考慮靈活性的地區(qū)電網(wǎng)新能源消納能力評(píng)估方法

譚濤亮，姜云鵬，李 震，錢(qián) 峰，任洲洋，劉俊磊，顏 偉

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陽(yáng)江供電局，廣東 陽(yáng)江 529500；2. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心，廣州 510000)

近年來(lái)，中國(guó)新能源發(fā)電已經(jīng)取得較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。截至2017年底，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了1.6×108kW，光伏裝機(jī)容量達(dá)到了1.3×108kW。然而，棄風(fēng)、棄光量也分別達(dá)到了4.19×1010kW·h和7.3×109kW·h[1]。隨著新能源裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，新能源消納成為學(xué)者關(guān)注的核心問(wèn)題之一。南方地區(qū)水資源豐富，建立了一定規(guī)模的蓄水式水電站，系統(tǒng)具有較高的靈活性。在一定的新能源滲透率下，充分利用系統(tǒng)中的電源靈活性可以實(shí)現(xiàn)新能源的全額消納。新能源消納需在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，合理利用各種資源提高新能源的效益[2]，系統(tǒng)不能因消納新能源，產(chǎn)生大量的切負(fù)荷、線路過(guò)載等不良運(yùn)行狀態(tài)。但風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的并網(wǎng)運(yùn)行改變了系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，也改變了網(wǎng)絡(luò)的潮流分布，系統(tǒng)面臨著線路過(guò)載和切負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)[3]。文中以負(fù)荷削減量為系統(tǒng)安全可靠評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了基于最小切負(fù)荷模型的新能源消納評(píng)估方法，用于分析新能源滲透率和負(fù)荷削減量之間的關(guān)系，為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和新能源消納提供參考。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于新能源消納的研究較多。文獻(xiàn)[4-5]基于系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)安全約束，評(píng)估了風(fēng)電消納能力。其中，文獻(xiàn)[4]評(píng)估了系統(tǒng)在特定時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)電消納能力，但沒(méi)有考慮系統(tǒng)內(nèi)靈活性電源的調(diào)節(jié)能力；文獻(xiàn)[5]分析了系統(tǒng)在典型日峰時(shí)段內(nèi)的風(fēng)電消納能力，但缺乏系統(tǒng)在極端時(shí)段(峰時(shí)段或谷時(shí)段)的消納能力數(shù)據(jù)，不能全面反映系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)[6-8]考慮了區(qū)域內(nèi)可靈活調(diào)度的水電資源，優(yōu)化水電機(jī)組啟停狀態(tài)，并利用風(fēng)電水電互補(bǔ)特性來(lái)提升新能源消納能力，簡(jiǎn)化了水電站的運(yùn)行模型，而蓄水式水電站的水庫(kù)承擔(dān)著防洪、灌溉和供水等其他綜合性任務(wù)，文獻(xiàn)沒(méi)有考慮水庫(kù)因其他任務(wù)需求而限制的機(jī)組發(fā)電能力。此外，文獻(xiàn)[4-8]只考慮了系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的各類約束，沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行N-1安全校核，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可能出現(xiàn)線路過(guò)載、切負(fù)荷等現(xiàn)象，影響供電的可靠性。

為了評(píng)估系統(tǒng)的新能源消納能力以及分析系統(tǒng)的安全可靠性，文中提出考慮靈活性的地區(qū)電網(wǎng)新能源消納能力評(píng)估方法。首先，考慮源荷相關(guān)性，基于K均值聚類技術(shù)生成若干典型場(chǎng)景；然后，在各個(gè)場(chǎng)景下，通過(guò)對(duì)靈活性電源的優(yōu)化調(diào)度，保證系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下不出現(xiàn)新能源棄能、線路過(guò)載和切負(fù)荷現(xiàn)象；在故障情況下，根據(jù)N-1安全校核的預(yù)想故障集，優(yōu)化不同新能源滲透率下的最小負(fù)荷削減量的期望值；最后，結(jié)合南方某沿海地區(qū)110 kV電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，分析了新能源滲透率和最小負(fù)荷削減量期望值的關(guān)系，評(píng)估了系統(tǒng)的新能源消納能力，驗(yàn)證了文中方法的有效性。

1 考慮源荷相關(guān)性的場(chǎng)景生成法

新能源出力和負(fù)荷功率都具有波動(dòng)性和不確定性，在不同時(shí)刻可能存在著明顯差異。如果新能源消納能力的評(píng)估時(shí)刻過(guò)多，則計(jì)算量巨大。場(chǎng)景分析法能夠分析原始數(shù)據(jù)，生成多個(gè)典型場(chǎng)景，新能源的消納評(píng)估只需對(duì)生成的典型場(chǎng)景進(jìn)行分析計(jì)算。此外，電網(wǎng)中的電源出力和負(fù)荷功率之間始終保持著對(duì)應(yīng)關(guān)系，在對(duì)源荷功率進(jìn)行分析時(shí)，選擇某個(gè)時(shí)刻的電源出力就必須選擇該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的負(fù)荷功率。因此，在場(chǎng)景生成時(shí)需要計(jì)及電源出力和負(fù)荷功率之間的相關(guān)性[9]。

