大规模风电的不确定性与电网运行稳定

大规模风电的不确定性与电网运行稳定

与传统的热能发电相比，优先负荷和波动是风装置的主要特征。同时，它也是限制大规模电网从辅助电源转变为传统电网的主要因素。以往的研究、实践经验表明,要想解决电网运行稳定性、可靠性与大规模风电波动性、不确定性之间的矛盾,就必须对风电电力进行可用化处理,从随机波动的、不确定的风电电力中挑选出具有一定稳定程度、能够为电网提供可靠电能的风电,将波动性的大规模风电去波动化。大规模风电的可用化过程,虽然造成了一定量的弃风,但是,正是由于舍弃了波动性极强的不可用风能,才能保证大部分稳定的风能被有效利用,从而实现大规模风电成为电网可靠的主力电源。本文在内蒙古电网大规模风电有功功率波动特性研究的基础上,进行风电电力可用化处理,通过对蒙西电网大规模风电电力的去波动化,给出可用电力、不可用电力在总风能中所占比重。大规模风电可用化处理,既是电网接纳风电的手段,同时,也是对风电自身的一种改造、取舍,使其具备电网主力电源应具备的稳定可靠性。1风电电源的不确定性强依据一般规律,可将大规模风电发展分为三个阶段:第一阶段,小容量风电并网,以电网辅助能源形势运行。这一阶段,风电容量占电网总发电容量比重较小(不超过最大发电负荷的5%--10%),因此,风电自身的运行特性不会对整个电网运行产生大的影响,风电的各种波动、不稳定性都可被电网吸收、化解,电网视小容量风电为辅助电源。第二阶段,大容量风电并网,同传统火电、水电一同构成电网主要的能源形势。这一阶段,风电并网容量占电网总发电容量比重大大提高,风电电力超过最大发电负荷的20%,风电自身的运行特性将对整个电网运行产生较大影响,仅依靠其它电源电网已经不能吸收、消化风电的各种波动、不稳定性,风电逐步成为电网的主要电源之一。第三那阶段,并网风电成为电网最主要的发电容量,全网的发供电大部分甚至全部来自于大规模风电。大规模风电需通过各种技术手段(储能、大型季节性抽水蓄能电站等)实现电力的稳定、可靠供应,完全具备电网常规电源能力。众所周知,电力系统是由主力电源、输配电网以及用户负荷组成的实时系统。由于用户负荷总是存在这样、那样的随机波动,这就要求主力电源具有较高稳定性、可控性,能够依据负荷变化进行实时出力调整。风力发电原动力受制于自然风能,因此,其有功出力具有较大随机性、不确定性。当风电装机容量较小,风电电力占电网发电电力比重不大时,这种有功的波动可看作是特殊的用户负荷波动,能够被电网吸收、消纳。但随着风电装机比例的增长,发电负荷不断升高,风电成为电网主力电源之一。大规模风电的负荷波动性将传递给电网,造成电网主力电源功率的不确定性、随机性。在实际运行中,风电有功功率的波动性表现为风电电力与风电电量之间的不确定性关系。即风电装机不能完全等同于风电电力。这就导致电网进行有功负荷计划管理、电网规划过程中的诸多问题。1.1大规模风电和传统用电发电系统比较现行的电网有功功率管理中,计划管理是主要内容。各发电企业按照装机容量大小,进行年计划电量的分配。然后按照年计划电量情况,安排实时运行中接带负荷的大小。大规模风电虽然也有装机容量指标,但是,其容量不能直接转化成电力。这就造成风电年计划制定后,不能像传统火电一样,直接分解到实时运行中。风电电力不能直接用装机容量标的,风电带负荷能力需用风电场装机容量和设计利用小时数共同标的。1.2风力发电侧规划影响电力生产建设总是需要与社会经济发展相协调一致,这是进行电力规划建设的基本要求。特定地区每年规划建设的新机组容量既要满足新增负荷的供电要求,同时亦不能超出电力需求太多。新增发电容量不足,将导致用电紧张,拉闸限电。发电容量增长过快,又会导致机组年利用小时数下降,无法正常回收投资。内蒙古西部电网发展大规模风电以来,设计风电的规划建设面对较严重问题。若依据年地区用电量进行发电侧规划,得出的风电新增装机容量往往偏于保守。当小风或无风期,风电电力不能满发或没有发电能力时,会导致电网发电出力不足。若按照风电最小电力进行发电侧规划,又会导致规划出的结果偏乐观。这就是大规模风电并网后,电网的1+X问题,即固定容量的火电装机1加上可变容量的风电电力X究竟等于多少发电能力的问题。1.3风电电力的不确定性作为清洁能源,原则上应当尽量保证其上网发电,但是作为电网主力电源之一,调峰、错峰又是必须要进行的。实践经验表明,大规模风电具备较大深度的调峰能力,蒙西电网风电基本具备与季节性水电机组相同的调峰能力。若风电大规模参与调峰,则势必造成的弃风。以上问题,本质上讲都是由于风电电力的波动性、不确定性造成的。对风电电力进行可用化处理,剔除风电电力中高波动性的少部分风能,保留具有一定稳定性的风电上网,能够在一定程度上将不确定性风电转化为较确定电力,满足电网运行、规划的要求。2风电功率特性的确定面对大规模风电有功功率不确定性问题,采用概率统计手段,研究其波动特性是一种有效方法。国内东北电力公司最早进行风电有功功率特性研究。选择东北电网实际风电运行数据为研究对象,对风电最大出力、最小出力、一分钟功率变化、日功率变化进行统计、概率分析。