探析低碳排放的電力系統(tǒng)可用傳輸容量計(jì)算

李聰 屈博

【摘 要】全球變暖日益威脅著人類的財(cái)產(chǎn)安全，電力系統(tǒng)作為碳排放的重要來源，有義務(wù)承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任的減排任務(wù)。因此本文考慮了低碳排放的環(huán)境約束及電壓穩(wěn)定的安全約束，建立了多目標(biāo)共同優(yōu)化模型，推導(dǎo)出以控制碳排放量為目標(biāo)的可用輸電能力計(jì)算模型，并以實(shí)際算例驗(yàn)證其可行性。

【關(guān)鍵詞】低碳；可用傳輸容量；電壓穩(wěn)定；最優(yōu)潮流計(jì)算

1.考慮電壓穩(wěn)定性的ATC計(jì)算模型

電力市場中存在著遠(yuǎn)期市場和日前、實(shí)時平衡等短期交易市場。發(fā)電方和用電方通過遠(yuǎn)期合同、期貨等方式確定了未來某一時段系統(tǒng)中的負(fù)荷水平。在此基礎(chǔ)上，短期市場中負(fù)荷功率的增長空間與系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性之間有著重要的關(guān)系。

負(fù)荷裕度（L.adingMargin）是反映電壓穩(wěn)定程度的重要指標(biāo)，是系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)和電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)之間負(fù)荷功率的差值，由它可以直觀地看出系統(tǒng)離穩(wěn)定極限有多遠(yuǎn)，系統(tǒng)在故障前和故障后將有不同的負(fù)荷裕度，故障時仍有適當(dāng)?shù)呢?fù)荷裕度可以保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和電網(wǎng)安全運(yùn)行。在電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)處，系統(tǒng)潮流方程的雅可比矩陣將出現(xiàn)奇異。文獻(xiàn)[1]在使用OPF方法求解系統(tǒng)最大負(fù)荷點(diǎn)時，通過引入了廣義參數(shù)化潮流方程解決此問題。廣義參數(shù)化潮流方程是在常規(guī)潮流方程的基礎(chǔ)上，引入負(fù)荷變化參數(shù)，并同負(fù)荷變化方向向量相組合，組合項(xiàng)即為初始運(yùn)行點(diǎn)與最大負(fù)荷點(diǎn)之間的負(fù)荷裕度。因此基于OPF的算法中，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)中引入負(fù)荷預(yù)度，并將其極大化的時候，所求的結(jié)果可以代表全系統(tǒng)的可用傳輸容量[2]-[3]。（system-wide ATC ）（SATC）。

SATC = STTC - SETC - STRM

STTC = min（PmaxIlim， PmaxVlim， PmaxSlim）

STTC代表系統(tǒng)范圍內(nèi)的最大傳輸容量，PmaxIlim 表示系統(tǒng)在熱穩(wěn)定約束時的最大傳輸功率，PmaxIli 表示系統(tǒng)在電壓越限時的最大傳輸功率，PmaxSlim 表示發(fā)電機(jī)越限時系統(tǒng)的最大傳輸功率。SETC代表系統(tǒng)范圍內(nèi)已經(jīng)存在的交易，STRM代表系統(tǒng)范圍內(nèi)的傳輸穩(wěn)定界限。

STTC可以基于負(fù)荷參數(shù)來計(jì)算。

STTC = （1 + ）SETC，而STRM可以假定為固定值，本文不做考慮。

即SATC=SETC

因此，只要計(jì)算出的最大值便可以計(jì)算出系統(tǒng)的ATC.

1）目標(biāo)函數(shù)：

（4-1）

2）約束條件

（4-2）

（4-3）

（4-4）

（4-5）

（4-6）

（4-7）

（4-8）

其中式（4-2）是常規(guī)潮流約束等式；式（4-3）為系統(tǒng)在極限條件下的最大負(fù)債潮流約束等式；式（4-4）為最大負(fù)載條件約束等式，因?yàn)槠涮髸绊懴到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，太小會影響系統(tǒng)的安全性；式（4-5）為節(jié)點(diǎn)電壓約束條件；式（4-6）為發(fā)電有功約束條件；式（4-7）為發(fā)電無功約束條件；式（4-8）為線路的熱穩(wěn)定約束條件。此外

（4-9）

（4-10）

（4-11）

（4-12）

其中和代表合同發(fā)電及負(fù)荷功率，該部分不參與市場競價；表示系統(tǒng)最大負(fù)荷裕度時按比例分配到各發(fā)電結(jié)點(diǎn)的線損系數(shù)。

2.基于最優(yōu)潮流的考慮低碳排放可用傳輸容量計(jì)算模型

考慮低碳排放的可用傳輸容量模型，相當(dāng)于同時優(yōu)化以下兩個目標(biāo)模型。

目標(biāo)函數(shù)1：系統(tǒng)負(fù)荷參數(shù)最大

目標(biāo)函數(shù)2：全網(wǎng)碳排放量最小

其中表示負(fù)荷參數(shù)， ，表示全網(wǎng)碳排放量。

采用多目標(biāo)函數(shù)聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)可以將此類問題轉(zhuǎn)化為但目標(biāo)函數(shù)求解，以加權(quán)形式處理后形成的單目標(biāo)函數(shù)如下式。

（4-13）

約束條件與上節(jié)約束條件完全相同。其中兩個函數(shù)前邊的權(quán)重系數(shù)影響著最終的解。的取值范圍是0-1.當(dāng)為0時則為不考慮負(fù)荷裕度時的環(huán)境最優(yōu)化配置；當(dāng)為1時則為不考慮環(huán)境因素的最大可用傳輸容量。

3.結(jié)論

本文介紹了系統(tǒng)可用傳輸容量的概念，建立了考慮碳排量的基于電壓穩(wěn)定的系統(tǒng)可用傳輸容量計(jì)算模型，其實(shí)際為一個基于最優(yōu)潮流的多目標(biāo)優(yōu)化模型。約束條件為線路潮流約束、發(fā)電機(jī)出力約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、負(fù)荷裕度約束及碳排量約束。以IEEE6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真。結(jié)果表明碳排放量及系統(tǒng)可用傳輸容量具有一定矛盾性，不能同時達(dá)到最優(yōu)。必須犧牲一定的可用傳輸容量才能控制一定的排放量，以起到保護(hù)環(huán)境的作用。在當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)不平衡的狀態(tài)下，本方法的提出符合我國國情及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉皓明，嚴(yán)正，倪以信等.快速計(jì)算電網(wǎng)可用輸電能力的交流靈敏度方法.電力系統(tǒng)自動化，2003，28（19）：11～15.

[2] Federico Milano，Claudio A. Ca?izares，Marco Invernizzi.Multiobjective Optimization for Pricing System Security in Electricity Markets. IEEE transaction on power systems， VOL. 18， NO. 2， MAY 2003

[3] Federico Milano， Claudio A. Ca?nizaresb，Marco Invernizzi，Voltage stability constrained OPF market models considering N - 1 contingency criteria Electric Power Systems .Research 74 （2005） ： 27～36