電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念與效益評(píng)估

郭琪

摘? 要：目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電力系統(tǒng)線路故障短時(shí)增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整均有一些研究，但并未全面分析線路故障短時(shí)增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整所帶來(lái)的輸電運(yùn)行彈性空間，評(píng)估對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的效益，且對(duì)于聯(lián)絡(luò)線調(diào)整建模較為粗略，未考慮外部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行約束對(duì)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的限制作用。鑒于此，文章重點(diǎn)就電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念與效益評(píng)估進(jìn)行研究，以供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);輸電運(yùn)行;彈性空間;基本概念;效益評(píng)估

引言

由于電網(wǎng)負(fù)荷的增長(zhǎng)以及新能源滲透率的不斷攀升，電網(wǎng)安全運(yùn)行的可行域逐漸縮小，電網(wǎng)運(yùn)行逼近極限。電力系統(tǒng)的新變化和新形態(tài)為電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)，已有眾多學(xué)者開(kāi)展了考慮不確定性的電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方法等關(guān)鍵問(wèn)題的相關(guān)研究，在電網(wǎng)運(yùn)行安全域內(nèi)提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。然而若要從根本上解決負(fù)荷增長(zhǎng)和電網(wǎng)注入不確定性增加情況下的電力系統(tǒng)安全運(yùn)行難題，需要擴(kuò)展電網(wǎng)的運(yùn)行邊界，擴(kuò)大電網(wǎng)運(yùn)行安全域。

1電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念

1.1線路故障短時(shí)增容彈性模型

電網(wǎng)的安全運(yùn)行不僅需要滿(mǎn)足正常狀態(tài)下的潮流約束，而且需要滿(mǎn)足N-1故障狀態(tài)下線路潮流不越限，N-1安全約束分為預(yù)防性控制和校正性控制兩種，其區(qū)別在于預(yù)防性控制要求在線路N-1故障狀態(tài)下，機(jī)組出力無(wú)需調(diào)整也可保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，而校正性控制允許故障狀態(tài)下通過(guò)機(jī)組出力的調(diào)整消除越限。若要求電網(wǎng)在所有N-1場(chǎng)景下均不能產(chǎn)生線路潮流越限，就大大縮小了電網(wǎng)的運(yùn)行安全域。事實(shí)上，由于線路過(guò)載和電流越限引起的熱量積累存在一個(gè)時(shí)間過(guò)程，電網(wǎng)通常能夠承受短時(shí)間的潮流越限，例如新英格蘭電網(wǎng)將線路潮流傳輸容量分為三檔，即故障狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間容量（冬季4h、夏季12h容量限值），故障狀態(tài)短時(shí)間容量（故障后15min容量限值），以及故障容量極限（故障后5min容量限值），本文將線路故障狀態(tài)下短時(shí)間傳輸容量的增加稱(chēng)為線路故障短時(shí)增容。目前電網(wǎng)采用的預(yù)防性控制方式中，其描述的可行域是線路故障短時(shí)增容的輸電約束所描述可行域的一個(gè)子集，因此線路故障短時(shí)增容有效地利用了線路故障時(shí)電流熱效應(yīng)積累的時(shí)間過(guò)程，拓展了輸電環(huán)節(jié)的運(yùn)行彈性空間。

1.2聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性模型

目前我國(guó)電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率由上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)制定，下發(fā)至各區(qū)域調(diào)度機(jī)構(gòu)，在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，不能根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整。該模式便于實(shí)現(xiàn)分省電力電量平衡，但沒(méi)有充分利用聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行彈性空間擴(kuò)大電網(wǎng)的運(yùn)行安全域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域之間電力資源的協(xié)調(diào)互濟(jì)。結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況，本文提出聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性模型，其中需要考慮以下三個(gè)方面的約束：第一，外網(wǎng)運(yùn)行等值約束，即為滿(mǎn)足互聯(lián)外網(wǎng)運(yùn)行約束，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率不能越過(guò)外網(wǎng)等值的可用容量（互聯(lián)外網(wǎng)可提供給聯(lián)絡(luò)線傳輸最大功率）;第二，階梯化約束。出于電網(wǎng)可靠性以及調(diào)度便捷考慮，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率應(yīng)滿(mǎn)足階梯化約束;第三，日交換電量約束，即為滿(mǎn)足跨區(qū)電量交易計(jì)劃，日交換電量需保持不變。

