風(fēng)電并網(wǎng)的可用輸電能力分析綜述

李鵬飛，肖隆恩，胡婕

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

隨著進(jìn)一步深化電力體制改革，我國要努力建成堅(jiān)持清潔、高效、安全、可持續(xù)發(fā)展的具有有效競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和市場(chǎng)體系的電力新體制。這就意味著將來會(huì)有越來越多的可再生能源并網(wǎng)，可再生能源并網(wǎng)發(fā)電可以保護(hù)環(huán)境、減少大氣污染。而經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，風(fēng)能已經(jīng)成為比較具有發(fā)展前景的可再生能源。迄今為止，風(fēng)電已比除水電外的其他可再生能源技術(shù)更成熟、開發(fā)條件更具規(guī)模和商業(yè)化發(fā)展更有前景［1］。但在電力市場(chǎng)環(huán)境下，由于風(fēng)電出力的隨機(jī)性和間歇性，可能造成系統(tǒng)違反輸電的安全性限制而導(dǎo)致輸電阻塞。因此，風(fēng)電并網(wǎng)的可用輸電能力分析就具有很重要的理論和實(shí)際工程意義。

2 可用輸電能力的定義

在20世紀(jì)70年代，已經(jīng)開始計(jì)算電力系統(tǒng)區(qū)域間的功率傳送能力，當(dāng)時(shí)稱為輸電交換能力(TIC:Transmission Interchange Capability)。此后人們也把它叫做電網(wǎng)傳輸容量(TC:Transmission Capability)。在電網(wǎng)的跨區(qū)域互聯(lián)的不斷發(fā)展和電力改革的市場(chǎng)化進(jìn)程不斷加深的過程中，電網(wǎng)可用輸電能力(available transfer capability，ATC)的準(zhǔn)確確定對(duì)保證市場(chǎng)交易的順利進(jìn)行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用［2］。自上個(gè)世紀(jì)的最后十年起，由于電網(wǎng)的市場(chǎng)化改革，各國電力工業(yè)組織先后對(duì)電力系統(tǒng)輸電能力做了不同的定義。其中，國際廣泛認(rèn)同的是1995年北美電力系統(tǒng)可靠性委員會(huì)(NERC)給出的ATC的定義。它指出ATC是在現(xiàn)有的輸電合同基礎(chǔ)上，輸電網(wǎng)絡(luò)中剩余的用于商業(yè)用途的傳輸容量。從數(shù)值上定義，可用輸電能力可以表示為線路最大的傳輸容量，除去輸電的可靠性裕度，再除去線路的現(xiàn)存輸電協(xié)議的總和，最后去除線路的容量裕度。如下式所示:

ATC=TTC－TRM－ETC－CBM

式中:TTC——是線路最大電能傳輸能量(Total Transmission Capability)，表明了在滿足系統(tǒng)各種安全可靠性要求下，互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上總的輸電能力;

TRM——是輸電可靠性裕度(Transmission Reliability Margin)，表明了不確定因素對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)間輸電能力的影響;

ETC——是現(xiàn)存輸電協(xié)議(Existing Transmission Commitment)，表明了現(xiàn)有輸電協(xié)議占用的輸電能力;

CBM——是容量效益裕度(Capability Benefit Margin)，表明了為保證電力用戶的供電可靠性，需要在現(xiàn)有的最大傳輸容量中留有一部分容量，以確保某些發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障后互聯(lián)系統(tǒng)中的備用發(fā)電機(jī)容量的順利啟用，并且不會(huì)引起輸電阻塞。

3 可用輸電能力各個(gè)組成部分的分析及確定

3.1 確定最大傳輸容量

可用輸電能力是用來評(píng)估在將來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)區(qū)域間或點(diǎn)間剩余的輸電能力。計(jì)算ATC的關(guān)鍵是確定TTC，而確定TTC就是確定從送電區(qū)域到受電區(qū)域通過聯(lián)絡(luò)線可傳送的最大有功功率。其中“區(qū)域”既可以是相互互聯(lián)系統(tǒng)的分支系統(tǒng)，也可以是各個(gè)不同的電力聯(lián)合運(yùn)營中心(Power Pool)等。TTC的確定必須滿足系統(tǒng)的安全性限制，TTC的安全性限制主要是滿足系統(tǒng)的物理和電氣特性，包括［3］:

(1)發(fā)電機(jī)容量:發(fā)電機(jī)有、無功出力不能超過機(jī)組出力的上下限;

(2)節(jié)點(diǎn)電壓:母線電壓不能超過系統(tǒng)規(guī)定的電壓上下限;

(3)線路熱容量:線路傳輸容量不能越過其傳輸容量上下限;

(4)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性:系統(tǒng)的功角和電壓要保持在其規(guī)定范圍內(nèi)。

3.2 確定輸電可靠性裕度

為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要留有一定量的傳輸容量來評(píng)估可用傳輸容量，這一定量的傳輸容量就稱為輸電可靠性裕度。引進(jìn)可靠性裕度是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)日常運(yùn)行中存在各種不確定因素，為確保輸電阻塞在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生。各種設(shè)備的檢修，負(fù)荷的劇烈變化，甚至是氣候的變化等等構(gòu)成不確定因素。除了系統(tǒng)的不確定性因素外，所計(jì)算的可用輸電能力時(shí)間的長(zhǎng)短也影響輸電可靠性裕度的大小。計(jì)算的可用輸電能力時(shí)間跨度越大，其輸電可靠性裕度也需要相應(yīng)擴(kuò)大，以包含更長(zhǎng)時(shí)間跨度下更多的不確定因素。現(xiàn)在還沒有一套明確的計(jì)算方法計(jì)算輸電可靠性裕度，在ATC的計(jì)算中，一般有以下幾種方法來對(duì)TRM進(jìn)行處理:①輸電可靠性裕度是由某一確定數(shù)量的系統(tǒng)輸電容量構(gòu)成［4］;②輸電可靠性裕度是由TTC中的某一百分比構(gòu)成;③在系統(tǒng)的基準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)下，反復(fù)計(jì)算各種預(yù)想故障下電網(wǎng)的輸電能力，輸電可靠性裕度是由最壞預(yù)想故障條件下的電網(wǎng)輸電能力與TTC的差構(gòu)成［5］;④用靈敏度分析法來計(jì)算輸電可靠性裕度［6］。

3.3 確定輸電容量效益裕度和現(xiàn)存輸電協(xié)議

由上述第2節(jié)給出的定義可知，輸電容量效益裕度是被負(fù)荷服務(wù)企業(yè)能從互聯(lián)系統(tǒng)獲得出力，滿足區(qū)域發(fā)電可靠性要求的容量。因此，估算系統(tǒng)的容量效益裕度可以使用“計(jì)算單個(gè)區(qū)域發(fā)電可靠性”的方法［7］。而現(xiàn)存輸電協(xié)議是指現(xiàn)階段已經(jīng)確定的電能輸電協(xié)議。有些電能輸電協(xié)議的電能傳輸已經(jīng)開始，但有些電能輸電協(xié)議的電能傳輸還沒發(fā)生，但是電能輸電協(xié)議卻已經(jīng)確定。所以，無論電能輸電協(xié)議中的電能傳輸是否發(fā)生，只要電能輸電協(xié)議已經(jīng)確定，在可用輸電能力的評(píng)估中都需從最大傳輸容量中將ETC去除。