K均值聚類技術(shù)作為一種經(jīng)典的場(chǎng)景分析法，既能挖掘不同時(shí)刻場(chǎng)景性質(zhì)的異同，聚類分析生成典型場(chǎng)景，也能保證所生成的典型場(chǎng)景中新能源出力和負(fù)荷功率的相關(guān)性[10-11]。因此，基于K均值聚類技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景生成。考慮到K均值聚類初始聚類中心的隨機(jī)選擇對(duì)聚類結(jié)果影響較大，在場(chǎng)景生成時(shí)采用密度參數(shù)法[12-13]優(yōu)化初始聚類中心，進(jìn)而提高聚類精度。基于K均值聚類技術(shù)對(duì)源荷序列進(jìn)行典型場(chǎng)景生成主要為以下4個(gè)階段：

第1階段，考慮不同時(shí)段負(fù)荷水平的差異性，通過(guò)對(duì)典型日不同時(shí)刻的源荷功率數(shù)據(jù)采樣分析，劃分典型日為峰平谷3個(gè)時(shí)段。

(1)

第3階段，確定峰、平、谷各個(gè)時(shí)段內(nèi)的聚類個(gè)數(shù)Ktop、Klev和Klow，利用密度參數(shù)法依次優(yōu)化生成Ktop、Klev和Klow個(gè)初始聚類中心；再計(jì)算各個(gè)場(chǎng)景與聚類中心的歐式距離，將其分配到距離最近的類中；最后，利用均值法迭代更新聚類中心直至收斂，獲得Ktop、Klev和Klow個(gè)類，Ktop、Klev和Klow個(gè)聚類中心以及場(chǎng)景發(fā)生的概率。

第4階段，考慮聚類結(jié)果應(yīng)和實(shí)際系統(tǒng)中的源荷功率場(chǎng)景相吻合，分別將峰平谷各時(shí)段內(nèi)生成的聚類中心同該時(shí)段內(nèi)的原始場(chǎng)景進(jìn)行比較，尋找最相似的原始場(chǎng)景進(jìn)行替換，保證生成的典型場(chǎng)景的真實(shí)性。

2 基于最小負(fù)荷削減量的新能源消納評(píng)估模型

面向中國(guó)水電資源富集的南方地區(qū)，提出利用系統(tǒng)中蓄水式水電站的靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電和水電全額消納的方法。由于新能源電源的并網(wǎng)運(yùn)行改變了電網(wǎng)中的電源結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)發(fā)生某些故障時(shí)，電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)線路過(guò)載、切負(fù)荷的情況。因此，含新能源的系統(tǒng)不僅要考慮新能源消納狀況，還需要計(jì)及系統(tǒng)在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的安全可靠性。為此，文中以負(fù)荷削減量為系統(tǒng)安全可靠評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了基于最小負(fù)荷削減量的新能源消納評(píng)估模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)負(fù)荷削減量的期望值F最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)為

(2)

2.2 正常運(yùn)行狀態(tài)的約束條件

2.2.1 風(fēng)電和光伏的消納約束

為了防止出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，必須使各場(chǎng)景下系統(tǒng)所消納的風(fēng)電和光伏發(fā)電功率等于風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的最大出力，建立如下約束：

(3)

2.2.2 水電的消納約束

蓄水式水電站具有容量較大的水庫(kù)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力較大時(shí)，水庫(kù)可以將該時(shí)段多余的發(fā)電用水量進(jìn)行儲(chǔ)存，用于其他時(shí)段的水力發(fā)電，建立的水電電量平衡約束為

(4)

2.2.3 功率平衡約束[14]

(5)

2.2.4 線路傳輸容量約束

(6)

(7)

2.2.5 機(jī)組出力約束

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2.6 水電站發(fā)電流量約束

水庫(kù)承擔(dān)著一定量的防洪、灌溉和生活用水等任務(wù)，水電站需要根據(jù)水庫(kù)調(diào)度部門(mén)安排發(fā)電用水量，可用水電資源應(yīng)為調(diào)度部門(mén)分配的發(fā)電流量上下限，建立如下約束：

(12)

(13)

2.2.7 水電站水量平衡約束[17]

(14)

2.2.8 水電站庫(kù)容約束[18]

(15)

2.3 故障狀態(tài)的約束條件

由于系統(tǒng)在故障情況下可能出現(xiàn)切負(fù)荷，并且切負(fù)荷會(huì)造成系統(tǒng)潮流的改變，因此，需要修改功率平衡約束，增加負(fù)荷削減量約束，其他約束條件與式(3)(4)(6)(15)相同。

