟缓率、响应行为等（31-36）0本文将火电机组退出后的最大调整负荷限幅下降量视为电网调频能力下降量。不同容量的火电机组参与一次调频的最大调整负荷限幅不同，因此本文将调频能力下降风险量化为因补偿调频容量下降而产生的经济损失。在汛期时，水电机组可补偿一定容量的调频能力，水电机组调频容量不足时可交易外省的调频资源，因此定义退出一台火电后电网调频能力下降风险的评估计算参数岳（万元）为A=只。脩（Pw-ff+Pe-f6f）（6）式中：已恂为火电机组退出后电网降低的最大调整负荷限幅；p为本地水电机组补偿单

18、位调频容量w-f的价格；E为水电机组补偿的调频容量；P为省外调频资源补偿单位调频容量的价格；&为省外调频资源补偿的调频容量。2.4调峰能力下降风险一般来说，火电机组的调峰能力可通过该火电机组的调峰幅度来进行评估：1%一Pg,max一Pg,minP=p（1-D）（7）gminmaxlJ式中：Pg,max为该机组的最大有功出力；,丽为该机组的最小有功出力；D为该火电机组的调差率。与调频能力下降风险评估相似，退出火电机组的调峰能力下降容量可优先利用省内的水电资源，除此之外还可交易省外的调峰资源进行补偿，因此退出火电机组后调峰能力下降的风险可量化为因补偿调峰容量下降而产生的经济损失。定义退出一

19、台火电后电网调峰能力下降风险的评估参数A（万元）为式中：Q心g为本地水电机组补偿单位调峰容量的价格；为水电机组补偿的调峰容量；Pe_g为省外调峰资源补偿单位调峰容量的价格；Pe为省外调峰资源补偿的调峰容量。3退出火电机组风险的评估指标首先在符合约束条件的前提下计算区域内火电机组退出后所需要增加的安控措施量，并将其量化为经济损失，得出电网面临的过载风险和暂稳安全风险；其次采集火电机组的基础参数评估火电退出后因补偿电网调频和调峰能力下降的容量而产生的经济损失；最后通过逐渐退出经济损失最小的火电机组进行循环计算，以确定在发展全清洁能源发电过程中阶段性退出火电机组的顺序。3.1约束条件1) 功率平衡约

20、束PP-L/yU(Gcos9+Ssin0)=0-Q-吃U(Gsin0-Bcos0)=0(9)。diijijijijij/=1式中:Pgj，Pdi，QgQ”分别为节点，的有功注入、有功负荷、无功注入、无功负荷和节点电压；GB缶分别为支路的电导、电纳和相角差。2) 变量约束。除电力平衡约束条件外，还应考虑火电机组退出后区域电网是否满足电网安全稳定运行条件，即变量约束条件。变量约束条件又分为状态变量约束和控制变量约束条件。状态变量约束条件需要考虑发电机有功出力Pg、无功出力Qg、暂态时节点电压幅值凶,和稳态时节点电压幅值uto控制变量约束条件需要考虑紧急措施量的4种风险参数的计算方式，且己经将风险指

21、标转化为归一化的经济损失量。本小节将x台火电机组分别退出后的风险参数进行对比，以此得到阶段性全清洁能源发电的火电机组退出的可能性和优先级。在计算某台火电机组退出后的风险矩阵时，需要考虑3.1小节的约束条件，若不满足条件，则该台火电机组无法退出。通过计算第x台火电退出后的安全性和充裕性的经济损失量，可得至膨火电的风险评估值a为为4(x)=&(x)+&(x)+43)+A。)(12)则区域内所有需要退出的火电机组的风险评估矩阵表示为A=A(V4(2)A(3),M(x)(13)风险评估矩阵中值最小的那台火电机组退出后对电网的综合影响最小。3.3火电机组退出顺序评估在退出一台火电机组后，

22、电网的潮流结构可能发生改变，余下火电机组的计算数据也可能发生改变(例如该省的水电机组可用的调频和调峰容量)，所以在退出风险评估参数值最小的火电机组后，需要删除矩阵中该火电机组的参数，并刷新剩余火电机组的风险评估矩阵，经过多次循环计算，直到矩阵中剩余火电数量为1,以此得到最终的火电退出顺序，计算流程如图1所示。(讦整)(讦整)者除？略机MMo状态变量约束条件如下：f/=>min</<Rmax,/=1,2,N|in<b<i=l,2，押)G/G/,G/G(10)IHrnin<IJ<Umax,/=1,2,，N亢制ax,1,2，用It/It/It/G、控制变量约

23、束条件如下：M<Mmax,k(11)jj式中：A/g,k分别为发电机机节点数目、紧急控制措施类型。3.2风险评估矩阵第2节己经介绍了退出某台火电后电网存在.N(洪)图1火电机组退出顺序计算流程图Fig.1Calculationflowchartofexitsequenceofthermalpowerunits容易得到其余2台机组的过载风险评价矩阵:4算例验证以2020年中国某省级电网为例，该电网规划如图2所示，该区域内有3台火电机组。线路8C火电i变电站A火电E变电站线路9矶直流B变电站,线路2光G专零线路5线路4F变电站某水电某水电某水电,c变电站B火风A变电站某水线路电H发路6?&#

24、39;"D变电站H变电?水位图2某省级电网地理接线图Fig.2Geographicalconnectiondiagramofaprovincialpowergrid退出火电机组线路号线路长度/km切负荷量/MW控制代价/万元223.5800218A434.15940372.37636.143900377.33223.5870237.16434.15970384.26B536.6740314.17636.143860360.56C223.5860243.4434.15940372.37536.6400169.82636.143930389.9II某水电某水电：某水电表1退出火电机组后的