4 含風(fēng)電的系統(tǒng)可用輸電能力分析的模型及其算法

4.1 含風(fēng)電的系統(tǒng)可用輸電能力分析的模型

含風(fēng)電的電力系統(tǒng)的可用輸電能力的研究側(cè)重面各有不同。文獻(xiàn)［8］從風(fēng)電功率的不確定性可能造成線路輸電阻塞進(jìn)而限制系統(tǒng)輸電能力的角度，研究了風(fēng)電場(chǎng)位于不同區(qū)域和節(jié)點(diǎn)時(shí)，其輸出功率對(duì)系統(tǒng)區(qū)域間輸電能力的影響。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］都將風(fēng)電機(jī)組作為PQ節(jié)點(diǎn)模型，來研究風(fēng)電機(jī)組和可用輸電能力之間的關(guān)系，最后揭示了系統(tǒng)接入風(fēng)電前后可用輸電能力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)［11］研究了電力系統(tǒng)ATC在大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后受到的影響。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速和輸出功率利用時(shí)間序列模型來描述，而對(duì)包含風(fēng)電場(chǎng)的ATC采用序貫蒙特卡洛仿真的方法進(jìn)行概率評(píng)估;采用關(guān)鍵約束下的交流潮流方法來計(jì)算每一抽樣狀態(tài)的ATC;最后，由期望值、方差及相應(yīng)的年度化指標(biāo)來評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)對(duì)ATC的影響。文獻(xiàn)［12］是研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后短期內(nèi)對(duì)系統(tǒng)ATC的影響。該文獻(xiàn)把異步風(fēng)機(jī)看作為PQ模型，研究異步風(fēng)機(jī)的工作原理，最后揭示風(fēng)電場(chǎng)接入后系統(tǒng)在一天24小時(shí)內(nèi)的可用輸電能力隨著風(fēng)電場(chǎng)出力的變化而變化的規(guī)律。以上介紹了幾種風(fēng)電并網(wǎng)后的可用輸電能力的研究模型，各個(gè)模型的側(cè)重點(diǎn)都有所不同，所建立的模型也因此有所區(qū)別。但是，各個(gè)模型都是考慮到風(fēng)電的不確定性而導(dǎo)致并網(wǎng)前后系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)所要發(fā)生的變化。

4.2 模型的求解方法

系統(tǒng)的可用輸電能力指導(dǎo)著電力市場(chǎng)行為。因此，需要對(duì)系統(tǒng)的可用輸電能力進(jìn)行定期更新。由可用輸電能力預(yù)測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)短，系統(tǒng)可用輸電能力的計(jì)算一般可被分為在線可用輸電能力計(jì)算和離線可用輸電能力計(jì)算。

4.2.1 在線可用輸電能力的求解

在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，把某一已經(jīng)確定的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)，分別求取所有N－1故障下(一般只需選擇可能最嚴(yán)重的故障)系統(tǒng)區(qū)域間或點(diǎn)間最大的剩余容量，把基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)下的ATC值和所有故障狀態(tài)下的ATC值進(jìn)行比較，最小的ATC值便為該運(yùn)行狀態(tài)下的最終ATC，該種算法就稱為在線可用輸電能力計(jì)算。由于對(duì)故障的處理方式使得計(jì)算量減少很多，該種算法也被叫做確定性算法。確定性算法列舉以下三種:

(1)直流潮流法

直流潮流法是一種近似估算的算法。由于在正常運(yùn)行情況下，電網(wǎng)各處的電壓水平都保持在額定值附近，此時(shí)忽略線路的接地支路的影響和串聯(lián)支路的電阻。只由電抗來表示線路的物理特征，這樣便可將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題。此種方法方便快捷且魯棒性好，但是由于沒有計(jì)及無功功率和電壓的影響，因此有一定的誤差。文獻(xiàn)［13］即是用該方法算系統(tǒng)的ATC值。

(2)連續(xù)潮流法

在基態(tài)潮流的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)負(fù)荷增長(zhǎng)因子來克服雅克比矩陣奇異，進(jìn)而克服系統(tǒng)接近穩(wěn)定極限運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的收斂難題，成功解決基態(tài)潮流在崩潰點(diǎn)外無解和在崩潰點(diǎn)附近不可靠收斂問題的方法稱為連續(xù)潮流法。因此，該方法可以對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)潮流進(jìn)行連續(xù)追蹤從而得到系統(tǒng)的ATC值。該方法相比直流潮流法計(jì)算精度有所提高，但是該方法由于需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的潮流迭代，在線評(píng)估不能使用該方法。文獻(xiàn)［14］就是使用該方法計(jì)算交直流系統(tǒng)的ATC值。

