弃风电量评估方法的研究现状及技术展望_钟宏宇

弃风电量评估方法的研究现状及技术展望_钟宏宇

钟宏宇(1987—),男,硕士研究生,研究方向为电气工程。

阳(1974—),男,副教授,研究方向为新能源发电与电力系统分析。

陈思慧(1990—),女,硕士研究生,研究方向为高电压技术。

弃风电量评估方法的研究现状及

技术展望

钟宏宇1,高阳1,陈思慧1,丛景1,邹京原2,包研3

,曹

1

(1.沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136;

2.中国移动通信集团辽宁有限公司辽阳分公司网络优化中心,辽宁辽阳111000;3.沈阳工程学院自动化学院,辽宁沈阳110136)

要:分析了弃风现象的原因并给出解决措施。阐述了国内现有的弃风电量评

估方法研究成果,总结了5种弃风电量评估方法,作出评估综合对照表,概述了现有弃风电量评估方法相关理论路线和优、缺点。最后对弃风电量评估方法的前沿技术做了技术展望,提出了测风塔法、测风塔神经网络法二种弃风电量评估方法,并绘制了物理模型。这对我国未来风场弃风电量评估工作有重要的指导意义。

关键词:风电并网;弃风电量;电网调峰;调潮流中图分类号:TM 614

文献标志码:A

文章编号:2095-

8188(2016)04-0033-05The Present Situation and Technology Outlook of Evaluation

Method of Abandoned Wind Power

ZHONG Hongyu 1,GAO Yang 1,CHEN Sihui 1,CONG Jing 1,ZOU Jingyuan 2,

BAO Yan 3,CAO Yu 1

(1.School of Electrical Engineering ,Shenyang Institute of Engineering ,Shenyang 110136,China ;

2.Network Optimazation Center ,Liaoyang Branch ,Liaoning Co.,Ltd.of China Mobile ,Liaoyang 111000,China ;3.School of Automation ,Shengyang Institute of Engineering ,

Shengyang 110136,China )

Abstract :This paper analyzed the reasons for abandoning the wind and gave the solution firstly ;then described the domestic existing research results of wind power curtailment assessment method ,summarized five assessment methods of wind power curtailment ,and made a comprehensive control table of assessment.The theoretical route ,advantages and disadvantages of the existing methods for evaluating the wind power curtailment were summarized.Finally ,the frontier technology of the evaluation method of the wind power curtailment was stated ,and two methods for evaluating the wind power were proposed :wind tower method ,wind tower neural network method ,and the physical model was mapped.For China ’s future wind field wind power curtailment assessment it shows an important guiding significance.

Key words :wind power integration ;abandoned wind power ;power grid peak shaving ;adjusting power flow

0引言

伴随着风力发电技术的逐渐成熟,风电受到

了国家可再生能源发展的高度重视,大规模的风

电场发电容量已逐渐并网,风电已成为我国继火

电和水电之后第三大主力电源。然而由于风电的大规模快速无序投运,电网架构建设相对滞后,电力系统中的快速可调节电源配合不协调,风资源

33—

的不可控性、间歇性以及电力系统中的快速可调节电源容量的局限性,造成电网对风电的接纳能力受限,故导致弃风情况越来越多[1]。

风电的不稳定性和随机性造成对风电弃风电量的评估难度增加,使得弃风电量存在偏差问题。弃风电量评估的准确度将对未来风电研发产生很大影响。弃风不利于风电资源的最优化利用。因此,准确地评估弃风电量已成为现代型电力系统供电公司和风电企业开展评估工作的一项重要课题[2]。

1弃风的原因分析及解决措施

1.1弃风的原因分析

风电场弃风电量是指,在电网输电线路阻塞或风场受限等因素的情况下,风电场应发功率与实际功率的电量之差。弃风现象从根源上讲就是电网对风电并网的接纳能力问题。国内风场的大量经验表明,弃风现象表现出具有普遍性。从全国的风场实践经验来看,弃风主要有3个原因[3-7]。

(1)风电建设规划不完善。风电规划中存在“重发、轻供、不管用”的问题。甘肃、蒙东、蒙西和冀北等大型风电基地都位于经济发展程度较低的地区,本地电量消纳空间有限,而电网外送能力又不足,只能弃风。

(2)风电市场运行机制不健全。当前以计划电量为基础的交易模式不利于风电消纳。目前节能发电调度还未在全国范围内得到全面推行,电源间的竞争主要体现在计划电量分配上,风电的节能降耗和减排贡献得不到合理评估,清洁优势没有完全体现出来。由于风电具有随机性、间歇性和波动性等特点,电网收购风电的成本高于水、火电,因此风电竞争力比水、火电差,在争取计划电量指标时处于不利地位。

系统辅助服务未实现市场化导致风电送出受阻。风电出力不稳定,需要其他电源为其提供调峰服务,但目前这类辅助服务的价格还没有通过市场手段解决,而是由其他电源无偿提供,因此在冬季供热期间调峰容量紧缺时,弃风限电特别严重。

