大规模风电接入情况下火电机组灵活性改造研究

盖雅明 侯素青

摘 要：近年来，风力发电已成为我国重要的发电方式，由于风力发电的随机波动性非常强，因此在对大规模风电进行消纳时，必须要利用火电机组来进行辅助服务，虽然火电机组的总量富余，但其灵活性却相对较差，这对风电消纳带来了很大影响。鉴于此，本文便对大规模风电接入情况下火电机组灵活性改造进行相应的研究，以期能够提高火电机组在辅助服务过程中的灵活性，使区域电网能够对大规模风电进行有效消纳，确保电网、火力发电机组、风力发电、电力用户端的匹配协调及稳定、可靠运行。

关键词：风电;火电机组;灵活性;改造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.167

0 引言

在规模风电并网工作中，随之而来的弃风问题正受到越来越多人的关注，久高不下的弃风率给电力系统对可再生能源的消纳能力带来了很大影响，如何实现对风力发电的大规模消纳，已经成为电力领域开展能源革命过程中迫切需要解决的重要问题。要想使电力系统能够大规模消纳风电，就必须要利用火电机组来对风力发电过程中所引起的大幅度波动进行有效平抑，通过火电机组来进行调峰，而这就需要对火电机组的出力变化速率及其最低稳燃负荷进行严格的要求，也就是说，需要确保火电机组具有较高的灵活性。

1 大规模风电接入情况下火电机组灵活性改造的基础数据

为了对大规模风电接入情况下火电机组的灵活性进行有效改造，就必须要构建一个相应的规划模型，该模型应包括两个时间维度，分别是小时和月，然后确定其目标函数，目标函数应为总成本最小化，在该目标函数中则分别包含三个部分的成本，分别是改造火电机组灵活性的成本、弃风成本与发电成本，并根据负荷平衡约束、爬坡约束以及火电机组的出力范围约束来构建出相应的大规模混合整数非线性规划模型。该模型可从MATLAB软件中的YALMIP工具箱中进行直接调用，并利用Gurobi8.0求解器来对该模型进行求解。本文假设某区域电网中以风电为主，同时配备有五台火电机组，这些火电机组均未改造其灵活性，在改造时其参数可参考我国所出台的关于火电灵活性改造的相关通知来进行，需要确保火电机组在改造后其稳燃负荷最低额定容量及其爬坡速率分别为30%与3%/min，由a、b、c来对目标函数中的二次项、一次项以及常数项进行表示。分别假设风电的发电成本及其上网电价补贴为150元/MWh和50元/MWh，在这五台火电机组中，只对其中两台进行改造，其余三台则不改造，然后通过Benders分解算法来进行求解，即可获得其输出最优解。

2 大规模风电接入情况下火电机组灵活性改造的求解结果

在对火电机组的灵活性改造进行考虑时，应从风电消纳和成本构成两个方面来进行，同时还要将其与未改造火电机组的求解结果来进行对比，这样有助于对模型的有效性及合理性进行必要的验证。通过分析改造火电机组与未改造火电机组两种情况下的成本构成可以了解到，在长期调度过程中发电成本所占据的比例是最高的，而且通过对火电机组进行灵活性改造，使火电机组参与电网深度调峰，可使风电的上网电量得到有效提高，并且还有助于减少火电机组在运行过程中产生的发电成本，因此对火电机组灵活性进行改造，其经济性要比未改造火电机组更高。通过分析Benders分解算法的求解结果可知，相比于未进行灵活性改造的火电机组，改造后的火电机组在用电高峰时段中的出力上线仍可达到100%额定负荷，出力下限可达30%额定负荷，并使锅炉仍然保持稳定燃烧，这也使风电会因火电机组的深度调峰而得以加大利用和消纳。此外，即使是在弃风最为严重的时间段，通过对火电机组的灵活性进行改造，也可显著减少弃风量，根据其计算结果，在对火电机组进行灵活性改造后，其全年风电弃用量达到2.984×105MWh，其弃风率只有8.31%;而火电机组在未进行灵活改造之前，囿于区域电网内火电单元机组调峰不及时，其全年风电弃用量则高达5.18×105MWh，其弃风率则高达14.29%。从上述求解结果中可以了解到，在大规模风电接入情况下，对火电机组灵活性进行改造，能够促進电力领域对风电的消纳，在同样的电网用电负荷下，减少火电机组的出力，进而在节约更多化石能源的同时，也提高了可再生能源在发电过程中所带来的环境效益。

3 大规模风电接入情况下火电机组灵活性改造方案

在火电机组灵活性改造的规划模型中，考虑到大规模风电接入情况，需要将风电的上网电价补贴在该模型中进行引入，这样能够对风电消纳起到激励作用。由于长期以来，囿于各种因素，我国风力发电上网电价及补贴居高不下，因此需要根据其实际上网电价补贴额度来对相应数量的机组进行灵活性改造，机组的改造数量与上网电价补贴额度成一定的函数关系。之所以会得出该结论，主要原因有两个方面，一方面是我国对能源电力行业及环境保护提出的政策性要求，另一方面是火电企业在机组灵活性改造中需要投入大量资金，在改造后长期深度调峰运行中势必会影响火电机组的运行可靠性和部分设备的寿命，因此行业内选定一些火电厂作为试点进行改造示范，并对能够进行深度调峰、机组灵活性达标并领先的火电机组给予一定的发电补贴和政策激励。在改造中建议优先改造300MW～600MW等中小容量级别单元机组，这是因为中小级别单元机组的发电效率较低、煤耗和发电成本等要比大容量机组更高。

4 结语

总而言之，结合我国在风电大规模并网的实际情况，对火电机组在调峰填谷中的作用进行合理利用，能够显著提高电力领域对风电的消纳能力，进而推动我国电力领域与新能源产业的发展。对于火电机组灵活性改造工程来说，需要投入大量的人力、物力、财力，而这就需要遵循因地制宜的原则，对相应的改造方案进行合理的制定和论证，只有这样才能最大限度的激发电力企业对火电机组灵活性改造的积极性，以此确保可再生能源并网工作的顺利进行。

参考文献：

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作者简介：盖雅明（1983-），男，辽宁大洼人，研究生，热动专业工程师，研究方向：电厂热控可靠性研究和电力发展研究。