含風(fēng)電系統(tǒng)的有功和備用協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

李 茜，劉天琪，何 川，周宜廣，李興源

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給系統(tǒng)的運行和調(diào)度帶來了新問題。風(fēng)電的隨機(jī)性和波動性特點極大地提高了系統(tǒng)對機(jī)組調(diào)節(jié)能力和備用容量的要求，為保證風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)運行的可靠性，需額外安排運行備用以應(yīng)對風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動性［1-6］，維持系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定。備用配置涉及系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)決策問題，如何針對風(fēng)電出力的隨機(jī)波動配置合適的備用，成為含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度問題的研究焦點。

電力系統(tǒng)最早采用確定性方法來配置備用容量，風(fēng)電加入后一般采取設(shè)置±30%PN（PN為風(fēng)電的額定裝機(jī)容量）的運行備用容量來抵御風(fēng)電對系統(tǒng)的影響［2］。確定性備用配置方法簡單易實現(xiàn)，但缺乏必要的理論支持，尤其是在含高滲透率風(fēng)電的系統(tǒng)中，風(fēng)電的高不確定性會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生很大影響，按確定性方法配置風(fēng)電備用容量很容易出現(xiàn)備用資源浪費或備用容量不足的情況，無法體現(xiàn)風(fēng)電對備用的真實要求。文獻(xiàn)［3-4］根據(jù)風(fēng)電出力預(yù)測誤差考慮風(fēng)電需求的備用容量，并將風(fēng)電預(yù)測誤差等效為多狀態(tài)機(jī)組建立優(yōu)化模型；文獻(xiàn)［5］定義了以風(fēng)電功率間歇波動引起系統(tǒng)備用緊張程度為指標(biāo)的規(guī)范化風(fēng)電備用風(fēng)險，建立了一種計及風(fēng)電備用風(fēng)險的優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)［6］量化分析應(yīng)對負(fù)荷和風(fēng)電預(yù)測誤差所需的備用，并建立這部分備用與風(fēng)電出力之間的關(guān)系，以此構(gòu)建了系統(tǒng)有功和備用的協(xié)調(diào)調(diào)度模型。以上研究在分析風(fēng)電不確定性對備用的需求時，只考慮了風(fēng)電出力預(yù)測誤差對備用容量的需求，并未考慮風(fēng)電出力波動對備用容量的需求，即對于風(fēng)電的不確定性只計及了風(fēng)電的隨機(jī)性，并未計及風(fēng)電的波動性。風(fēng)電的波動性描述了風(fēng)電功率在指定時空尺度上鄰近時段的變化特性，對于大規(guī)模風(fēng)電場集群，體現(xiàn)為該時間尺度下較大的功率持續(xù)攀升和下降，對電網(wǎng)的影響不容忽視［7-8］。文獻(xiàn)［9］提出了一種風(fēng)電備用需求決策方法，并指出風(fēng)電接入影響備用需求的因素包括風(fēng)電功率的隨機(jī)波動和風(fēng)電功率的預(yù)測誤差，但并沒有具體討論這2種因素對風(fēng)電備用需求的影響；文獻(xiàn)［10］指出大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，風(fēng)電出力變化會影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，增加AGC調(diào)節(jié)容量需求；文獻(xiàn)［11］在此基礎(chǔ)上應(yīng)用電池儲能系統(tǒng)（BESS）來平抑風(fēng)電功率的短時波動，提出了風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行的控制策略；文獻(xiàn)［12］提出利用混合儲能實時充放電特點，平抑風(fēng)電波動和補償風(fēng)電功率預(yù)測誤差，從而降低系統(tǒng)的棄風(fēng)量和熱備用量。以上研究說明，風(fēng)電功率波動增加了系統(tǒng)備用容量需求，為保證系統(tǒng)運行安全性，需為其配置相應(yīng)的備用容量。然而對于某調(diào)度時段，風(fēng)電功率預(yù)測誤差對備用容量的需求只計及了該時段風(fēng)電功率預(yù)測值與實際值之間的偏差，并沒有考慮該時段風(fēng)電功率波動所需的備用容量。

