CN101710703B - 风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法，针对我国多数风电基地存在功率外送输电容量不够导致风电不能联网发电的问题，本发明以风电场群年累积出力曲线表示风电场群输出功率的整体波动特性，综合考虑输电效益、输电建设成本以及阻塞造成弃风损失等因素，构建了使输电工程综合效益达到最优的输电容量优化目标函数，据此来确定风电功率汇聚外送的最优输电容量。本发明方法为千万kW级风电基地功率外送输电容量选择提供了一种有效的静态评估方法，能够使得风电外送输电工程综合收益达到最大化。

Description

风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法

技术领域

本发明涉及一种风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法。

背景技术

全球气候变暖是人类社会面临的巨大挑战，已成为各国广为关注的重要政治经济议题，并成为各国未来利益博弈的热点。基于化石燃料的电力生产引起的碳排放是导致全球变暖的重要原因。开发可再生能源是改善能源结构的有效途径。风能是目前最具大规模开发利用潜力的非水电可再生能源。风力发电联网运行是大规模开发风能资源的重要途径。

我国风能资源丰富，主要分布在远离负荷中心的东北、西北和华北北部地区，如新疆、吉林西部、甘肃酒泉等。这些地区当地用电负荷很小，大规模开发风电所产生的电量很难就地消纳，只能通过远距离输电将风电输送至主要负荷中心。

由于自然界风能具有随机性、间歇性，风力发电产生的功率亦具有波动特性，这使大规模风电场的联网运行会给电网带来一些不利影响。虽然各地的风能资源有不同特性，但总体上风电场等效满发年利用小时数通常在2000小时左右，风力发电是一种低密度电源。

对于拟建设的大规模、千万千瓦级风电基地，必须建设配套的送出工程。选择风电外送输电容量，最简单的办法是按风电基地总装机容量来考虑，但由于风电能量密度低，可能造成输电容量过度配置，使输电效益低下；若降低外送输电容量，则有可能在部分时点上因输电阻塞而造成弃风损失。

我国大规模风电基地的建设，对电网建设提出了新的挑战。电网不仅要应对风电接入对电网运行的影响，还要考虑所建输电工程的运行效益。有必要研究综合考虑满足风电送出需求、输电工程建设成本和输电运行收益等多方面利益综合优化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法，该方法综合考虑了输电效益、输电工程建设成本以及阻塞造成弃风损失等因素的影响，使风电外送输电工程综合收益达到最大，以此来确定风电外送的最优输电容量。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法，其特征是，建立表达风电场群功率波动特性的模型，构建综合考虑满足风电送出需求、输电工程建设成本和输电运行收益的优化目标函数，在此基础上优化风电外送输电容量，具体包括以下步骤：

1.风电场群集聚效应分析

大规模风电基地通常由多个风电场集聚而成，称之为风电场群；风电场群的功率波动特性与群内单个风电场的功率波动特性有一定的差别；主要是由于风能在时空上的互济而表现出的“平滑”效应；用风电功率的累积曲线能够反映这种趋势性的变化；

风电场群年累积出力曲线能够刻画风电场群集聚后一年内输出功率波动的整体特性；研究表明，随着风电场群集聚规模的增大，风电场群以总装机容量为基准值的最大出力标幺值逐渐降低，但持续运行时间增长；

风电场群年累积出力曲线能够反映风电场群功率变化的总体规律，能够用作优化输电容量的依据；

2.风电外送输电容量静态优化

风电场群的功率外送必须建设相应的输变电工程；在设计输电工程容量时，既要考虑风电的送出，又要考虑输变电设备的运行效益；

本发明以风电场群年累积出力曲线表示风电场群输出功率的整体波动特性，综合考虑输电效益、输电工程建设成本以及阻塞造成弃风损失等因素，构建了使输电工程综合收益达到最优的输电容量优化目标函数：