2.3.1 功率平衡約束

(16)

2.3.2 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷削減量約束

節(jié)點(diǎn)負(fù)荷削減量受限于節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率，建立如下約束

(17)

2.4 模型求解

由于式(2)～式(18)是典型的線性優(yōu)化模型，文中采用成熟的商業(yè)軟件CPLEX求解器計(jì)算，具體求解流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程圖Fig. 1 The flow chart of model solution

3 算例分析

3.1 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

為了驗(yàn)證文中方法的有效性，根據(jù)中國(guó)南方某沿海地區(qū)110 kV電網(wǎng)2018年的電源結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等信息，仿真分析新能源滲透率與最小負(fù)荷削減量期望值的關(guān)系，評(píng)估系統(tǒng)的新能源消納能力。2018年該區(qū)域有3座新能源電場(chǎng)，總?cè)萘繛?20.24 MW；1座火電廠，總?cè)萘繛? 200 MW；4座蓄水式水電站，總?cè)萘繛?9.6 MW，年度負(fù)荷峰值為1 080.49 MW，網(wǎng)絡(luò)N-1預(yù)想故障集中的故障數(shù)量為97個(gè)。

3.2 場(chǎng)景生成結(jié)果

在冬、夏和春、秋季節(jié)內(nèi)各選取1個(gè)典型日來(lái)反映當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)2018年的運(yùn)行情況。在每個(gè)典型日內(nèi)，以電網(wǎng)中的123個(gè)節(jié)點(diǎn)作為功率采樣點(diǎn)，每隔5 min對(duì)各采樣點(diǎn)進(jìn)行1次功率采樣獲得源荷功率的原始數(shù)據(jù)。結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，典型日內(nèi)的峰平谷時(shí)段劃分情況，如表1所示。

表1 典型日內(nèi)的峰平谷時(shí)段劃分情況

根據(jù)采樣獲得的原始數(shù)據(jù)，采用文中提出的場(chǎng)景生成方法，分別在3個(gè)典型日的峰平谷時(shí)段內(nèi)各生成3個(gè)典型場(chǎng)景，計(jì)算各個(gè)典型場(chǎng)景發(fā)生的概率。以2018年春/秋季的典型日3月21日的峰時(shí)段為例，得到典型場(chǎng)景如圖2所示。依據(jù)2018年3月21日平時(shí)段、谷時(shí)段和冬季、夏季典型日各時(shí)段內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，同樣可以生成對(duì)應(yīng)的典型場(chǎng)景和獲得各典型場(chǎng)景發(fā)生的概率，不再詳細(xì)羅列。

圖2 2018年3月21日峰時(shí)段的典型場(chǎng)景生成結(jié)果Fig. 2 The typical scenarios of peak periods on march 21st, 2018

3.3 評(píng)估結(jié)果

3.3.1 新能源滲透率和最小負(fù)荷削減量的關(guān)系

基于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)和典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的新能源全額消納，避免系統(tǒng)出現(xiàn)線路過(guò)載和切負(fù)荷等問(wèn)題；在故障狀態(tài)下，根據(jù)N-1安全校核的預(yù)想故障集，計(jì)算出各個(gè)典型場(chǎng)景下的最小負(fù)荷削減量，如表2所示。

進(jìn)一步結(jié)合預(yù)想故障數(shù)量和各個(gè)典型場(chǎng)景概率，可獲得最小負(fù)荷削減量的期望值。經(jīng)計(jì)算可知，2018年該區(qū)域最小負(fù)荷削減量的期望值為0.288 1 MW。根據(jù)新能源滲透率的定義[19]，可獲得當(dāng)前該區(qū)域的新能源滲透率為20.38%。調(diào)整新能源電場(chǎng)的裝機(jī)容量，并利用文中方法對(duì)最小負(fù)荷削減量的期望值進(jìn)行求解，獲得不同新能源滲透率下的最小負(fù)荷削減量的期望值。需要注意的是，在改變新能源滲透率時(shí)仍需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下全額消納新能源，并且不出現(xiàn)線路過(guò)載和切負(fù)荷等問(wèn)題。根據(jù)不同新能源滲透率下的最小負(fù)荷削減量的期望值，兩者之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

