风电对电力系统运行的价值分析
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由上可见, 为了不限制风电场输出功率并维持 电力系统的可靠运行, 电力系统的运行方式需要适 当调整。调整后电力系统的旋转备用容量增加了, 部 分负荷从生产成本较低的高效机组向生产成本较高 的调频或经济调度机组转移, 因而调整的直接后果 是增加了电力系统的费用, 带来了惩罚性成本, 风电 的价值也就打了折扣。因此, 风电价值应该反映它所 替代的燃料成本和由于其并网运行而导致的惩罚性 成本。
∫ C1 = f ( 0) + P0f ′ ( P ) dP 0
( 4)
风电并网以后, 常规机组承担的负荷减少 P,
为了提高系统运行的可靠性, 剩余负荷( P 0 - P) 改由 g ′( P ) 机组承担, 运行点在 2, 此时发电成本为
∫ C2 = g( 0) +
(P 0-
P)
g′( P ) dP
本一项, 没有惩罚成本;
( 2) 如果风电的装机容量在电力系统中占相当
大比例, 风电场输出功率迫使该机组的运行点从 2
区转移到 1 区, 电力系统发电成本的变化量为
C= C( P ) - C( P - P ) = ( a1 - a2 ) +
( b1- b2 ) P + b2 P
( 3)
式( 2) 前 2 项反映的是运行点转移( 也可以看作
ABSTRACT: In the v iew of po wer system operat ion a stochastic simulatio n based metho d of quant itatively calculat ing the v alue of w ind po wer to po wer sy stem oper atio n is presented. T he var iat ions o f pow er system oper ating modes, caused by int eg r atio n o f wind po w er gener atio n, and accor ding ly the chang e of gener atio n costs is qualitat ively descr ibed. Acco rding to the marg inal g ener ation co st o f conventio nal g enerat or s t he co nstitutio n o f w ind pow er value is analy zed. It is po inted o ut her e that the wind po wer value depends o n the char act eristics of w ind r eso urce at the locatio n of w ind farm , t he technical pa rameter s o f w ind pow er gener ato rs, the pr opor tion o f lo ad of w ind pow er to t he w ho le pow er sy st em and t he energ y consumed character istics o f ther mal gener ator s w hich par allelly oper ate w it h w ind pow er g eneration. T he numerical ex amples o n calculating w ind po w er v alue and sensitivit y analysis ar e giv en. T he concept ual analy sis m et hod used in t his paper is also suitable fo r com plicated system.
高, 通常安排这些机组带基荷。为了不违反机组运行 的下限, 基荷机组的总容量应略低于系统的最小负 荷水平。腰荷一般由参与经济调度的机组和调频机 组承担。经济调度机组如老式化石燃料机组, 主要用 于跟踪负荷小时级的变化。调频机组可以是蒸汽机
第 26 卷 第 5 期
电 网 技 术
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组、柴油机组或水电机组, 其响应速度较快, 可以跟 踪负荷分钟级的变化。燃气轮机运行成本较高, 一般 安排带峰荷[ 2] 。
3 风电价值
3. 1 简单定量分析
以 1 台火电机组为例, 其发电成本曲线可以用
图 1 所示的分段线性曲线表示:
a1+ b1 P Pmin ≤P ≤P b
C( P ) = a2+ b2 P Pb≤P≤Pmax
( 1)
式中 a1 和 a2 为固定 成本; b1 和 b2 为微增 成本;
Pmin 和 P max 为机组最低 和最高发电功率; P b 为分界
是负荷从基荷机组转移到经济调度或调频机组上)
带来的惩罚性成本, 后 1 项反映的是风电分担部分
负荷 P 以后电力系统所节省的燃料成本。
