电气工程论文-论述电力系统旋转备用解读

第1章绪论-1-第1章绪论1.1课题的背景和意义当前，随着化石能源的持续消耗与环境的不断恶化，大力发展可再生能源已经成为了世界能源发展的趋势。风能具有清洁、安全、技术成熟、资源丰富的优点，因而越来越受到世界各国的重视。近几年，世界风力发电装机总量保持了快速的增长，据BTM统计数据显示，2010年全球风电累计装机容量达到199.5GW，年累计增速为25%。我国幅员辽阔，而且海岸线长，风能资源非常丰富。近年来，随着我国政府对开发利用新能源的重视及一系列政策措施的支持，风电得到了非常快的发展。2010年，我国除台湾省外其他地区共新增风电装机18.93GW，保持全球新增装机容量第一的排名。累计风电装机容量44.73GW，全球累计装机排名由2008年的第四位、2009年的第二位上升到第一位。目前我国有29个省、市、自治区（不含港、澳、台地区）有了自己的风电场，其中风电累计装机超过2GW的省份有7个[1-3]。按照我国风电可装机容量1000GW计算，到2010年底我国已开发风电装机容量不到可装机量的5%。我国目前规划的7个千万千瓦级大型风电基地，以及全国其他已经规划的项目，累计容量不过200GW，全部建设完成也仅占20%。由此可见我国风能资源开发潜力十分巨大。在已经出台的“十二五”规划中，中国政府明确表明将按照“因地制宜、科学规则、系统配套、协调发展”的原则，继续推进风电的规模化发展。未来五年，由于政府政策的强力支持，中国将继续引领世界风电的发展。据业内专家估计，2011—2015年期间，中国的风电年平均增量在15～20GW之间。到2015年，全国累计并网运行风电装机容量将达到100GW，年总发电量超过190TWh[4-7]。然而，随着风电规模的不断扩大，风力发电对电力系统也带来了新的挑战。风力自身具有很强的随机性和间歇性特点，风电场的运行具有很大的不确定性，无法稳定的输出功率。电网接入风电场后，风电的不确定性可能会造成系统电能质量和系统运行稳定性的下降。同时，由于现阶段风电功率预测误差仍较大，-2-大规模风电接入电网会给电网的调度及发电计划的制定带来困难。国内外文献均一致认为，风力发电给电力系统调度带来的最大困难是由于其功率不可控的波动性。更深入的研究表明，大规模风电接入后，系统秒至分钟级的自动发电控制(autogenerationcontrol，AGC)容量需求并没有显著增加，但日内的调峰容量需求会随着风电装机容量的增加而显著增长。因此拥有足够灵活的可调节容量即旋转备用是电力系统接纳风电的先决条件之一[8-10]。在电力系统运行中，为了防止由于负荷波动或机组随机停运等原因造成的有功功率供需不平衡，必须配置一定的旋转备用。旋转备用的配置实质是系统运行可靠性和经济性综合决策的问题。当系统保有较高旋转备用容量时，系统的可靠性较高，但经济性较差；反之系统的可靠性差而经济性好。传统的备用容量确定方法往往是取单机机组的最大容量或者负荷的固定百分比[11]。这些方法比较简单，也得到了非常广泛的应用。但是随着风电规模的不断扩大，负荷波动和机组的随机停运已不再是影响系统稳定运行的最主要因素，若仍按传统的备用配置方法可能难以抵消风电接入对系统调度带来的冲击。针对风电接入电力系统后，如何可靠经济的配置旋转备用，对于风电的大规模接入和系统的稳定运行都具有重要意义。1.2电力系统旋转备用概述1.2.1备用的分类备用容量起着调节系统频率，保持系统功率供需平衡的作用，对电力系统的稳定运行具有重要意义。根据国内外的研究，一般可将备用容量做如下分类：1、若按备用容量的响应时间分类可将备用容量分为旋转备用，非旋转备用，替代备用，黑启动备用，和自动发电控制等[12]。对于旋转备用来说，其一般与电网保持同步，机组处于开机状态，且十分钟内就可成为可调度机组，功率调节能力较强；非旋转备用并不与电网同步运行，但接受调度后其有能力在十分钟之内启动并提供功率；替代备用指的是有能力在一小时内被调度的发电机组；黑启动备用是指当整个电网系统遭遇故障第1章绪论-3-瘫痪，需要重新启动时首先启动以提供功率使系统逐步恢复的机组[13]。