电力系统中风力发电的需求响应和灵活性提高研究

电力系统中风力发电的需求响应和灵活性提高研究

贾铭

河北大唐国际新能源有限公司  河北省  068357

摘要：目前，我国电力结构已经逐步实现了绿色化的低碳转型，在成本投入逐步下降、技术水平不断进步、生态环境标准及保护要求越来越高等相关因素的作用下，可再生能源的高速发展和进步，可以推动全球能源供应形式更加多元化。因此，为了提高电力系统的稳定性，应根据单元的约束，将一些生产机组安排在非最佳发电水平。同时为了应对供需双方的重大变化，网络组件应灵活运行，使得运营成本在合理范围内提供不间断的服务。此外，需求响应作为未来智能电网的基本要素，不仅可以减轻不确定的可再生能源资源的影响，还可以用于降低新能源价格。采用需求响应，使客户在面对可再生能源渗透时具有提高网络灵活性的潜力。基于此，文章针对电力系统中风力发电的需求响应和灵活性提高途径进行了分析，以供参考。

关键词：电力系统；风力发电；需求响应；灵活性；提高途径

1导言

风能是一种具有很强应用价值的新型清洁能源，将其利用到发电过程中可以达到节约资源的目的，是资源节约与环境保护的主要体现。但受气压、气温和环境因素影响，风力发电的可靠性相对较差，对此，在电力系统中应用风力发电技术可以有效地提高发电需求和灵活性，旨在通过规划发电机组和响应式消费者来提供必要的灵活性，以便在面对风力发电不确定性和网络突发事件时提供网络稳定性。

2风力发电系统原理

风力发电系统由风力机、传动链、发电机、控制装置等构成，其作用是将清洁的风能转换为电能，再通过风电并网将电能传输至千家万户。风力发电的控制装置用于应对风能的极度不确定性，是将不可控能量向可控能量传递的关键设备。风力机是我们对风力发电系统认知的宏观产物，通常由三片桨叶组成的风轮、塔架等构成。根据安装地点的不同，分为水平面安装的风力机和垂直面安装的风力机两种；按照控制策略不同，还可以将风力机分为定距失速、变距失速和主动失速三种类型。发电机是连接风力机产生的机械能和电能的桥梁，风电并网有极其严苛的条件，不仅要保证并网点电压幅值相同，还需要做到并网频率相同。风力发电机有恒速运行和变速运行两种结构，而变速运行需要与变流器组合使用才能实现。变流器物理结构由二极管、IGBT等功率电子器件组成，通过采用先进的高性能控制算法，可以实现任何频率和幅值的风力发电与大电网相连。此外，随着当前计算机技术的不断发展，风力发电技术日新月异，风力发电机组自动化程度也越来越高，能够达到远程控制。加之风力发电技术具有分布广、效益好、无污染等优势。我国地域广阔，风力资源丰富，只要勘测选址后就可安装风力发电系统，装机容量小，而且后期的设备维护成本较低，电能的利用率高。

3电力系统中风力发电的需求响应和灵活性提高途径

3.1需求响应（DR）

引入适应性强的安全约束调度结构能够优化供需双方的运行，两阶段随机规划用于最有利的供应侧规划。初级阶段决定了系统提前一天的市场输出；第二阶段测量风力发电组件中断和风力发电的不确定性，以便提前一天获得市场出清。使用负荷经济模型，在公式中包括需求方参与。初始需求概况、消费者弹性数据及其参与率作为所需输入。在计算了每个负载总线和时间段的RT速率之后，供应方计划部门有一个输入，即重塑的需求。因此，目标函数将弹性的影响视为负荷的变化和负荷脱落量，这些值会影响储备值。需求侧和供应侧之间的连接可以保证可接受和适应性强的电力系统运行。最后，提取与独立系统运营商（ISO）的经济性和灵活性操作目标相关的输出变量作为输出。

