魯棒優(yōu)化下含風(fēng)電電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)用

程嚴(yán)寧

摘要：輸電網(wǎng)擴展規(guī)劃是在已知電源規(guī)劃和負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確定在可能的輸電走廊上新建或擴建輸電線路，以滿足電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟的電能輸送，同時適應(yīng)電力系統(tǒng)運行方式多樣性的過程。本文主要對魯棒優(yōu)化的含風(fēng)電電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃情況加強理論研究，希望能對輸電網(wǎng)的科學(xué)規(guī)劃發(fā)展有所裨益。

關(guān)鍵詞：魯棒優(yōu)化；電力系統(tǒng)；規(guī)劃應(yīng)用

0.引言

近年來風(fēng)電快速發(fā)展的同時，其電能消納情況卻并不盡如人意。與傳統(tǒng)的火電、水電、核電不同，風(fēng)電場的輸出主要取決于風(fēng)能資源情況，具有隨機性和間歇性特點，可控性相對較差，即受到風(fēng)能資源的隨機性特點及電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制約，風(fēng)電并網(wǎng)會對電力系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生一定的影響。

1.風(fēng)電電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)規(guī)劃由電力負(fù)荷預(yù)測、電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃等部分構(gòu)成，其中電源規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃相輔相成、互相影響，有必要促進兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展。為支持風(fēng)電發(fā)展和大范圍消納，中國的電網(wǎng)企業(yè)近年來也相繼加大了電網(wǎng)建設(shè)的力度。即便如此，由于風(fēng)電項目前期工作流程相對簡單，核準(zhǔn)進度快，建設(shè)周期相對較短，而電網(wǎng)接入系統(tǒng)在項目審查、方案確定及工程建設(shè)方面相對復(fù)雜，致使接入系統(tǒng)工程與風(fēng)電場建設(shè)難以同步完成，因此現(xiàn)有風(fēng)電場建設(shè)與電網(wǎng)建設(shè)速度并不協(xié)調(diào)[1]。

與常規(guī)電源相比較，現(xiàn)階段的風(fēng)電發(fā)展需要依托政策支持，而且具有集中規(guī)劃、出力間歇性、一般離主網(wǎng)較遠(yuǎn)等顯著特點，因此風(fēng)電場的容量確定和地點選擇、輸電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃等都將對電力系統(tǒng)的可靠性和投資經(jīng)濟性造成一定的影響，應(yīng)當(dāng)積極推進二者的協(xié)調(diào)規(guī)劃與發(fā)展。除風(fēng)力發(fā)電之外，電力系統(tǒng)運行中還存在很多不確定性因素（如負(fù)荷波動、電力設(shè)備故障等），在充分考慮各類不確定因素影響的基礎(chǔ)上，獲得最優(yōu)的電力系統(tǒng)規(guī)劃方案至關(guān)重要。

2.風(fēng)電接入對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響

2.1對電壓的影響

風(fēng)電場接入對系統(tǒng)電壓的影響主要表現(xiàn)在：第一，啟動時對電網(wǎng)的沖擊；第二，運行時對電網(wǎng)電壓的影響。目前我國的風(fēng)力發(fā)電機組主要為異步發(fā)電機，在并網(wǎng)前發(fā)電機本身沒有電壓，因此在并網(wǎng)的過渡過程中啟動沖擊電流可能達到額定電流的5—8倍，對小容量電網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓大幅降低，從而使電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行受到威脅[2]。一般風(fēng)電機組的有效風(fēng)速范圍在3—24m/s。當(dāng)出現(xiàn)陣性風(fēng)或脫離有效風(fēng)速范圍時，就會造成風(fēng)力發(fā)電功率發(fā)生大幅度變化，尤其對風(fēng)電接入點處的電壓影響最大。

2.2對系統(tǒng)潮流的影響

風(fēng)力發(fā)電機組通常都接在電網(wǎng)末端。但系統(tǒng)中沒有風(fēng)電機組接入時，系統(tǒng)各支路處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。但當(dāng)風(fēng)電場投入運行時，改變了原有電網(wǎng)功率單向流動的特點，風(fēng)電機組接入點線路的功率流動發(fā)生變化，使整個電網(wǎng)的功率流動和功率分配出現(xiàn)變化。因此可能會造成各線路超負(fù)荷輸送功率，發(fā)生電壓越限等不良后果。

2.3對電能質(zhì)量的影響

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生電壓波動和和閃變的根本原因是由于風(fēng)電機組輸出功率的波動。風(fēng)電機組引起電壓閃變和波動的因素很多包括：風(fēng)況、風(fēng)電機組類型、控制系統(tǒng)、大型風(fēng)電機組單元的啟停、風(fēng)電機組單元輸出的短時劇變；并網(wǎng)風(fēng)電機組公共連接點短路比和線路 R/X 比風(fēng)電機組單元與系統(tǒng)中電壓反饋控制設(shè)備相互作用而帶來的不利影響等等。