25、控制代价和线路参数Table1Lineparametersandcontrolcostafterexitingthermalpowerunits由于在全清洁能源转型过程中新能源机组的不确定性对电网风险指标的影响较大，因此对该电网进行随机潮流的建模，通过正态分布的模型选择新能源机组稳定性最为恶劣的潮流方式，以保证最终的风险评估指标是经济损失最大的情况。本文通过随机潮流得出稳定性最差的电网运行方式，并以fastest时域仿真软件搭建某区域的基础潮流，该方式火电出力131万驯（其中A电厂出力30万kW、B电厂出力66万kW、C电厂出力35万kW）,水电出力210万kW,光伏1060万kW,风电

26、77;1力260万kW。首先根据基础潮流计算3台火电机组的4个风险指标。基于基础潮流分别退出该区域内的3台火电机组，可仿真得到发生线路A/-1故障条件下可能出现的线路过载情况，并仿真计算此时需要采取的紧急控制量。线路基础参数和过载风险如表1所示。由于该区域内750kV线路的电力电子元件基本处于有效寿命期，所以其发生A/-1故障的概率相同，根据文献28-31所述，该地区750kV线路发生N-1故障的概率可取0.58肉（100kma）。设切负荷持续时间2h,切负荷每单位代价为1万元/（MW-h）0根据表1,结合式（4）可得到退出火电机组A的过载风险参数4=967.7o重复这样的计算方式基于fast

27、est软件中轨迹计算的功能模块，可计算出潮流方式在指定故障下的暂态安全裕度。为了减少新能源切机地点对暂态稳定性的影响，本文根据fastest软件中的策略搜索模块，可得到某故障发生后的最优紧急控制策略，可以使用该模块得到最优的新能源切机地点。基于基础潮流退出火电机组用计算在发生主变N-1故障下电网的暂态安全裕度，如表2所示。表2退出火电机组A后电网暂态安全裕度Table2TransientsafetymarginofpowergridafterexitingthermalpowerunitA故障名称暂态安全裕度/%故障名称暂态安全裕度/%主变AM1故障-63.84主变FN-1故障-85.64主变

28、BMl故障24.6主变GMl故障52.47主变CMl故障22.69主变HN-1故障88.65主变DMl故障47.96主变IMl故障51.23主变EMl故障2.88由表2可知，在退出火电机组A之后，若主变A、F发生N-1故障，电网的安全裕度为负指标，为保证电网暂态安全裕度为正指标，需要在发生如表2所述故障时采取合适的紧急控制措施。设切机持续时间2h,切机代价为5万/MW-h，如表3所示。表3退出火电机组后采取的紧急措施量及控制代价Table3Thequantityofemergencymeasuresandcontrolcostafterexitingthermalpowerunits退出火故障

29、名称原暂态安切机量控制代价电机组全裕度/MW/万元A主变AMl故障-63.8497020500主变FAA1故障-85.641080B主变CMl故障主变HN-1故障-99.99180022000-27.08400C主变DV1故障-89.84140014000根据表3所列数据，取发生主变N-1故障的概率为0.03232-361,结合式（5）可得到退出机组A的暂稳安全风险参数，重复这样的计算方式容易得到其余2台机组的暂态安全风险评价矩阵：舄姗国（15）IA采集3台火电机组的基础参数，见表4o表43台火电机组的基础参数Table4Basicparametersofthreethermalpowerun

30、its参数机组A机组B机组c最大有功出力/MW300660350调差率/%505050最大负荷限幅±18+7QA±21/MWToy.U因为汛期内该地区的水电机组调频和调峰容量尚有盈余，不需要交易省外资源，设调频资源代价10万元/MW、调峰资源代价1万元/MW,根据表4所列数据，结合式和式（8）易得到退出3台机组的调频风险评价矩阵和调峰风险评价矩阵：4(1)'1180人3=A(2)3%(16)&3)_210_丽F1501>14=|41=1330|（17）修4<3）L175根据式（12）对火电机组的评价矩阵进行统一的标准化，可得到综合评价矩阵：rAW

31、tAL（l）、+4F1953.714姐2）+（2）+4（2）“4（2）L|2'句3）+L2008.49JL123#3）由式（18）可知，在3台火电都开启的方式下，机组A的经济损失最小，则应优先退出火电机组A。然后搭建退出火电机组A的潮流方式，重新计算风险评估矩阵，可得:o=|3069.432164.88(19)综上所述，在该区域发展全清洁能源发电的规划中，火电机组的退出顺序应为A-CtB。5结语针对全清洁能源发电转型过程中因退出火电而造成的电网稳定性下降和经济损失的问题，合理规划火电机组的退出顺序可以有效减少电网下降的安全裕度以减少全清洁能源发电发展过程中的电网规划难度和经济损失。本文

32、通过对区域内火电退出后存在的电网充裕性和安全性风险进行评估，并将风险参数量化为经济损失，计算出较为合理的火电退出顺序。鉴于篇幅限制，本文选择了一个较为简单的实例，对于电网较为复杂的方式，在过载和暂稳风险评估计算中可根据当地实际情况增加仿真故障类型。此外，步骤中一些计算方法还可以进行优化以得到更精确的数值。参考文献1吴俊，薛禹胜，舒印彪，等.大规模可再生能源接入下的电力系统充裕性优化(二)多等级备用的协调优化j.电力系统自动化，2019,43(10):30-39.WUJun,XUEYusheng,SHUYinbiao,etal.Powersystemadequacyoptimizationund

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