電力系統運行靈活性分析

陽國燕

(廣西電網有限責任公司桂林供電局電力調度控制中心，廣西 桂林 541002)

電力系統運行靈活性分析

陽國燕

(廣西電網有限責任公司桂林供電局電力調度控制中心，廣西 桂林 541002)

靈活性是電力系統運行的一個重要特性，對當今電力系統運行起著至關重要的作用，電力系統已可有效地容納大規模的多元可再生能源(Renewable Energy Sources,RES)。多種可再生能源，尤其是風電和光伏(Photovoltaics,PV)，會導致功率大幅度波動，充足的運行靈活性則是大規模整合電網的必要前提。本文建立了必要的框架，用于對獨立電力系統裝置及其整體的運行靈活性的量化及評估。電力系統運行靈活性的必要指標包括功率變化率、發電機的功率和儲能、負荷和儲存設備等。對風電不確定性和負荷不確定性的電力系統以及不同備用容量下的電力系統之間的靈活性彼此進行定量分析和比較。

靈活性；可再生能源；風電不確定性；負荷不確定性

1 引言

在電力系統中，靈活性可以指在快速響應時間內對不同變化和事件的快速反應[1]。本文提出了一種新的方法來分析給定的電力系統運行靈活性。在本文中，可組合不同的運行靈活性，限制網格區的電力系統裝置，提供每個時間間隔步長的規劃，給予負荷需求和可再生能源(RES)預測信息，以便于在實時情況下的應急。如由風力渦輪機、光伏組件或是波動負荷需求等導致的電力供應中斷或預測偏差會導致電力系統產生干擾，而運行靈活性是電力系統中減輕干擾的重要手段。Makarov等人在文獻[2]中提出了電力系統運行靈活性的評估指標有容量斜坡率(ρ)、電力系統容量(π)、能量儲存容量(C=)和容量持續時間(δ)，并在文獻[3]中進行了更深入的討論。本文簡歷了必要的框架，用于量化電力系統運行靈活性。文獻[4-5]中介紹了使用電源節點建模框架可以完成所有電力系統裝置的功能建模。對風電不確定性和負荷不確定性的電力系統以及不同備用容量下的電力系統之間的靈活性彼此進行定量分析和比較。

2 電力系統運行靈活性

運行靈活性是電力系統的一個重要特性，它是電力系統中減輕由風力渦輪機、太陽能組件或是波動負荷需求等導致的電力供應中斷或預測偏差所導致的干擾的重要手段。提高可再生能源的可用性可以滿足電力系統對運行靈活性的要求。

2.1 提高運行靈活性的必要性

近年來，電力系統調度優化和實時操作已經成為大勢所趨，其中包括：

(1)多種可再生能源，如風電和光伏的廣泛調度構成了發電重要部分，因為風電和光伏發電具有高度的波動性和隨機性。多種可再生能源供電導致了常規機組頻繁的調節，若系統沒有更高的靈活性則可能會使電網產生不確定的功率失衡和潮流轉移現象[6-7]。

(2)新型的電力市場更加關注于其自身的靈活性。例如，頻繁地改變發電廠目前以市場為導向的運行安排以及波動性更大(甚至越界)的潮流形式，將導致瞬時功率不平衡，繼而造成額定的頻率偏差[8]。

(3)智能電網的出現電力系統運行方式產生了改變[9]。利用控制理論的框架體系，智能電網可以被理解為所有可提高觀測性和可控性的電力系統結構。即在電網各電壓等級，功率在供應側和需求側需要更高的靈活性。

總之，這些發展構成了電力系統主要的管理模式。電力系統要在更復雜的環境下運行，需要在每一個時間節點對運行靈活性進行更細致的評估，借此有效減輕系統的干擾。

2.2 運行靈活性的分類

運行靈活性資源可以分為傳統能源和可控的大規模可再生能源[1]。其中傳統能源包括火電、水電和核電。傳統能源裝機容量大且穩定性強、可靠性高，在電力系統運行中占大部分。而可再生能源(如風電、光伏、潮汐和太陽能等新型能源)使用成本低，經濟性好，但穩定性較差，需要較高的電力系統靈活性，同時需要提高其可控性、可預測性和可觀察性。

2.3 運行靈活性的指標

為了便于分析，需要通過適當的靈活性指標對提高運行靈活性的技術進行描述并分類。Makarov等人在文獻[2]中提出了一個很有用的方法來評估電力系統所需要的運行靈活性，例如利用高比例的風力發電。以下是運行靈活性的四個指標：

(1)容量斜坡率ρ(MW/min)

(2)電力系統容量π(MW)