風(fēng)電發(fā)電機本身產(chǎn)生的諧波幾乎可以忽略，但是大量的電力電子器件、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用，給系統(tǒng)引入了大量諧波，諧波的幅度和階次受到發(fā)電方式以及轉(zhuǎn)換器的工作模式的影響。風(fēng)電并網(wǎng)對繼電保護也有影響，與常規(guī)配電網(wǎng)不同，風(fēng)電場接入系統(tǒng)后改變了原有的網(wǎng)絡(luò)潮流使之與電網(wǎng)之間的潮流有可能是雙向的[3]。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路時，風(fēng)電場有可能會向短路點輸送短路電流，使得電流保護無法正常工作。異步電動機發(fā)生短路故障時，由于沒有調(diào)節(jié)勵磁能力，造成機端電壓顯著降低，使得風(fēng)力發(fā)電機出現(xiàn)近距離三相短路時只能提供短暫故障電流。

3.基于魯棒優(yōu)化的含風(fēng)電電力系統(tǒng)規(guī)劃思路

為實現(xiàn)風(fēng)電場并網(wǎng)線路的合理決策，應(yīng)進行風(fēng)電場接入系統(tǒng)方案與輸電網(wǎng)擴展的協(xié)調(diào)規(guī)劃，達到系統(tǒng)可靠性與投資經(jīng)濟性的整體最優(yōu)。盡管輸電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃是一個大規(guī)模非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題，但其本質(zhì)上包括確定最優(yōu)擴展投資和系統(tǒng)運行分析兩方面內(nèi)容，BenderS分解算法通過將電網(wǎng)規(guī)劃問題分解為投資主問題和運行子問題進行求解，目前已在確定性電網(wǎng)規(guī)劃問題中得到了應(yīng)用。在考慮輸電網(wǎng)擴展規(guī)劃的同時，為實現(xiàn)風(fēng)電場接入線路的合理決策，應(yīng)進行風(fēng)電場接入系統(tǒng)線路與輸電網(wǎng)擴展的協(xié)調(diào)規(guī)劃，達到系統(tǒng)可靠性與投資經(jīng)濟性的整體最優(yōu)。

首先建立魯棒優(yōu)化模型，對待解決的問題進行深入研究，確定問題中的優(yōu)化對象，辨別哪些是控制變量，哪些是狀態(tài)變量，和這些變量的維數(shù)，以及這些變量之間的關(guān)系，判斷變量中是否含有不確定因素，如果含有就要給定這個不確定因素一個變化范圍。分析好這些問題后，就可以利用魯棒優(yōu)化理論的數(shù)學(xué)方法將模型中的目標(biāo)函數(shù)、控制變量、約束條件和不確定參數(shù)進行整理轉(zhuǎn)化，最后得到該問題的魯棒優(yōu)化模型。

在傳統(tǒng)的無功優(yōu)化規(guī)劃基礎(chǔ)上，以電網(wǎng)有功損耗費用和無功補償設(shè)備費用綜合最小為目標(biāo)函數(shù)，采用罰函數(shù)法將電壓越限加入目標(biāo)函數(shù)中作為懲罰費用，使系統(tǒng)在經(jīng)濟運行時，保持合理的電壓水平。為考慮負(fù)荷變化對無功優(yōu)化規(guī)劃的影響，將系統(tǒng)運行狀態(tài)分為最大、一般和最小三種負(fù)荷方式。在最大負(fù)荷方式下可確定無功補償?shù)攸c和補償容量上限，其他方式電容器組自動投切。在進行潮流計算過程中，通過加入風(fēng)電機組無功功率對電壓的偏導(dǎo)修正雅可比矩陣，給出較了為準(zhǔn)確的含風(fēng)電場電力系統(tǒng)潮流計算模型。通過引入電壓無功靈敏度方法，對系統(tǒng)節(jié)點進行篩選，確定候選無功補償節(jié)點，從而有效的節(jié)約計算時間和減少資源浪費。針對風(fēng)電機組出力的不確定性，首次將魯棒優(yōu)化方法應(yīng)用到系統(tǒng)的無功優(yōu)化規(guī)劃研究中，對含不確定因素的風(fēng)電機組出力進行數(shù)學(xué)描述，通過對約束條件的轉(zhuǎn)換，將問題轉(zhuǎn)化為確定量的無功優(yōu)化規(guī)劃模型。

4.結(jié)語

總而言之，由于模型考慮的是最壞情況下的最優(yōu)選擇，相對于其他方法，其結(jié)果具有保守性。同時，鑒于論文篇幅的限制和對問題研究深度，對于相關(guān)研究還有很多改進和深入挖掘。希望能通過此次研究有助于實際的工作執(zhí)行。

參考文獻：

[1]楊樺，梁海峰，李庚銀.含雙饋感應(yīng)電機的風(fēng)電場電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù).2015（02）

[2]何禹清，彭建春，毛麗林，曹麗華.含多個風(fēng)電機組的配電網(wǎng)無功優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化.2016（19）

[3]陳惠粉，喬穎，魯宗相，閔勇.風(fēng)電場群的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化.2015（18）