為此，本文首先根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測誤差及風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)運行的影響，分析了風(fēng)電功率預(yù)測誤差與風(fēng)電功率波動引起的備用需求；然后根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測誤差與風(fēng)電功率波動的特性，建立了風(fēng)電功率預(yù)測誤差的時段概率分布模型和風(fēng)電功率波動的功率狀態(tài)概率分布模型，并根據(jù)分布模型建立風(fēng)電備用需求與風(fēng)電出力之間的關(guān)系，以此提出風(fēng)電備用需求新模型；最后建立含風(fēng)電系統(tǒng)的有功和備用協(xié)調(diào)調(diào)度模型，模型將系統(tǒng)備用容量需求分解為快速備用和事故備用兩部分，以快速備用平抑系統(tǒng)負(fù)荷和風(fēng)電引起的功率不平衡，以事故備用補償因發(fā)電設(shè)備非計劃停運造成的發(fā)電容量損失，通過優(yōu)化得到系統(tǒng)各時段所需運行備用總量及其在機(jī)組間的最優(yōu)分配方案。

1 風(fēng)電引起的備用需求

在進(jìn)行日前調(diào)度計劃安排時，風(fēng)電出力是根據(jù)日前風(fēng)電功率預(yù)測值進(jìn)行安排的。由于風(fēng)電出力難以準(zhǔn)確預(yù)測，風(fēng)電實際出力值與預(yù)測值之間存在較大偏差，為保障系統(tǒng)運行安全性，現(xiàn)有調(diào)度方法一般根據(jù)風(fēng)電功率的預(yù)測誤差為其配置額外的上調(diào)／下調(diào)運行備用容量［3-6］，以保證出力在預(yù)測區(qū)間內(nèi)的風(fēng)電安全并網(wǎng)。但風(fēng)電出力具有較大的波動性，在調(diào)度時段內(nèi)風(fēng)電功率會出現(xiàn)持續(xù)攀升和下降，當(dāng)風(fēng)電功率波動超出系統(tǒng)能夠安全接納的預(yù)測區(qū)間時，系統(tǒng)將存在一定的運行風(fēng)險。圖1是比利時某風(fēng)電場出力示意圖，圖中實線是根據(jù)風(fēng)電預(yù)測誤差對備用需求確定的系統(tǒng)能夠安全接納的風(fēng)電預(yù)測區(qū)間，虛線是風(fēng)電在時段1內(nèi)的實際出力曲線?？梢悦黠@看出，在時段1內(nèi)風(fēng)電實際出力波動已超出預(yù)測區(qū)間，此時系統(tǒng)存在運行風(fēng)險，且風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模越大，風(fēng)電波動對系統(tǒng)的影響就越大。因此，僅通過風(fēng)電功率預(yù)測誤差來設(shè)置風(fēng)電的備用需求，不能滿足風(fēng)電對備用的實際需求。為保證系統(tǒng)運行的安全性，需針對風(fēng)電的波動性為其設(shè)置額外的備用容量。

圖1 風(fēng)電出力示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind power output

2 風(fēng)電的備用需求模型

2.1 風(fēng)電功率預(yù)測誤差的時段概率分布模型

風(fēng)電出力較低時，為避免相對誤差失去指導(dǎo)價值，本文以絕對誤差表示風(fēng)電功率的預(yù)測誤差?；鶞?zhǔn)化的風(fēng)電功率預(yù)測絕對誤差表示為：

其中為風(fēng)電功率預(yù)測值序列；yi為風(fēng)電功率實測值序列；PN為風(fēng)電額定裝機(jī)容量。

文獻(xiàn)［13］基于風(fēng)速的季節(jié)特性和日特性，通過大量歷史數(shù)據(jù)得出一個季度內(nèi)每天相同時刻風(fēng)電出力具有相同的概率分布特性的結(jié)論。本文借鑒該文獻(xiàn)的思路，認(rèn)為一個季度內(nèi)每天相同時段，風(fēng)電功率預(yù)測誤差具有相同的概率分布。基于此，根據(jù)風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù)，可得到不同季節(jié)風(fēng)電功率預(yù)測誤差的時段概率分布模型。通過對時段概率分布模型選擇合適的置信度，可得到其置信區(qū)間，再基于風(fēng)電功率日前預(yù)測曲線，就可得到滿足某置信度的并網(wǎng)風(fēng)電功率預(yù)測區(qū)間，可表示為：

