CN101866451A - 一种新型的风力发电综合效益评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的风力发电综合效益评估方法，其特点是：根据所采集的数据，对不同负荷水平下的风力发电效益与火力风电成本进行评估，综合考虑风电增发效益与火力发电成本增量，对风力发电综合效益进行评估，从而对不同负荷水平下，由于风电场群发电功率增发而导致的全网风力发电效益、火力发电成本进行定量评估，有效的评估全网的风电发电综合效益，进而衡量风电波动对全网发电综合效益的影响。评估方法科学、合理。

Description

一种新型的风力发电综合效益评估方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，是一种新型的风力发电综合效益评估方法。

背景技术

随着化石能源枯竭、环境污染加剧，可再生能源的开发利用已成为各国研究的热点。风能作为一种可再生清洁能源，近年来被广泛开发利用，风力发电是实现风能大规模开发利用的有效途径。但是由于风电机组输出功率取决于自然风速，具有波动性和不可预期性，因此，当电网中所接纳的风电机组容量超过一定比例时，风电功率的波动将增加电网的调峰负担。

对于以火电调峰为主的电网，在负荷高峰时段，火电机组接近额定运行，此时风电功率增发能够有效节约一次化石能源减少环境污染，提高全网发电效益。然而在负荷低谷时段，系统中的火电调峰机组通常已进入低负荷运行状态，其向下调峰能力非常有限，已成为系统运行调整的主要瓶颈，此时风电功率增发，则需要进一步降低机组出力将使机组进入非常规调峰运行状态，机组将被迫投油运行以确保稳定燃烧，在此运行状态下，煤粉燃烧不充分，烟尘量增加，导致锅炉燃烧效率下降、发电煤耗增加，同时，还可能诱发煤粉油黏物在锅炉尾部烟道的二次燃烧，威胁着锅炉的安全运行。因此，在负荷低谷时段，风电场群发电功率增加，可能导致电网中火电调峰机组进入非常规调峰运行状态，从而造成火电调峰机组运行成本增加和发电烟尘排放量增加。

可见，随着电力系统中风电装机容量份额的不断增加，不同负荷水平下风电功率波动对于全网发电综合效益有着重大影响。因此如何评估风力发电综合效益，对于分析风电功率增发对全网发电综合效益的影响有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对不同负荷水平下风电功率突增，对电网中火力发电成本及全网发电综合效益的影响，提出一种新型的风力发电综合效益评估方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种新型的风力发电综合效益评估方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)数据采集

根据各火电调峰机组运行统计数据，获取各机组的运行性能参数与其经济性能参数，其中机组的运行性能参数主要包括机组常规调峰运行所允许的最低出力、非常规调峰运行所允许的最低出力、机组的额定容量；机组的经济性能参数主要包括各机组的发电煤耗率、机组常规调峰运行的等值CO₂排放量、非常规调峰运行的投油量与等值CO₂排放量；根据电力系统辅助服务定价、单位电能生产的煤耗定价、减排定价及风电上网定价，获取原煤价格、柴油价格、CO₂排放许可价格、风电上网电价；由电网调度中心获取不同负荷水平下电网的潮流概况，主要包括各采样时段的负荷、风电功率、各火电调峰机组出力；

2)风力发电效益评估

风力发电效益包括风电经济效益与风电减排环境效益，与风电上网电价、温室气体和废弃物减排量及减排定价密切相关，风力发电效益随风电功率的增大而增大，其表达式为：

R(t)＝f₁[P_w(t)]＝∫(C_gw+C_ew)×P_w(t)dt    (1)

其中，R(t)为t时段的风力发电效益，元；C_gw、C_ew分别为单位风电的经济收益与减排收益，元/kWh；P_w(t)为t时段的风电输出功率，kW；

3)火力发电成本评估

火力发电成本主要包括燃料费(煤耗成本与投油成本)与废弃物排放造成的环境成本，与机组发电煤耗率、电煤价格、排污脱硫除尘费用因素相关，其表达式为：

$F\left(t\right)=g\left(P_G\left(t\right)\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫(C_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right))\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\mathrm{dt}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\∫C}_{r3}\×H_{o.i}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，F(t)为t时段的火力发电成本，元；

