风电对电力系统运行的价值分析
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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：TM315文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2011）-12-0-01
一、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。
二、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：（1）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；（2）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]
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：（1）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；（2）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；（3）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。
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。
三、结论
本文从电力系统运行成本的角度分析了风电并网的价值，为制定风电并网系统的发电计划提供了依据，初步得到以下结论：
（一）风电场代替火电机组带部分负荷以后，电力系统的发电成本变动可以分为2部分，即替代成本和附加成本，风电向电力系统提供电力的价值可以用二者之差来衡量。
（二）针对风电的随机性，本文提出了基于随机模拟技术的计算风电价值的方法，数值实例表明该方法是有效的。
（三）风电的价值与风电场所在地的风资源特性、风电机组的技术参数、风电占电力系统负荷的比例，以及配合风电运行的火电机组的耗量特性都有关系。
需要指出的是，本文虽然只讨论了电力系统比较简单的情况，但这种关于风电价值（本文仅限于电力系统运行的范围）的概念性分析方法同样适用于复杂系统。
参考文献：
[1]EPR I.Small system performance under high wind plant penetration[R].1993.
[2]Flaim T,Hock S Wind energy systems for electric utilities:a synthesis of value studies[R].1984.
[3]Bowden G J,Barker P R,Shestopal V O,et el. The W eibull dis2t ribution function and wind power stat ist ics [J].Wind Engineering,1983,(7):85-98.
[4]刘宝碇,赵瑞清.随机规划与模糊规划[M].北京:清华大学出版社,1998.
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