3. 2 一般性定量分析
火电机组的发电成本一般由固定成本和变动成
本 2 部分组成。假设 f ( P ) 和 g( P ) 分别为 2 台火电 机组的发电成本函数( 假设其连续且可导) , f ′( P ) 和 g′( P ) 分别为 2 台常规机组的边际发电成本函数 ( 如图 2 所示) , f ′ ( P ) 的边际成本低, 动态响应能力 差, 适合带基荷; g′( P ) 的动态响应能力强, 边际成本
较高, 适合作旋转备用、参与经济调度或调频等。 假设原来负荷 P0 由 f ′ ( P ) 承担, 运行点在 1, 发
电成本为
Hale Waihona Puke Baidu 12
P ow er Sy stem T echnolog y
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图 2 一般性成本分析示意图 Fig. 2 A generalized cost analysis
2 风电对电力系统运行的影响
电力系统的发电计划是根据负荷预报对未来几 天内的发电机组发电功率做出安排, 除了要满足技 术约束外, 还应该保证: 系统具有较强的负荷跟踪 能力, 响应分钟级或小时级的负荷波动; 要有足够 的旋转备用, 以弥补负荷的突然变化和预期外的发 电机开断所引起的功率失衡。
大容量燃煤机组与核电机组在满负荷时效率最
假定风电机组是“不可控机组”, 即在发电计划 中对风电采取不干预的策略, 其风电机的发电功率 完全取决于风速条件。在这样的调度原则下, 当风电 在电力系统内的比例达到一定程度以后, 常规机组 承担的突变性负荷将更大。比如原来风电场承担一 定容量的负荷, 运行一段时间以后由于风速增大, 超 过风电机组的切出风速( 或风速太小, 低于风机的切 入风速) , 因而风电场输出功率在几分钟到十几分钟 内就会变为 0, 其原来所带负荷将由旋转备用机组 承担。由于这种情况是经常发生的, 因此在电力系统 内需要适当提高旋转备用的比例, 以维持电力系统 运行的可靠性水平。再比如, 夜间负荷低谷期往往是 风电机发电功率较高时段, 风电场的发电功率很可 能过剩, 为了不限制风电场的输出功率, 不得不减少 在线运行的基荷机组数量, 改由经济调度机组发电。 此外, 风电的随机波动与负荷的波动叠加在一起, 因 而使常规机组需要承担的小时级或分钟级的波动负 荷将更大。其结果是: 使得经济调度机组代替效率 高的基荷机组承担更多的负荷; 如果基荷机组所 带负荷低到不能接受的水平时则要放弃风电; 分 钟级的负荷波动则需要系统安排更多的常规机组参 与调频。
点。
图 1 简单的成本分析示意图 Fig. 1 A simplif ied cost analysis
当机组运行点在 1 区[ P min, Pb] 时, 边际发电成 本较高, 适合作旋转备用或参与经济调度; 在 2 区
[ P b, Pmax] 时边际发电成本较低, 宜带基荷。假设该
机组原来运行在 2 区, 风电并网以后分担了一部分
0
( 5)
如果负荷 P 0 不变, 则风电并网前后的发电成本
之差可以如下计算:
∫ C = C1 - C2 = [ f ( 0) +
P0
f
′ ( P ) dP]
-
0
∫ [ g ( 0) +
( P0-
P)
g ′( P ) dP ]
=
0
∫ [ f ( 0) -
g( 0) ] +
[
( P 0-
P)
(f
′ ( P) -
0
∫ g′( P ) ) dP ] + [ P 0 f ′ ( P ) dP] P 0- P
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VMo
l. 26 No . 5 ay 2002
文章编号: 1000-3673 ( 2002) 05-0010-05
风电对电力系统运行的价值分析
负荷 P , 则可分 2 种情况讨论:
( 1) 如果风电容量较小, 承担的负荷也较少, 不
足以使机组的运行点从 2 区转移到 1 区, 则电力系
统发电成本的变化量为
C= C( P ) - C( P - P) = b2 P
( 2)
这反映的是风电的价值。由于系统的原有运行方式
没有改变, 因此风电的价值中只包括节省的燃料成
雷亚洲, 王伟胜, 印永华, 戴慧珠
( 中国电力科学研究院, 北京 100085)
ANALYSYS OF WIND POWER VALUE TO POWER SYSTEM OPERATION
L EI Ya-zhou, WANG Wei-sheng, YIN Yong-hua, DAI Hui-zhu ( China Elect ric Po wer Research Instit ute, Beijing 100085, China)
KEY WORDS: w ind po wer gener atio n; wind po w er v alue; mar ginal cost; st ochastic simulatio n
