风电和光伏的区域电网安全经济运行研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 C2015 年 21 期 67 风电和光伏的区域电网安全经济运行研究王尚明河北省电力勘测设计研究院， 河北 石家庄 030027 摘要： 风能随着季节的不同有不同的特点，并且风能在短时间内变化比较剧烈；太阳能存在昼夜交替现象，并且容易受到云朵遮蔽及天气变化等自然因素的影响，随机性也比较大。风能、太阳能的特点，造成风电和光伏发电出力波动较为频繁，导致风电场、光伏电站的可靠性也相对较差。如果间歇式电源占电力系统电源的比重过大，会加大电网调频、调峰的压力。因此，大规模的间歇式电源并网给电力系统运行带来了一些问题，同时电力系统规划和稳定运行也因其随机性和不可控性而面临着新的挑战。间歇性电源的接入给传统的调度带来了困难，也是电力系统安全经济运行面临的一个问题。关键词： 风电和光伏；区域电网安全；经济运行中图分类号： TM61 ； TM732 文献标识码： A 文章编号： 1671-5810(2015)21-0067-02 1 引言近年来，风电和光伏等新能源占系统总装机容量的比例逐渐增大，但风电和光伏的消纳问题也变得日益突出。建立合适的风电和光伏随机出力模型来度量风电和光伏出力的随机性，能提高风电和光伏调度运行的精细化水平，有效提升电力系统消纳风电和光伏的能力。此外，为进行新能源接入的电力系统暂态稳定分析，需要建立准确的风机暂态模型及光伏暂态模型。合理的模型是进行潮流计算及稳定分析的前提，本章在前人研究的基础上介绍了风电和光伏的随机出力模型及暂态稳定模型，该模型将在后续章节的暂态稳定及最优潮流计算中使用。2 电力系统安全经济运行研究现状安全性与经济性既矛盾又统一，安全性是进行经济性分析的基础，而确保系统安全可靠运行是对经济效益的最大保障。随着全国电力市场的建设，电力系统运行中的不确定因素逐渐增加，加重了对系统运行风险预测的难度。因此，研究有利于人们认知电网安全经济协调运行的机理，形成与人工决策深度融合的可视化表现方法，对推动电网调度的智能化建设，具有极其重要的意义。提出了一种精益化协调方法，能直观地量化电网各运行方式的经济指标和安全指标。针对风电等新能源发电和负荷的随机性，构建了电力系统条件风险调度模型。构建电力系统安全与经济相协调的概率调度模型，通过电网安全价值系数使经济性和安全性折中，构成统一的期望目标，在满足电网正常状态和一定预想事故集合对应约束下，获取概率的最优解。提出了将转子运动方程利用隐式梯形积分法进行差分化，成为非线性方程组，作为等式约束加入最优潮流模型中参与计算。通过求解考虑多个预想故障情况下最优潮流模型，并以基于扰动 KKT条件的原对偶内点算法进行求解。运用 Euclidean 空间变换将其转换成与常规最优潮流相同规模的优化问题，然后进行求解。3 风电、光伏接入电力系统的安全经济运行研究3.1 风电接入对系统稳定性的影响随着风电装机容量的增加，在系统发生故障时风电场的动态特性对系统的暂态稳定性产生较大影响，且不同风机对系统的影响也不尽相同。此外，风电的间歇性和随机性对系统稳定性也有不可忽视的影响。建立了双馈感应发电机和同步发电机两种典型的变速风电机组的数学模型，并详细说明了变速风电机组并网时系统电压稳定性的分析，对变速风机组并网后电力系统电压失稳机理采用了分叉和混沌动态理论进行了分析。引入了电压稳定性指标来描述风电场电压及其稳定性，包括了确定节点静态电压稳定性的无功电压灵敏度指标、能定量描述风电场电压波动的电压崩溃临近指标、直观预测风电场电压稳定运行点到临界边界距离的功率裕度系数及可用于判断节点暂态电压稳定性的无功备用裕度指标。研究了大型风电场接入区域电网的安全稳定运行，通过仿真方法来分析大型风电场接入电网后对电网内节点电压、无功补偿、潮流分布、线路损耗等的影响。提出一种提高变速永磁风力发电机暂态稳定性的比例积分型模糊自适应控制方法，该方法能有效地增强含风电场电网的暂态稳定性。3.2 光伏接入对系统稳定性的影响对于大规模接入的分布式光伏电源，由于其有功出力具有随机性，受气象条件影响较大，对系统的稳定性带来了不可忽视的影响，因此国内外很多学者对此问题进行深入研究，以降低光伏接入对系统稳定性的影响。在 MATLAB/Simulink 环境中搭建了光伏发电系统模型，通过 PSASP的用户程序接口，将该模型以电流源的形式接入电网模型进行暂态稳定计算，以研究光伏对系统暂态稳定性的影响。