一種考慮風(fēng)電隨機性的電力系統(tǒng)電壓運行區(qū)間計算方法

摘 要： 針對風(fēng)電場出力的波動性使風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)的隨機性增強，并網(wǎng)點電壓波動的頻率和幅度變大，造成的電壓穩(wěn)定問題，以實際風(fēng)電場的運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計學(xué)方法分析風(fēng)電場輸出功率的波動特性，得到風(fēng)功率波動率在不同時間尺度內(nèi)的分布參數(shù)以及95%置信區(qū)間，并分析不同風(fēng)電水平下的電壓波動特性，在此基礎(chǔ)上提出使用[t] location?scale分布函數(shù)對電壓波動率的概率分布進行擬合，進而得出一種基于風(fēng)功率波動特性以及仿射區(qū)間潮流算法的電壓運行區(qū)間計算方法，通過該方法計算得到的電壓運行區(qū)間反映了在風(fēng)功率波動條件下未來一段時間內(nèi)電力系統(tǒng)電壓的運行區(qū)間，對風(fēng)電接入系統(tǒng)的運行、控制及規(guī)劃工作具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)功率波動； 隨機性； 仿射運算； 區(qū)間潮流； 電壓波動特性

中圖分類號： TN915.853?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0125?03

Abstract： The fluctuation of wind power plant can enhance the power grid randomness of wind power access region， and increase the frequency and amplitude of the voltage fluctuation at the connection point， which may cause the voltage stability problem. On the basis of the operating data of practical wind power plant， the statistical method is used to analyze the fluctuation characteristic of the wind power plant output power， so as to obtain the distribution parameters and 95% confidence interval of wind power fluctuation in different time scales， and analyze the voltage fluctuation characteristic under different wind power levels. On this basis， the t location?scale distribution function is used to fit the probability distribution of voltage fluctuation rate， and the voltage operating range calculation method based on wind power fluctuation characteristic and affine interval power flow algorithm is obtained. The voltage operating range calculated by this method reflects the possible operating voltage range of the electric power system within a period of time in the future under the condition of wind power fluctuation， and has an important guiding significance for the operation， control and planning work of the wind power access system.

Keywords： wind power fluctuation； randomness； affine operation； interval power flow； voltage fluctuation characteristic

風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件的可再生能源，在國內(nèi)外得到了迅猛發(fā)展。但由于風(fēng)力發(fā)電出力的隨機性和難以調(diào)度控制等特點，將對系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響?；诖?，本文研究了針對確定性潮流難以適應(yīng)系統(tǒng)波動性的問題，提出一種基于風(fēng)功率波動特性和改進區(qū)間潮流算法的電壓波動區(qū)間計算方法，得到風(fēng)功率波動條件下未來一段時間內(nèi)電力系統(tǒng)電壓可能的運行區(qū)間，從而可為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓補償方案提供參考，以利于緩解電力工業(yè)在節(jié)能減排上日益增長的壓力。

1 風(fēng)電場出力波動率及其分布特性

風(fēng)功率的波動率有不同的定義方法，而系統(tǒng)實際測量得到的風(fēng)功率總是某一個時間點的瞬時功率。風(fēng)電場出力的波動率具有中間大、兩頭寬泛的“胖尾性”特點，與正態(tài)分布、極值分布等其他概率分布函數(shù)相比，帶位移因子與伸縮系數(shù)的[t]分布（t location?scale）更適合描述具有這些特點的風(fēng)功率波動率的概率分布。

式中：[μ]為位置參數(shù)；[σ]為尺度參數(shù)；[ν]為形狀參數(shù)。對風(fēng)電場全年的風(fēng)功率波動率進行t location?scale擬合，得到擬合參數(shù)[μ，][σ，][ν，]并可以計算得到風(fēng)功率波動率的置信區(qū)間（Confidence Interval，CI）。再通過t location?scale的累積概率分布函數(shù)可以求得風(fēng)功率波動率的95%置信區(qū)間。

研究結(jié)果表明，風(fēng)功率波動率在不同時間尺度程序具有不同的特性：時間越長，風(fēng)電可能的波動范圍越大，隨機性越強。而對于5 min以內(nèi)的功率波動，由于波動幅度相對較小，大部分會被常規(guī)水電機組和火電機組的機械慣性、熱力以及控制死區(qū)吸收，對系統(tǒng)的影響有限。因此，只需對5 min及15 min的波動特性進行分析說明。

