結(jié)合源-網(wǎng)-荷信息的風(fēng)電爬坡事件綜合識(shí)別方法

汪巖佳，趙志剛，萬(wàn) 杰,3，任國(guó)瑞，王 瑋，于繼來(lái),3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.吉林龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，吉林 長(zhǎng)春 131500；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150000；4.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)的可再生能源發(fā)展十分迅猛，國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示：2018年風(fēng)電裝機(jī)和光伏發(fā)電裝機(jī)同比增長(zhǎng)12.4%和34%。然而，在全國(guó)風(fēng)電實(shí)現(xiàn)棄電量和棄風(fēng)率“雙降”的同時(shí)，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古三地的棄風(fēng)率卻仍然高達(dá)23%、19%、10%。造成上述棄風(fēng)問(wèn)題的主要原因之一就是：風(fēng)電具有強(qiáng)不確定性。其中，長(zhǎng)時(shí)間極端氣象引發(fā)的功率爬坡事件是風(fēng)電不確定性的一個(gè)重要表現(xiàn)[1-2]。大規(guī)模風(fēng)電爬坡會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、調(diào)度規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制造成重大影響和危害[3-4]，如2008年發(fā)生在美國(guó)德克薩斯風(fēng)電場(chǎng)的功率爬坡事件。因此，其長(zhǎng)期以來(lái)都是風(fēng)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一，美國(guó)ANL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還專門對(duì)風(fēng)電爬坡事件撰寫(xiě)了一份研究報(bào)告，最新的爬坡事件預(yù)測(cè)研究探討了半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用[5]。因此，需要利用合理的風(fēng)電爬坡事件的綜合定義與識(shí)別方法，為電網(wǎng)有效控制提供豐富的決策參考信息[6-7]。

目前，針對(duì)風(fēng)電爬坡事件定義與識(shí)別的研究較多且較為深入。一般，定義方法可概括為4 種，重點(diǎn)考慮3個(gè)關(guān)鍵因素：爬坡方向、持續(xù)時(shí)間及爬坡的幅度[8]。文獻(xiàn)[8]指出：現(xiàn)有4 種定義方法的關(guān)鍵和相同之處是風(fēng)電功率變化時(shí)間間隔和閾值的選取，影響到爬坡事件的有效識(shí)別。然而，爬坡定義和標(biāo)準(zhǔn)受實(shí)際多種因素約束難以將其統(tǒng)一。針對(duì)功率爬坡事件預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[9] 提出了一種具有分布魯棒性保證的爬坡事件概率估計(jì)的不確定性量化模型；文獻(xiàn)[10]提出了一種基于典型事件聚類的識(shí)別策略。但是，傳統(tǒng)的爬坡事件識(shí)別方法大多只考慮了源側(cè)的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率信息，綜合考慮電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)信息的研究相對(duì)較少[8]。文獻(xiàn)[11]指出可再生能源與負(fù)荷出現(xiàn)相反方向的爬坡事件會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響，未來(lái)的爬坡事件研究，不僅需要在預(yù)報(bào)時(shí)引入數(shù)值預(yù)報(bào)信息[12]，還需要在定義與識(shí)別時(shí)引入負(fù)荷側(cè)等更多信息。因此，如何全面的結(jié)合源側(cè)、網(wǎng)側(cè)及負(fù)荷側(cè)的更多信息對(duì)風(fēng)電爬坡進(jìn)行綜合定義和識(shí)別，是一個(gè)需要繼續(xù)研究的問(wèn)題。

本文在利用源側(cè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率曲線與對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)曲線獲取的相對(duì)風(fēng)電功率曲線上定義爬坡事件，并根據(jù)電網(wǎng)頻率變化的允許值設(shè)定用以識(shí)別爬坡事件的判斷閾值；最后，通過(guò)對(duì)風(fēng)電功率曲線的定義進(jìn)行了初步延伸，從而提出了一種結(jié)合廣義源-網(wǎng)-荷信息的風(fēng)電爬坡事件綜合識(shí)別方法。