(3)能量儲存容量ε(MWh)

(4)容量持續時間δ(min)

容量持續時間δ由容量斜坡率ρ和電力系統容量π決定，δ=π/ρ，因此，可以使用相關的指標ρ，π和ε來描述靈活性，也可用其中三個靈活性指標來表示另外一個指標。

3 運行靈活性的建模

電力系統運行靈活性的分析和評估首先需要建立一個框架，該框架允許電力系統在一定程度內偏離預設工作點運行，以便調節功率供應和功率需求的模式。一個單元是否具有有限的存儲功能，是否能提供波動功率供應，以及是哪種可控性和可觀測性，后者還具有預測性，波動電源和負荷需求的系統運行進程。這些特性的總和便可成為電力系統單元的運行穩定性。這實際上與現有的電力系統單元里的嵌入式存儲容量高度相關。本文建模的目的是使用電源節點模型框架：該框架允許電力系統各單位對具體功能建模，如多元儲能單元(如電池，飛輪，抽水蓄能等)、多元發電機組(如傳統發電機，風力發電，光伏發電等)、多元負荷需求單元。

故運行靈活性的模型如式(1)所示:

(1)

功率節點的運作可用圖1中電能存儲單元模型直觀描述。

圖1 電能存儲單元的功率節點模型

4 運行靈活性的評估分析

使用功率節點注記的復雜電力系統交互作用函數表達式能夠給出三個與功率相關的運行靈活性度量的直觀評估及分析。本節將給出基于Monte-Carlo模擬方法的電力系統運行靈活性的評估模型，及其模擬算法流程。

4.1 常規運行靈活性評估

電力系統運行靈活性分析如圖2所示，狀態1代表凈負荷曲線超越了機組出力上限，表明該系統需要補充上調靈活性資源；狀態2代表該系統靈活性資源充足；狀態3代表該系統凈負荷曲線超過了機組出力下限，表示其下調靈活性資源缺失。

圖2 電力系統運行靈活性評估示意圖

基于Monte-Carlo算法并加以改進可以得到節點注入功率和潮流數據，并據此建立一個目標函數，目標函數中包括各節點發電的成本、各支路所剩傳輸能力的成本及網損，再利用遺傳算法處理節點注入功率，通過計算得到系統運行靈活性的評估[11]。但隨著電力系統大規模接入風電，運行靈活性需要有更好的評估方法。

4.2 可再生能源并網后的運行靈活性評估

大規模的可再生新能源并網是如今大勢所趨，相對于常規能源，可再生能源出力隨機性較強，可調控力更弱，風電為例，風速的可預測性及其難度都相對于負荷預測高得多。因此，對可再生能源的靈活性要求更高，需要更多的靈活性資源。

而其靈活性的建模步驟如下：

(1)根據風電功率、負荷預測參數確定當日的機組組合類型，得到機組i在t時刻啟停狀態為ui,t，設模擬次數初值k=0。

(2)通過歷史功率預測誤差可以設置棄風、切負荷變量來求解以下模型：

(2)

式中，cwind和cload分別為單位棄風量和切負荷電量的損失度；Δuwind,t和Δuload,t分別為t時刻內的棄風量及切負荷量；f(x)為出力x的機組耗煤量。

再設4個中間變量ξmax、ηmax、ξmim、ηmin來記錄模擬結果。當[Δuload，t]t×T全為0時，上調備用不足，如式(3)所示計算：

(3)

當[Δuload，t]t×T不全為0時，下調備用不足，如式(4)所示計算：

(4)

(3)令模擬次數做k=k+1的迭代，可如式(5)所示，計算電力系統運行靈活性指標：

(5)

式中，PU為上調靈活性不足概率，EU為上調靈活性不足期望，PD為下調靈活性不足概率，ED為下調靈活性不足期望。

(6)

若收斂于一個誤差值ε，則模擬結束，輸出靈活性指標，若不滿足則從步驟(2)開始繼續計算。

4.3 算例分析

基于我國南方某電網風電及負荷的實際情況進行模擬。其中，常規機組的裝機容量為13600MW、風電裝機容量為6800MW、負荷峰值為12466MW，收斂誤差值ε=0.01，常規機組煤耗如表X所示。

本節設計了兩個方案來對比風電不確定性與負荷不確定性對靈活性指標的影響。其中，方案1中系統不接入風電場，假設負荷預測誤差5%，標準差為285MW，最低的備用容量為15%。方案2中系統接入23.5%的風電場，忽略負荷預測誤差，設其標準差為285MW，誤差預測百分比為17.4%，同時設最低備用容量為15%。

