CN107330551A - 一种优化安排能源基地外送通道的送电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，建立节能低碳发展的送点模式优化模型，其特征在于，模型的决策变量由单个机组提升至一类型机组；将受端系统简化为单个节点，忽略受端电网的网架及损耗，外区送电通道、受端各类型机组及负荷均接在同一节点；在发电机组投运计划的基础上，将各类机组各时刻的出力作为决策变量；对每一单位的碳排放均赋予一定的经济成本，并将其与系统的总运行成本相结合共同作为优化目标。
Description
技术领域
本发明涉及电网规划和运行领域，尤其是一种优化安排能源基地外送通道的送电方法。
背景技术
碳排放流的核心理念在于电能生产过程中所产生的碳排放成本应由用电环节承担，从用户侧实现电力消费对应碳排放的计量，以此明确各区域在存在电力交换情况下的低碳发展责任与贡献。碳流分析为跨区电能的输送贴上了“碳标签”，重新界定碳排放成本的分配，有利于调动消费者的低碳积极性，从根本上促进低碳电力的发展。相关分析理念在国内外及多个行业领域得到了广泛关注。以锡盟地区“风火互济”送电至山东为例，采用传统宏观统计法时，送入电量均可视为减少了等量受端火电需发电量，由典型火电碳排放系数可计算受端实现的碳减排量，而采用碳排放流的分析理念时，送端仅风电的送入可对受端的碳减排做出贡献，而火力发电所产生的碳排放将随通道有功潮流“流动”至受端，计入受端系统的碳排放总量，由此不能计作低碳效益。采用碳排放流的分析及统计方法，可激发受端电网消纳区外低碳电力的积极性，进而促进电力系统整体低碳化的发展。
传统的系统优化模型中，发电环节的决策变量均基于单台机组，模型多为混合整数非线性类型，以0-1整数变量表示机组的扩展或启停状态，然而实际系统中已投运及待建机组数目较多，显著增加了优化模型复杂度及决策变量的个数。
随着特高压电网的建设，各区域电网之间逐渐通过交、直流特高压线路实现互联。特高压电网的建设一方面可以解决我国500kV电网输电能力不足、输电走廊紧张等问题，另一方面则是为了实现大区域范围内能源资源的优化配置。现有区间联络线的功率控制模式一般为定频率、定交换功率及联络线偏差控制模式。对于大型电网间的联络线，传统模式便于各区域电网的分散控制，有利于维持系统的安全稳定运行。然而对于大型能源基地的送出线路，尤其是非化石能源基地直送负荷中心的特高压线路，传统的联络线功率控制模式不再满足低碳发展模式的需求，需做进一步优化探讨。
我国内陆大部分地区受白天日照影响，离地30米以上高空风资源多呈现夜间风大、白天封校的特征，使得风电出力多具有反调峰特性。在风火互济送出系统中，传统功率控制模式不能充分适应风电出力的波动性及反调峰特性，可能出现弃风，造成低碳资源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，充分考虑系统风电消纳的需求，在当前电力系统低碳化发展的趋势下具有更强的灵活性和适用性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，建立节能低碳发展的送点模式优化模型，模型的决策变量由单个机组提升至一类型机组；将受端系统简化为单个节点，忽略受端电网的网架及损耗，外区送电通道、受端各类型机组及负荷均接在同一节点；在发电机组投运计划的基础上，将各类机组各时刻的出力作为决策变量；对每一单位的碳排放均赋予一定的经济成本，并将其与系统的总运行成本相结合共同作为优化目标；
送受端系统的联合优化模型以系统的总运行成本最小为目标函数，系统的运行成本主要包括发电成本及碳排放成本，即：
式中，ΩT为优化时段集合；ΩK为机组类型集合；表示第k类机组的单位发电成本；cC表示单位碳排放的经济成本；ek表示第k类机组单位发电产生的碳排放；分别表示输电通道送端和受端第k类机组在第t时刻的有功出力，上标E和I分别表示送端及受端系统；Δt表示模型考虑的基本时间间隔。
