含风光发电的电力系统随机生产模拟方法

马 莲， 周献远， 张雅雯， 周嘉新

(1.国网安徽省电力有限公司宿州供电公司， 安徽 宿州 234001;2.国网安徽省电力有限公司检修分公司， 安徽 合肥 231131;3.安徽电气工程职业技术学院， 安徽 合肥 230051;4.国网河南省电力公司三门峡供电公司， 河南 三门峡 472542)

0 引言

随着化石能源日益枯竭，电力行业正在孜孜以求利用清洁能源替代传统火力发电。其中，太阳能和风能占据的份额很大，可以有效节能减排、消除污染。随着风电场与光伏电站规模的扩大、数量的增加，其在电力系统中扮演着更加重要的角色。对于含高比例可再生能源的发电系统而言，它具有的多种不确定性因素在影响其规划、运行的实施，其中的一个典型问题即所有能源形式共同构成的发电侧持续供电能力的问题，因此需要从模拟运行的角度予以评估考虑。

传统的电力系统生产模拟可以对机组进行优化运行安排，计算出电力系统的经济性指标、可靠性指标和各发电机组的发电量。它不仅适用于电源规划也适用于电力系统运行计划的制定，对提高电力系统运行可靠性具有重要意义。在风力发电的基础上，光伏并网不仅增加了系统的备用容量，同时还增加了机组的启停次数。通过随机生产模拟方法，可以有效评估电力系统的可靠性、经济性，为制定经济可行的发电计划提供科学的依据。

1 随机生产模拟方法理论基础

1.1 持续负荷曲线和负荷频率曲线

在电力系统随机模拟过程中，考虑到发电机组的随机故障和负荷波动的不确定性，需要将发电机组的运行状态与负荷结合起来，才能确保电力系统运行的相对稳定性。考虑到机组故障、负荷波动的随机性，将其作为随机变量，可以得到持续负荷曲线 (Load Duration Curve，LDC)。如图1所示，横坐标为负荷

x

(MW)；纵坐标为持续时间

t

(h)；研究周期为

T

(h)；

C

代表系统的总装机容量。

图1 持续负荷曲线

考虑到负荷时变的特性，引入了负荷频率曲线(Load Frequency Curve，LFC)。负荷频率曲线表示在一个研究周期

T

内，在负荷向上移动的过程中，负荷超过一定水平时的平均频率。

1.2 等效电量频率法

(a)等效电量函数法

当

C

<

x

(

x

表示系统最大负荷)时电量不足期望值

EENS

为图1阴影部分面积：

(1)

等效电量函数法是按照持续负荷曲线的电量函数，把持续负荷曲线的横轴

x

按照步长

Δx

来进行分段处理，得到电量的函数表达式：

(2)

式中：

k

=<

x/Δx

>+1,<

Δx/x

>，表示的含义是小于或等于

x/Δx

的整数；

E

(

k

)代表的含义是

x

至

x

+

Δx

范围之间的负荷电量。假设电力系统中共有

n

台发电机组，那么在研究周期

T

内，安排完

n

台机组运行后的系统电量不足期望值、电力不足概率可分别表示为：

(3)

(4)

式中：

J

=<

x/Δx

>+1；其中<

x/Δx

>表示小于等于

x/Δx

的整数。

(b)等效负荷频率曲线

等效负荷频率曲线(Equal load Frequency Curve，ELFC)与等效持续负荷曲线相似，即第台机组运行安排完成后，可得到等效负荷频率曲线为：

(5)

在模拟周期

T

内，第

i

台发电机组的启动次数期望值表示为：

(6)

等效负荷频率曲线表示时序负荷曲线的负荷变化频率，如图2所示。

图2 负荷频率曲线

为了更优地评估集中式光伏发电站、负荷的波动对常规机组的启停造成的影响，因此引入了机组的单位容量启停频率指标(Frequency of Generator Start-up of Unit Capacity, FGSUC)：

(7)

