電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性分析

陽國(guó)燕

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局電力調(diào)度控制中心，廣西 桂林 541002)

電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性分析

陽國(guó)燕

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局電力調(diào)度控制中心，廣西 桂林 541002)

靈活性是電力系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要特性，對(duì)當(dāng)今電力系統(tǒng)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，電力系統(tǒng)已可有效地容納大規(guī)模的多元可再生能源(Renewable Energy Sources,RES)。多種可再生能源，尤其是風(fēng)電和光伏(Photovoltaics,PV)，會(huì)導(dǎo)致功率大幅度波動(dòng)，充足的運(yùn)行靈活性則是大規(guī)模整合電網(wǎng)的必要前提。本文建立了必要的框架，用于對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)裝置及其整體的運(yùn)行靈活性的量化及評(píng)估。電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的必要指標(biāo)包括功率變化率、發(fā)電機(jī)的功率和儲(chǔ)能、負(fù)荷和儲(chǔ)存設(shè)備等。對(duì)風(fēng)電不確定性和負(fù)荷不確定性的電力系統(tǒng)以及不同備用容量下的電力系統(tǒng)之間的靈活性彼此進(jìn)行定量分析和比較。

靈活性；可再生能源；風(fēng)電不確定性；負(fù)荷不確定性

1 引言

在電力系統(tǒng)中，靈活性可以指在快速響應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)不同變化和事件的快速反應(yīng)[1]。本文提出了一種新的方法來分析給定的電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性。在本文中，可組合不同的運(yùn)行靈活性，限制網(wǎng)格區(qū)的電力系統(tǒng)裝置，提供每個(gè)時(shí)間間隔步長(zhǎng)的規(guī)劃，給予負(fù)荷需求和可再生能源(RES)預(yù)測(cè)信息，以便于在實(shí)時(shí)情況下的應(yīng)急。如由風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏組件或是波動(dòng)負(fù)荷需求等導(dǎo)致的電力供應(yīng)中斷或預(yù)測(cè)偏差會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而運(yùn)行靈活性是電力系統(tǒng)中減輕干擾的重要手段。Makarov等人在文獻(xiàn)[2]中提出了電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的評(píng)估指標(biāo)有容量斜坡率(ρ)、電力系統(tǒng)容量(π)、能量?jī)?chǔ)存容量(C=)和容量持續(xù)時(shí)間(δ)，并在文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行了更深入的討論。本文簡(jiǎn)歷了必要的框架，用于量化電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性。文獻(xiàn)[4-5]中介紹了使用電源節(jié)點(diǎn)建?？蚣芸梢酝瓿伤须娏ο到y(tǒng)裝置的功能建模。對(duì)風(fēng)電不確定性和負(fù)荷不確定性的電力系統(tǒng)以及不同備用容量下的電力系統(tǒng)之間的靈活性彼此進(jìn)行定量分析和比較。

2 電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性

運(yùn)行靈活性是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要特性，它是電力系統(tǒng)中減輕由風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽能組件或是波動(dòng)負(fù)荷需求等導(dǎo)致的電力供應(yīng)中斷或預(yù)測(cè)偏差所導(dǎo)致的干擾的重要手段。提高可再生能源的可用性可以滿足電力系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行靈活性的要求。

2.1 提高運(yùn)行靈活性的必要性

近年來，電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化和實(shí)時(shí)操作已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，其中包括：

(1)多種可再生能源，如風(fēng)電和光伏的廣泛調(diào)度構(gòu)成了發(fā)電重要部分，因?yàn)轱L(fēng)電和光伏發(fā)電具有高度的波動(dòng)性和隨機(jī)性。多種可再生能源供電導(dǎo)致了常規(guī)機(jī)組頻繁的調(diào)節(jié)，若系統(tǒng)沒有更高的靈活性則可能會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生不確定的功率失衡和潮流轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[6-7]。