其中，Sf.t為t時段并網(wǎng)風(fēng)電功率的概率預(yù)測區(qū)間，為滿足調(diào)度模型要求，將預(yù)測時段長度取為調(diào)度時段長度，即 60 min；Pw.u.t、Pw.d.t分別為 t時段風(fēng)電功率概率預(yù)測區(qū)間的上、下限值；Pwf.t為風(fēng)電功率日前預(yù)測值；ew.u.t、ew.d.t分別為由預(yù)測誤差概率置信區(qū)間上、下限得到的風(fēng)電功率向上、向下預(yù)測誤差；cpos.t.η、cneg.t.η分別為 t時段風(fēng)電功率預(yù)測誤差概率分布滿足置信度η的置信區(qū)間上、下限值。

2.2 風(fēng)電功率波動的功率狀態(tài)概率分布模型

風(fēng)電的波動性是指風(fēng)電出力在指定時空尺度上的逐點變化特性，可用風(fēng)電出力變化或變化率指標(biāo)來刻畫風(fēng)電波動性。風(fēng)電出力變化可表示為：

其中，Pwt′+1、 Pwt′分別為對應(yīng)時段的風(fēng)電功率實測值，由第1節(jié)分析可知，在調(diào)度時段內(nèi)風(fēng)電功率會出現(xiàn)持續(xù)攀升和下降，因此為了體現(xiàn)風(fēng)電的這一特性，將風(fēng)電功率波動的統(tǒng)計時段長度取為15 min。

為對風(fēng)電功率波動做進(jìn)一步研究，對風(fēng)電場的風(fēng)電功率波動與風(fēng)電功率分布進(jìn)行統(tǒng)計，見圖2。由圖2可知，當(dāng)風(fēng)電功率在不同區(qū)間時，風(fēng)電功率波動呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。因此可根據(jù)分布規(guī)律分功率區(qū)間統(tǒng)計風(fēng)電功率波動（見圖2），建立風(fēng)電功率波動的功率狀態(tài)概率分布模型。

圖2 風(fēng)電功率波動與功率分布圖Fig.2 Wind power fluctuation distribution and wind power distribution

將不同季節(jié)的風(fēng)電出力劃分到多個功率狀態(tài)空間，針對不同季節(jié)的不同功率狀態(tài)空間統(tǒng)計風(fēng)電功率波動，得到風(fēng)電功率波動的功率狀態(tài)概率分布模型。對風(fēng)電功率波動概率分布選擇合適的置信度得到其置信區(qū)間，此區(qū)間即為各功率狀態(tài)空間對應(yīng)的功率波動區(qū)間。

若t時段風(fēng)電功率Pwf.t所在的功率狀態(tài)空間為n，則t時段風(fēng)電功率Pwf.t的功率波動區(qū)間可表示為：

其中，Sp.t為 t時段風(fēng)電功率的波動區(qū)間；ΔPn.u.t、ΔPn.d.t分別為功率波動區(qū)間的上、下限值；cpos.n.η、cneg.n.η分別為功率狀態(tài)空間n的風(fēng)電功率波動滿足置信度η的置信區(qū)間上、下限值。

2.3 風(fēng)電的備用需求模型

對于含風(fēng)電的電力系統(tǒng)，風(fēng)電的隨機(jī)性、波動性給系統(tǒng)的運行帶來額外的風(fēng)險，系統(tǒng)需配置額外的運行備用容量以保證其運行安全性，該部分備用容量與風(fēng)電功率的預(yù)測誤差概率分布及風(fēng)電功率波動概率分布密切相關(guān)。

（1）風(fēng)電功率預(yù)測誤差需求的備用容量。

根據(jù)t時段并網(wǎng)風(fēng)電功率預(yù)測區(qū)間，確定系統(tǒng)在t時段需要為預(yù)測誤差額外配置的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量。