进一步地，输电通道送端第k类机组在第t时刻的有功出力和输电通道受端第k类机组在第t时刻的有功出力满足的系统电力平衡约束条件为：
式中，σL为输电通道的线损率，Dt为受端系统在第t时刻的负荷。
进一步地，输电通道第k类机组满足的爬坡约束为：
式中，分别为表示第k类机组升、降出力能力的爬坡率，上标max表示各类型机组的装机容量。
进一步地，对于火电、核电及具有一定调节能力的蓄水式水电站常规发电技术，其发电出力应在机组的允许最低出力及最大装机容量之间，即
式中，上标min表示各类型机组的最小出力；
对于风电、光伏及径流式水电站非常规发电技术，其最小出力可降至零，最大出力则由一次资源条件决定，机组出力应受可用资源限制，即
式中，为对第k类机组在第t时刻可调度出力的预测值。
进一步地，送电通道满足的功率约束为
式中，分别为t时刻输电通道允许输送的最大和最小功率值，由联络线功率交换计划确定，fL,t为通道在第t时刻的送电功率；在模型中忽略送端能源基地本地负荷，认为所有机组出力均直接外送，则有
本发明的有益效果是，
1、相对于传统的联络线功率控制模式，本发明所提出的送电模式优化方法可以充分考虑系统风电消纳的需求，在当前电力系统低碳化发展的趋势下具有更强的灵活性和适用性；
2)基于日前风功率预测曲线，通过优化安排能源基地的送电模式，可充分利用受端系统的风电消纳空间，促进送端风电的消纳，可在降低系统发电成本的同时减少碳排放；
3)送端能源基地仅能通过对送电模式的调整才能充分利用受端系统的风电消纳空间，在一定的送电功率下，送端风电的消纳受其配套火电装机容量及调峰能力的影响。随着风火装机配比的减小，弃风比例减小，但风电消纳电量也随之减少，使得系统的运行成本及碳排放量增大。在一定的风火装机配比下，火电调峰能力的增强可有效促进风电的消纳。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是负荷中心15min间隔的典型日负荷曲线；
图3是送端及受端风电的日前出力预测曲线；
图4是不同送电模式下送端风电出力对比；
图5是不同送电模式下送端对受端风电消纳空间的利用情况；
图6是不同送电模式下系统的运行成本曲线图；
图7是不同送电模式下系统的碳排放量曲线图；
图8是不同送电模式下系统的弃风比例曲线图；
图9是不同送端火电调峰系数对风电消纳的影响。
具体实施方式
如图1所示，一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，建立节能低碳发展的送点模式优化模型，模型的决策变量由单个机组提升至一类型机组；将受端系统简化为单个节点，忽略受端电网的网架及损耗，外区送电通道、受端各类型机组及负荷均接在同一节点；在发电机组投运计划的基础上，将各类机组各时刻的出力作为决策变量；对每一单位的碳排放均赋予一定的经济成本，并将其与系统的总运行成本相结合共同作为优化目标。
以锡盟至山东特高压送电工程的规划参数为基础，对所提出的送受端系统联合优化模型进行实例分析。预计山东省年度全社会最大用电负荷将达到80000MW，年平均日负荷率为0.88，最大峰谷差为20330MW。各类型电源的总装机容量及调峰能力如表1所示，对除锡盟地区外的其它外区至山东送电通道按恒功率控制模式考虑，总送电功率计为12000MW。
表1山东电网2015年电源装机参数
送端锡盟能源基地对山东送电的机组参数如表2所示。能源基地普遍规划建设大容量的超临界及超超临界火电机组，机组具有较高的发电效率及较低的发电成本。为充分利用其高效率的发电优势，为其设定较小的调峰系数以减少机组出力的大幅波动。设定送端煤电的调峰深度为30％，即机组最小出力为额定容量的70％。特高压送电通道的最大输送容量为9000MW，规划风火装机配比为1:8。为充分分析送电模式的调整对送端风电消纳的影响，考虑到锡盟地区的大规模风电及火电装机，分析中在规划方案的基础上将送端风电装机容量稍作扩展，风火接入容量比取为3:8。
表2锡盟送电电源装机参数