(3)最優(yōu)潮流法

在連續(xù)潮流法的基礎(chǔ)上再進(jìn)行優(yōu)化便是最優(yōu)潮流法。在保證不違反系統(tǒng)的某些安全約束的前提下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率、可變變壓器分接頭等控制變量來進(jìn)一步增大系統(tǒng)的可用輸電容量，使最優(yōu)潮流法的結(jié)果相較于連續(xù)潮流法不再過于保守。但是該方法同樣存在一定的弊端:首先，該方法同樣無法滿足系統(tǒng)在線計(jì)算的要求;其次，最終得到的運(yùn)行點(diǎn)可能是一個(gè)實(shí)際無法達(dá)到的點(diǎn)，只是一個(gè)理想方案。文獻(xiàn)［15］就是使用該算法。

4.2.2 離線可用輸電能力的求解

離線ATC計(jì)算就是對(duì)未來較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的ATC值進(jìn)行預(yù)測(cè)。離線ATC值的計(jì)算一般采用基于概率模型的求解方法，目的是使計(jì)算的ATC值的精確性滿足電力市場(chǎng)的要求和使計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量大大減少。該方法把ATC看作是隨機(jī)變量的函數(shù)，通過該隨機(jī)變量來表達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和描述系統(tǒng)中的各種不確定因素，進(jìn)而運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)理論分析ATC的概率分布和特征指標(biāo)等信息。其計(jì)算方法有以下幾類:

(1)隨機(jī)規(guī)劃法

運(yùn)用隨機(jī)規(guī)劃法計(jì)算ATC值時(shí)，需要同時(shí)考慮輸電線路故障、發(fā)電機(jī)故障和負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差三種不確定因素。輸電線路故障和發(fā)電機(jī)故障是服從0－1分布的隨機(jī)變量，而負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差是可以看作為服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。計(jì)算ATC值時(shí)，先用二階段求索隨機(jī)規(guī)劃法(SPR)把離散型隨機(jī)變量轉(zhuǎn)化為連續(xù)型隨機(jī)變量，對(duì)得到的連續(xù)型變量再運(yùn)用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃法(CCP)進(jìn)行處理，最后得到基于概率模型的ATC值。該算法計(jì)算過程太過繁瑣復(fù)雜，無法在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中推廣。文獻(xiàn)［16］便是用的該算法。

(2)狀態(tài)枚舉法

狀態(tài)枚舉法即是將系統(tǒng)中所有的可能運(yùn)行狀態(tài)及各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的概率都進(jìn)行考慮，對(duì)所有可能出現(xiàn)的系統(tǒng)狀態(tài)都一一進(jìn)行可用輸電能力分析。該算法全面地考慮了系統(tǒng)中的各種不確定性，計(jì)算精度較高。但是該算法的計(jì)算量也因此非常龐大，無法對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)［17］對(duì)該算法有所介紹。

(3)蒙特卡洛模擬法

該算法也稱作統(tǒng)計(jì)模擬方法。該算法對(duì)某一事件進(jìn)行隨機(jī)抽樣，通過某一事件出現(xiàn)的頻率估計(jì)該事件的概率。隨著抽樣次數(shù)的增加，該算法的結(jié)果也越來越趨近于狀態(tài)枚舉法的確定性結(jié)果。該算法簡(jiǎn)單快速，計(jì)算的時(shí)間與問題的復(fù)雜程度近似成正相關(guān)。因此，該算法比較適于求解不確定因素眾多的大系統(tǒng)。文獻(xiàn)［18］便是用該方法處理含風(fēng)電場(chǎng)的ATC值計(jì)算問題。

5 總結(jié)

隨著電力體制改革的加深和人們的環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的風(fēng)電等清潔能源并網(wǎng)將成為大勢(shì)所趨。而現(xiàn)今的電力系統(tǒng)可用輸電能力分析的方法速度過慢和計(jì)算的結(jié)果過于保守，使得難以滿足電力的市場(chǎng)化進(jìn)程。探討一種能夠快速準(zhǔn)確的計(jì)算出系統(tǒng)可用輸電能力的方法將成為今后研究的一個(gè)方向。

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