摘要: 从电力 系统运行 的角度, 提出了基 于随机模 拟技术 的 定量分析计算风力发电对电力系统运行 的价值的方法。定性 地描 述了风电并 网引起的 电力系统运 行方式的变 化和由 此 带来的发电成本的变动情况。根据常规火电机 组的边际发电 成本曲线, 分析了风电价值的构成。指出了风电价值与 风电 场所 在地风资源 特性、风电机组技 术参数、风电负 荷在电 力 系统 负荷中所占 比例以及 配合风电运 行的火电机 组的耗 量 特性 有关, 给 出了计算 风电价值和 灵敏度分 析的数 值实例。 文中的概念性分析方法也适用于复杂电 力系统。
关键词: 风力发电; 风电价值; 边际成本; 随机模拟技术
中图分类号: T M 614 文献标识码: A
1 引言
风力发电是一种可再生的清洁能源。从概念上 讲, 风电价值的内涵十分广泛, 风电既能够带来显著 的环境效益和社会效益( 很难定量计算) , 又能够节
省燃料成本。但本文无法涵盖全部内容, 仅从电力系 统运行的角度分析风电的价值。电力系统的运行成 本可以分为固定成本和可变成本 2 部分, 固定成本 只与电场建设投资和还贷方式有关, 不随运行方式 的改变而改变, 因此在本文的讨论中只考虑可变成 本部分。风力发电的成本很低, 与火电机组相比可以 忽略不计。但是, 风力发电是一种间歇性能源, 风电 场的功率输出具有很强的随机性, 目前的预报水平 还不能满足电力系统实际运行的需要, 在作运行计 划时风电是作为未知因素考虑的。为了保证风电并 网以后系统运行的可靠性, 因此需要在原来运行方 式的基础上, 额外安排一定容量的旋转备用以响应 风电场发电功率的随机波动, 维持电力系统的功率 平衡与稳定[ 1] 。可见风电并网对整个电力系统具有 双重影响: 一方面分担了传统机组的部分负荷, 降低 了电力系统的燃料成本, 另一方面又增加了电力系 统的可靠性成本。风电并网运行到底能够给电力系 统带来多大效益, 或者说风电的价值究竟有多大? 如 何计算? 主要与哪些因素有关? 这是本文要作出回 答的问题。
∫ C1 = f ( 0) + P0f ′ ( P ) dP 0
( 4)
风电并网以后, 常规机组承担的负荷减少 P,
为了提高系统运行的可靠性, 剩余负荷( P 0 - P) 改由 g ′( P ) 机组承担, 运行点在 2, 此时发电成本为
∫ C2 = g( 0) +
(P 0-
P)
g′( P ) dP
本一项, 没有惩罚成本;
( 2) 如果风电的装机容量在电力系统中占相当
大比例, 风电场输出功率迫使该机组的运行点从 2
区转移到 1 区, 电力系统发电成本的变化量为
C= C( P ) - C( P - P ) = ( a1 - a2 ) +
( b1- b2 ) P + b2 P
( 3)
式( 2) 前 2 项反映的是运行点转移( 也可以看作
ABSTRACT: In the v iew of po wer system operat ion a stochastic simulatio n based metho d of quant itatively calculat ing the v alue of w ind po wer to po wer sy stem oper atio n is presented. T he var iat ions o f pow er system oper ating modes, caused by int eg r atio n o f wind po w er gener atio n, and accor ding ly the chang e of gener atio n costs is qualitat ively descr ibed. Acco rding to the marg inal g ener ation co st o f conventio nal g enerat or s t he co nstitutio n o f w ind pow er value is analy zed. It is po inted o ut her e that the wind po wer value depends o n the char act eristics of w ind r eso urce at the locatio n of w ind farm , t he technical pa rameter s o f w ind pow er gener ato rs, the pr opor tion o f lo ad of w ind pow er to t he w ho le pow er sy st em and t he energ y consumed character istics o f ther mal gener ator s w hich par allelly oper ate w it h w ind pow er g eneration. T he numerical ex amples o n calculating w ind po w er v alue and sensitivit y analysis ar e giv en. T he concept ual analy sis m et hod used in t his paper is also suitable fo r com plicated system.