$\underset{0\≤P_{\mathrm{line}}\≤P_N}{\max }f=G\left(P_{\mathrm{line}}\right)-[I\left(P_{\mathrm{line}}\right)+L\left(P_{\mathrm{line}}\right)]---\left(1\right)$

式中：f为风电外送输电工程综合收益；

P_line为风电外送输电容量，在风电场群年累积出力曲线图上表示高度等于P_line的水平直线，P_N为风电场群总装机容量；

公式(1)中等式右侧各项的含义及计算方法如下：

①G(P_line)

G(P_line)为电网输送风电的收益，正比于风电场群发电量，计算方法如下：

G(P_line)＝K_s×W_wind ×T_L    (2)

其中：K_s为电网收取的单位电量输电费用；

T_L为收益周期；

W_wind为输电工程送出的风力发电电量，求法如下：

$W_{\mathrm{wind}}=P_{\mathrm{line}}\×T_{\mathrm{line}}+{\∫}_{T_{\mathrm{line}}}^{T_{\mathrm{end}}}{p}_w\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中：T_line为风电场群出力高于P_line的持续出力时间；

T_end为风电场群总的持续出力时间；

p_w(t)为风电场群年累积出力曲线；

②I(P_line)

I(P_line)为输电工程建设静态投资成本，不考虑时间因素，计算方法如下：

I(P_line)＝K_c×P_line×L    (4)

其中：K_c为单位容量、单位长度的输电工程造价；

L为输电线路长度；

③L(P_line)

L(P_line)表示因输电阻塞造成的弃风损失，正比于所放弃的风力发电量，计算方法如下：

L(P_line)＝K_l×W_lost×T_L    (5)

其中：K_l为电网输电阻塞造成风电弃风损失的补偿单价；

W_lost为电网输电阻塞造成的风电弃风损失电量，求法如下：

$W_{\mathrm{lost}}={\∫}_0^{T_{\mathrm{line}}}{p}_w\left(t\right)\mathrm{dt}-P_{\mathrm{line}}\×T_{\mathrm{line}}---\left(6\right)$

(1)式目标函数的最优解即为使综合收益最优的输电容量P_opt。

本发明风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法的有益效果体现在：充分考虑了风电场群集聚后风电功率的整体波动特性对外送输电容量的影响，为千万kW级风电基地功率外送输电容量的优化选择提供了有效的评估方法。

附图说明

图1是实施例中风电场群年累积出力曲线示意图。

图2是本发明方法计算原理分析示意图。

图3是由本发明方法确定的风电外送最优输电容量示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明一种风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法作进一步说明。

本实施例将对某省级电网风电场群，总装机容量770MW外送200km输电线路工程进行输电容量优化设计，所用数据为该风电场群实测数据，数据的获得可采用本领域技术人员所熟悉的市售产品数据采集装置来实现；

实施例计算条件说明如下：

1)电网收取的单位电量输电费用K_s＝0.06元/kWh

2)单位容量、单位长度的输电工程造价K_c＝100万元/MW·100km

3)电网输电阻塞造成风电弃风损失的补偿单价K_l＝0.6元/kWh

4)收益周期T_L＝20年

在上述计算条件下，应用本发明方法对实施例风电场群功率集中外送输电容量优化的结果如下：

1.风电场群集聚效应分析

实施例中风电场群年累积出力曲线的分析结果见附图1所示，曲线表明：一年中该风电场群实际最大出力仅为其总装机容量的70％；且风电能量密度较低，实际出力超过40％额定装机容量的时间不到2000小时；

2.风电外送输电容量静态优化方法

在给定计算条件下，本实施例风电场群外送输电容量优化目标函数的具体形式由公式(7)-(10)表示：

$\underset{0\≤P_{\mathrm{line}}\≤P_N}{\max }f=G\left(P_{\mathrm{line}}\right)-[I\left(P_{\mathrm{line}}\right)+L\left(P_{\mathrm{line}}\right)]---\left(7\right)$