2電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的效益評(píng)估

為了研究輸電運(yùn)行彈性空間對(duì)N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，這里采用以下4種調(diào)度策略進(jìn)行分析。M1：常規(guī)N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案，不考慮線路故障短時(shí)增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性;M2：僅考慮線路故障短時(shí)增容彈性的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案;M3：僅考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案;M4：同時(shí)考慮線路故障短時(shí)增容和聯(lián)絡(luò)線傳輸容量?jī)煞矫孑旊娺\(yùn)行彈性空間的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

2.1輸電運(yùn)行彈性空間分析

2.1.1線路故障短時(shí)增容彈性分析

通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，考慮線路故障短時(shí)增容的調(diào)度策略M2相較于常規(guī)調(diào)度策略M1，機(jī)組4出力總量有所提高，而機(jī)組5出力總量降低。這是由于在常規(guī)調(diào)度策略M1下，線路3-4，4-6，12-13阻塞嚴(yán)重，限制了機(jī)組出力可行域，考慮線路故障短時(shí)增容彈性后，發(fā)生N-1故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)放寬線路的傳輸容量約束，緩解了線路阻塞對(duì)機(jī)組出力的限制，擴(kuò)大了機(jī)組出力可行域，最終使得發(fā)電成本最低的機(jī)組4總出力增大，發(fā)電成本最高的機(jī)組5總出力降低。

2.1.2聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性分析

在白天07：00到夜晚21：00時(shí)段，外網(wǎng)在其運(yùn)行約束下可提供的傳輸容量低于熱極限傳輸容量，如果按熱極限傳輸容量約束進(jìn)行調(diào)整，不考慮外網(wǎng)運(yùn)行約束對(duì)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的限制，可能導(dǎo)致安全性問(wèn)題。本文提出的聯(lián)絡(luò)線外網(wǎng)運(yùn)行等值約束可以精準(zhǔn)刻畫(huà)聯(lián)絡(luò)線的“真實(shí)”彈性空間，保證了聯(lián)絡(luò)線在電網(wǎng)安全的前提下調(diào)整。M1和M2不考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率固定，而考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整的調(diào)度策略M3和M4，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率在可傳輸容量約束下發(fā)生了調(diào)整。在夜晚21：00到白天07：00，由于風(fēng)力充足，風(fēng)電機(jī)組可發(fā)電量較多，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率下調(diào)以接納更多的風(fēng)電，而在白天07：00到夜晚21：00時(shí)段，風(fēng)力不足，風(fēng)電機(jī)組可發(fā)電量較少，成本較便宜的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上調(diào)來(lái)滿(mǎn)足負(fù)荷要求。由此可見(jiàn)，聯(lián)絡(luò)線靈活調(diào)整有效提高了各機(jī)組的調(diào)整能力，擴(kuò)大了電網(wǎng)運(yùn)行可行域。

2.2效益分析

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)調(diào)度策略M1的棄風(fēng)比例為13.9%，而考慮輸電運(yùn)行彈性空間的調(diào)度策略M2至M4棄風(fēng)比例分別為9.2%、11.0%和6.1%。其原因主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，一方面考慮線路故障短時(shí)增容彈性后，提升了線路的傳輸容量，常規(guī)機(jī)組可以下調(diào)出力，從而消納更多的風(fēng)電。另一方面考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性后，聯(lián)絡(luò)線功率可以下調(diào)，以提高電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著電網(wǎng)負(fù)荷的增長(zhǎng)和新能源的不斷接入，為保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，本文提出輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念，建立線路故障短時(shí)增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性模型，有效緩解N-1故障時(shí)線路的阻塞程度，在保證電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下，擴(kuò)大了電網(wǎng)運(yùn)行可行域。算例對(duì)考慮輸電運(yùn)行彈性空間的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度的效益進(jìn)行評(píng)估，仿真表明考慮輸電運(yùn)行彈性后，可以有效降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本，促進(jìn)風(fēng)電的消納。

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