高, 通常安排这些机组带基荷。为了不违反机组运行 的下限, 基荷机组的总容量应略低于系统的最小负 荷水平。腰荷一般由参与经济调度的机组和调频机 组承担。经济调度机组如老式化石燃料机组, 主要用 于跟踪负荷小时级的变化。调频机组可以是蒸汽机
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组、柴油机组或水电机组, 其响应速度较快, 可以跟 踪负荷分钟级的变化。燃气轮机运行成本较高, 一般 安排带峰荷[ 2] 。
3 风电价值
3. 1 简单定量分析
以 1 台火电机组为例, 其发电成本曲线可以用
图 1 所示的分段线性曲线表示:
a1+ b1 P Pmin ≤P ≤P b
C( P ) = a2+ b2 P Pb≤P≤Pmax
( 1)
式中 a1 和 a2 为固定 成本; b1 和 b2 为微增 成本;
Pmin 和 P max 为机组最低 和最高发电功率; P b 为分界
是负荷从基荷机组转移到经济调度或调频机组上)
带来的惩罚性成本, 后 1 项反映的是风电分担部分
负荷 P 以后电力系统所节省的燃料成本。
3. 2 一般性定量分析
火电机组的发电成本一般由固定成本和变动成
本 2 部分组成。假设 f ( P ) 和 g( P ) 分别为 2 台火电 机组的发电成本函数( 假设其连续且可导) , f ′( P ) 和 g′( P ) 分别为 2 台常规机组的边际发电成本函数 ( 如图 2 所示) , f ′ ( P ) 的边际成本低, 动态响应能力 差, 适合带基荷; g′( P ) 的动态响应能力强, 边际成本
较高, 适合作旋转备用、参与经济调度或调频等。 假设原来负荷 P0 由 f ′ ( P ) 承担, 运行点在 1, 发
电成本为
Hale Waihona Puke Baidu 12
P ow er Sy stem T echnolog y
Vo l. 26 N o. 5
图 2 一般性成本分析示意图 Fig. 2 A generalized cost analysis
2 风电对电力系统运行的影响
电力系统的发电计划是根据负荷预报对未来几 天内的发电机组发电功率做出安排, 除了要满足技 术约束外, 还应该保证: 系统具有较强的负荷跟踪 能力, 响应分钟级或小时级的负荷波动; 要有足够 的旋转备用, 以弥补负荷的突然变化和预期外的发 电机开断所引起的功率失衡。
大容量燃煤机组与核电机组在满负荷时效率最
假定风电机组是“不可控机组”, 即在发电计划 中对风电采取不干预的策略, 其风电机的发电功率 完全取决于风速条件。在这样的调度原则下, 当风电 在电力系统内的比例达到一定程度以后, 常规机组 承担的突变性负荷将更大。比如原来风电场承担一 定容量的负荷, 运行一段时间以后由于风速增大, 超 过风电机组的切出风速( 或风速太小, 低于风机的切 入风速) , 因而风电场输出功率在几分钟到十几分钟 内就会变为 0, 其原来所带负荷将由旋转备用机组 承担。由于这种情况是经常发生的, 因此在电力系统 内需要适当提高旋转备用的比例, 以维持电力系统 运行的可靠性水平。再比如, 夜间负荷低谷期往往是 风电机发电功率较高时段, 风电场的发电功率很可 能过剩, 为了不限制风电场的输出功率, 不得不减少 在线运行的基荷机组数量, 改由经济调度机组发电。 此外, 风电的随机波动与负荷的波动叠加在一起, 因 而使常规机组需要承担的小时级或分钟级的波动负 荷将更大。其结果是: 使得经济调度机组代替效率 高的基荷机组承担更多的负荷; 如果基荷机组所 带负荷低到不能接受的水平时则要放弃风电; 分 钟级的负荷波动则需要系统安排更多的常规机组参 与调频。
点。
图 1 简单的成本分析示意图 Fig. 1 A simplif ied cost analysis
当机组运行点在 1 区[ P min, Pb] 时, 边际发电成 本较高, 适合作旋转备用或参与经济调度; 在 2 区
[ P b, Pmax] 时边际发电成本较低, 宜带基荷。假设该
机组原来运行在 2 区, 风电并网以后分担了一部分
0