(3)风电调度运行水平能力差。目前部分风电场运行水平偏低、机组缺乏低电压穿越能力,增加了电网调度运行的难度。部分地区电网中的风电功率预测系统和风电场监控系统尚不完备,没有真实反映风电功率的波动性和随机性特征,导致系统运行方式偏于保守,调度运行中预留了过大的安全裕量,也是造成弃风限电的重要因素。

与风电利用先进的国家相比,我国风电还有广阔发展空间。要解决风电消纳问题,促进风电可持续发展,既需要推进电力市场化改革,建立科学的政策体系和公平公正的市场环境,也需要优化规划电源结构和电网布局,扩大风电消纳市场,还需要通过科技创新,推动风电生产和消费革命。1.2解决措施

(1)提高地区风电消纳能力。从国际以及我国蒙西地区大规模风电并网消纳的实际情况来看,在现有电网技术水平和条件下,电网接纳更多的风电是经济问题而不是技术问题,关键是如何协调各方的利益关系,提高地区风电消纳能力。在现有电价管理体制下,多发电就意味着多赢利。但是由于风电的不稳定性导致调峰能力不足,而被迫弃风,因此当务之急是要协调好各电厂之间的利益关系,地方政府合理制定发电计划,按机组平均分配发电时间。协调各方利益关系,提高地区风电消纳能力的最终解决之道,必然是电力体制的市场化改革,取消不合理的计划电量,落实节能调度管理办法,落实可再生能源发电全额收购制度。

(2)扩大风电的跨区消纳范围。我国西北部地区内风能资源储量丰富,装机规模近1800MW,近两年弃风严重,比例近30%,因当地用电负荷较小,消纳能力有限,电力外送需求迫切。蒙西地区毗邻华北、华中、华东电网负荷中心,都在高压输电技术合理半径之内,完全可以通过外送通道建设,提高电力跨省区消纳比例,减少弃风电量。

(3)统筹协调风电与电网、风电与其他电源的规划建设。要从战略的高度,将风电作为当前电网中的重要电源和未来的主导电源。在分析确定风电“可信容量”基础上,结合经济发展、电力需求,统一协调规划各种电源的建设规模和电网建设方案,解决目前多头规划管理问题,才能彻底调整电源结构,实现能源转型,坚定地迈向可再生能源时代。

(4)提高常规电源参与调峰的积极性。由于风电的波动性过大,给电网调峰构成巨大压力,火电现有整体调峰能力难以支撑。从蒙西电网运行的实际经验来看,火电具有很强的调峰能力,国际上的研究也指出,调峰问题不是技术能力,而是经济利益。目前,相关辅助服务市场尚未建立,利益

43

补偿机制缺位,是问题的症结所在。只要建立合理的市场机制,我国庞大的现有火电基础装机,足可以支持我国风电规划目标的实现。

2弃风电量评估方法的研究现状

目前国内有关风电弃风电量评估方法和数学模型的研究相对较少,诸多研究重点均放在风电消纳能力和电网调度调峰、调潮流。文献[2]通过对风电场调度运行进行分析,提出了四种弃风电量统计方法;文献[8]以机舱风速为基础提出了一种新的风电场理论功率与弃风电量计算方法;文献[9]分析了以风电出力波动性为基础,从电网调峰能力出发,建立了计及风电消纳能力的电网调度模型,讨论了电网对风电的接纳能力问题;文献[10]基于风电出力和负荷持续曲线,提出了一种计算年最大弃风电量方法;文献[11]研究了风电外输受限而导致的弃风现象,提出并分析了风电调度模式的约束条件,并作出了详细的调度路线和实施方案;文献[12]在描述了世界风电大国的弃风现状及风电弃风的管理及政策机制的基础上,提出了对我国风电弃风现象的基本认识;文献[3]深入分析了风电弃风的原因,介绍了中国风电弃风的现状和弃风的基本认识,并在此基础上提出了中国可采取的风电弃风的对策机制;文献[13]提出了计算弃风电量的按小时计算方法,并建立了弃风电量的计算模型;文献[14]讨论了在供电系统中,风电场弃风电量对风机空间分布的影响;文献[15]讨论了弃风电量的利用途径及其弃风电量储能技术。

综合国内现有的研究结果,目前针对风电场弃风电量的评估方法主要有样板机法、预测曲线法、计划曲线法、功率曲线法、面积积分法5种。风电场弃风电量的5种评估方法的综合比较对照表[2,8,10-11,13,16-17]如表1所示。

