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新能源与常规电源和高载能响应互动调节对降损的机理研究
2017-11-24 14:42:51  作者:杨勇 郑晶晶 彭晶等  来源:中国设计师网  
  •   本文从荷-网-源各自的运行特性和调控方法出发,分别提出了大规模新能源,高载能负荷调节,电网主动调度运行和常规电源调节对电网损耗的影响机理,并在此基础上,研究了电网约束下的新能源与常规电源时空互补和高载能负荷响应互动调节对电网降损的综合作用机理。

  国网甘肃省电力公司电力科学研究院 杨勇 郑晶晶 彭晶 禄启龙 张韵

  1 前言

  随着我国新能源产业的快速发展,大规模新能源基地面临电网消纳水平有限、外送通道狭窄、外送能力受阻等一系列技术困境。研究考虑电网约束的新能源、常规电源和高载能负荷响应互动调节对电网降损的综合作用机理,为构成荷-网-源协调控制模式,提高新能源消纳和降低网损创造了条件。

  2 电网约束下的源源时空互补对电网降损的综合作用机理

  2.1电网约束下源源时空互补的调节方式

  (1)源源的时间调节特性

  源源(分别指代常规电源和新能源)的时间调节特性是在一定的时段范围内常规电源对风电的响应方式的时间一维统计特性[1]。

  将风电出力视为一个时间过程,这个过程客观反映风电的变化情况。从调峰的角度可以得到整个甘肃电网常规电源的出力过程,它将源源的总出力修匀。根据一定的分配方法(如整个甘肃电网常规电源按照可调容量的大小分配调节任务),可以计算河西地区常规电源的出力过程[2]。如图1所示。

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  忽略风电功率预测的误差引起的常规电源出力策略对理想值的偏离,源源的时间调节特性指在风电所处的电网的送端,常规电源的出力较大的时间恰是风力发电小发的时间,而风力发电较大的时间恰是常规电源运行在下限的时间。

  (2)源源的空间调节特性

  源源的空间调节特性指风电波动、常规电源调节过程中电源的空间分布特性。

  空间分布特性取决于不同位置处的电源的特性和容量。波动性的风电位于远离甘肃主网的河西地区,河西地区的可调节常规电源较少,调节容量大的常规电源位于甘肃主网地区。

  不同电源的出力特性如图3所示。随着风电最大可发电量的增加,河西的实际风电开始迅速增加,当风电最大可发电量增长到Pb时,电网的约束开始限制风电出力的增加,此时,需要河西的常规电源加速调节,它的调整幅度比同容量的主网常规机组的调整幅度要大,直到调整到出力下限,此时风电最大可发电量是Pb。风电进一步增加时,风电实际可发功率受电网输送功率的约束而不再增加。风电出力变化的过程中,风电出力大,则电源主要集中于河西地区,且主要以风电的形式存在;而风电出力小时,电源主要集中于主网地区,且主要以常规电源的形式存在。

  (3)源源的时空调节特性

  图5是一个简单的风电波动折线图来近似表征风电的大幅度波动。随着Pwind的变化,敦煌、酒泉、河西、武胜的电源的变化如图中的彩色部分所示。红色表示该汇集点汇集的出力大,蓝色表示该汇集点汇集的功率低。(1)是Pwind达到最大值时的功率分布图,由图可见,敦煌、酒泉汇集的功率很大;(2)中Pwind在最小值,可见,敦煌、酒泉汇集的功率较小,而武胜(或主网)汇集的功率较大。

  综合来看,源源围绕风电出力大小,形成河西电源-主网电源之间的良性互补,风电出力大的时间段,电能在河西地区汇集,主网的电能较少;而风电小发的阶段,电能在主网汇集,河西地区电能较少。河西电能与主网电能互相呼应,而常规电源良好的调节特性是重要保证。

  (4)电网约束对源源调节特性的影响

  在风电的波动过程中,通过调节常规电源(上下调节)来满足电网约束条件。如果断面一侧的电源出力明显过剩,则需要在断面的该侧减少电源的出力、减少开机,可以压低常规电源的出力来调节;如果断面的一侧电源明显不足,则需要抬高常规电源的出力、增加开机。

  由于风电不需要消耗燃料,能够节约化石资源,在断面功率限制下应当优先减少常规电源的出力。而常规电源出力调节不仅需要考虑断面功率约束,还要考虑同主网的常规机组配合调峰问题。设对于调峰任务,河西与主网常规机组按照可调空间的大小分配调峰需求。在此基础上,为了满足断面功率约束限制,需要进一步对送端常规电源进行调整,如图6所示。

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  2.2 电网约束下源源时空互补的损耗特性

  在电网约束下源源时空互补调节特性的基础上,损耗由元件流通功率的平方乘以元件电阻得到,如图8所示,红色表示损耗较大,蓝色表示损耗较小。

  风电增加的过程中,损耗近似成二次方的规律增加。在输电断面输送功率的限制下,由于送端常规电源在全网按照相同调整幅度进行调节的基础上进一步压低出力,使河西的电源总出力的增长幅度降低,损耗增长幅度降低。

