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算例分析

本部分利用前文的分析方法，對某省級電網(wǎng)規(guī)劃年的風電消納能力進行評估，所涉及的模擬計算采用清華大學電機系開發(fā)的電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)。該省級電網(wǎng)規(guī)劃年預測最大負荷12600萬千瓦，總裝機容量16000萬千瓦，其中煤電占48%，氣電20%，核電15%，新能源占10%，其他占7%。

風電特性分析

首先收集該省級電網(wǎng)已投產(chǎn)的7座風電場歷史出力數(shù)據(jù)，進行月度和日出力特性分析。其中最大出力特性分析時，取95%保證率對應的出力，目的是有效地篩選掉瞬時沖擊出力。

月度出力特性。從統(tǒng)計結(jié)果來看，全省風電月平均出力呈現(xiàn)豐小枯大的特點。全年各月平均出力在0.10～0.34之間，5～9月平均出力較小，豐枯期電量比約為39%:61%。全省風電月最大出力依然呈現(xiàn)豐小枯大的特點。全年各月最大出力在0.29～0.55之間，7～9月最大出力較小，全年最大出力出現(xiàn)在12月。

日出力特性。從統(tǒng)計結(jié)果來看，全省風電日平均出力豐期的出力范圍為17%～19%，枯期的出力范圍為26%～30%，且晚上20時到凌晨平均出力略高。

從統(tǒng)計結(jié)果來看，全省風電日最大出力豐期的出力范圍為40%～51%，午后12時到下午5時最大出力較高；枯期的出力范圍為49%～55%，晚上9時到凌晨最大出力較高。

確定性風電消納能力評估

確定性評估場景庫。對于負荷共選取3個場景，分別為最大負荷日、最小負荷日以及最大峰谷差日；對于風電，選取2個場景，分別是理論正調(diào)峰和理論反調(diào)峰出力曲線組合生成的場景。

對各個場景分別進行運行模擬，表1中分別統(tǒng)計了各場景系統(tǒng)的總調(diào)峰需求、風電引起的峰荷正旋轉(zhuǎn)備用及谷荷負旋轉(zhuǎn)備用，表中同時統(tǒng)計了運行模擬結(jié)果中火電的調(diào)峰率以及火電提供的旋備比例，其中火電的調(diào)峰率定義為火電峰荷電力除以火電的開機容量，火電提供的旋備比例等于火電提供的旋備容量除以開機容量。


從調(diào)峰角度分析：最大峰谷差日反調(diào)峰場景系統(tǒng)調(diào)峰需求最大，同時火電機組調(diào)峰率較大，燃機完全參與調(diào)峰，最小負荷日反調(diào)峰場景燃機開機容量下，火電機組調(diào)峰率最大，燃機完全參與調(diào)峰，因而選擇該兩個場景為調(diào)峰約束下風電消納能力評估的關(guān)鍵受限場景；從備用角度分析：最大負荷日正調(diào)峰場景下風電峰荷正旋轉(zhuǎn)備用需求最高，最小負荷日正調(diào)峰燃機能夠提供的旋備容量在各場景中是最低的，因而選擇該兩個場景為備用約束下風電消納能力評估的關(guān)鍵受限場景（見圖2）。


調(diào)峰約束下風電消納能力評估。選取確定性場景庫分析指出的影響風電消納的調(diào)峰約束關(guān)鍵受限場景：最大峰谷差日反調(diào)峰場景以及最小負荷日反調(diào)峰場景，逐步增加風電裝機容量，使用軟件進行運行模擬，直至系統(tǒng)調(diào)峰能力不足出現(xiàn)棄風，則該臨界場景下風電容量即為調(diào)峰約束下風電可消納容量。仿真結(jié)果如表2所示。


對于最大峰谷差日反調(diào)峰場景和最小負荷日反調(diào)峰場景，當風電均從規(guī)劃裝機減至6000兆瓦時，系統(tǒng)基本不棄風。因此可知，考慮調(diào)峰約束的確定性場景評估下，風電消納能力為6000兆瓦。

備用約束下風電消納能力評估。選取確定性場景庫分析指出的影響風電消納的備用約束關(guān)鍵受限場景：最小負荷日正調(diào)峰場景與最大負荷日正調(diào)峰場景，逐步增加風電裝機容量，使用軟件進行運行模擬，直至系統(tǒng)備用容量不足出現(xiàn)棄風，則該臨界場景下風電容量即為備用約束下風電可消納容量，評估結(jié)果如圖3~4所示。


上述結(jié)果可知，當風電容量逐漸增加時，風電所需備用容量也逐漸增加。由于兩方案均為風電正調(diào)峰方案，隨著風電容量的增加，水電機組調(diào)峰需求降低，因此能夠空出更多的容量提供旋備，火電機組開機容量也隨風電容量增加而降低。所以，火電為風電提供的旋備容量并非隨風電增加而單調(diào)增加。整體而言，旋備容量在上述各場景下均保持充足。當風電增加至30000兆瓦，系統(tǒng)調(diào)峰不足出現(xiàn)棄風984.745兆瓦，此時系統(tǒng)備用仍然充足，說明該場景下調(diào)峰約束的限制比備用約束的限制強，備用容量不是限制風電接入的關(guān)鍵因素。