分别为t时段火电机组i生产单位电能的煤耗成本与环境成本，元/kWh；b(P_Gi(t))、G_x-CO2(t)分别为t时段火电机组i的发电煤耗率与等值CO₂排放量，kg/kWh；H_o.i(t)为t时段火电调峰机组i非常规调峰运行的投油量，kg/h；C_r1、C_r2、C_r3分别为原煤价格、CO₂排放许可价格、柴油价格，元/kg；P_Gi(t)为t时段火电机组i的出力，kW；P_G(t)为t时段火电总出力，kW；N为火电机组总台数；M为非常规调峰运行的火电机组台数；

4)风力发电综合效益评估

对于含有大规模风电且以火电调峰为主的区域电网，增发风电功率的效益表达式为：

ΔR(t)＝f₁[ΔP_w(t)]＝∫(C_gw+C_ew)×ΔP_w(t)dt    (3)

其中，ΔR(t)为t时段风电增发效益，元；ΔP_w(t)为t时段风电场群发电功率的增量，kW；C_gw、C_ew分别为单位风电的经济收益与减排收益，元/kWh；

由于风电功率增发火力发电成本的增加量表达式为：

$\mathrm{\ΔF}\left(t\right)=g\left(P_G\left(t\right)\right)-g\left(P_G\left(t_0\right)\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫[C_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right)]\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫[C_{\mathrm{gm}.i}\left(t_0\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t_0\right)]\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t_0\right)\mathrm{dt}+---\left(4\right)$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\∫C_{r3}\×H_{o.i}\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\∫C}_{r3}\×H_{o.i}\left(t_0\right)\mathrm{dt}$

其中，ΔF(t)为t时段火力发电成本的增加量，元；C_gm.i(t₀)、C_em.i(t₀)分别为参考时段t₀时段火电机组i的煤耗成本与环境成本，元/kWh；C_gm.i(t)、C_em.i(t)分别为t时段火电机组i的煤耗成本与环境成本，元/kWh；H_o.i(t)、H_o.i(t₀)分别为t时段与t₀时段火电调峰机组i非常规调峰运行的投油量，kg/h；N为火电机组总台数；M、m分别为t时段与t₀时段进入非常规调峰运行的火电机组台数；

综合考虑风电增发效益ΔR(t)与火力发电成本的增量ΔF(t)，构建风力发电综合效益评估方法模型为：

ΔRF(t)＝ΔR(t)-ΔF(t)    (5)

风力发电综合效益与参考状态的选取、机组运行状态、煤电减排定价、风电上网电价及减排定价因素相关；风电增发效益等于火力发电成本的增量时，即全网风电增发的收支达到平衡，说明风电增发对于全网的发电综合效益没有影响；风电增发效益大于火力发电成本的增量时，即ΔRF(t)＞0则表明由于风电增发全网发电综合效益增加；反之，风电增发效益小于火力发电成本的增量，即ΔRF(t)＜0则表明由于风电增发全网发电综合效益减少。

本发明提出的一种新型的风力发电综合效益评估方法的优点体现在：

1.能够对计及环境因素的风力发电效益与火力发电成本进行定量计算；

2.综合考虑风电增发效益及火力发电成本的增量，定量分析风电功率波动对全网发电综合效益的影响；

3.能够评价风电接入与系统发电综合效益之间的相互作用；

4.评估方法科学、合理。

附图说明

图1一种新型的风力发电综合效益评估方法框图；

图2本发明实施例的系统地理位置接线图；

图3 100MW机组发电煤耗率曲线；

图4 300MW机组发电煤耗率曲线；

图5系统冬小运行方式下某天的负荷与风电功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明一种新型的风力发电综合效益评估方法作进一步说明。

参照图1-5，以风电接入的区域电网为例，该区域电网包括17个风电场；3个等值火电厂，其中：火电厂1包括3台机组G1/G2/G3，火电厂2包括2台机组G4/G5，火电厂3包括1台机组G6。

本发明一种新型的风力发电综合效益评估方法包括以下步骤：

1)数据采集

根据各火电调峰机组运行统计数据，获取各机组的运行性能参数与经济性能参数，其中机组的运行性能参数主要包括机组常规调峰运行所允许最低出力、非常规调峰运行所允许的最低出力、机组的额定容量，见表1；机组经济性能参数主要包括各机组的发电煤耗率，见图2与图3，机组常规调峰运行的等值CO₂排放量、非常规调峰运行的投油量与等值CO₂排放量，见表2。同时，根据电力系统辅助服务定价、单位电能生产的煤耗定价、减排定价及风电上网定价，获取原煤价格、柴油价格、CO₂排放许可价格、风电上网电价，见表3。

