1. 引言
随着我国大规模风电的并网,风电远距离输送和常规能源逆向调峰带来的网损激增问题日益凸显。而在大规模风电基地附近接入电网的高载能负荷具有良好的调节特性,若跟踪风电进行调节,可就地消纳风电,将对电网的降损起到非常可观的效果 [1] [2] 。
目前国内外在风电并网带来的网损影响及降损措施方面进行了一定的研究。其中,文献 [3] 研究了风电并网后,各因素对网损的影响机理,并根据甘肃河西电网的特点提出了降损控制措施;文献 [4] 在现有线损分析方法的基础上,提出了解决风电功率双向流动问题的新方法。此外,国内外对于高载能负荷调节能力及其参与荷-网-源协调控制方面也有研究。文献 [1] [2] 分析了高载能负荷的特性,并对高载能负荷参与荷-网-源协调控制方面进行了深入研究。综上所述,目前对于电网降损策略及高载能负荷特性已有一定的研究,但对于高载能负荷参与调节对大规模风电接入电网降损的影响机理及降损控制方面研究甚少。
本文对高载能负荷调节对电网降损的综合作用机理进行了分析,研究了高载能负荷的调节特性,提出了高载能负荷参与调节的降损控制策略。在理论分析的基础上,结合大规模风电接入的甘肃河西地区电网运行实例进行仿真,验证了降损控制策略的有效性。
2. 高载能负荷参与调节对电网降损的作用机理
2.1. 风电出力对网损的影响
风电出力具有明显的波动性 [5] [6] 。图1为我国某地区的典型日风电出力波动曲线。图2为我国某地区风电出力与网损的关系曲线。由图1可以看出,风电日内出力具有明显的波动性,且波动范围较大。分析图2曲线可知,风电小发(即风电相对出力小于10%)时,随着风电出力的增加,网损减少。此种情况是由于风电出力增加,减小了常规能源向风电基地附近负荷远距离输送的功率,减小了输送过程中产生的有功损耗,表现为网损率略有降低。风电大发(即风电相对出力大于10%)时,随着风电出力增加,风电经远距离输电线路向负荷中心输送的功率增大,电网网损率增加。
2.2. 高载能负荷跟踪风电波动进行调节对电网降损的作用机理
在我国,大规模风电基地大多距负荷中心较远,风电需要进行远距离输送,从而增大了途径电网的
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Figure 1. Curve: wind power output fluctuation on a typical day
图1. 典型日风电出力波动曲线
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Figure 2. Curve: relationship between wind power output and network loss
图2. 风电出力与网损的关系图
网损 [7] 。由于常规能源与风电具有逆向分布的特点,在常规能源调峰过程中也会带来较大的电网损耗。而在大规模风电基地建有的高载能负荷具有较好的调节特性,如果基于风电的波动变化进行调节可在风电多发时就地消纳部分风电,可显著降低大规模风电接入电网的网损。图3为高载能负荷与大规模风电接入电网的简化接线示意图。本文以该图为例,研究高载能负荷参与调节对电网降损的作用机理。
如图3所示,线路1-2-3为750 KV远距离输电线路,线路两端分别连接区域电网和负荷中心,流经线路1-2、2-3段的功率分别为
、
,功率方向为1→2→3。大规模风电出力为
,升压后接入超高压输电网络;节点2处高载能负荷功率大小为
;节点6处当地负荷功率大小为
;常规能源出力为
;负荷中心处功率大小为
。
根据网损计算公式
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Figure 3. Simplified wiring graph with integration of wind power and high energy load
图3. 高载能负荷与大规模风电接入的电网简化接线示意图
(1)
考虑到线路损耗远小于线路输送功率,故忽略线损对流经线路功率的影响,得到图中系统总的网损为:
(2)
其中,
为变压器
上的损耗,考虑到超高压线路上线路电阻损耗远大于变压器损耗,故忽略330KV电压等级上的变压器损耗,总网损为
(3)
其中,
(4)
(5)
风电大发时
,流经线路的有功功率
均为正。系统满足功率平衡,故
,其中
