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，我國要努力建成堅持清潔、高效、安全、可持續(xù)發(fā)展的具有有效競爭的市場結(jié)構(gòu)和市場體系的電力新體制。這就意味著將來會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］。但在電力市場環(huán)境下，由于風(fēng)電出力的隨機性和間歇性，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)開始計算電力系統(tǒng)區(qū)域間的功率傳送能力，當(dāng)時稱為輸電交換能力(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)確確定對保證市場交易的順利進(jìn)行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著非常關(guān)鍵的作用［2］。自上個世紀(jì)的最后十年起，由于電網(wǎng)的市場化改革，各國電力工業(yè)組織先后對電力系統(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(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)電機組出現(xiàn)故障后互聯(lián)系統(tǒng)中的備用發(fā)電機容量的順利啟用，并且不會引起輸電阻塞。

3 可用輸電能力各個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估在將來一段時間內(nèi)系統(tǒng)區(qū)域間或點間剩余的輸電能力。計算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)，也可以是各個不同的電力聯(lián)合運營中心(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)電機容量:發(fā)電機有、無功出力不能超過機組出力的上下限;

(2)節(jié)點電壓: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)定運行，需要留有一定量的傳輸容量來評估可用傳輸容量，這一定量的傳輸容量就稱為輸電可靠性裕度。引進(jìn)可靠性裕度是因為電力系統(tǒng)日常運行中存在各種不確定因素，為確保輸電阻塞在系統(tǒng)運行時不會發(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，所計算的可用輸電能力時間的長短也影響輸電可靠性裕度的大小。計算的可用輸電能力時間跨度越大，其輸電可靠性裕度也需要相應(yīng)擴大，以包含更長時間跨度下更多的不確定因素?，F(xiàn)在還沒有一套明確的計算方法計算輸電可靠性裕度，在ATC的計算中，一般有以下幾種方法來對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)運行狀態(tài)下，反復(fù)計算各種預(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“計算單個區(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)電場位于不同區(qū)域和節(jié)點時，其輸出功率對系統(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)電機組作為PQ節(jié)點模型，來研究風(fēng)電機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)電場并網(wǎng)后受到的影響。風(fēng)電場風(fēng)速和輸出功率利用時間序列模型來描述，而對包含風(fēng)電場的ATC采用序貫蒙特卡洛仿真的方法進(jìn)行概率評估;采用關(guān)鍵約束下的交流潮流方法來計算每一抽樣狀態(tài)的ATC;最后，由期望值、方差及相應(yīng)的年度化指標(biāo)來評估風(fēng)電場對ATC的影響。文獻(xiàn)［12］是研究風(fēng)電場并網(wǎng)后短期內(nèi)對系統(tǒng)ATC的影響。該文獻(xiàn)把異步風(fēng)機看作為PQ模型，研究異步風(fēng)機的工作原理，最后揭示風(fēng)電場接入后系統(tǒng)在一天24小時內(nèi)的可用輸電能力隨著風(fēng)電場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，各個模型的側(cè)重點都有所不同，所建立的模型也因此有所區(qū)別。但是，各個模型都是考慮到風(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)著電力市場行為。因此，需要對系統(tǒng)的可用輸電能力進(jìn)行定期更新。由可用輸電能力預(yù)測的時間長短，系統(tǒng)可用輸電能力的計算一般可被分為在線可用輸電能力計算和離線可用輸電能力計算。

4.2.1 在線可用輸電能力的求解

在一個相對較短的時間內(nèi)，把某一已經(jīng)確定的系統(tǒng)運行狀態(tài)為系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行狀態(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)域間或點間最大的剩余容量，把基礎(chǔ)運行狀態(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算。由于對故障的處理方式使得計算量減少很多，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，引入一個負(fù)荷增長因子來克服雅克比矩陣奇異，進(jìn)而克服系統(tǒng)接近穩(wěn)定極限運行狀態(tài)時的收斂難題，成功解決基態(tài)潮流在崩潰點外無解和在崩潰點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算精度有所提高，但是該方法由于需要對系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的潮流迭代，在線評估不能使用該方法。文獻(xiàn)［14］就是使用該方法計算交直流系統(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)在線計算的要求;其次，最終得到的運行點可能是一個實際無法達(dá)到的點，只是一個理想方案。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計算就是對未來較長時間段內(nèi)的ATC值進(jìn)行預(yù)測。離線ATC值的計算一般采用基于概率模型的求解方法，目的是使計算的ATC值的精確性滿足電力市場的要求和使計算時間和計算量大大減少。該方法把ATC看作是隨機變量的函數(shù)，通過該隨機變量來表達(dá)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和描述系統(tǒng)中的各種不確定因素，進(jìn)而運用概率統(tǒng)計理論分析ATC的概率分布和特征指標(biāo)等信息。其計算方法有以下幾類:

(1)隨機規(guī)劃法

運用隨機規(guī)劃法計算ATC值時，需要同時考慮輸電線路故障、發(fā)電機故障和負(fù)荷預(yù)測誤差三種不確定因素。輸電線路故障和發(fā)電機故障是服從0－1分布的隨機變量，而負(fù)荷預(yù)測誤差是可以看作為服從正態(tài)分布的隨機變量。計算ATC值時，先用二階段求索隨機規(guī)劃法(SPR)把離散型隨機變量轉(zhuǎn)化為連續(xù)型隨機變量，對得到的連續(xù)型變量再運用機會約束規(guī)劃法(CCP)進(jìn)行處理，最后得到基于概率模型的ATC值。該算法計算過程太過繁瑣復(fù)雜，無法在現(xiàn)實應(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)中所有的可能運行狀態(tài)及各個運行狀態(tài)的概率都進(jìn)行考慮，對所有可能出現(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，計算精度較高。但是該算法的計算量也因此非常龐大，無法對大系統(tǒng)進(jìn)行計算。文獻(xiàn)［17］對該算法有所介紹。

(3)蒙特卡洛模擬法

該算法也稱作統(tǒng)計模擬方法。該算法對某一事件進(jìn)行隨機抽樣，通過某一事件出現(xiàn)的頻率估計該事件的概率。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。該算法簡單快速，計算的時間與問題的復(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)電場的ATC值計算問題。

5 總結(jié)

隨著電力體制改革的加深和人們的環(huán)保意識的增強，越來越多的風(fēng)電等清潔能源并網(wǎng)將成為大勢所趨。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算的結(jié)果過于保守，使得難以滿足電力的市場化進(jìn)程。探討一種能夠快速準(zhǔn)確的計算出系統(tǒng)可用輸電能力的方法將成為今后研究的一個方向。

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