1 爬坡事件的相對(duì)風(fēng)電功率定義策略

1.1 相對(duì)風(fēng)電功率的定義策略

對(duì)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行、調(diào)度規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制三方面會(huì)造成重大影響和危害的風(fēng)電功率變化，是風(fēng)電爬坡事件進(jìn)行定義時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。然而，當(dāng)風(fēng)電變化趨勢(shì)與電網(wǎng)負(fù)荷需求一致的時(shí)候，即便較大的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化對(duì)電網(wǎng)也是有利；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化趨勢(shì)與電網(wǎng)負(fù)荷需求相反的時(shí)候，即便是較小的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率對(duì)電網(wǎng)也是有害的。因此，若在風(fēng)電場(chǎng)/群的輸出功率(以下都簡(jiǎn)稱為“風(fēng)電功率”)陡增時(shí)，負(fù)荷曲線也出現(xiàn)同樣的陡增現(xiàn)象。這時(shí)，雖然風(fēng)電場(chǎng)功率增大，但是負(fù)荷需求量也增加，電網(wǎng)的有功功率仍然保持平衡；因此，這種風(fēng)電爬坡是不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。但僅從風(fēng)電場(chǎng)功率來(lái)描述，風(fēng)電的這種大功率變化情況是會(huì)被定義為爬坡事件的。所以，在描述爬坡事件時(shí)，應(yīng)根據(jù)風(fēng)電的正反調(diào)峰特性同時(shí)考慮場(chǎng)-網(wǎng)兩側(cè)的功率曲線變化情況，與文獻(xiàn)[8]所提出的研究展望是一致的。因此，本文利用相對(duì)風(fēng)電功率曲線來(lái)定義爬坡事件。

設(shè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率曲線的時(shí)間序列為P(t)，區(qū)域總負(fù)荷曲線為Q(t),風(fēng)力發(fā)電所對(duì)應(yīng)的部分負(fù)荷功率曲線的時(shí)間序列為q(t)，定義相對(duì)風(fēng)電功率曲線的時(shí)間序列為P′(t)，則

P′(t)=P(t)-q(t)

(1)

式中，q(t)=n%Q(t)，n%為風(fēng)電場(chǎng)額定輸出功率在區(qū)域電網(wǎng)所有發(fā)電中的占比。

1.2 利用相對(duì)風(fēng)電功率對(duì)爬坡事件進(jìn)行定義

爬坡定義的一個(gè)重要表征量是風(fēng)場(chǎng)輸出功率的變化值(即幅度變化)，其表示在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)電功率變化情況。若某段時(shí)間出現(xiàn)風(fēng)電爬坡事件，相對(duì)風(fēng)電功率陡升或陡降，首末兩時(shí)刻的功率差值較大；不發(fā)生爬坡事件時(shí)，相對(duì)風(fēng)電功率曲線平穩(wěn)，首末兩時(shí)刻的功率差值較小。因此，本文用t到t+Δt時(shí)間段的首末時(shí)刻的相對(duì)風(fēng)電功率值的變化量來(lái)定義爬坡事件

|P′(t+Δt)-P′(t)|>Pval

(2)

式中P′(t)與P′(t+Δt)——t和t+Δt的相對(duì)風(fēng)電功率值;

Pval——相對(duì)風(fēng)電爬坡閾值；

風(fēng)電爬坡時(shí)，相對(duì)風(fēng)電功率P′(t)與P′(t+Δt)的差值會(huì)變大(陡變)；當(dāng)差值大于閾值Pval時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了爬坡事件。而當(dāng)相對(duì)風(fēng)電功率穩(wěn)定，不發(fā)生爬坡事件時(shí)，P′(t)與P′(t+Δt)的差值小于閾值Pval。

1.3 基于實(shí)際數(shù)據(jù)的爬坡定義合理性分析

如圖1所示，為風(fēng)電場(chǎng)某一時(shí)段1內(nèi)的輸出總功率及其對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況。此時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率陡升，而負(fù)荷側(cè)功率平穩(wěn)，則電網(wǎng)中的有功功率不再平衡，需要其它形式的發(fā)電來(lái)參與調(diào)節(jié)。因此，僅從風(fēng)電場(chǎng)側(cè)輸出功率信息，將該情況判定為爬坡事件是合理的。

圖1 時(shí)段1的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況

如圖2所示，風(fēng)電場(chǎng)某一時(shí)段2的輸出功率及對(duì)應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷情況。此時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷曲線有較大變化，與風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化趨勢(shì)一致，如果兩者在一定時(shí)段內(nèi)剛好大小相同或者相差無(wú)幾、可以滿足電網(wǎng)功率平衡需求，則此時(shí)的爬坡事件不會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。所以，此種情況發(fā)生時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率雖然有大的波動(dòng)，但也不算做對(duì)電網(wǎng)有影響的爬坡事件。在這種情況下，除非風(fēng)電場(chǎng)功率的大幅變化已經(jīng)超過(guò)了一定范圍，否則僅從風(fēng)電場(chǎng)側(cè)描述爬坡事件是不合理的，而利用相對(duì)風(fēng)電功率曲線來(lái)判定風(fēng)電爬坡事件更加合理。