調(diào)頻約束下風電消納能力評估。首先根據(jù)該省級電網(wǎng)風電的歷史出力特性，模擬生成規(guī)劃年風電時序出力，進而計算得到分鐘級出力變化的標準差為123兆瓦，風電分鐘級出力變化最大幅值為856兆瓦。同時，統(tǒng)計該省歷史負荷小時級波動，推算得到規(guī)劃年小時級負荷變化幅度為-24530兆瓦～+24150兆瓦。負荷分鐘級變化幅度一般為小時級變化幅度的1/15到1/40且正負變化概率大致相等，本文負荷分鐘級變化為小時級變化幅度的1/15，則近似計算出負荷分鐘級變化的區(qū)間為-1635兆瓦～+1610兆瓦。通過對風電出力與負荷分鐘級變化的分析，可得到風電接入后的系統(tǒng)調(diào)頻需求，結(jié)果如表3所示。


對于風電反調(diào)峰特點明顯，夜間波動大的電網(wǎng)而言，系統(tǒng)調(diào)頻需求主要在最大負荷日由負荷引起，在最小負荷日由風電出力波動引起。設(shè)各類型機組1分鐘可調(diào)出力占裝機容量的比例：燃煤、燃油與燃氣機組為1%；水電機組與抽蓄機組為30%；其他機組按0處理。計算得到系統(tǒng)在最大負荷日和最小負荷日能提供的調(diào)頻能力約為4020兆瓦和2880兆瓦，均滿足風電并網(wǎng)后對系統(tǒng)的調(diào)頻需求。繼續(xù)增大風電裝機容量，提高系統(tǒng)調(diào)頻需求，直到系統(tǒng)調(diào)頻能力無法滿足，得到最小負荷日和最大負荷日對應風電消納能力為25600兆瓦和37800兆瓦。

綜上所述，對某省級電網(wǎng)風電消納能力確定性評估的結(jié)果來看，調(diào)峰能力是制約風電消納的關(guān)鍵要素，若考慮極端嚴苛調(diào)峰場景，風電可消納容量為6000兆瓦。

概率性風電消納能力評估

使用軟件運行模擬生成該省規(guī)劃年全年的風電時序出力，將風電時序出力與時序負荷一一對應，可以得到365個含風電的概率性場景，即為概率性評估場景庫。對概率性評估場景庫的各個場景分別進行考慮多種約束的運行模擬，統(tǒng)計全年的棄風電量，即可表征風電的消納水平。設(shè)置風電消納能力概率性評估最大棄風電量比例為5%，逐步增加風電裝機容量，直至棄風達到設(shè)定的5%，此時的風電裝機容量為概率性風電消納能力。評估結(jié)果如表4所示。

當風電增加至70000兆瓦，全年的棄風電量比例超過設(shè)定的5%為5.62%，增加至60000兆瓦，全年棄風比例為4.19%，線性計算風電棄風比例為5%的裝機容量，則風電概率性消納能力為65600兆瓦，此時火電利用小時數(shù)約為2820.93小時，風電利用小時數(shù)約為1921.93小時，棄風電量約為67.02億千瓦時。同時可以看出，雖然該省級電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力足以消納65600兆瓦的風電，但此時火電利用小時數(shù)被擠壓僅為2821小時。若假設(shè)保證火電自負盈虧的最低利用小時數(shù)為3500小時，則該省級電網(wǎng)建議消納的最大風電容量為40000兆瓦。

結(jié) 語

本文提出了一種確定性和概率性相結(jié)合的方法，從多個角度對風電的消納能力進行科學計算與評估。首先分析了影響風電消納能力評估的相關(guān)因素，接著基于此構(gòu)建并篩選確定性場景庫，篩選嚴苛場景，從系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用約束角度評估風電消納能力。概率性評估方法主要基于全年365個含風電的概率性場景進行模擬分析，確保全年最大棄風電量比例低于5%時得到風電最大裝機容量即為風電消納能力。

通過某省級電網(wǎng)的實際算例，分析了限制該省風電發(fā)展的確定性因素為調(diào)峰約束，如果考慮極端調(diào)峰約束的確定性場景下，風電的消納能力僅為6000兆瓦。進一步進行概率性消納能力評估，得到風電消納能力為40000兆瓦。從不同角度，為風電規(guī)劃建設(shè)提供建議，也驗證了本文提出方法的科學性和實用性。下一步可考慮從潮流概率化的角度，研究風電接入對系統(tǒng)潮流的影響。

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬刊），作者單位：王彤（南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司），朱靜慧（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司） 

原標題：基于確定性和概率性的風電消納能力評估研究（下）