( 5)
如果负荷 P 0 不变, 则风电并网前后的发电成本
之差可以如下计算:
∫ C = C1 - C2 = [ f ( 0) +
P0
f
′ ( P ) dP]
-
0
∫ [ g ( 0) +
( P0-
P)
g ′( P ) dP ]
=
0
∫ [ f ( 0) -
g( 0) ] +
[
( P 0-
P)
(f
′ ( P) -
0
∫ g′( P ) ) dP ] + [ P 0 f ′ ( P ) dP] P 0- P
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5期 月
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文章编号: 1000-3673 ( 2002) 05-0010-05
风电对电力系统运行的价值分析
负荷 P , 则可分 2 种情况讨论:
( 1) 如果风电容量较小, 承担的负荷也较少, 不
足以使机组的运行点从 2 区转移到 1 区, 则电力系
统发电成本的变化量为
C= C( P ) - C( P - P) = b2 P
( 2)
这反映的是风电的价值。由于系统的原有运行方式
没有改变, 因此风电的价值中只包括节省的燃料成
雷亚洲, 王伟胜, 印永华, 戴慧珠
( 中国电力科学研究院, 北京 100085)
ANALYSYS OF WIND POWER VALUE TO POWER SYSTEM OPERATION
L EI Ya-zhou, WANG Wei-sheng, YIN Yong-hua, DAI Hui-zhu ( China Elect ric Po wer Research Instit ute, Beijing 100085, China)
KEY WORDS: w ind po wer gener atio n; wind po w er v alue; mar ginal cost; st ochastic simulatio n
摘要: 从电力 系统运行 的角度, 提出了基 于随机模 拟技术 的 定量分析计算风力发电对电力系统运行 的价值的方法。定性 地描 述了风电并 网引起的 电力系统运 行方式的变 化和由 此 带来的发电成本的变动情况。根据常规火电机 组的边际发电 成本曲线, 分析了风电价值的构成。指出了风电价值与 风电 场所 在地风资源 特性、风电机组技 术参数、风电负 荷在电 力 系统 负荷中所占 比例以及 配合风电运 行的火电机 组的耗 量 特性 有关, 给 出了计算 风电价值和 灵敏度分 析的数 值实例。 文中的概念性分析方法也适用于复杂电 力系统。
关键词: 风力发电; 风电价值; 边际成本; 随机模拟技术
中图分类号: T M 614 文献标识码: A
1 引言
风力发电是一种可再生的清洁能源。从概念上 讲, 风电价值的内涵十分广泛, 风电既能够带来显著 的环境效益和社会效益( 很难定量计算) , 又能够节
省燃料成本。但本文无法涵盖全部内容, 仅从电力系 统运行的角度分析风电的价值。电力系统的运行成 本可以分为固定成本和可变成本 2 部分, 固定成本 只与电场建设投资和还贷方式有关, 不随运行方式 的改变而改变, 因此在本文的讨论中只考虑可变成 本部分。风力发电的成本很低, 与火电机组相比可以 忽略不计。但是, 风力发电是一种间歇性能源, 风电 场的功率输出具有很强的随机性, 目前的预报水平 还不能满足电力系统实际运行的需要, 在作运行计 划时风电是作为未知因素考虑的。为了保证风电并 网以后系统运行的可靠性, 因此需要在原来运行方 式的基础上, 额外安排一定容量的旋转备用以响应 风电场发电功率的随机波动, 维持电力系统的功率 平衡与稳定[ 1] 。可见风电并网对整个电力系统具有 双重影响: 一方面分担了传统机组的部分负荷, 降低 了电力系统的燃料成本, 另一方面又增加了电力系 统的可靠性成本。风电并网运行到底能够给电力系 统带来多大效益, 或者说风电的价值究竟有多大? 如 何计算? 主要与哪些因素有关? 这是本文要作出回 答的问题。