考虑旋转备用环境成本的风电环境效益评价方法

考虑旋转备用环境成本的风电环境效益评价方法

姜姗李元钊

（国网北京市电力公司北京101100）

摘要：为应对电网中大规模接入的随机波动性风电功率的影响，电网需要安排额外的火电机组旋转备用容量以保证电力系统的功率平衡，进而会对环境产生负效益。因此在考虑风电环保效益同时也应体现因系统安排额外旋转备用的辅助措施给环境造成的损失。本文分析了因风电接入量增大引起的旋转备用增加产生的环境负效益，提出了“旋转备用环境成本”概念。构建了一种风电环境效益评估方法，用于评估含火电和风电的电力系统中向上旋转备用容量不足情况下风电的节能减排效益。通过算例对风电环境效益进行计算，验证了文中建立的环境效益模型，并分析了合理弃风对增大风电环境效益的影响。

关键词：风电；旋转备用；环境效益；合理弃风

0引言

随着全球性能源和环境问题的日趋凸显，风能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源得到了广泛关注[1-3]。近年来在政府的大力促进和支持下我国的风电产业发展迅猛，截止至2016年末，全年新增风电装机1930万千瓦，累计并网装机容量达到1.49亿千瓦。

由于风电功率的随机性和波动性，当电网中所接纳的风电容量超过一定份额时，电网需要安排额外的旋转备用容量来应对风电功率的随机波动，而带来环境产生负效益，为合理体现风电环境效益，在考虑其环保效益同时也应合理体现其辅助措施给环境造成的损失。如何衡量风电接入后电力系统的环境效益，一直是比较有争议的问题。

本文分析风电接入情况对其他火电机组出力和旋转备用安排的影响，考虑系统旋转备用的环境负效益，引入“旋转备用环境成本”的概念，构建了风电环境效益评估模型，最后通过算例验证效益评估模型的合理性。

1旋转备用环境成本

风电的节能减排效益主要体现在风电功率对传统电厂发电功率的替代所减少的一次能源消耗和污染物排放量。由于风电功率替代火电功率的节能减排效益明显[6]，因此，本文中研究对象是含大规模风电且以火电调峰为主的电网。

本文把风电接入后旋转备用容量增大造成的燃料成本和温室气体排放成本定义为“旋转备用环境成本”。由不同容量火电机组的煤耗特性曲线火电机组发电煤耗率随机组出力下降而增加。尤其在向上旋转备用容量不足的电力系统中，若风电接入量不断加大，可能采取增开机组或其他辅助措施来保证旋转备用容量充足，将对环境造成危害。由以上分析可知，风电环境效益除了包含风电对火电的替代效益之外还应计及风电辅助服务对环境产生的负效益，本文定义为“旋转备用环境成本”。

1.1旋转备用环境成本计算方法

中短期备用容量从功能上有负荷运行备用和事故备用之分。在目前的调度策略下，风电接入的备用容量增加，只是负荷备用容量的增加，而事故备用容量不变。传统方法计算的备用容量通常为：系统负荷的固定比例[7]。

文献[8]的研究表明，传统系统中影响备用容量的主要不确定因素是负荷，风电场并网后，其输出功率随风速波动，使不确定因素进一步增多。文献[9-10]统计资料表明，负荷在预测值附近随机波动概率属于正态分布，方差大小与负荷预测的准确性相关。

由于旋转备用的燃料成本和排放成本难以准确描述，模型中旋转备用成本按照电网向电厂购买旋转备用容量的平均价格来确定。

一定时间t内风电并网所增加的旋转备用环境成本由上述参数求出。

2风电环境效益评价方法

2.1风电环境效益评估模型

通常情况下，单位出力的火电成本可以用火电机组发电煤耗率、输出功率、原煤价格和CO2排放许可价格表示。

发电煤耗率是机组出力的函数，随机组输出功率的降低而增加。一般发电煤耗率可表示成二次函数形式[11]。

单位风电功率替代的火电功率成本可表示为单位火电机组出力的煤耗成本与排放成本之和。

风电的环境效益可表示为单位风电功率替代的火电功率成本与分摊的总旋转备用成本之差。

2.2基于风电环保效益的系统优化调度

节能减排、走可持续发展道路是大规模发展风电的主要目的。风电产生的环保效益最大化应是含风电的电力系统调度的一项重要原则。

影响风电环境效益的火电机组运行状态和旋转备用容量都随风电输出功率变化而变化。所以，影响风电环境效益的首要因素为风电穿透功率。

从风电接入的环保目的出发，当风电输出功率高于最优值时，电力系统可以考虑合理弃风。

3算例分析

本文以某风电接入火电调峰系统为例，对不同穿透功率下单位风电电量产生的环境效益和风电环境总效益进行定量评估。

其中风电场额定装机容量为350MW，火电机组额定容量为900MW，系统总负荷（含联络线外输功率）为800MW且保持不变，初始时段负荷全部有火电机组承担。风电功率从0MW递增至228MW的过程中，火电机组出力将递减。负荷备用容量为最大负荷的10%，备用容量的价格平均值Pc为280元/MWh。

算例设计中所需各类经济参数均来源于参考文献。

3.1风电环境效益算例分析

由算例系统在上述运行状态下单位风电环保效益曲线，可以看出在风电接入量较小的时段单位风电效益显著增加，之后增加速度降低，在单位风电环境效益达到最大值后，经过缓慢降低后在第13时段之后降低速度加快。

基于风电环境效益的系统优化调度目标函数，风电接入系统的总环保效益在达到最大值时，风电接入量使得风电的节能减排效果最好，若继续增大风电接入量，环保效益将降低。

3.2保证风电环保总效益最优的合理弃风方案及其效益分析

由上述分析可知在某一电力系统中，从环保的角度出发，合理弃风是提高风电环保效益的有效措施。经计算可知风电环境效益总量到达最大值之后采用弃风策略，每日风电环境效益增加68600元。

4结论

针对火电调峰为主的电网风电环保效益评估方法进行了研究，主要结论如下：

1）因风电穿透功率增加引起的旋转备用容量增加将增大系统的燃料成本和温室气体排放成本，此成本定义为“旋转备用环境成本”。

2）提出了一种风电环保效益的定量评估方法，可实现风电接入对全系统节能减排贡献的定量评估，其结果可为大规模风电并网优化运行提供决策依据。

3）算例分析表明，当风电接入量较小时风电环境效益上升较快，对某一系统存在风电接入最优值，当风电接入量超过最优值之后风电环境效益反而因风电接入量加大而减少，合理弃风能够增加风电环境效益。

参考文献：

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作者简介：

姜姗（1986-），女，硕士，工程师。主要从事电网智能信息处理技术研究。E-mail：22569885@qq.com，通信作者。

李元钊（1986-），男，学士，工程师。主要从事电力调度运行技术研究。