表1风电场弃风电量评估方法综合对照表

评估方法理论路线优点缺点

样板机法

电网调度部门提出风电场限电时,而对选取的

“样板机”不限电,以其发电量作为其周围风电机组

的理论发电量,与其周围机组的实际发电量相减,

再汇总得出风电场弃风电量

可以较准确地统

计风电场的弃风

电量

风电场样板机不易选取,受风电

场地理位置和地势分布的影响,同

时总体风电机组出力与样板机出力

的相关系数不易确定

预测曲线法

当风功率精度达到一定程度时,在进行风电场弃

风电量统计时可以把风场应发功率等价于风电场

预测功率,将应发功率与实际功率相减得到弃风

电量

实现起来简单、

方便

要求风功率预测的精度较高,预

测曲线法产生的功率误差主要受预

测精度影响较大

计划曲线法

当调度侧把风电纳入日前发电计划之后,在无法

得到风电场应发出力的情况下,将采用风电场计划

出力作为风电场的应发出力,再与实际出力相减得

到弃风电量

实现起来方便,

不需要风电场提供

额外的信息,成

本低

对风功率预测精度要求比较高,

对计划人员制定日前发电计划要求

比较高,受风功率预测精度和日前

计划的合理性影响,弃风电量统计

结果偏差大

功率曲线法

通过风场的测风塔所测风速数据和风电场内各

风电机组的功率曲线得到风电场应发出力,再与实

际出力作差并在对应时段上积分得到弃风电量

统计弃风电量准

确率比较高

实现起来比较复杂,需要风场提

供风速和功率数据,计算量比较大

面积积分法

通过风场理论出力函数与风场实际出力函数作

差并在相应时段上积分得到弃风电量

实现起来比较容

易,需要风场提供

负荷功率数据

统计弃风电量准确率低

文献[2]对传统的“面积积分法”统计风电场弃风电量做了详细的阐述。某风电场一天的应发出力和实发出力对比图如图1所示。

图1中阴影部分的面积为风电场弃风电量,因此用数学积分的几何意义列出弃风电量积分表达式为

W=W

1+W

2

+W

3

=∫240[P1(t)-P2(t)]d t(1

弃风电量评估方法的研究现状及技术展望_钟宏宇

)图1某风电场一天的应发出力和实发出力对比图

53

弃风电量评估方法的研究现状及技术展望_钟宏宇

由图1可见,若要对风电场弃风电量进行评估,必须要知道每个阴影弃风时段内风电场的理论出力和风电场实际出力。但在实际应用中由于风电出力具有随机性,风电场的理论出力数据很难得到,导致弃风电量计算误差很大,因此寻求行之有效的弃风电量评估方法已迫在眉睫。

3弃风电量评估方法的前沿技术展望

3.1

基于测风塔法的弃风电量评估

首先,根据测风塔实测的不同高度风速、风

向数据,结合风电场地理位置、风力机组风场布局,以及风场地表粗糙度变化情况,由测风塔实测风速数据并运用风廓线法和基于势流理论的解析方法理论,外推得到每台风机轮毂高度处风速。

其次,由外推得到的每台风机风速数据和相应的风力发电机输出功率数据,应用风机实测功率曲线模型建模方法,通过电力系统仿真校验并将风速和出力数据反复训练,以确定各风力发电机的实测功率曲线模型。

根据测风塔实测数据和风电场各机组实测功率曲线模型,计算风电场在相应时段的实际发电能力,将功率曲线模型中的功率数据与风场实际数据做差,进而得到弃风电量。基于测风塔法的弃风量算法流程如图2所示

图2

基于测风塔法的弃风电量算法流程图

3.2

基于测风塔神经网络法的弃风电量评估

根据历史测风塔实测的不同高度风速、风向

数据,结合风电场风机历史实测功率数据,建立双回合神经网络模型。第一回合:通过测风塔不同高度处的风速和风向数据推导风机轮毂高度处的风速和风向;第二回合:通过风机轮毂高度处的风速和风向推出各风机的应发出力;最后将应发出力与实际出力做差得到弃风出力。测风塔神经网络弃风电量算法示意图如图3所示

弃风电量评估方法的研究现状及技术展望_钟宏宇

图3测风塔神经网络弃风电量算法示意图

63—

4结语

风电大规模快速无序的并网,加上风电消纳能力的局限性,导致弃风问题愈演愈烈。寻求一种有效的弃风电量评估方法已成为我国电力网络调度中心进行更好地调峰、调潮流的一项重要课题。“样板机法”、“预测曲线法”、“计划曲线法”、“功率曲线法”、“面积积分法”在评估风电场弃风电量时都显现出了一定的优点,但也存在很多不足。因此,提出一些合理的既简单、又实用的弃风电量评估方法显得越发重要。

由于风资源存在着波动性、随机性和不可控性,以及我国风场客观因素的复杂性,因地制宜地开展风电场弃风电量评估工作时,也要考虑好风场应发出力的因素,以逐步提高弃风电量评估的精确度。

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收稿日期:

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿

2015-08-28

公示

根据《上海市新闻出版局关于本市开展新闻记者证2015年度核验工作的通知》要求,上海电器科学研究所(集团)有限公司《电器与能效管理技术》编辑部工作小组仔细对照核验重点及新闻记者证发放要求,清理清查本单位所有持新闻记者证人员名单,对同意通过年度核验的人员名单进行公示,并公开接受社会监督。

年度核验通过人员:张玉青同志上海市新闻出版局举报电话:64339117

上海电器科学研究所(集团)有限公司

《电器与能效管理技术》编辑部

2016年3月1日

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