2 风光发电的随机生产模拟

风力发电与光伏发电均具有不确定性。风力发电的特性主要由风资源特性决定，在风电预测出力

P

基础上叠加预测误差

Δε

可得到风电实际出力

P

，可表示为：

P

=

P

+

Δε

(8)

昼夜交替使光伏电源具有时间尺度的周期性，与光照强度和温度紧密相关，光伏总出力可表示为：

(9)

2.1 随机生产模拟流程

在随机生产模拟过程中，风光发电系统的出力特性处理方式与常规电厂不同。为积极响应政策号召，在计算电力系统的随机生产模拟时，优先消纳光伏电站和风电场所发电力，即将光伏电源、风电作为负的负荷处理。在进行随机生产模拟时要首先剥除光伏电站与风电场的时序出力曲线，形成只考虑普通电厂的时序负荷曲线。采用等效电量函数法和频率持续法相结合的等效电量频率法来设计计算流程以及模拟运行费用，步骤为下图3所示，具体算法不再赘述。

图3 含风光发电的电力系统随机生产模拟流程

2.2 随机生产成本分析

系统生产总费用包括如下几部分：动态费用、启动费用、运行维护费用、缺电费用、环境费用。其中，动态费用包括汽轮机和锅炉的启动费用和停机费用，启动费用包括发电机组的燃料启动费用、人力资源费用和机组启停所产生的机器损伤和寿命折损。即：

C

=

C

+

C

+

C

+

C

+

C

+

C

+

C

(10)

式中：

C

表示燃料费用；

C

表示运行和维护费用；

C

表示缺电费用；

C

表示环境费用；

C

表示汽轮机的启动费用；

C

表示锅炉的启动费用；

C

表示汽轮机和锅炉的停机费用。

对于含风力、光伏电站而言，由于其不消耗燃料，不排放废气，因此燃料费用、环境费用都为零。

3 算例分析

采用EPRI-36机组作为系统的测试算例，该系统中包含36台机组，总装机容量8 800 MW，具体数据如表1。负荷曲线模型采用的是IEEE-RTS系统，所采用系统的最大负荷是8 502 MW，模拟时间是8 760 h，大型光伏电站的接入容量共有600 MW，占系统总装机容量的6.82 %；风电场的装机容量是600 MW；切入风速

v

取3 m/s；切出风速取21 m/s；额定风速取13.5 m/s；缺电成本设为400元/(MW·h)。

表1 EPRI-36机组信息

为验证本文所提模型和方法的有效性，设计如下3种方案。

方案1:在测试系统中不加入风力、光伏，进行随机生产模拟；

方案2:在测试系统中加入600 MW风电、600 MW光伏，不考虑大型风力、光伏电站设备故障率和故障修复时间的出力，进行随机生产模拟；

方案3:考虑大型风力、光伏电站设备故障率和故障修复时间的出力，在测试系统中加入600 MW风电、600 MW光伏，对系统进行随机生产模拟。

3个方案分别通过随机生产模拟进行计算，所得结果如表2所示。

表2 三个方案的随机生产模拟计算结果

由表2可知，风光电源接入后有效地减少了系统的发电成本，由于风力、光伏发电的不确定性，方案1机组单位容量启停频率指标

I

低于方案2、方案3。对比方案2和方案3的

LOLP

和

EENS

可知，考虑风光伏发电系统设备故障概率和故障设备修复时间对电网运行的影响，可以得到设备可靠性会对随机生产模拟计算结果产生影响。与此同时，方案2的总费用低于方案3，机组单位容量启停频率高于方案3，符合预期要求。

4 结论

风力与光伏接入电力系统会带来一定的环境效益，从电源规划的角度出发，风力与光伏的接入对随机生产模拟的影响不可小觑。由于等效电量函数法具有降低计算复杂度、快速计算机组发电量的优点，将其与等效负荷频率曲线相结合，形成了基于等效电量频率法的随机生产模拟方法。采用EPRI-36机组作为测试算例，结合IEEE-RTS系统，验证了该方法的有效性与合理性。