(2)新型的電力市場(chǎng)更加關(guān)注于其自身的靈活性。例如，頻繁地改變發(fā)電廠目前以市場(chǎng)為導(dǎo)向的運(yùn)行安排以及波動(dòng)性更大(甚至越界)的潮流形式，將導(dǎo)致瞬時(shí)功率不平衡，繼而造成額定的頻率偏差[8]。

(3)智能電網(wǎng)的出現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式產(chǎn)生了改變[9]。利用控制理論的框架體系，智能電網(wǎng)可以被理解為所有可提高觀測(cè)性和可控性的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。即在電網(wǎng)各電壓等級(jí)，功率在供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)需要更高的靈活性。

總之，這些發(fā)展構(gòu)成了電力系統(tǒng)主要的管理模式。電力系統(tǒng)要在更復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行，需要在每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)運(yùn)行靈活性進(jìn)行更細(xì)致的評(píng)估，借此有效減輕系統(tǒng)的干擾。

2.2 運(yùn)行靈活性的分類

運(yùn)行靈活性資源可以分為傳統(tǒng)能源和可控的大規(guī)模可再生能源[1]。其中傳統(tǒng)能源包括火電、水電和核電。傳統(tǒng)能源裝機(jī)容量大且穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中占大部分。而可再生能源(如風(fēng)電、光伏、潮汐和太陽能等新型能源)使用成本低，經(jīng)濟(jì)性好，但穩(wěn)定性較差，需要較高的電力系統(tǒng)靈活性，同時(shí)需要提高其可控性、可預(yù)測(cè)性和可觀察性。

2.3 運(yùn)行靈活性的指標(biāo)

為了便于分析，需要通過適當(dāng)?shù)撵`活性指標(biāo)對(duì)提高運(yùn)行靈活性的技術(shù)進(jìn)行描述并分類。Makarov等人在文獻(xiàn)[2]中提出了一個(gè)很有用的方法來評(píng)估電力系統(tǒng)所需要的運(yùn)行靈活性，例如利用高比例的風(fēng)力發(fā)電。以下是運(yùn)行靈活性的四個(gè)指標(biāo)：

(1)容量斜坡率ρ(MW/min)

(2)電力系統(tǒng)容量π(MW)

(3)能量?jī)?chǔ)存容量ε(MWh)

(4)容量持續(xù)時(shí)間δ(min)

容量持續(xù)時(shí)間δ由容量斜坡率ρ和電力系統(tǒng)容量π決定，δ=π/ρ，因此，可以使用相關(guān)的指標(biāo)ρ，π和ε來描述靈活性，也可用其中三個(gè)靈活性指標(biāo)來表示另外一個(gè)指標(biāo)。

3 運(yùn)行靈活性的建模

電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的分析和評(píng)估首先需要建立一個(gè)框架，該框架允許電力系統(tǒng)在一定程度內(nèi)偏離預(yù)設(shè)工作點(diǎn)運(yùn)行，以便調(diào)節(jié)功率供應(yīng)和功率需求的模式。一個(gè)單元是否具有有限的存儲(chǔ)功能，是否能提供波動(dòng)功率供應(yīng)，以及是哪種可控性和可觀測(cè)性，后者還具有預(yù)測(cè)性，波動(dòng)電源和負(fù)荷需求的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程。這些特性的總和便可成為電力系統(tǒng)單元的運(yùn)行穩(wěn)定性。這實(shí)際上與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)單元里的嵌入式存儲(chǔ)容量高度相關(guān)。本文建模的目的是使用電源節(jié)點(diǎn)模型框架：該框架允許電力系統(tǒng)各單位對(duì)具體功能建模，如多元儲(chǔ)能單元(如電池，飛輪，抽水蓄能等)、多元發(fā)電機(jī)組(如傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電等)、多元負(fù)荷需求單元。

故運(yùn)行靈活性的模型如式(1)所示:

(1)

功率節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作可用圖1中電能存儲(chǔ)單元模型直觀描述。

圖1 電能存儲(chǔ)單元的功率節(jié)點(diǎn)模型

4 運(yùn)行靈活性的評(píng)估分析

使用功率節(jié)點(diǎn)注記的復(fù)雜電力系統(tǒng)交互作用函數(shù)表達(dá)式能夠給出三個(gè)與功率相關(guān)的運(yùn)行靈活性度量的直觀評(píng)估及分析。本節(jié)將給出基于Monte-Carlo模擬方法的電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的評(píng)估模型，及其模擬算法流程。