碳排放成本取为100元/吨，特高压输电通道线损率取为2％。图2所示为负荷中心15min间隔的典型日负荷曲线，最小负荷系数为81％。图3所示为送端及受端风电的日前出力预测曲线，两条曲线尤其是送端风电出力具有明显的反调峰特性。
优化结果
在给定系统负荷及风电出力预测曲线的基础上，对不同送电模式下送受端系统的运行进行联合优化。从传统联络线功率控制模式、系统负荷特性及风电出力特性的角度出发考虑，设定三种典型的送电模式，其各时刻送电功率的标幺值如表3所示。
| 送电模式 | 0:00-8:30 | 8:30-21:00 | 21:00-24:00 |
| 恒功率 | 0.88 | 0.88 | 0.88 |
| 正调峰 | 0.7 | 0.88 | 0.7 |
| 反调峰 | 1.0 | 0.8 | 1.0 |
表3不同送电模式
根据表3所示的各送电模式对锡盟地区及山东电网的运行进行联合优化。不同送电模式下送端风电实际出力曲线的对比如图4所示。采用正调峰送电模式符合受端电网负荷变化的需求，有助于缓解负荷中心的调峰压力，然而从图4中可以看出，正调峰送电模式会造成送端锡盟地区大量的弃风，尤其是在夜间风电大发期间，送出容量及火电出力的限制使得风电的有效利用率仅为30％左右。与此相反，反调峰送电模式虽然加剧了负荷中心的调峰压力，但与送端风电出力的变化较为一致，由此可充分消纳送端风电，带来显著低碳效益。三种送电模式下送受端系统联合优化运行结果的对比如表4所示。
表4不同送电模式下系统的优化运行结果对比
由于在基础数据中调整了送端的风火装机比例，表4中的弃风比例并不反映锡盟地区的实际情况，然而从各种送电模式下系统优化运行结果的对比可以看出，在满足系统调峰等约束条件的情况下合理安排送电模式可有效减少送端弃风电量，减少系统的碳排放总量并降低系统的运行成本。
结果分析
为表征负荷中心对外区送入风电的消纳能力，计算受端系统风电消纳空间，其计算公式为：
式中，ΩK\W为除风电外的其它机组类型集合。计算表3中三种送电模式下送端系统对受端系统风电消纳空间的利用情况，结果如图5所示。图5中灰色所示区域为受端系统对外区送入风电的消纳空间，即在维持各类机组最低出力及充分消纳本地风电的基础上，仍可留给外区送入风电支撑的负荷。结合图4及图5所示曲线可以看出，反调峰及恒功率送电模式在风电大发期间充分利用了受端系统的风电消纳空间，促进了送端系统风电的消纳。正调峰送电模式则与此相反，该类型送电模式的执行进一步增强了受端系统的调峰能力，但却由于未能充分利用受端系统的风电消纳空间，且受送端火电最小出力及通道最大送电功率的限制而使得送端大量弃风，造成低碳效益流失。
由此可以看出，不同类型的送电模式在辅助受端系统调峰、促进全局风电消纳等方面具有各自的优势和不足。为此，可根据系统机组调峰能力、负荷特性及日前风电出力预测曲线等优化安排输电通道的送电模式，在低碳发展的背景下优化全局系统的运行，降低系统的运行成本。
灵敏度分析
不同风火装机配比
在前述算例分析的基础上将送端风电与火电的装机容量比在1:16～1:2之间调整，对具有不同配比的“风火互济”送出系统分别进行优化分析。对于反调峰送电模式，当风电装机容量较少时，则不足以支撑如表3所示夜间为1.0p.u.的大规模送电需求，为此适当调整峰值送电计划，使其充分满足满足风电的送出需求。恒功率及正调峰参数维持与表3一致不变。由此，得到各种送电模式下系统的运行成本、碳排放量及弃风比例的变化如图6至图8所示。
如图6至图8所示，随着风火装机配比的增大，系统消纳的风电增多，使得系统的运行成本不断降低，但降低趋势随着系统调峰能力的限制逐渐趋于缓和；由于风电对火电的替代作用，系统的碳排放量与运行成本具有类似的变化趋势；由于系统调峰能力及送出通道容量的限制，弃风比例则随着风火装机配比的增大而升高，尤其是在正调峰送电模式下，由于未能充分利用受端系统的风电消纳空间，使得其弃风比例居高不下，反调峰送电模式则利用了受端系统的风电消纳空间，使得在3:8以下风火装机配比的情况下，送端系统的风电均可完全消纳，而当风火配比进一步升高时，由于输电通道容量的限制开始出现弃风现象。