2 風(fēng)電波動對系統(tǒng)電壓的影響

風(fēng)電場往往位于偏遠地區(qū)，其輸電線路較長，線路電阻、電抗相對較大。當(dāng)風(fēng)電場輸出功率波動時，其線路上的電流分量同樣波動，導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓出現(xiàn)較大波動。為分析風(fēng)電波動對系統(tǒng)電壓的影響，類似于風(fēng)功率波動率采用如下電壓波動率計算公式：

從表1的擬合參數(shù)最終得到不同的風(fēng)電出力情況。在不同的時間尺度下，從電壓波動率95%置信區(qū)間分析可知：同一時間尺度下，即風(fēng)電出力水平較高時，風(fēng)電并網(wǎng)點電壓波動幅度越大，短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅度電壓波動的可能性越高；在風(fēng)電出力水平較低時，風(fēng)電并網(wǎng)點電壓波動幅度越小，短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅度波動的可能性越低。另一方面，在較長的時間尺度內(nèi)，電壓波動率的增長并不明顯，這是由于系統(tǒng)本身的無功調(diào)節(jié)手段起了作用，因此，對于風(fēng)電引起的電壓波動主要考慮5 min級的波動。

3 基于區(qū)間潮流的電壓運行區(qū)間計算

隨著局部地區(qū)風(fēng)電滲透率的進一步提高，常規(guī)的確定性潮流求取的電壓運行區(qū)間無法反映系統(tǒng)波動性狀況，因而在系統(tǒng)的規(guī)劃、運行控制以及調(diào)度過程中，選用不確定性潮流算法求取電壓波動區(qū)間。通過分析風(fēng)功率波動率和電壓波動隨機性特性，引入仿射運算的區(qū)間潮流，采用求取含風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)未來某一時段內(nèi)電壓運行區(qū)間的計算方法更具有效性。

（1） 對風(fēng)電場歷史運行數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（剔除壞點、歸一化等），計算特定時間尺度內(nèi)的風(fēng)功率波動率（這里取5 min）；

（2） 對風(fēng)功率進行[t] location?scale曲線擬合，得到風(fēng)功率波動率95%置信區(qū)間；

（3） 對風(fēng)功率波動率進行仿射形式的分解，并代入?yún)^(qū)間潮流方程，求解區(qū)間潮流，通過仿射運算有效克服了由于潮流雅克比矩陣中的相關(guān)元素導(dǎo)致的區(qū)間保守性。

（4） 由區(qū)間潮流的計算結(jié)果得到電壓運行區(qū)間。

由于IEEE 14節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)算例節(jié)點較少，電源點有限，較適合模擬風(fēng)電并網(wǎng)地區(qū)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，故選該標(biāo)準(zhǔn)算例進行驗證分析，如圖1所示。將節(jié)點8選取為風(fēng)電并網(wǎng)點，并保持最大出力不變，按照實際運行數(shù)據(jù)得到的5 min風(fēng)功率波動率95%置信區(qū)間設(shè)置風(fēng)電出力波動上下界，負荷波動率取±5%。

利用Matlab的Intlab工具箱編寫計算程序，得到區(qū)間潮流計算結(jié)果如表2，圖2，圖3所示，并與確定性潮流結(jié)果對比。

現(xiàn)有的研究采用不同的算例系統(tǒng)，僅設(shè)置5%的負荷波動進行計算，得到的區(qū)間潮流電壓幅值的上下界差的均值為0.025左右，而本文得到的5 min電壓幅值上下界差的均值為0.03。這是由于在算例系統(tǒng)中添加了風(fēng)電并引入了風(fēng)電波動，增加了不確定量，因而電壓波動區(qū)間更大。以上計算結(jié)果證明了所提電壓波動區(qū)間計算方法的可行性。

4 結(jié) 論

本文在某風(fēng)電場的實際運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了風(fēng)電場的出力特性，提出了一種基于區(qū)間潮流算法求解一段時間內(nèi)的電壓運行區(qū)間的方法。該方法基于統(tǒng)計學(xué)方法，將一定時間尺度內(nèi)的風(fēng)功率波動率的95%置信區(qū)間作為風(fēng)電場出力波動區(qū)間代入仿射區(qū)間潮流算法，計算得到未來一段時間內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)點電壓運行的區(qū)間。區(qū)間潮流計算的結(jié)果實質(zhì)是考慮了風(fēng)電未來一段時間內(nèi)產(chǎn)生波動時，系統(tǒng)潮流可能的變化區(qū)間，特別是風(fēng)電并網(wǎng)節(jié)點電壓在未來特定時間段內(nèi)的運行范圍。對風(fēng)電接入系統(tǒng)的運行、控制及規(guī)劃工作具有重要的指導(dǎo)意義。

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