  2.3 电网约束下源源时空互补的降损机理

  为了保证电网约束,在常规的源源时空互补调节即全网常规电源按照可调容量的大小来分配调峰任务的基础上,送端的常规电源多承担调节任务,在河西风电增加阶段出力在全网常规电源出力水平以下,减轻断面输送功率的同时降低了电网的损耗。

  以新疆联网750kV双通道输送功率500万kW为主要约束条件,此时可接纳风电出力3785MW。考虑在风电逐步增加的过程中,常规电源由完全不响应、到按照调峰要求响应,再到风电大发阶段的深度调节,考察常规电源不同的调节方式对电网损耗和网损率的影响。

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  河西的常规电源发挥调峰作用时,相比常规电源在风电出力变化时不进行调节,能够降低电网损耗。当风电出力较大时,河西的常规电源的深度调节能够进一步降低网损。

  3 电网约束下的源荷互动响应对电网降损的综合作用机理

  3.1 电网约束下源荷互动响应的调节方式

  离散型高载能负荷是指调节周期长、响应速度慢的高载能负荷,如电解铝负荷,对它的调节通过下指令,由现场运行人员执行,另外,离散型高载能负荷对在一个负荷值上运行的时间有要求,如电解铝负荷根据经验,若上调5%运行则必须至少维持4个小时才能使负荷企业的多用电转化成效益。

  连续型高载能负荷是调节性能良好、能频繁响应调度指令改变的高载能负荷,如将含有自备电厂的高载能负荷整体上看做等值高载能负荷,则因为自备电厂具有较好的调节性能,所以等值高载能负荷具备较好的调节性能。

  (1)电网约束下离散型高载能负荷响应风电的方式

  在河西电源不足时,应当利用离散型高载能负荷的可中断能力减少负荷(安全性需求);当风电出力增加,超过离散型高载能负荷设定的调节启动阈值时,将离散型高载能负荷投入运行,发挥降损的作用。

  离散型高载能负荷的响应调节作用是阶跃性的(如按炉投切的负荷以单台炉的容量为最小调节幅度),且受最短投运时间Ton和最长停运时间Toff的限制。离散型高载能负荷调节的同时,由常规电源来修匀离散型高载能负荷的调整偏差[3]。

  (2)电网约束下连续型高载能负荷响应风电的方式

  与(1)中离散型高载能负荷响应思路一致,连续型高载能负荷在风电非常小、倒送功率越过限值的时段降低负荷,而在风电出力较大、达到它的启动阈值时增高负荷,如图11所示。

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  连续型高载能负荷没有调节步长、调节持续时间的约束,它只受到爬坡率的约束,如果风电以较大的爬坡率升高,那么首先由常规电源来响应,高载能负荷逐步响应,可以逐渐把常规电源的调节任务替代过来。

  (3)电网约束下源荷互动响应风电的方式

  电解铝负荷与自备电厂等值负荷的上调都是以风电出力超过一个阈值为条件的,所以在风电出力较小时高载能负荷的上调节是不启动的。在风电出力增加时,首先由常规电源发挥调峰作用,因为河西地区的常规电源所占比重较小,河西的常规电源的调峰作用是无法阻止河西电源整体出力上升的。为了降损,当风电出力逐渐增加时,河西的常规电源的下调比率比甘肃常规电源整体的下调比率为大(即深度调节),同时,当风电出力满足一定条件时,高载能负荷的上调节作用也发挥出来以降损。

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  3.2 电网约束下源荷互动响应的损耗特性

  由于酒钢负荷和酒热电源的位置靠近,同样的调整量基础上,它们的降损效果一致。但由于调整酒钢负荷没有减少上网电量,而酒热电源的下调减少了上网电量,所以调整酒钢负荷与调整酒热电源在网损率上有较大差距,调整酒钢负荷能够明显降低网损率,而调整酒热电源对网损率的影响相对不明显[4]。

  3.3 电网约束下源荷互动响应的降损机理

  风电上网无外乎通过就地使用和外送通道送出两个途径消纳。在源荷互动响应中,高载能负荷因为靠近风电集群,所以有得天独厚的降损优势;常规电源的调节作用体现在将外送通道的功率从风电大发的时段搬移至风电小发的时段,避免风电在局部时间过剩,同时又良好地应用了外送通道。

  在源荷互动降损中,源的主要作用是输电通道能量在不同时间上的搬移功能,它在风电大的时段减少出力以降低输电通道的输送功率,由于风电出力较大,这时的降损作用非常明显;它在风电小的时段增加出力以提高外送通道的利用率,输电通道输送功率的增加会增加损耗,但相比风电出力大时的降损作用,此时的增损效果不突出。这种对输电通道输送功率基本对称的减量和增量会取得不同的降损和增损效果,降损幅度大、增损幅度小,在保证输电通道利用率的基础上实现了长时间的降损。

  源与荷都能降低网损率,但对于酒钢负荷或酒热电源,从敦煌上网,到酒钢或酒热这段路径上的损耗是无法避免的,常规电源距风电场电气距离远,那么调节电源对降低网损不利。而荷的就地消纳作用可实现降低网损,从根本上提高电网运行的经济性[5]。