通过上述方法,能够较全面的认识地区大规模风电有功出力性质,但是,如何将上述概率结果运用到确定性的电网生产运行中,现有方法并没有给出答案。2.1设计利用小时数装机容量代表大规模风电最大接带负荷能力,而风电场设计利用小时数代表风电年发电能力。对于风电场年发电计划制定,应按照风电场年设计利用小时数进行核定分配。设计利用小时数依据风场所在区域多年风况平均值计算得出,其等同于火电厂装机容量概念,尽管存在大风年、小风年出力差别,但是均不会偏差太大,一般会满足20%误差。风电场最大利用小时数指特定年,风场全部风能转化电能的利用小时数,该利用小时数可作为风场该年最大发电能力的标的。而风电场实际利用小时数指特定年风场实际发电利用小时数,这部分发电量是全年最大利用小时数减去调峰限电、机组检修限电以及不可用风能后的实际利用小时数。其合理值不应低于风电场最小成本发电量。2.2风电功率变化率概率统计采用概率分析法,可得出在不同时间区间上,蒙西电网大规模风电负荷波动概率特性。风电有功功率波动在不同时间段的概率统计由曲线可以看出,大规模风电波动是一个渐变的过程,我们选择5、10分钟的功率变化;1、3小时和24小时的功率变化作为研究基础,具体结果如下:通过不同时间间隔的功率波动概率统计,内蒙古电网风电有功功率变化率概率统计分布呈现如下特点:5分钟基准变化率小于1%的概率为87.39%,大于5%的概率仅为0.57%;10分钟基准变化率小于1%的概率为73.75%,而10分钟基准变化率大于5%的概率为1.26%;1小时基准变化率在1%-5%的概率为53.98%,1小时基准变化率大于10%的概率为3.21%,大于30%的概率仅为0.16%;3小时基准变化率在1%-5%的概率为43.76%,3小时基准变化率大于10%的概率为15.26%,大于30%的概率为0.85%;24小时全网风电总出力变化低于装机容量20%的概率为83.07%,高于装机容量30%的概率为5.63%。依据上述概率统计结果,对风电的波动性有了较深入的认识,可以从量化的角度得出风电较强波动分量、一般波动分量以及稳定分量各自在风能中所占比重,进而对风电功率进行去波动化处理。去掉强波动风能、部分保留一般波动分能,保证稳定风能上网,实现风能可用化。3基于概率统计分析的大规模风电稳定上网技术采用上节的概率分析方法,给出了蒙西电网大规模风电负荷波动特性的较准确量化结果,但是,如何将这种概率分析结论应用于电网调度管理中呢?本节将依据概率统计分析得到的风电负荷波动规律,对大规模风电进行可用化处理,通过对不同时间区间风电电力的去波动化,实现大规模风电的稳定上网。3.1风功率概率稳定性研究风电的功率波动普遍存在,且在一定时间范围内具有相当的规模,这在上一节的风功率概率波动性研究中已有认识。这样的大规模有功功率波动是无法满足电网对主力电源运行要求的,因此必须对大规模风电有功功率实施去波动化处理,即将上述风功率曲线转化为平滑曲线。3.1.1第一,拉出最短的风速,必须限制上网当电网面临大规模风电波动时,在机组方式一定的情况下,能够接纳的风电波动量由电网基本调峰能力决定,超过基本调峰能力的风电波动,是电网无法接纳的,必须限制上网。在图7中,深色部分为电网基本调峰区间,超过这一区间的风电波动都将被限制上网,得到仅依靠基本调峰能力情况下,风功率曲线。3.1.2机组启停计算按照基本调峰容量,虽然很好的实现了大规模风电有功功率的去波动化,但是由于电网基本调峰能力有限,会造成较大规模的弃风,如图8中曲线A-B段,长时间周期内大量风电被限制上网。在实际运行中,除了基本调峰能力外,合理的安排机组启停方式,也是电网应对负荷波动、风电波动的主要管理手段。与简单的火电机组调整负荷不同,由于启停费用、经济性、安全性的限制,启停机方式的改变不宜过于平凡,应能保证启动机组具有一定的运行时间。因此,设定7日为一个启停机周期(火电机组D级检修周期),即当风电电力大发,超过电网基本调峰能力,且持续7日以上情况下,可考虑调整火电机组启停方式,接纳持续的大规模风电上网。图4-2中,考虑7天周期的机组启停容量后,可得到新的风电功率曲线,其中红色部分为机组启停容量。考虑机组启停后得到的风功率曲线,保留了方式一曲线的平滑性,同时由大大减少了弃风量。3.2大规模风电的可用化仿真采用上一节的去波动化方法,能够将大规模风电转化为具有一定稳定性的常规电力。但是,在实际生产中,风电的负荷曲线是无法事先得到的,只有依靠风功率预测系统,得出功率预测曲线。然后再根据去波动化过程,对机组方式、风电上网电力进行调度管理。整个规程如下:大规模风电并网后,如下图考虑机组启停机后,如下图以上过程即为大规模风电的可用化过程。采用内蒙古西部电网实际运行数据,进行可用化的仿真,如下图:风电的去波动化,实质上是将一部分波动较大的风能舍弃,保证基本风电的上网。其中,波动量的大小既是地区风电的特性,同时也受到电网调峰能力、启停机管理的限制。蒙西电网大规模风电去波动化过程中,两个窗口指标:电网日调峰能力、机组启停容量,起到非常关键的作用。4以较低的投入产出比来制约电网健康发展经验表明,风电的波动性是制约其大规模发展的最主要因素