2、若按备用容量的配置作用分类，则可将备用容量分为负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等[14]。所谓负荷备用，是指为应对短时负荷波动并以及计划负荷增加而设置的备用；事故备用是在电力系统发生偶然性事故时使其免于严重影响，维持正常供电而配置的备用；检修备用是保证发电设备定期检修而设置的备用；除满足当前负荷的需要设置的上述几种备用外，电力系统还包括计及负荷的超计划增长而设置的一定的备用，这种备用就称为国民经济备用[15]。1.2.2旋转备用的定义一般的，旋转备用是指运行正常的发电机维持额定转速，随时可以并网，或已并网但仅带一部分负荷，随时可以加出力至额定容量的发电机组。旋转备用容量也可看作是发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差，在机组组合问题中一般将旋转备用容量表达为：NittititDUPR1(1-1)式中tR为系统t时段的旋转备用容量，tiP和tiU分别为系统t时段机组i的机组出力及机组状态，N为机组数，tD为t时段的负荷值。1.2.3传统的旋转备用配置方法传统的旋转备用配置方法主要有两种：负荷百分比法和最大在线机组法。负荷百分比法是要求系统的旋转备用容量必须高于各时段负荷的某个固定百分比；而最大在线机组法则规定旋转备用容量必须高于最大在线机组的容量，以保证当系统中某一机组发生随机停运时系统有足够的备用容量来应对功率缺额，这种方法也被称为“N-1原则”。这两种方法前者侧重于负荷波动和预测误差，后者侧重于机组的随机停运，虽然侧重点不同，但是方法都比较简单，在实践中得到了非常广泛的应用。-4-1.3国内外研究现状1.3.1备用的研究分类旋转备用的配置与很多因素有关，如电网的结构、电网规模、负荷水平、负荷预测的精确性和机组及系统元件的可靠性水平等。随着电力工业技术的不断改进，运行理念和运行体制的不断发展，旋转备用的配置方案也在不断变化。一般国内外针对旋转备用的研究可主要分为以下几类[16]：1、采用确定性方法确定性方法即传统的旋转备用配置方法，要求系统各时段旋转备用高于负荷的某一固定百分比或者最大在线机组的容量。确定性方法简单易实现，可以保证系统的可靠性水平在一定标准，在实际中得到了广泛的应用。2、采用概率性方法确定性方法没有考虑机组停运或负荷波动的概率特性，因此有学者提出在对发电系统做概率分析的基础配置备用，保证系统各时段维持一定的可靠性水平。在实际中应用最广泛的发电系统可靠性指标主要有两个：电力不足概率LOLP和电量不足期望值EENS。3、采用成本效益分析的方法在电力市场环境下，电力系统运营应坚持社会效益最大化的原则，平衡各方风险和利益。因此电力市场环境下一般通过成本效益分析来配置备用，其中成本为发电商的备用报价或其为了维持备用容量而放弃的机会成本，效益则以用户的期望停电损失表示。4、采用随机优化方法电力系统规模不断扩大，运行环境日益复杂，诸如机组停运、元件故障和线路过载等因素造成的事故日益增多，采用随机优化方法配置备用就是研究各类随机因素对未来运行状态造成的影响，以未来运行状态发生概率的权重来配置备用。第1章绪论-5-1.3.2考虑风电的备用容量研究风电是一种清洁的可再生能源，与常规火电机组相比其在发电过程中并不需要任何燃料成本，而且不产生排放，长远来看可以给电力系统带来很多经济上和环境上的收益。随着风力发电技术的不断进步、风电规模的逐年扩大，为了能充分利用风能，保证风电接入后电网的稳定运行，必须配备额外的旋转备用容量。旋转备用容量的配置方案是一个可靠性与经济型综合整体决策的问题，高备用意味着高可靠性和高成本，低备用意味着低成本和较低的可靠性，在实际中单一的追求可靠性或经济性很简单，但若要将其综合协调考虑时则往往面临困难。而且风电接入后不仅使系统变得更为复杂，需要考虑风电场这一增加的扰动源，而且以往基于负荷可知的调度和发电计划的制定也需重新考虑。