3.1.1需求响应模型

PEM是DR建模中最实用的方式，可以代表消费者的行为和偏好。在这个模型中，需求弹性可以表征为需求相对于周期内价格偏差的第t个区间t的变化。

（1）

式中：Ett′为需求弹性；为t小时的基本价格；dt为t小时的需求量。需求弹性包括单周期和多周期响应。单周期响应涉及持续期间，它会在相应的时间间隔内更改能量使用情况，并且无法将负载转移到其他周期。在多周期响应中，客户可以根据电价在任何周期内更改其使用情况。在多周期响应建模中，弹性因子包括自弹性值和互弹性值。在RT需求响应计划中，高峰时段设定了最高价格。它明确了能量率与负载之间的关系，新能源价格增加可以在高峰时段使负载曲线变平。

（2）

3.1.2定价方案

要找到合适的定价方案，必须考虑几个限制。设计一个DR计划，以充分利用最大的需求响应潜力和消费者对灵活性改进的响应能力。因此，假设最低价格是为最低需求期设计的，ISO应根据需求提高电价，直到达到最高的消费量。通过这种方式，鼓励消费者将负载使用时间转移到最低价格段。因此，在DR计划实施后，负载配置文件更平坦，负载卸除量更少。对价格变化（δπbt）制定24个限制。与其他时间相比，应设置更大的δπbt小时数。对于t=2~8h，δπbt应该是负数，这意味着电价比统一费率便宜；对于t=1，9，15，16，23，24h，δπ

bt设置为0；而对于其他时间设置为正数，这意味着消费者面临的电价高于统一费率。

3.2灵活性测试

图1所示为IEEE79总线测试系统。其中包括26台发电机组、2个风电场、38条输电线路，总负荷为2670MW。每小时负载曲线分为3类：低消耗（2~8h）、非高峰（1，9，14~16，23，24h）和峰值（10~13，17~22h）。每个生产单位的最大增量能源生产成本的价值应该是部署的上、下旋转储备。考虑到可再生能源的大规模整合，应该使风电场提供总发电能力的30%（1200MW）。新能源补贴值和风电成本应分别为20美元/（MW·h）和35美元/（MW·h），风电成本高于新能源补贴值，以ISO纳入最大可及的风力发电。本文还开发了放置在不同地理位置的风力发电机的发电模型，这种策略对于没有足够历史信息的风电场位置非常有用。在第一阶段，采用蒙特卡罗模拟（MCS）和轮盘赌机制进行自适应场景制作，对网络突发事件和负载变化的随机性能进行建模。轮盘赌机制为相应的场景选择负载不确定性及其概率分布。同时，基于其他不可预测性源的网络组件的强制中断率（FOR）实现了MCS，假设网络单元的概率分布和FOR可用。损失负荷值（VoLL）是负荷脱落分配率中起突出作用的关键因素之一，其值可能会因客户类型、时间、持续时间、提前通知时间以及中断的其他特定功能的改变而改变。在实践中，一些工业消费者拥有更高的VoLL，与VoLL较少的消费者相比，他们准备花更多的钱来获得更高的安全级别。因此，VoLL的计算需要对每个网络进行全面研究。VoLL通常为0~53907美元/（MW·h），当VoLL为100~1000美元/（MW·h）时，未供应的能量会随着急剧的斜率而减少。高峰时段的高VoLL会给系统运营商带来过高的成本，而系统运营商可以管理DR计划以减轻如此高昂的费用。经营者可以对未达到的负荷进行处罚，处罚幅度等于市场价格的2倍、5倍。当处罚变得很高时（类似于VoLL），运营商可能更愿意对某些负载应用DR，而不是支付罚款。

图1测试系统单线图

结束语

总之，随着中国现代化的全面发展，各种能源紧缺问题不断涌现，需要重视可再生能源的利用。中国作为一个物产丰富多样的大国，充分具备风力发电的条件，风力发电显得举足轻重，风能作为清洁能源具有环境效益好、可再生和永不枯竭的特点，风电机组基建周期短、装机规模灵活，不仅可以促进中国电力工业的稳定健康发展，也可以促进中国电力行业的稳定和繁荣，也希望提高电力系统中风力发电的需求响应和灵活性，以达到降低发电成本的目的，促进国家能源的可持续发展。

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