4.1 常規(guī)運(yùn)行靈活性評(píng)估

電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性分析如圖2所示，狀態(tài)1代表凈負(fù)荷曲線超越了機(jī)組出力上限，表明該系統(tǒng)需要補(bǔ)充上調(diào)靈活性資源；狀態(tài)2代表該系統(tǒng)靈活性資源充足；狀態(tài)3代表該系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線超過了機(jī)組出力下限，表示其下調(diào)靈活性資源缺失。

圖2 電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性評(píng)估示意圖

基于Monte-Carlo算法并加以改進(jìn)可以得到節(jié)點(diǎn)注入功率和潮流數(shù)據(jù)，并據(jù)此建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)中包括各節(jié)點(diǎn)發(fā)電的成本、各支路所剩傳輸能力的成本及網(wǎng)損，再利用遺傳算法處理節(jié)點(diǎn)注入功率，通過計(jì)算得到系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的評(píng)估[11]。但隨著電力系統(tǒng)大規(guī)模接入風(fēng)電，運(yùn)行靈活性需要有更好的評(píng)估方法。

4.2 可再生能源并網(wǎng)后的運(yùn)行靈活性評(píng)估

大規(guī)模的可再生新能源并網(wǎng)是如今大勢(shì)所趨，相對(duì)于常規(guī)能源，可再生能源出力隨機(jī)性較強(qiáng)，可調(diào)控力更弱，風(fēng)電為例，風(fēng)速的可預(yù)測(cè)性及其難度都相對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)高得多。因此，對(duì)可再生能源的靈活性要求更高，需要更多的靈活性資源。

而其靈活性的建模步驟如下：

(1)根據(jù)風(fēng)電功率、負(fù)荷預(yù)測(cè)參數(shù)確定當(dāng)日的機(jī)組組合類型，得到機(jī)組i在t時(shí)刻啟停狀態(tài)為ui,t，設(shè)模擬次數(shù)初值k=0。

(2)通過歷史功率預(yù)測(cè)誤差可以設(shè)置棄風(fēng)、切負(fù)荷變量來求解以下模型：

(2)

式中，cwind和cload分別為單位棄風(fēng)量和切負(fù)荷電量的損失度；Δuwind,t和Δuload,t分別為t時(shí)刻內(nèi)的棄風(fēng)量及切負(fù)荷量；f(x)為出力x的機(jī)組耗煤量。

再設(shè)4個(gè)中間變量ξmax、ηmax、ξmim、ηmin來記錄模擬結(jié)果。當(dāng)[Δuload，t]t×T全為0時(shí)，上調(diào)備用不足，如式(3)所示計(jì)算：

(3)

當(dāng)[Δuload，t]t×T不全為0時(shí)，下調(diào)備用不足，如式(4)所示計(jì)算：

(4)

(3)令模擬次數(shù)做k=k+1的迭代，可如式(5)所示，計(jì)算電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性指標(biāo)：

(5)

式中，PU為上調(diào)靈活性不足概率，EU為上調(diào)靈活性不足期望，PD為下調(diào)靈活性不足概率，ED為下調(diào)靈活性不足期望。

(6)

若收斂于一個(gè)誤差值ε，則模擬結(jié)束，輸出靈活性指標(biāo)，若不滿足則從步驟(2)開始繼續(xù)計(jì)算。

4.3 算例分析

基于我國(guó)南方某電網(wǎng)風(fēng)電及負(fù)荷的實(shí)際情況進(jìn)行模擬。其中，常規(guī)機(jī)組的裝機(jī)容量為13600MW、風(fēng)電裝機(jī)容量為6800MW、負(fù)荷峰值為12466MW，收斂誤差值ε=0.01，常規(guī)機(jī)組煤耗如表X所示。