由电网调度中心获取不同负荷水平下电网的潮流概况，主要包括各采样时段的负荷、风电功率、各火电调峰机组出力。该电网冬小运行方式下某天96个采样时段(时段/15min)的负荷与风电场群发电功率曲线如图4所示。分别获取负荷低谷时段(第10-15时段)与负荷高峰时段(第62-67时段)各火电调峰机组出力及风电输出功率，分别如表4与如表5所示，对于负荷低谷时段其第11-12时段机组G4进入非常规调峰运行、第13-14时段机组G4、G5进入非常规调峰运行、第15时段机组G4、G6进入非常规调峰运行。

表1火电机组运行技术参数

表2火电机组运行经济性能参数

表3电网综合效益计算相关经济参数

                                        

原煤价格C_r1(元/t)            410

柴油价格C_r3(元/t)            4970

CO₂排放许可价格C_r2(元/t)     230

风电上网价格C_w(元/kWh)       0.6

                                         

表4负荷低谷时段各火电机组出力及风电功率

表5负荷高峰时段各火电机组出力及风电功率

2)风力发电效益评估

根据上述获取的数据，利用公式(1)计算风力发电效益，其包括风电经济效益与风电减排环境效益：

R(t)＝f₁[P_w(t)]＝∫(C_gw+C_ew)×P_w(t)dt    (1)

其中，R(t)为风力发电效益，元；C_gw、C_ew分别为单位风电的经济收益与减排收益，元/kWh；P_w(t)为t时段的风电输出功率，kW。

3)火力发电成本评估

火力发电成本主要包括燃料费(煤耗成本与投油成本)与废弃物排放造成的环境成本，将上述获取的数据代入式(2)进行计算：

$F\left(t\right)=g\left(P_G\left(t\right)\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫(C_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right))\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\mathrm{dt}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\∫C}_{r3}\×H_{o.i}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)=C_{r1}\×b\left(P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\right)\\ C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right)=C_{r2}\×G_{x-C{O}_2}\left(t\right)\end{array}\right.$

4)风力发电综合效益评估

对于含有大规模风电且以火电调峰为主的区域电网，增发风电功率的效益利用公式(3)进行计算得到：

ΔR(t)＝f₁[ΔP_w(t)]＝∫(C_gw+C_ew)×ΔP_w(t)dt  (3)

其中，ΔP_w(t)为风电场群发电功率的增量，kW。

此时，由于风电功率增发火力发电成本的增量利用公式(4)得到：

$\mathrm{\ΔF}\left(t\right)=g\left(P_G\left(t\right)\right)-g\left(P_G\left(t_0\right)\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫[C_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right)]\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫[C_{\mathrm{gm}.i}\left(t_0\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t_0\right)]\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t_0\right)\mathrm{dt}+---\left(4\right)$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\∫C_{r3}\×H_{o.i}\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\∫C}_{r3}\×H_{o.i}\left(t_0\right)\mathrm{dt}$

综合考虑风电增发效益ΔR(t)与火力发电成本增量ΔF(t)，构建风力发电综合效益评估方法模型为：

ΔRF(t)＝ΔR(t)-ΔF(t)    (5)

根据采集的数据信息，利用公式(1)-(5)计算负荷低谷时段与负荷高峰时段电网发电综合效益情况分别如表6与表7所示。

表6负荷低谷时段电网发电综合效益

表7负荷高峰时段电网发电综合效益

可见，通过该方法能够对电网负荷高峰时段与负荷低谷时段的风力发电综合效益进行定量评估，可以看出负荷高峰时段风电功率增发，有利于提高全网发电效益，然而在负荷低谷时段，风电功率增发可能会造成全网发电成本的增加。

本发明的特定实施例已对本发明的内容做出了详尽的说明，但不局限本实施例，本领域技术人员根据本发明的启示所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利保护的范围。

Claims (1)

1.一种新型的风力发电综合效益评估方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)数据采集

根据各火电调峰机组运行统计数据，获取各机组的运行性能参数与其经济性能参数，其中机组的运行性能参数主要包括机组常规调峰运行所允许的最低出力、非常规调峰运行所允许的最低出力、机组的额定容量；机组的经济性能参数主要包括各机组的发电煤耗率、机组常规调峰运行的等值CO₂排放量、非常规调峰运行的投油量与等值CO₂排放量；根据电力系统辅助服务定价、单位电能生产的煤耗定价、减排定价及风电上网定价，获取原煤价格、柴油价格、CO₂排放许可价格、风电上网电价；由电网调度中心获取不同负荷水平下电网的潮流概况，主要包括各采样时段的负荷、风电功率、各火电调峰机组出力；

