風電對電力系統運行的價值分析

許存龍

摘要：現如今最成熟、經濟效益最好的一種可再生能源發電技術是風力發電。由于能源的快速發展趨勢及國家在政策上高度重視可再生能源發電，我國風力發電建設進入了高速發展階段。本文從電力系統運行的角度，提出了基于隨機模擬技術的定量分析計算風力發電對電力系統運行的價值的方法。定性地描述了風電并網引起的電力系統運行方式的變化和由此帶來的發電成本的變動情況。根據常規火電機組的邊際發電成本曲線，分析了風電價值的構成。指出了風電價值與風電場所在地風資源特性、風電機組技術參數、風電負荷在電力系統負荷中所占比例以及配合風電運行的火電機組的耗量特性有關，給出了計算風電價值和靈敏度分析的數值實例。文中的概念性分析方法也適用于復雜電力系統。

關鍵詞：風力發電；風電價值；邊際成本；隨機模擬技術

中圖分類號： F407 文獻標識碼： A

我國的風力資源比較豐富，但是也存在著難開發問題。比如適宜大規模開發風電的部分地區一般都在電網末端，因為此處電網網架結構比較簡單薄弱，所以風電接入電網后，可能導致電網電能的質量降低、電網穩定性變差和繼電保護遭到破壞等問題。

一、引言

風力發電是一種可再生的清潔能源。從概念上講，風電價值的內涵十分廣泛，風電既能夠帶來顯著的環境效益和社會效益(很難定量計算)，又能夠節省燃料成本。但本文無法涵蓋全部內容，僅從電力系統運行的角度分析風電的價值。電力系統的運行成本可以分為固定成本和可變成本2部分，固定成本只與電場建設投資和還貸方式有關，不隨運行方式的改變而改變，因此在本文的討論中只考慮可變成本部分。風力發電的成本很低，與火電機組相比可以忽略不計。但是，風力發電是一種間歇性能源，風電場的功率輸出具有很強的隨機性，目前的預報水平還不能滿足電力系統實際運行的需要，在作運行計劃時風電是作為未知因素考慮的。為了保證風電并網以后系統運行的可靠性，因此需要在原來運行方式的基礎上，額外安排一定容量的旋轉備用以響應風電場發電功率的隨機波動，維持電力系統的功率平衡與穩定。[1]可見風電并網對整個電力系統具有雙重影響：一方面分擔了傳統機組的部分負荷，降低了電力系統的燃料成本，另一方面又增加了電力系統的可靠性成本。風電并網運行到底能夠給電力系統帶來多大效益，或者說風電的價值究竟有多大？如何計算？主要與哪些因素有關？這是本文要作出回答的問題。

二、風電對電力系統運行的影響

電力系統的發電計劃是根據負荷預報對未來幾天內的發電機組發電功率做出安排，除了要滿足技術約束外，還應該保證：（1）系統具有較強的負荷跟蹤能力，響應分鐘級或小時級的負荷波動；（2）要有足夠的旋轉備用，以彌補負荷的突然變化和預期外的發電機開斷所引起的功率失衡。

大容量燃煤機組與核電機組在滿負荷時效率最高，通常安排這些機組帶基荷。為了不違反機組運行的下限，基荷機組的總容量應略低于系統的最小負荷水平。腰荷一般由參與經濟調度的機組和調頻機組承擔。經濟調度機組如老式化石燃料機組，主要用于跟蹤負荷小時級的變化。調頻機組可以是蒸汽機組、柴油機組或水電機組，其響應速度較快，可以跟蹤負荷分鐘級的變化。燃氣輪機運行成本較高，一般安排帶峰荷。

假定風電機組是“不可控機組”，即在發電計劃中對風電采取不干預的策略，其風電機的發電功率完全取決于風速條件。在這樣的調度原則下,當風電在電力系統內的比例達到一定程度以后，常規機組承擔的突變性負荷將更大。比如原來風電場承擔一定容量的負荷，運行一段時間以后由于風速增大，超過風電機組的切出風速(或風速太小，低于風機的切入風速)，因而風電場輸出功率在幾分鐘到十幾分鐘內就會變為0,其原來所帶負荷將由旋轉備用機組承擔。由于這種情況是經常發生的，因此在電力系統內需要適當提高旋轉備用的比例，以維持電力系統運行的可靠性水平。再比如，夜間負荷低谷期往往是風電機發電功率較高時段，風電場的發電功率很可能過剩，為了不限制風電場的輸出功率，不得不減少在線運行的基荷機組數量，改由經濟調度機組發電。此外，風電的隨機波動與負荷的波動疊加在一起，因而使常規機組需要承擔的小時級或分鐘級的波動負荷將更大。其結果是：（1）使得經濟調度機組代替效率高的基荷機組承擔更多的負荷；（2）如果基荷機組所帶負荷低到不能接受的水平時則要放棄風電；（3）分鐘級的負荷波動則需要系統安排更多的常規機組參與調頻。

由上可見，為了不限制風電場輸出功率并維持電力系統的可靠運行，電力系統的運行方式需要適當調整。調整后電力系統的旋轉備用容量增加了，部分負荷從生產成本較低的高效機組向生產成本較高的調頻或經濟調度機組轉移，因而調整的直接后果是增加了電力系統的費用，帶來了懲罰性成本，風電的價值也就打了折扣。因此，風電價值應該反映它所替代的燃料成本和由于其并網運行而導致的懲罰性成本。

三、從電力系統運行成本的角度分析了風電并網的價值，為制定風電并網系統的發電計劃提供了依據，初步得到以下結論：

（一）風電場代替火電機組帶部分負荷以后，電力系統的發電成本變動可以分為2部分，即替代成本和附加成本，風電向電力系統提供電力的價值可以用二者之差來衡量。

（二）針對風電的隨機性，本文提出了基于隨機模擬技術的計算風電價值的方法，數值實例表明該方法是有效的。

（三）風電的價值與風電場所在地的風資源特性、風電機組的技術參數、風電占電力系統負荷的比例，以及配合風電運行的火電機組的耗量特性都有關系。

需要指出的是，本文雖然只討論了電力系統比較簡單的情況，但這種關于風電價值（本文僅限于電力系統運行的范圍）的概念性分析方法同樣適用于復雜系統。

結論

隨著經濟的飛速發展，電網接入風電的容量增加，大量風電功率的遠距離輸送會造成線路電壓水平過度下降，增大風電場的無功需求和電網線路的無功損耗。當系統電壓水平較低時，并聯電容器的無功補償量快速降低，會造成風電場對電網的無功需求上升，進而惡化電壓水平，危急的情況下會導致電網電壓瓦解。

參考文獻：

[1] 嚴干貴，祝明佳，崔揚.雙饋式變速恒頻風力發電機的建模與仿真[C]//第十一屆全國電工數學學術年會論文集.2007.

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