本節(jié)設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案來對(duì)比風(fēng)電不確定性與負(fù)荷不確定性對(duì)靈活性指標(biāo)的影響。其中，方案1中系統(tǒng)不接入風(fēng)電場(chǎng)，假設(shè)負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差5%，標(biāo)準(zhǔn)差為285MW，最低的備用容量為15%。方案2中系統(tǒng)接入23.5%的風(fēng)電場(chǎng)，忽略負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差，設(shè)其標(biāo)準(zhǔn)差為285MW，誤差預(yù)測(cè)百分比為17.4%，同時(shí)設(shè)最低備用容量為15%。

表1 典型常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組供電煤耗參考值

方案1和方案2的對(duì)比如表2所示。

表2 負(fù)荷和風(fēng)電不確定性對(duì)靈活性指標(biāo)的影響

從表2中可以看出，方案1中靈活性充足，而方案2中靈活性不足的概率并不完全等于0，并且還需要57.8MW的上調(diào)靈活容量。故而，風(fēng)電接入系統(tǒng)中需要更多的考慮影響靈活性的因素如風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差，并作出應(yīng)對(duì)措施。

除此之外，備用容量的不同對(duì)靈活性指標(biāo)亦有影響。假設(shè)風(fēng)電接入比例為30%，計(jì)算備用容量分別為15%，20%，25%，30%時(shí)靈活性指標(biāo)，如表3所示。

表3 不同備用比例下的靈活性指標(biāo)

表3中可知，提高系統(tǒng)備用容量對(duì)提高上調(diào)靈活性有明顯作用，對(duì)下調(diào)靈活性作用不明顯。備用容量上升到30%時(shí)，下調(diào)靈活性仍然不足，故只采用提高備用容量無法徹底解決靈活性不足問題。

5 結(jié)論

本文介紹了電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的分類和特征，闡述了提高靈活性的重要性，并建立了運(yùn)行靈活性的模型，提出了電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的評(píng)估方法。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展及可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)，電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的研究顯得越發(fā)重。有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)降低了電力系統(tǒng)運(yùn)行的成本，保護(hù)了環(huán)境，但同時(shí)對(duì)運(yùn)行靈活性的要求也借此提升，需要更多的關(guān)注及研究保證靈活性資源充足。

(2)靈活性資源不足的根本原因是可調(diào)用容量不足，要保證靈活性資源的充足就必須留有足夠的可調(diào)用容量。

(3)負(fù)荷不確定性與風(fēng)電不確定性還是有一定的區(qū)別，要解決風(fēng)電不確定性必須更多的考慮影響靈活性的因素如風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差。

(4)通過算例可知，僅提高備用容量沒有辦法徹底解決靈活性不足問題，要解決此問題還需要更好的方法。

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Analysis of Electric Power System Operation

YANGGuo-yan

(Electric Power Dispatch and Control Center of Guilin Power Grid Corporation,Guilin 541002,China)

Flexibility is an significant characteristic of power system operation,it plays a vital role in the operation of the power system.The power system has been effective to accommodate large-scale diverse renewable energy(Renewable Energy Sources,RES).A variety of renewable energy,particularly wind power and photovoltaic(PV),will lead to power fluctuations,adequate operational flexibility is a necessary prerequisite for large-scale integration of the grid.This article established the necessary framework for independent system device and its overall operational flexibility and quantitative assessment of electricity.Power system operational flexibility necessary indicators include power ramp-rate,power and energy capability of generators,loads and storage devices.The flexibility of the power system and the load uncertainty and the uncertainty of the wind power are analyzed and compared with each other,also compared the different reserve capacity of the power system.

Flexibility;Renewable Energy Sources;the uncertainty of the wind power;the load uncertainty

1004-289X(2016)03-0033-05

TM71

B

2015-09-14

陽國(guó)燕(1981-)，女，廣西桂林人，工程師，工程碩士，從事地區(qū)電網(wǎng)電力調(diào)度運(yùn)行及繼電保護(hù)整定計(jì)算管理，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控及運(yùn)行方式優(yōu)化。