研究了风电机组和太阳能光伏电池组接入无穷大电网的小干扰稳定。采用特征值分析法对系统的模态及相应的阻尼特性进行了研究。建立了包含光伏的单机—无穷大系统模型，并对系统振荡模型进行计算和非线性仿真，结果证明光伏接入系统会对系统产生积极或者消极的影响。实验表明最大功率追踪控制器对光伏的动态响应有至关重要的影响，并根据此结论建立了一个精确的模型，来研究光伏的动态行为对系统安全稳定性的影响。通过大量的仿真研究了光伏接入电网及其低电压穿越能力对系统暂态稳定的影响。结果表明，合理的光伏接入系统会改善系统的暂态稳定性，但大量光伏的接入会使系统暂态稳定性变差。分析了光伏出力波动对系统稳态特性和暂态稳定的影响，并得出制约光伏电站最大安装容量的主要原因是由光伏电站出力引起的节点电压越下限的结论。针对集中接入式的光伏电站出力波动引起的系统暂态响应，并在系统中加入储能系统作为改善措施。3.3 含风电场和光伏电站的电力系统最优潮流计算电力系统最优潮流是一个复杂的非线性规划问题，要求在满足特定的电力系统运行和安全约束条件下，通过调整系统中可利用控制手段实现预定目标最优的系统稳定运行状态。风电及光伏出力的随机性给电力系统优化增加了难度。根据风速随机变化的特点，提出了分时段策略，计算每个时段的风机有功输出的期望值，并将该期望值用于动态优化潮流计算中，从而降低了含风电场系统优化潮流的难度。考虑了发电机的阀点效应、爬坡速率和异步风力发电机组无功补偿装置投切的离散性， 以整个时段所有常规机组费用最小为目标函数， 建立了含风电场电力系统动态优化潮流的数学模型，并将混合蛙跳算法运用到模型求解中。4 算例分析采用改进的 IEEE300 节点测试系统。 4 个装机容量均为 150MW 的风电场分别接入到节点 20 、 61、 104 和 123 ，节点 138 、 171、 198 和 207 接入 4个装机容量均为 100MW 的光伏电站。采样规模为 512 次时两种方法得到的相关输出变量的误差指标如下表所示，包括节点电价 LMP，节点电压幅值 V 与相角，支路功率 P 及网损 Loss 。水利水电68 2015 年 21 期分别采用采样规模为 2000 次的 MC法和 512 次的 DN法得到相关节点电价及网损的概率分布，如下图所示。在采样规模相同的情况下， DN 法在计算精度和误差收敛稳定性方面均比 MC 法有明显的优势。运用 DN 法可以得到风电场节点 20 的节点电价和网损的概率密度分布，而且可以达到 MC 法采样规模很大时的计算精度。5 结语采用基于 Digital Nets 的概率最优潮流计算方法。Digital Nets 的采样值具有等分布特性，可以很好地改善输入随机变量分布空间覆盖程度。将该方法运用到含风电场和光伏电站的概率最优潮流计算中，得到的概率统计信息能全面地反应电力市场的运行状况，能有效地处理电力市场中的不确定性问题，具有较好的工程实用价值。采用一种 Sobol 序列与混合 Copula 函数相结合来进行暂态稳定计算的方法。 Sobol 序列的采样值具有均匀分布特性，较少的仿真次数便可得到准确的仿真结果。其次，单一的 Copula 函数在刻画变量间相关结构时存在局限性，本文运用混合 Copula 函数对风电场和光伏电站之间的相关性进行度量。算例结果表明了该方法的有效性与准确性，为含有风电场合光伏电站的系统暂态稳定分析提供一定的参考。为了实现风电、光伏等替代和大规模开发利用，建立完善适应我国风电、光伏等发展要求的风电、光伏等电力规划发展、电网调度运行管理体制，建立完善相应的市场体系框架和补偿机制，形成合理的电价机制，完善配套的法规和政策，形成促进风电、光伏等发展的市场环境、体制环境和政策环境，并实现各方面因素的相互配套、衔接和协调。本文通过对风电、光伏等发电现状及发展趋势的分析，结合电网实际情况， 分析大规模风电、 光伏等发电上网对电网的影响，全面分析电网管理体制存在的问题，提出具体的应对措施及策略。参考文献[1] 虞华，郭宗林，陈光亚 . 新能源产业现状及发展趋势 [J].中国电力， 2011， 44(001) ： 83-85. [2] 刘卫东，张雷，王礼茂 . 我国低碳经济发展框架初步研究[J]. 地理研究， 2010(5) ： 778-788. [3] 卫蜀作，蔡邠 . 中国电网高速发展与可再生能源发电的关系 [J]. 电网技术， 2008， 32(5) ： 27-31.