其中，Rf.u.t、Rf.d.t分別為系統(tǒng)在t時段為應(yīng)對風(fēng)電功率預(yù)測誤差配置的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量分別為根據(jù)風(fēng)電預(yù)測區(qū)間確定的系統(tǒng)在t時段需要考慮的風(fēng)電功率向上、向下預(yù)測誤差值。

（2）風(fēng)電功率波動需求的備用容量。

風(fēng)電功率波動與風(fēng)電功率所在的功率區(qū)間有關(guān)，可根據(jù)t時段并網(wǎng)風(fēng)電功率預(yù)測區(qū)間，確定t時段需要為風(fēng)電功率波動額外配置的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量。

圖3 風(fēng)電功率波動區(qū)間示意圖Fig.3 Schematic diagram of wind power fluctuation interval

如圖3所示，當(dāng)t時段風(fēng)電功率實際值大于／小于風(fēng)電功率預(yù)測值，且風(fēng)電功率波動在預(yù)測區(qū)間內(nèi)（如曲線1、曲線2所示）時，為風(fēng)電功率預(yù)測誤差提供的下調(diào)／上調(diào)運行備用容量能滿足風(fēng)電功率預(yù)測誤差及風(fēng)電功率波動對運行備用容量的要求；但當(dāng)風(fēng)電功率波動超出t時段風(fēng)電功率預(yù)測區(qū)間（如曲線3、曲線4所示）時，以風(fēng)電功率預(yù)測誤差確定的風(fēng)電運行備用容量無法滿足風(fēng)電對運行備用容量的實際需求，需針對風(fēng)電功率波動配置額外的運行備用容量。

考慮風(fēng)電功率波動的功率狀態(tài)分布特性，本文根據(jù)t時段風(fēng)電功率預(yù)測區(qū)間的上、下限值所在的功率狀態(tài)空間統(tǒng)計得到的向上、向下波動來表示t時段需要考慮的風(fēng)電功率向上、向下波動量（ΔPn1.u.t、ΔPn2.d.t），同時波動不能超出容量限值因此，t時段為風(fēng)電功率波動額外配置的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量可表示為：

其中，Rp.u.t、Rp.d.t分別為系統(tǒng)在t時段為應(yīng)對風(fēng)電功率波動配置的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量；ΔPu.t、ΔPd.t分別為t時段需要考慮的風(fēng)電功率向上、向下波動量；ΔPn1.u.t、ΔPn2.d.t分別為t時段按風(fēng)電功率預(yù)測區(qū)間上限Pw.u.t確定的功率狀態(tài)空間n1對應(yīng)的向上波動量和預(yù)測區(qū)間下限Pw.d.t確定的功率狀態(tài)空間n2對應(yīng)的向下波動量分別為 t時段預(yù)測區(qū)間上、下限到風(fēng)電功率取值上、下限的波動量；cpos.n1.η、ceng.n2.η分別為功率狀態(tài)空間n1的風(fēng)電功率波動滿足置信度η的置信區(qū)間取值上限和功率狀態(tài)空間n2的風(fēng)電功率波動滿足置信度η的置信區(qū)間取值下限。

3 備用協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

本文將系統(tǒng)備用容量需求分解為快速備用容量和事故備用容量兩部分［9，14］，以快速備用容量平抑負(fù)荷和風(fēng)電引起的功率不平衡量，以事故備用容量補償因發(fā)電設(shè)備非計劃停運造成的發(fā)電容量損失，并將備用成本計入目標(biāo)函數(shù)，建立兼顧系統(tǒng)運行效益和備用效益的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

為使調(diào)度計劃能在保證系統(tǒng)運行安全性的同時兼顧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，以機(jī)組運行成本最低、系統(tǒng)運行備用成本最少為優(yōu)化目標(biāo)。

（1）機(jī)組運行成本。

因為風(fēng)電在運行時不消耗資源，故認(rèn)為風(fēng)電的運行費用為0，只計及常規(guī)機(jī)組的運行費用，故系統(tǒng)機(jī)組運行成本可表示為：