圖2 時(shí)段2的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況

圖3為風(fēng)電場(chǎng)某一時(shí)段3內(nèi)的輸出功率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況。此時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率較為平穩(wěn)，但是負(fù)荷側(cè)功率曲線出現(xiàn)明顯的陡升；雖然，電網(wǎng)有功功率出現(xiàn)不平衡，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響；但是，由于這種影響并不是由風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化引起的，所以在本文中被判定為非爬坡事件。因此，在這種情況下，需要結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)輸出功率曲線，輔助相對(duì)風(fēng)電功率曲線來(lái)做出最終的判定。

圖3 時(shí)段3的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況

如圖4所示，為風(fēng)電場(chǎng)某一時(shí)段4內(nèi)的輸出功率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況。雖然風(fēng)電場(chǎng)輸出功率發(fā)生的變化不大，但由于此時(shí)的負(fù)荷側(cè)功率曲線也出現(xiàn)一定變化；單獨(dú)一個(gè)變化，可能不足以導(dǎo)致電網(wǎng)功率出現(xiàn)較大波動(dòng)，但兩者同時(shí)出現(xiàn)則可能引起較大網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)。因此，該情況下使用相對(duì)風(fēng)電功率曲線來(lái)判定爬坡事件更合理一些。

圖4 時(shí)段4的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷情況

根據(jù)上述分析四種情景的分析可知：在相對(duì)風(fēng)電功率曲線上定義和識(shí)別爬坡事件要更加合理。

2 利用電網(wǎng)頻率的閾值量化選取方法

2.1 基于網(wǎng)頻的閾值量化選取方法

對(duì)閾值定義方法有很多種，目前研究中使用較多的都是直接選取總裝機(jī)容量的百分比來(lái)設(shè)置閾值，但是這種閾值設(shè)定方法沒(méi)有明確的定義，都是直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值得出。在爬坡事件發(fā)生時(shí)，有功功率的不平衡一定會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生相應(yīng)的影響，由此本文根據(jù)電網(wǎng)頻率變化的允許值，提出了一種能夠適用于各類風(fēng)電場(chǎng)的一種閾值定義方法。

在電力系統(tǒng)中，頻率與功率之間的變化主要與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻有關(guān)，但二次調(diào)頻與一次調(diào)頻相比，對(duì)于頻率的影響較小，基本可以忽略，因此本文僅考慮電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻，在一次調(diào)頻的過(guò)程中電力系統(tǒng)的有功功率的變化量與頻率的變化量之間的關(guān)系為

kσ=-Δf(%)/ΔP(%)

(3)

式中 Δf(%)——電網(wǎng)頻率變化的百分?jǐn)?shù)；

ΔP(%)——調(diào)頻機(jī)組有功功率變化百分?jǐn)?shù)；

kσ——調(diào)差系數(shù)。

進(jìn)一步，可得到

ΔP(%)=-Δf(%)/kσ

(4)

設(shè)P額為電網(wǎng)總裝機(jī)容量，風(fēng)電場(chǎng)占總裝機(jī)容量的n%，根據(jù)國(guó)家供電營(yíng)業(yè)規(guī)則規(guī)定，電網(wǎng)總裝機(jī)容量在300萬(wàn)kW以上的供電頻率允許偏差為0.2 Hz；電網(wǎng)總裝機(jī)容量在300萬(wàn)kW以下的供電頻率允許偏差為0.5 Hz；而調(diào)差系數(shù)kσ一般為4%～6%，我國(guó)電網(wǎng)頻率要求為50 Hz，則相對(duì)風(fēng)電爬坡閾值可設(shè)為

Pval=α×(P額×n%)/(50×4%)

(5)

當(dāng)選取樣本大于300萬(wàn)kWh，α=0.2；當(dāng)選取樣本的裝機(jī)容量小于300萬(wàn)kWh，α=0.5。

當(dāng)|P′(t+Δt)-P′(t)|>Pval時(shí)，即為相對(duì)風(fēng)電功率出現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)有影響的電力爬坡事件。

2.2 與傳統(tǒng)方法的對(duì)比分析

為了表明該方法的有效性，利用文獻(xiàn)中典型經(jīng)驗(yàn)值選取閾值方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本文選取兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值選取情況分析，設(shè)功率瞬時(shí)最大值為額定功率，由于選取的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的容量均大于300萬(wàn)kW，因此α=0.2。根據(jù)公式(5)可以得到兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)閾值選取情況如表1所示。用得到的閾值對(duì)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行劃分，得出發(fā)生爬坡事件的樣本量與非爬坡事件的樣本量所占比例，結(jié)果如圖5所示；利用考慮頻率的閾值量化選取后，兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中爬坡事件的樣本點(diǎn)占總量的16.4%和14.2%，這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)果是相符的。