可以看出，當(dāng)新能源滲透率在0～68.74%時(shí)，最小負(fù)荷削減量的期望值為固定值，與新能源是否接入、新能源滲透率是否提高均沒(méi)有關(guān)系，其值始終為0.288 1 MW，因?yàn)樵谠摑B透率區(qū)間內(nèi)，電網(wǎng)的負(fù)荷需求主要依靠火電供給，某些線路故障后系統(tǒng)將失負(fù)荷，在負(fù)荷功率一定的前提下，系統(tǒng)失去的負(fù)荷量也是固定的。當(dāng)新能源滲透率高于68.74%時(shí)，最小負(fù)荷削減量的期望值同新能源滲透率成正相關(guān)，負(fù)荷削減量將隨著新能源消納電量的增加而增大，原因是此時(shí)配電網(wǎng)中更多的負(fù)荷需求將依靠新能源電源供給，并且隨著滲透率的增加，新能源電源輸出功率增多，導(dǎo)致電源周圍的支路更為薄弱，使得故障發(fā)生后線路越限的數(shù)量增加，造成切負(fù)荷量的增多，給系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)更多的隱患。受限于新能源電場(chǎng)輸電線路傳輸容量的限制，新能源滲透率的上限為84.58%，對(duì)應(yīng)最小負(fù)荷削減量的期望值最大為0.759 2 MW。當(dāng)新能源滲透率超過(guò)上限時(shí)，系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)線路過(guò)載的現(xiàn)象，無(wú)法安全運(yùn)行。根據(jù)新能源滲透率上限，可以獲得系統(tǒng)的新能源消納能力，該區(qū)域年度新能源消納電量上限為3.592×105MW·h。

表2 各典型場(chǎng)景下的最小負(fù)荷削減量

圖3 新能源滲透率和最小負(fù)荷削減量期望值的關(guān)系曲線Fig. 3 The relation curve between renewable energy penetration and minimum load-shedding expected value

3.3.2 忽略電源的靈活性時(shí)新能源滲透率和最小負(fù)荷削減量的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)中靈活性電源的作用，在模型中不考慮蓄水式水電站的調(diào)節(jié)作用，求解不同新能源滲透率下的最小負(fù)荷削減量的期望值。圖4給出了系統(tǒng)忽略靈活性電源的調(diào)節(jié)作用時(shí)，新能源滲透率和最小負(fù)荷削減量期望值的關(guān)系曲線。

圖4 忽略電源靈活性時(shí)新能源滲透率和最小負(fù)荷削減量期望值的關(guān)系曲線Fig. 4 The relation curve between renewable energy penetration and minimum load-shedding expected value ignoring generation flexibility

可以看出，如果不考慮系統(tǒng)內(nèi)靈活性電源的調(diào)節(jié)作用，新能源滲透率高于68.74%時(shí)，最小負(fù)荷削減量的期望值將和新能源滲透率成正相關(guān)，但是新能源滲透率上限僅為78.24%。這是因?yàn)楹雎韵到y(tǒng)中靈活性電源的調(diào)節(jié)作用，新能源滲透率為78.24%時(shí)，線路在某些場(chǎng)景下會(huì)過(guò)載，導(dǎo)致新能源無(wú)法全額消納。根據(jù)新能源滲透率上限，獲得該區(qū)域年度新能源消納電量上限為3.312×105MW·h，該值明顯低于考慮電源靈活性時(shí)系統(tǒng)的新能源消納能力。此外，新能源滲透率上限對(duì)應(yīng)的負(fù)荷削減量期望值為0.377 8 MW，該值高于圖3中新能源滲透率78.24%時(shí)的負(fù)荷削減量期望值0.369 2 MW。這是因?yàn)轭A(yù)想故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)缺少可靈活調(diào)節(jié)電源，難以安全可靠地滿足負(fù)荷的供電需求，往往導(dǎo)致更多的負(fù)荷削減量。由此可見(jiàn)，利用系統(tǒng)內(nèi)的靈活性電源可有效提高系統(tǒng)的新能源消納能力，減小新能源消納時(shí)的負(fù)荷削減量，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了充分利用地區(qū)電網(wǎng)水電資源的靈活性以及有效評(píng)估地區(qū)電網(wǎng)的新能源消納能力，文中提出了考慮靈活性的地區(qū)電網(wǎng)新能源消納能力評(píng)估方法，該方法考慮了系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)和N-1預(yù)想故障狀態(tài)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，利用區(qū)域內(nèi)電源的靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源的全額消納，避免系統(tǒng)出現(xiàn)線路過(guò)載、切負(fù)荷等問(wèn)題；在預(yù)想故障狀態(tài)下，進(jìn)行N-1安全校核，優(yōu)化最小負(fù)荷削減量的期望值。結(jié)果表明，當(dāng)新能源滲透率超過(guò)一定值時(shí)，提高新能源滲透率會(huì)增加最小負(fù)荷削減量的期望值，意味著為了消納更多的新能源，系統(tǒng)在故障狀態(tài)下將以更多的負(fù)荷削減量為代價(jià)。通過(guò)對(duì)比分析，利用系統(tǒng)內(nèi)的電源靈活性能夠有效地提升新能源消納能力，減少最小負(fù)荷削減量，提高新能源消納時(shí)系統(tǒng)的安全可靠性。