其中，F(xiàn)c.i.t（Pi.tIi.t）為機(jī)組 i的運行成本函數(shù)，Pi.t為機(jī)組i在t時段的出力，Ii.t為機(jī)組i在t時段的啟停狀態(tài)；SUi.t、SDi.t分別為機(jī)組i在t時段的開機(jī)費用和關(guān)機(jī)費用；T為調(diào)度時段數(shù)；NG為常規(guī)機(jī)組總臺數(shù)。

（2）系統(tǒng)運行備用成本。

其中，Rui.t、Rdi.t分別為機(jī)組i在t時段提供的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量；αi、βi分別為機(jī)組i的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量報價。

協(xié)調(diào)優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)可表示為：

3.2 約束條件

（1）系統(tǒng)功率平衡約束。

其中，Pload.t、Ploss.t分別為t時段的系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)損。

（2）系統(tǒng)運行備用容量約束。

機(jī)組可提供的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量限值［15］為：

其中分別為機(jī)組i在t時段內(nèi)可以提供的上調(diào)、下調(diào)運行備用容量限值；Pi.max、Pi.min分別為機(jī)組i的出力上、下限；ru.i、rd.i分別為機(jī)組i在調(diào)度時段內(nèi)的向上、向下爬坡速率；T60為機(jī)組計劃出力的調(diào)度時段長度，本文取為60 min。

則系統(tǒng)運行備用容量約束［9］為：

其中，ki.ru.t、ki.rd.t分別為機(jī)組i在t時段的上調(diào)、下調(diào)快速備用分配因子；T15、T60分別為15 min和60 min的時間量度；Rmin.ru.t、Rmin.rd.t分別為系統(tǒng)t時段上調(diào)、下調(diào)快速備用需求容量；Rmin.pku.t為系統(tǒng)t時段上調(diào)備用需求容量；Rl.u.t、Rl.d.t分別為系統(tǒng)負(fù)荷對上調(diào)、下調(diào)運行備用容量的需求；Rfail.t為系統(tǒng)事故備用需求。

（3）計及爬坡約束的機(jī)組出力限制約束。

除上述約束條件外，還考慮了機(jī)組最小持續(xù)開／停機(jī)時間以及機(jī)組最大啟停次數(shù)等約束條件［16-18］。

4 仿真算例分析

本文的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度問題為混合整數(shù)二次規(guī)劃（MIQP）問題，可利用Yalmip工具箱，通過MATLAB平臺，調(diào)用CPLEX軟件對其進(jìn)行求解。為了考察本文所提模型的正確性和有效性，采用修訂后的IEEE 6節(jié)點和IEEE 118節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。并網(wǎng)風(fēng)電場數(shù)據(jù)根據(jù)比利時2011—2013年某風(fēng)電場的歷史數(shù)據(jù)等比例轉(zhuǎn)換得到。

4.1 IEEE 6節(jié)點系統(tǒng)算例

為了全面分析并網(wǎng)風(fēng)電對系統(tǒng)備用的影響，以及本文所提協(xié)調(diào)優(yōu)化模型對調(diào)度決策的影響，在此算例下設(shè)置了3種運行情景。

情景1：基準(zhǔn)情景。系統(tǒng)的并網(wǎng)風(fēng)電場裝機(jī)容量取為180 MW，占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的30%。系統(tǒng)的機(jī)組數(shù)據(jù)、負(fù)荷和風(fēng)電功率數(shù)據(jù)分別見表1、表2。網(wǎng)絡(luò)損耗取預(yù)測負(fù)荷的5%，負(fù)荷不確定性對上調(diào)、下調(diào)運行備用容量的需求取為負(fù)荷預(yù)測值的1%，并網(wǎng)風(fēng)電對系統(tǒng)上調(diào)、下調(diào)運行備用的需求由第2節(jié)的風(fēng)電備用需求模型求得，其中風(fēng)電功率預(yù)測誤差及風(fēng)電功率波動的置信度η取為0.8，統(tǒng)計風(fēng)電功率波動的功率區(qū)間分為 4 段，分別為［0，40］MW、［40，80］MW、［80，120］MW、［120，180］MW，如圖 2 所示，事故運行備用取預(yù)測負(fù)荷的5%。