表1 兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的閾值選取情況

圖5 經(jīng)閾值劃分后的爬坡事件占比情況

此外，結(jié)合相對(duì)風(fēng)電功率曲線利用該網(wǎng)頻閾值來(lái)判定爬坡事件的方法，會(huì)更多地受系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而自適應(yīng)性變化。盡管裝機(jī)短時(shí)間內(nèi)不會(huì)變化，但系統(tǒng)負(fù)荷、風(fēng)電運(yùn)行滲透水平，是不斷變化的。如圖1～圖4所示，同樣的風(fēng)電功率變化，在某些運(yùn)行方式下可被判為爬坡；而在其他運(yùn)行方式下，則有可能被判斷成非爬坡事件。是否發(fā)生爬坡，要決定于風(fēng)電、負(fù)荷及網(wǎng)頻等條件。因此，對(duì)于現(xiàn)有爬坡定義方法，本文提出的利用考慮電網(wǎng)頻率作為閾值的量化選取策略不僅合理可行，而且可進(jìn)一步體現(xiàn)不斷變化的電網(wǎng)運(yùn)行方式。

3 結(jié)合源-網(wǎng)-荷的爬坡事件識(shí)別方法

利用相對(duì)風(fēng)電功率曲線上定義風(fēng)電爬坡事件方法，通過(guò)基于網(wǎng)頻的方法量化選取閾值，可以得到結(jié)合源-網(wǎng)-荷信息的風(fēng)電爬坡事件識(shí)別方法如公式(6)所示

|P′(t+Δt)-P′(t)|>Pval

(6)

式中Pval——基于網(wǎng)頻的方法選取的閾值；

P′(t)——相對(duì)風(fēng)電功率曲線的時(shí)間序列。

由于Pval的選取主要考慮了電網(wǎng)的頻率，而電網(wǎng)中頻率受到電網(wǎng)中全部發(fā)電機(jī)組與負(fù)荷的影響，因此P′(t)如公式(7)所示

P′(t)=P(t)-q(t)

(7)

其中P(t)可以延伸定義為電網(wǎng)中全部新能源電場(chǎng)輸出功率曲線的時(shí)間序列，而q(t)為區(qū)域電網(wǎng)中全部負(fù)荷曲線的時(shí)間序列。

通過(guò)公式(7)，可以將電網(wǎng)中源側(cè)各類型新能源出力與負(fù)荷側(cè)功率綜合考慮，通過(guò)利用網(wǎng)頻的閾值量化選取，考慮了電網(wǎng)信息，由此實(shí)現(xiàn)了結(jié)合源-網(wǎng)-荷信息的風(fēng)電爬坡事件綜合識(shí)別方法。該方法從電網(wǎng)整體運(yùn)行的角度出發(fā)，對(duì)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行具有重要意義。

4 結(jié)論及展望

本文針對(duì)結(jié)合源-網(wǎng)-荷信息的風(fēng)電爬坡事件綜合識(shí)別方法進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1)提出了相對(duì)風(fēng)電功率曲線的定義及獲取方法，在相對(duì)風(fēng)電功率曲線上定義風(fēng)電爬坡事件；通過(guò)負(fù)荷曲線將網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)信息予以考慮，進(jìn)而使得爬坡定義考慮了風(fēng)電的正反調(diào)峰特性，并給出了基于實(shí)際電網(wǎng)負(fù)荷及風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的相應(yīng)分析；

(2)結(jié)合電網(wǎng)頻率來(lái)確定風(fēng)電爬坡事件的閾值，并給出了不同電網(wǎng)容量的量化選取方法，利用實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)論證了其合理性；

(3)提出了結(jié)合源-網(wǎng)-荷信息的爬坡事件綜合識(shí)別方法，并將源側(cè)定義從單一風(fēng)電側(cè)延伸為電網(wǎng)中全體新能源發(fā)電，從電網(wǎng)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行角度，提高了爬坡事件識(shí)別方法的合理性與實(shí)用性。

本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)大規(guī)模功率爬坡事件的預(yù)警及控制有重要意義。后期，還將進(jìn)一步研究風(fēng)電爬坡事件的時(shí)空分布特性、精確預(yù)報(bào)等更深層次的問(wèn)題。