在这种情况下，针对风电接入后如何合理、可靠和经济的配置旋转备用容量，国内外学者做了大量的研究工作。文献[17]指出风电功率预测的较大误差使风电机组不像常规机组一样可靠，随着风电规模的扩大，为了抵消风电带来的功率波动，系统需维持与风电场容量相当的旋转备用。文献[18]研究了风力发电功率波动的概率分布及其波动的范围，并以此为依据配置了不同响应时间及不同置信水平下的备用。文献[19]根据风电功率预测的水平，把风电场功率分为可靠功率和不可靠功率。其中可靠功率作为正常机组出力，不可靠功率则配置备用来抵消其不确定性。文献[20]使用机会约束的方法，基于风电预测误差的概率密度函数建立了旋转备用容量的获取模型。通过设置约束条件，该模型反映了旋转备用充裕水平对系统经济性的影响。文献[21]考虑了风电场功率预测偏差和机组停运等因素对旋转备用的影响，采用成本分析方法，将用户停电损失并入到机组组合问题中，构建了以发电成本和用户停电损失最小为目标函数的备用容量获取模型。模型中没有设定旋转备用约束，而是通过发电成本和用户停电损失的自动平衡来设置备用容量。文献[22]考虑了负荷及风电功率预测偏差，对并入风电前后系统的备用情况-6-差异性进行分析，为电力系统安全稳定运行提供了一定参考意见。文献[23]提出了能够应对负荷预测误差、风电预测误差和机组随机停运的系统最优旋转备用容量确定方法，然后采用蒙特卡洛模拟将提出的方法与原有备用配置方法进行了比较。文献[24]利用风电预测误差等影响备用容量的不确定因素建立了备用容量和可靠性之间的函数关系。但是其缺陷在于确定的函数关系太过复杂，在机组组合中难以求解。1.4本文所做的工作大规模风电接入电网后，原有的旋转备用容量确定方法已经不能满足电网稳定运行的要求，系统需要额外安排旋转备用来应对风电带来的不确定性。在参开国内外已有研究成果的基础上，针对风电接入后如何合理、可靠和经济的配置旋转备用，本文做了以下研究工作：1、研究了风力发电预测误差、负荷预测误差和机组随机停运的概率特性，并将其统一带入到停运容量概率表中以计算风电接入后发电系统的可靠性指标；2、研究了电力系统可靠性指标与旋转备用容量之间的关系，并据此设置系统的旋转备用容量，使得系统各时段的电力不足概率始终低于一定水平；3、针对风电波动性大的特点，根据已有的风电功率波动范围的研究，设置一定的下调旋转备用，以保证当风力发电大大多于预测值或出现极端波动情况时系统不至于切风机；4、采用拉格朗日松弛法对机组组合模型进行求解以比较不同备用配置方案的可靠性和经济性，并编制了基于Matlab语言的机组组合程序。同时对算法和程序进行部分修改，使其能够处理带有下调备用的机组组合问题。5、对不同的备用配置方案进行比较分析，分析了本文可靠性指标方法与传统旋转备用配置方案的可靠性与经济性，并讨论了下调备用容量的设置对机组出力及生产成本的影响。第2章发电系统可靠性评估-7-第2章发电系统可靠性评估电力系统的安全可靠运行是保障连续稳定供电的前提，关系到经济发展和社会稳定的大局。近些年随着我国电网规模的不断扩大，电力系统的可靠性问题也显得尤为重要。二十世纪六十年代，欧洲、日本、美国等国家陆续遭遇电力系统故障，导致大面积停电，从此学者们开始专注于电力系统可靠性的研究。1981年，北美电力可靠性委员会(NERC)在美国成立，日本和欧洲等当时的电力工业发达国家也开展了电力系统可靠性方面的工作。2000年至2001年的美国加州电力危机和2003年北美东部史上发生的最大规模的电力系统停电事故再次激起了人们对电力系统可靠性的研究热情。在我国，中国电机工程学会可靠性专业委员会于1983年成立，同年成立了的还有电力可靠性管理中心，这些机构开展了我国早期的电力系统的可靠性统计和研究工作。进入上世纪90年代，随着电力工业的发展，电力技术的进步，我国的电力系统可靠性研究和应用又有了新的发展。2.1发电系统可靠性概述电力系统可靠性（powersystemreliability）是指电