2)风力发电效益评估

风力发电效益包括风电经济效益与风电减排环境效益，与风电上网电价、温室气体和废弃物减排量及减排定价密切相关，风力发电效益随风电功率的增大而增大，其表达式为：

R(t)＝f₁[P_w(t)]＝∫(C_gw+C_ew)×P_w(t)dt                    (1)

其中，R(t)为t时段的风力发电效益，元；C_gw、C_ew分别为单位风电的经济收益与减排收益，元/kWh；P_w(t)为t时段的风电输出功率，kW；

3)火力发电成本评估

火力发电成本主要包括燃料费(煤耗成本与投油成本)与废弃物排放造成的环境成本，与机组发电煤耗率、电煤价格、排污脱硫除尘费用因素相关，其表达式为：

$F\left(t\right)=g\left(P_G\left(t\right)\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫(C_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right))\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\mathrm{dt}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\∫C}_{r3}\×H_{o.i}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，F(t)为t时段的火力发电成本，元；

C_gm.i(t)、C_em.i(t)分别为t时段火电机组i生产单位电能的煤耗成本与环境成本，元/kWh；b(P_Gi(t))、G_x-CO2(t)分别为t时段火电机组i的发电煤耗率与等值CO₂排放量，kg/kWh；H_o.i(t)为t时段火电调峰机组i非常规调峰运行的投油量，kg/h；C_r1、C_r2、C_r3分别为原煤价格、CO₂排放许可价格、柴油价格，元/kg；P_Gi(t)为t时段火电机组i的出力，kW；P_G(t)为t时段火电总出力，kW；N为火电机组总台数；M为非常规调峰运行的火电机组台数；

4)风力发电综合效益评估

对于含有大规模风电且以火电调峰为主的区域电网，增发风电功率的效益表达式为：

ΔR(t)＝f₁[ΔP_w(t)]＝∫(C_gw+C_ew)×ΔP_w(t)dt                (3)

其其中，ΔR(t)为t时段风电增发效益，元；ΔP_w(t)为t时段风电场群发电功率的增量，kW；C_gw、C_ew分别为单位风电的经济收益与减排收益，元/kWh；

由于风电功率增发火力发电成本的增加量表达式为：

$\mathrm{\ΔF}\left(t\right)=g\left(P_G\left(t\right)\right)-g\left(P_G\left(t_0\right)\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫[C_{\mathrm{gm}.i}\left(t\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t\right)]\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\∫[C_{\mathrm{gm}.i}\left(t_0\right)+C_{\mathrm{em}.i}\left(t_0\right)]\×P_{\mathrm{Gi}}\left(t_0\right)\mathrm{dt}+---\left(4\right)$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\∫C_{r3}\×H_{o.i}\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\∫C_{r3}\×H_{o.i}\left(t_0\right)\mathrm{dt}$

其中，ΔF(t)为t时段火力发电成本的增加量，元；C_gm.i(t₀)、C_em.i(t₀)分别为参考时段t₀时段火电机组i的煤耗成本与环境成本，元/kWh；C_gm.i(t)、C_em.i(t)分别为t时段火电机组i的煤耗成本与环境成本，元/kWh；H_o.i(t)、H_o.i(t₀)分别为t时段与t₀时段火电调峰机组i非常规调峰运行的投油量，kg/h；N为火电机组总台数；M、m分别为t时段与t₀时段进入非常规调峰运行的火电机组台数；

综合考虑风电增发效益ΔR(t)与火力发电成本的增量ΔF(t)，构建风力发电综合效益评估方法模型为：

ΔRF(t)＝ΔR(t)-ΔF(t)                                    (5)

风力发电综合效益与参考状态的选取、机组运行状态、煤电减排定价、风电上网电价及减排定价因素相关；风电增发效益等于火力发电成本的增量时，即全网风电增发的收支达到平衡，说明风电增发对于全网的发电综合效益没有影响；风电增发效益大于火力发电成本的增量时，即ΔRF(t)＞0则表明由于风电增发全网发电综合效益增加；反之，风电增发效益小于火力发电成本的增量，即ΔRF(t)＜0则表明由于风电增发全网发电综合效益减少。

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