表1 IEEE 6節(jié)點系統(tǒng)機(jī)組數(shù)據(jù)Table 1 Unit data of IEEE 6-bus system

表2 負(fù)荷、風(fēng)電功率預(yù)測數(shù)據(jù)Table 2 Forecast data of load and wind power

情景2：風(fēng)電出力高不確定性情景。此情景下，在計算并網(wǎng)風(fēng)電對系統(tǒng)上調(diào)、下調(diào)運行備用的需求時，風(fēng)電功率預(yù)測誤差及風(fēng)電功率波動的置信度η取為0.95，其他系統(tǒng)參數(shù)取值同情景1。

情景3：高并網(wǎng)風(fēng)電規(guī)模情景。在該情景下，并網(wǎng)風(fēng)電容量增至情景1的2倍，統(tǒng)計風(fēng)電功率波動的功率區(qū)間分為 4 段，分別為［0，80］MW、［80，160］MW、［160，240］MW、［240，360］MW，其他參數(shù)取值同情景1。

表3為不同運行情景下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行結(jié)果，圖4、圖5分別為不同運行情景下機(jī)組出力和快速備用容量需求。

表3 不同運行情景下的計算結(jié)果Table 3 Calculated results for different scenarios

圖4 不同運行情景下機(jī)組各時段的出力Fig.4 Hourly output of units for different scenarios

圖5 不同運行情景下的系統(tǒng)快速備用需求容量Fig.5 Fast reserve capacity demand of system for different scenarios

由情景2與情景1的運行結(jié)果可知，隨著置信度取值的增大，系統(tǒng)需求的快速上調(diào)、下調(diào)備用容量增大。在運行情景2下，為滿足較高的備用需求，在負(fù)荷高峰時段需增開經(jīng)濟(jì)性最差的機(jī)組G3。因此較情景1的經(jīng)濟(jì)運行結(jié)果，不僅情景2的備用成本有所增加，系統(tǒng)的機(jī)組運行費用也有所增加。

由情景3與情景1的運行結(jié)果可知，隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加，系統(tǒng)的不確定性增大，系統(tǒng)需求的快速備用容量也增大。在運行情景3下，雖然高容量的并網(wǎng)風(fēng)電給系統(tǒng)帶來了電量效益，降低了常規(guī)機(jī)組出力需求，但是為了滿足其高備用容量需求，經(jīng)濟(jì)性較差的機(jī)組不得不長時間運行，降低了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，致使情景3的運行費用高于情景1。

為了驗證本文所建立的風(fēng)電備用需求模型的有效性，以基準(zhǔn)情景（運行情景1）為例進(jìn)行分析。圖6為運行情景1的風(fēng)電并網(wǎng)區(qū)間圖。由圖6可知，根據(jù)本文提出的風(fēng)電備用需求模型計算得到的風(fēng)電并網(wǎng)區(qū)間，大于僅以風(fēng)電功率預(yù)測誤差作為風(fēng)電備用需求而確定的風(fēng)電預(yù)測區(qū)間?？芍疚慕⒌娘L(fēng)電備用模型在一定程度上提高了風(fēng)電并網(wǎng)運行的安全性。

圖6 運行情景1的風(fēng)電并網(wǎng)區(qū)間Fig.6 Wind power integration interval of Scenario 1

為做進(jìn)一步分析，以比利時某風(fēng)電場2011—2012年夏季數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，建立風(fēng)電功率預(yù)測誤差概率分布模型及風(fēng)電功率波動概率分布模型，以2013年夏季數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。風(fēng)電備用需求模型分別以僅考慮風(fēng)電功率預(yù)測誤差、固定比例（±15%PN）及本文所提模型進(jìn)行比較分析，計算結(jié)果見表4，表中比率表示夏季實測風(fēng)電功率超出由風(fēng)電備用模型確定的風(fēng)電并網(wǎng)區(qū)間的時段數(shù)與夏季總時段數(shù)的比值，反映了風(fēng)電并網(wǎng)運行風(fēng)險；上調(diào)、下調(diào)備用容量表示夏季每天為風(fēng)電配置的上調(diào)、下調(diào)備用容量平均值，反映了風(fēng)電備用模型對備用容量需求的大小。由表4知，僅考慮風(fēng)電預(yù)測誤差的備用模型，雖然需求的備用容量最小，但是風(fēng)電存在的運行風(fēng)險最大；以固定比例配置的風(fēng)電備用模型，雖然風(fēng)電存在的運行風(fēng)險最小，但是需求的備用容量最大；而本文所提的風(fēng)電備用模型，雖然在一定程度上增加了風(fēng)電備用需求容量，但是在更大程度上保證了風(fēng)電并網(wǎng)運行的安全性。