表1 典型常規燃煤發電機組供電煤耗參考值

方案1和方案2的對比如表2所示。

表2 負荷和風電不確定性對靈活性指標的影響

從表2中可以看出，方案1中靈活性充足，而方案2中靈活性不足的概率并不完全等于0，并且還需要57.8MW的上調靈活容量。故而，風電接入系統中需要更多的考慮影響靈活性的因素如風功率預測誤差，并作出應對措施。

除此之外，備用容量的不同對靈活性指標亦有影響。假設風電接入比例為30%，計算備用容量分別為15%，20%，25%，30%時靈活性指標，如表3所示。

表3 不同備用比例下的靈活性指標

表3中可知，提高系統備用容量對提高上調靈活性有明顯作用，對下調靈活性作用不明顯。備用容量上升到30%時，下調靈活性仍然不足，故只采用提高備用容量無法徹底解決靈活性不足問題。

5 結論

本文介紹了電力系統運行靈活性的分類和特征，闡述了提高靈活性的重要性，并建立了運行靈活性的模型，提出了電力系統運行靈活性的評估方法。

隨著電力系統的發展及可再生能源的大規模入網，電力系統運行靈活性的研究顯得越發重。有以下幾點結論：

(1)可再生能源的大規模入網降低了電力系統運行的成本，保護了環境，但同時對運行靈活性的要求也借此提升，需要更多的關注及研究保證靈活性資源充足。

(2)靈活性資源不足的根本原因是可調用容量不足，要保證靈活性資源的充足就必須留有足夠的可調用容量。

(3)負荷不確定性與風電不確定性還是有一定的區別，要解決風電不確定性必須更多的考慮影響靈活性的因素如風功率預測誤差。

(4)通過算例可知，僅提高備用容量沒有辦法徹底解決靈活性不足問題，要解決此問題還需要更好的方法。

[1] 肖定垚,王承民,曾平良,等.電力系統靈活性及其評價綜述[J].電網技術,2014,38(6):1569-1576.

[2] Makarov Y,Loutan C,Ma J,de Mello P.Operational impacts of wind generation on california power systems.IEEE Trans Power Syst,2009,24(2):1039-50.

[3] Ulbig A,Andersson G.On operational flexibility in power systems.In:IEEE PES general meeting,San Diego,USA,2012.

[4] Heussen K,Koch S,Ulbig A,Andersson G.Energy storage in power system operation:the power nodes modeling framework.In:IEEE PES conference on innovative smart grid technologies(ISGT)Europe,Gothenburg,2010.

[5] Heussen K,Koch S,Ulbig A,Andersson G.Unified system-level modeling of intermittent renewable energy sources and energy storage for power system operation.IEEE Syst J,2012,6(1):140-51.

[6] Gül T,Stenzel T.Variability of wind power and other renewables-management options and strategies.IEA,2005.

[7] Jones LE,editor.Renewable energy integration-practical management of variability,uncertainty,and flexibility in power grids.Academic Press(Elsevier),2014.

[8] Weissbach T,Welfonder E.Improvement of the performance of scheduled stepwise power programme changes within the European power system.In:17th IFAC world congress,the international federation of automatic control(IFAC),Seoul,Korea,2008.

[9] US Deptartment of Energy.Smartgrid.gov;2014..

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[11] 李海波,魯宗相,喬穎,等.大規模風電并網的電力系統運行靈活性評估[J].電網技術,2015,39(6):1672-1678.

Analysis of Electric Power System Operation

YANGGuo-yan

(Electric Power Dispatch and Control Center of Guilin Power Grid Corporation,Guilin 541002,China)

Flexibility is an significant characteristic of power system operation,it plays a vital role in the operation of the power system.The power system has been effective to accommodate large-scale diverse renewable energy(Renewable Energy Sources,RES).A variety of renewable energy,particularly wind power and photovoltaic(PV),will lead to power fluctuations,adequate operational flexibility is a necessary prerequisite for large-scale integration of the grid.This article established the necessary framework for independent system device and its overall operational flexibility and quantitative assessment of electricity.Power system operational flexibility necessary indicators include power ramp-rate,power and energy capability of generators,loads and storage devices.The flexibility of the power system and the load uncertainty and the uncertainty of the wind power are analyzed and compared with each other,also compared the different reserve capacity of the power system.

Flexibility;Renewable Energy Sources;the uncertainty of the wind power;the load uncertainty

1004-289X(2016)03-0033-05

TM71

B

2015-09-14

陽國燕(1981-)，女，廣西桂林人，工程師，工程碩士，從事地區電網電力調度運行及繼電保護整定計算管理，主要研究方向為電網運行風險管控及運行方式優化。