为区域电网送入功率。假设在风电、高载能负荷及常规能源的功率变化前后,区域电网送入功率
、负荷
、
的变化不大,可忽略不计。
此时风电有功功率增大
,若高载能负荷不参与调节,为保证功率平衡,需满足
,即常规能源下调节量
。假设系统经无功优化控制,风电变化前后输电线上的电压变化可以忽略;无功功率变化并非本文研究重点,在此处不予考虑。此时,流经线路5-1-2-3的功率均增大
,系统总网损为
(6)
若高载能负荷参与降损调节,为保证功率平衡,需满足
,即
,其中
为高载能负荷上调量。此时,与高载能未参与调节时相比,流经线路4-5、线路1-2功率不变,流经线路2-3的功率降低了
,系统总网损为
(7)
系统总网损变化量为
(8)
由于风电大发时,
且
,故式(8)中
,即风电大发时,上调高载能负荷可使电网的总有功损耗降低。
风电小发时,
,此时
,
,即线路2-3上功率方向与图中方向相反,由常规能源倒送功率为当地负荷及高载能负荷供电。当风电出力减少
,若高载能负荷未参与调节,与风电大发时同理,为保证功率平衡,常规能源上调节量
,总网损变化为
(9)
若高载能负荷参与调节,为保证功率平衡,需满足
,即
,其中
为高载能负荷下调量。显然,高载能负荷调节后,流经线路1-2-3的功率降低 ,系统总网损为
(10)
将式(9)与式(10)作差,得系统总网损变化量为
(11)
由于
且
,故式(11)中
,即风电小发情况下,下调高载能负荷可有效降低系统总有功损耗。
综上所述,高载能负荷响应风电变化进行调节,对电网降损将产生显著效果;风电大发情况下,上调高载能负荷用电功率,减少风电远距离输送功率,可以有效降低网损;风电小发情况下,下调高载能负荷用电功率,减少常规能源远距离逆向调峰输送功率,也可有效降低电网的总有功损耗。
3. 高载能负荷调节特性
高载能负荷是指生产过程中包含高耗能环节的一类特殊用电负荷,根据高载能行业初步调研结果,高载能负荷具有不同程度的可离散调节和可连续调节的特性 [8] 。高载能负荷类型众多,本文主要对两类典型高载能负荷进行分析:
(1) 具有可离散调节特性的电解铝负荷
电解铝负荷可以通过改变槽电压的方法调节负荷功率,且此方式除了影响产量外,对产品质量和生产安全均无影响,具有可行性 [9] [10] 。根据前人对电解铝负荷的研究及调研结果,从功率角度,电解铝负荷在90%~105%的范围内具有调节能力;从调节周期来看,为保证电解铝企业的经济效益,至少应当确保电解铝负荷在上调5%的用电功率上连续运行4小时,且电解铝负荷不能长时间处于超额定功率运行的状态。因此电解铝负荷具有可离散调节特性。
根据电解铝负荷的性质,电解铝负荷进行第k次调节前后的特性曲线如图4所示,则电解铝负荷在t时段的用电负荷
可以表示为:
(12)
其中,
为第k次调节前的用电负荷,
是第k次调节后的用电负荷,
是第k + 1次调节后的用电负荷,
为第k次调节的持续时间且
。根据电解铝负荷的特性,上述公式需满足以下约束条件:
(13)
其中,
分别为电解铝负荷可调节范围的上下限,
为电解铝负荷调节持续时间的上下限,仅当
时,
的上限约束
才存在。当
满足上述约束时,电解铝负荷可调节,当
时,电解铝负荷不可调节,而当
时,说明负荷超额定功率运行时间过长,需及时下调电解铝负荷至额定功率以下。
(2) 具有可连续调节特性的铁合金负荷
铁合金负荷中主要包括冶炼炉及相关辅助设备。铁合金采用按炉生产的方式,因此可通过调节每炉的产量及生产时间来调整其用电负荷。根据现有的调研报告,铁合金负荷在一定范围内具有可连续调节特性,可连续调节容量的上限可达到负荷额定容量的105%,其出力主要受可调节容量上下限约束和爬坡率约束。
4. 高载能负荷参与调节的降损控制策略
由于电解铝负荷有调节持续时间约束,不能连续调节,而铁合金负荷具有连续调节特性,所以降损控制策略采取优先调节电解铝负荷,之后调节铁合金负荷,最后再调节常规能源的模式。当风电大发时,高载能负荷进行响应调节增加用电功率,风电小发时,高载能负荷减少用电功率,以达到降损目的。高载能负荷参与调节的降损控制策略的流程图如图5所示。
具体步骤为:
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Figure 4. Curve: the characteristic of load of aluminum plant
图4. 电解铝负荷特性曲线