表4 不同風(fēng)電備用模型下的計算結(jié)果Table 4 Calculated results by different wind power reserve models

4.2 IEEE 118節(jié)點系統(tǒng)算例

為了驗證本文所提模型和方法能適用于大規(guī)模系統(tǒng)，以修訂的IEEE118節(jié)點系統(tǒng)算例進(jìn)行驗證。在此算例下，系統(tǒng)的并網(wǎng)風(fēng)電場裝機(jī)容量取為3000MW，占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的30%。系統(tǒng)的機(jī)組數(shù)據(jù)、負(fù)荷和風(fēng)電功率數(shù)據(jù)分別見表5、表6。網(wǎng)絡(luò)損耗取預(yù)測負(fù)荷的5%，負(fù)荷不確定性對上調(diào)、下調(diào)運行備用容量的需求取為負(fù)荷預(yù)測值的1%，并網(wǎng)風(fēng)電對系統(tǒng)上調(diào)、下調(diào)運行備用的需求根據(jù)第2節(jié)的風(fēng)電備用需求模型求得，其中風(fēng)電功率預(yù)測誤差及風(fēng)電功率波動的置信度η取為0.8，統(tǒng)計風(fēng)電功率波動的功率區(qū)間分為 5段，分別為［0，500］MW、［500，1000］MW、［1000，1500］MW、［1500，2000］MW，［2000，3000］MW，事故運行備用取預(yù)測負(fù)荷的3%。

表5 IEEE 118節(jié)點系統(tǒng)機(jī)組數(shù)據(jù)Table 5 Unit data of IEEE 118-bus system

表6 負(fù)荷、風(fēng)電功率預(yù)測數(shù)據(jù)Table 6 Forecast data of load and wind power

表7為置信度η分別取0.80、0.90、0.95時系統(tǒng)的運行結(jié)果，圖7為快速備用容量需求圖。由以上運行結(jié)果可知，不同的置信度對系統(tǒng)快速備用需求有較大影響，即隨著置信度的增大，系統(tǒng)的快速上調(diào)、下調(diào)備用容量均增大，系統(tǒng)為了滿足高備用容量需求，運行經(jīng)濟(jì)性降低，機(jī)組運行費用增加。當(dāng)置信度η取為0.95時，系統(tǒng)的高不確定性導(dǎo)致極高的快速備用容量需求，致使系統(tǒng)無解。

表7 不同置信度取值下的計算結(jié)果Table 7 Calculated results for different confidence levels

圖7 不同置信度取值下的系統(tǒng)快速備用需求容量Fig.7 Fast reserve capacity demand of system for different confidence levels

5 結(jié)論

a.本文針對風(fēng)電的隨機(jī)性、波動性建立了風(fēng)電備用需求新模型。該模型考慮了風(fēng)電功率預(yù)測誤差對備用的需求，同時還計及了風(fēng)電功率波動對其備用需求的影響。該模型考慮全面，能降低風(fēng)電并網(wǎng)引起的運行風(fēng)險，對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的備用配置具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

b.本文建立了含風(fēng)電系統(tǒng)的有功和備用協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，該模型將備用容量分解為快速備用和事故備用兩部分，能夠充分考慮系統(tǒng)各類不確定因素需求的備用容量特性，并能在得到發(fā)電機(jī)最優(yōu)出力計劃的同時對2類備用容量進(jìn)行分時段最優(yōu)分配，為解決含風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題提供了一種新方案。

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