送端火电调峰能力的影响
在一定的送电功率下，送端对风电的消纳能力受其配套火电出力调节能力的显著影响。以恒功率送电模式为例，在表1～表3所示数据的基础上在10％～50％范围内调整送端火电的调峰系数，得到送端弃风比例的变化如图9所示。
从图9可以看出，随着送端火电调峰系数的增大，其对当地风电的消纳能力增强，提高了风电的消纳比例。这是由于在固定的送电功率下，送端风电无法进一步获取更大的受端系统风电消纳空间，仅能通过火电出力的调节才能得以消纳。若需进一步利用受端系统的风电消纳空间，则需对输电通道的送电功率及模式进行调整。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，建立节能低碳发展的送点模式优化模型，其特征在于，模型的决策变量由单个机组提升至一类型机组；将受端系统简化为单个节点，忽略受端电网的网架及损耗，外区送电通道、受端各类型机组及负荷均接在同一节点；在发电机组投运计划的基础上，将各类机组各时刻的出力作为决策变量；对每一单位的碳排放均赋予一定的经济成本，并将其与系统的总运行成本相结合共同作为优化目标；
送受端系统的联合优化模型以系统的总运行成本最小为目标函数，系统的运行成本主要包括发电成本及碳排放成本，即：
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式中，ΩT为优化时段集合；ΩK为机组类型集合；表示第k类机组的单位发电成本；cC表示单位碳排放的经济成本；ek表示第k类机组单位发电产生的碳排放；分别表示输电通道送端和受端第k类机组在第t时刻的有功出力，上标E和I分别表示送端及受端系统；Δt表示模型考虑的基本时间间隔。
2.如权利要求1所述的一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，其特征在于，输电通道送端第k类机组在第t时刻的有功出力和输电通道受端第k类机组在第t时刻的有功出力满足的系统电力平衡约束条件为：
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式中，σL为输电通道的线损率，Dt为受端系统在第t时刻的负荷。
3.如权利要求1所述的一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，其特征在，输电通道第k类机组满足的爬坡约束为：
式中，分别为表示第k类机组升、降出力能力的爬坡率，上标max表示各类型机组的装机容量。
4.如权利要求1所述的一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，其特征在，对于火电、核电及具有一定调节能力的蓄水式水电站常规发电技术，其发电出力应在机组的允许最低出力及最大装机容量之间，即
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式中，上标min表示各类型机组的最小出力；
对于风电、光伏及径流式水电站非常规发电技术，其最小出力可降至零，最大出力则由一次资源条件决定，机组出力应受可用资源限制，即
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式中，为对第k类机组在第t时刻可调度出力的预测值。
5.如权利要求1所述的一种优化安排能源基地外送通道的送电方法，其特征在，送电通道满足的功率约束为
式中，分别为t时刻输电通道允许输送的最大和最小功率值，由联络线功率交换计划确定，fL,t为通道在第t时刻的送电功率；在模型中忽略送端能源基地本地负荷，认为所有机组出力均直接外送，则有
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2
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