其中： $G\left(P_{\mathrm{line}}\right){=0.06\×[P}_{\mathrm{line}}\×T_{\mathrm{line}}+{\∫}_{T_{\mathrm{line}}}^{8760}{p}_w\left(t\right)\mathrm{dt}]\×20---\left(8\right)$

I(P_line)＝100×P_line×200    (9)

$L\left(P_{\mathrm{line}}\right)=0.6\×[{\∫}_0^{T_{\mathrm{line}}}{p}_w\left(t\right)\mathrm{dt}-P_{\mathrm{line}}\×T_{\mathrm{line}}]\×20---\left(10\right)$

以上各项计算结果单位：万元；

附图2为本发明方法的计算原理分析示意图，图中阴影部分表示当风电外送输电容量为P_line时能够送出的风电功率，斜线阴影部分表示P_line容量下的风电弃风损失电量；该图表明：提高P_line可更好地保障风电送出，并减少阻塞造成的风电损失，但输电工程建设成本相应提高；降低P_line可减小输电工程建设成本，但是不能保障风电完全送出，因阻塞造成的弃风损失增加；

根据上述风电外送输电容量优化目标函数的具体计算公式，能够求得本实施例中风电场群功率汇聚外送最优输电容量为457MW，该容量下的输电工程建设投资成本为9.2亿元，综合收益为8.9亿元；若外送输电容量设计为770MW即等于风电场群总装机容量时，输电工程建设投资成本达15.4亿元，而综合收益仅为3亿元，远小于本发明方法的收益，见附图3所示。

本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种风电场群功率汇聚外送输电容量静态优化方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)风电场群集聚效应分析

大规模风电基地由多个风电场集聚而成，称之为风电场群；风电场群的功率波动特性与群内单个风电场的功率波动特性有一定的差别；主要是由于风能在时空上的互济而表现出的“平滑”效应；用风电功率的累积曲线能够反映这种趋势性的变化；

风电场群年累积出力曲线能够刻画风电场群集聚后一年内输出功率波动的整体特性；随着风电场群集聚规模的增大，风电场群以总装机容量为基准值的最大出力标幺值逐渐降低，但持续运行时间增长；

风电场群年累积出力曲线能够反映风电场群功率变化的总体规律，能够用作优化输电容量的依据；

2)风电外送输电容量静态优化

风电场群的功率外送必须建设相应的输变电工程；在设计输电工程容量时，既要考虑风电的送出，又要考虑输变电设备的运行效益；

以风电场群年累积出力曲线表示风电场群输出功率的整体波动特性，综合考虑输电效益、输电工程建设成本以及阻塞造成弃风损失因素，构建了使输电工程综合收益达到最优的输电容量优化目标函数：

式中：f为风电外送输电工程综合收益；

P_line为风电外送输电容量，在风电场群年累积出力曲线图上表示高度等于P_line的水平直线，P_N为风电场群总装机容量； 

公式(1)中等式右侧各项的含义及计算方法如下：

①G(P_line)

G(P_line)为电网输送风电的收益，正比于风电场群发电量，计算方法如下：

G(P_line)＝K_s×W_wind×T_L    (2)

其中：K_s为电网收取的单位电量输电费用；

      T_L为收益周期；

      W_wind为输电工程送出的风力发电电量，求法如下：

(3)

其中：T_line为风电场群出力高于P_line的持续出力时间；

      T_end为风电场群总的持续出力时间；

      p_w(t)为风电场群年累积出力曲线；

②I(P_line)

I(P_line)为输电工程建设静态投资成本，不考虑时间因素，计算方法如下：

I(P_line)＝K_c×P_line×L    (4)

其中：K_c为单位容量、单位长度的输电工程造价；

      L为输电线路长度；

③L(P_line)

L(P_line)表示因输电阻塞造成的弃风损失，正比于所放弃的风力发电量，计算方法如下：

L(P_line)＝K_l×W_lost×T_L    (5)

其中：K_l为电网输电阻塞造成风电弃风损失的补偿单价；

      W_lost为电网输电阻塞造成的风电弃风损失电量，求法如下：

(6) 。

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