  4 电网约束下的源源时空互补和源荷互动响应对电网降损的综合作用机理

  4.1 电网约束下源源时空互补和源荷互动响应的调节方式

  电网约束下源源时空互补和源荷互动响应的联系是常规电源起到的基础性作用。源源时空互补是常规电源调节风电,源荷互动响应则是综合发挥高载能负荷和常规电源来调节风电并实现降损。虽然源源时空互补和源荷互动响应最终都是常规电源来响应风电的波动性,但是源荷互动响应是通过源与荷的互动来响应风电波动的,所以源源时空互补与源荷互动响应存在本质的区别。

  电网约束下源源时空互补和源荷互动响应区别的关键点是高载能负荷是否调节风电。当风电出力不过大或过小,使电网功率偏离功率约束极限较远时,高载能负荷在调节空间、调节性能(调节速度、调节周期)明显不足于常规电源,所以在这种条件下高载能负荷不调节。而当风电过大和过小时,或者是河西的常规电源的调整空间不足,或者河西的电源能量不足,使电力系统产生了高载能负荷上调或下调(中断)的需求[6]。

  4.2 电网约束下源源时空互补和源荷互动响应的损耗特性

  源源时空互补和源荷互动响应以风电出力为区分因素,风电出力小时,源源时空互补主要表现为常规电源对新能源的响应,并且以典型的调峰响应模式为主;而在风电出力较大的情形下,常规电源可以深度调节,高载能负荷也可以参与调节,它们均能降低损耗,高载能负荷还对降低网损率有较大的作用效果。

  4.3 电网约束下源源时空互补和源荷互动响应的降损机理

  电网约束下源源时空互补和源荷互动响应是在不同运行工况下进行切换的,所以依据电网约束下源源时空互补调节和电网约束下源荷互动响应调节降损机理,实际运行中采用源源时空互补调节或源荷互动响应调节均可找到对应的降损方式与之对应。

  风电出力在1000MW左右时,网损率是最小的,电网输送功率的效率是最高的,而风电出力越偏离该值,网损率越高,电网输送功率的效率下降。在风电过大或过小(含新疆外送减少引起潮流倒送河西)都是非常不经济的。

  在源荷互动响应调节降损的机理中,论述了源、荷的降损本质,那么它们对风电偏离经济运行点而言是不同的。第二章论述了经济运行点的存在,当风电波动时,风电越大或越小,运行方式偏离经济运行点越远。常规电源在风电大发时段减少自身出力、在风电减少时段适当提高自身出力,所以在风电大发、小发条件下,常规电源的作用均能使整个系统朝着经济运行的方向变化。而高载能负荷仅在风电大发的条件下动作,它的作用方式是使经济运行点发生偏移,增加高载能负荷会提高经济运行点,这样也能减少电源的出力与经济运行点之间的距离,也降低了网损率。

  5 结论

  在源源互动调节降损机理中,发挥常规电源快速调节降损的优势。常规电源能够快速地反应新能源的波动进行调节,具有很强的灵活性,在减轻断面输送功率的同时降低了电网损耗。在源荷互动调节降损机理中,发挥高载能负荷降低网损率的优势。当高载能负荷响应新能源波动上调时,它不仅未减少常规电源的上网,反而增加了对电源的需求,同时减少了电网损耗,降低了网损率,提高了电网运行的经济性。

  参考文献

  [1] 文晶,刘文颖,谢昶,王维洲.计及风电消纳效益的电力系统源荷协调二层优化模型[J].电工技术学报.2015(08).

  [2] 曾博,杨雍琦,段金辉,曾鸣,欧阳邵杰,李晨.新能源电力系统中需求侧响应关键问题及未来研究展望[J].电力系统自动化.2015(17).

  [3] 孙旻,窦晓波,沈扬,曾伟,何伟.计及源荷预测误差的微电网日前经济优化调度方法研究[J].电力需求侧管理.2014(03).

  [4] 王锡凡,肖云鹏,王秀丽.新形势下电力系统供需互动问题研究及分析[J].中国电机工程学报.2014(29).

  [5] 朱钦,袁翔,史融,龙飞.主动配电网源/储/荷协调控制技术研究[J].华东电力.2014(08).

  [6] 姚建国,杨胜春,王珂,杨争林,宋晓芳.智能电网“源-网-荷”互动运行控制概念及研究框架[J].电力系统自动化.

  作者简介

  杨勇(1972- ),男,正高级工程师,甘肃,从事节能服务、电力系统稳定性分析等方面的科研工作。

  郑晶晶(1981- ),女,正高级工程师,山东,从事需求侧管理、节能服务等方面的科研工作。

  彭晶(1987- ),男,工程师,湖北,从事节能服务、电力系统稳定性分析等方面的科研工作。

  禄启龙(1986- ),男,工程师,甘肃,从事节能服务、电力系统稳定性分析等方面的科研工作。

  张韵(1991- ),女,助理工程师,甘肃,从事节能服务、电力系统稳定性分析等方面的科研工作。

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