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Figure 5. Flow diagram of network loss reduction control strategies
图5. 降损控制策略流程图
步骤1:根据风电预测曲线和设定的门槛值判断风电大小。
步骤2:风电大(小)发时,根据电解铝负荷调节容量约束及调节持续时间约束,判断电解铝负荷是否可调节,若可调节则上(下)调电解铝负荷,反之,则不调节。
步骤3:根据铁合金负荷调节容量上下限约束,判断其是否可调节,若是,风电大(小)发时上(下)调铁合金负荷,反之则不调节。
步骤4:调节常规电源出力。
步骤5:电网安全校核,若校核满足要求,进行步骤5,反之,返回步骤2。
步骤6:计算得到高载能负荷参与调节后的网损量。
5. 仿真分析
5.1. 仿真条件
河西电网位于甘肃西部的河西走廊,是典型的链式远距离输电网络,其电网结构如图6。图中可见,河西电网中大规模风电集中在敦煌和酒泉地区,高载能负荷集中在酒泉地区接入电网,电气距离较近。
仿真的风电出力依据河西地区典型日的风电出力曲线,如图7所示,风电最大出力达到3300 MW,最低出力为500 MW。高载能负荷的基本调节信息如表1所示。
5.2. 仿真分析
为验证降损控制策略的有效性,比较“无策略”与“有策略”两种情况下河西地区网损率的变化。“无策略”时,高载能负荷不参与调节,电解铝负荷日内功率保持650 MW不变,铁合金负荷日内保持功率92 MW不变。“有策略”时,根据上述降损控制策略,风电大发(功率大于600 MW),上调高载能负荷,风电小发(小于600 MW)时,下调高载能负荷,得到电解铝负荷日投入容量变化曲线如图8所示,铁合金负荷调节情况如图9所示。
以小时为单位进行潮流计算,得到日24个时间点的网损量,计算得到“无策略”与“有策略”时甘肃网损情况,如表2所示。
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Figure 7. Curve: forecasted wind power output on a typical day
图7. 典型日风电预测出力曲线
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. System resulting data of standard experiment
表1. 标准试验系统结果数据
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Comparisons of the line losses of Gansu grid between before and after taking loss reduction strategies
表2. 采取降损策略前后甘肃网损情况对比
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Figure 8. Curve: capacity of load of aluminum plant put into operation
图8. 电解铝负荷投入容量曲线
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Figure 9. Curve: the adjustment of ferroalloy load
图9. 铁合金负荷调节曲线
根据仿真结果,与“无策略”相比,实施高载能负荷参与调节的降损控制策略后,在风电大发场景下电网有功损耗降低1.76%,风电小发场景下电网有功损耗降低0.74%,平均降低幅度达到了1.6%,验证了降损策略的有效性。
6. 结论
本文以大规模风电基地建有高载能负荷为研究背景,对高载能负荷跟踪风电波动进行调节对电网降损的影响机理进行了研究。在此基础上,对高载能负荷离散和连续两种调节特性进行了分析,提出了高载能负荷基于风电波动进行调节的降损控制策略。最后,仿真证明在风电大发和小发的场景下,控制策略的实施能分别使电网有功网损降低1.76%和0.74%,验证了策略的有效性。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(51377053);国家科技支撑计划(2015BAA01B04);国家电网公司项目(52272214002C)。