翟阿瑞
(中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司,山西太原 030001)
隨著全球氣候不斷變暖,低碳轉(zhuǎn)型對(duì)保護(hù)自然環(huán)境與人類身體健康具有越來越重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此背景下,光伏、風(fēng)力等可再生清潔能源受到了重點(diǎn)關(guān)注,但這類新能源具有一定的隨機(jī)性與間斷性,并網(wǎng)時(shí)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)重影響,且隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加,電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大,甚至?xí)l(fā)電力故障,所以風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯得愈發(fā)重要。文獻(xiàn)[1]利用風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值理論制定了具有遞進(jìn)關(guān)系的三層電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo),有效評(píng)估了風(fēng)電功率波動(dòng)給電力系統(tǒng)整體運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn);文獻(xiàn)[2]基于潮流追蹤理論實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的快速評(píng)估,且具有較高準(zhǔn)確性。風(fēng)能資源不僅具有儲(chǔ)量豐富、可再生等優(yōu)勢(shì),而且在風(fēng)力發(fā)電過程中不會(huì)給環(huán)境帶來二次污染,所以本文針對(duì)高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)對(duì)措施做了進(jìn)一步研究,希望有助于推動(dòng)我國智能電網(wǎng)的健康發(fā)展。
對(duì)于高比例風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng),因風(fēng)電出力的波動(dòng)性易發(fā)生運(yùn)行故障,所以本文在評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí),主要從電力系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)這兩個(gè)角度出發(fā)獲取評(píng)估指標(biāo)[3]。
關(guān)于高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的靜態(tài)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),一是系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo),其表達(dá)式如下:
式中:F1為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)值;P1(Vi)為電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)i發(fā)生電壓越限的概率,其中Vi為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值;U(Vi)為電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)i發(fā)生電壓越限時(shí)的電壓大??;I為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集合。
二是系統(tǒng)的支路潮流越限指標(biāo),其表達(dá)式如下:
式中:F2為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)值;P2(Qj)為電力系統(tǒng)支路j發(fā)生潮流越限的概率,其中Qj為支路j的有功潮流參數(shù);W(Qj)為電力系統(tǒng)支路j發(fā)生潮流越限時(shí)的有功潮流大?。籎為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)支路集合。
然后是高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[4],本文將下式所示的負(fù)荷損失作為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo):
式中:F3為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)負(fù)荷損失風(fēng)險(xiǎn)值;P3為電力系統(tǒng)中負(fù)荷損失事故的預(yù)期發(fā)生概率;P4e為電力系統(tǒng)接入的第e個(gè)風(fēng)電機(jī)組出力的概率;S(He)為電力系統(tǒng)接入的第e個(gè)風(fēng)電機(jī)組出力時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷損失量,其中He為系統(tǒng)的負(fù)荷損失值;E為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)接入的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量。
綜上,為實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估,本文從系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā),獲取了節(jié)點(diǎn)電壓越限與支路潮流越限、負(fù)荷損失這三個(gè)評(píng)估指標(biāo),為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。
根據(jù)上述內(nèi)容可知,本文為完成高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的全面評(píng)估,獲取了反映系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的三個(gè)指標(biāo)F1、F2、F2,由于這三個(gè)指標(biāo)對(duì)電力系統(tǒng)整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要程度并不一致,所以在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算來獲得電力系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)值[5],具體計(jì)算公式如下:
式中:F為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)估值;ω1、ω2、ω3分別為電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)F1、F2、F2的權(quán)值。
綜上所述,本文在進(jìn)行高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),具體流程如下:首先確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)源,通常來說高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的主要風(fēng)險(xiǎn)源就是風(fēng)電出力的波動(dòng)性與隨機(jī)性,所以本文從電力系統(tǒng)的靜態(tài)運(yùn)行與動(dòng)態(tài)運(yùn)行這兩個(gè)方面進(jìn)行分析評(píng)估;然后在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中,收集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓Vi、支路潮流Qj及負(fù)荷損失He等數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)代入式(1)(2)(3)中,分別獲取高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的F1、F2、F3這三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù);最后根據(jù)式(4)對(duì)各運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,從而得到電力系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)值,以此實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估。
為驗(yàn)證上述評(píng)估方法的有效性,下面以IEEE-36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例,在Matpower4.0的潮流分析軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
圖1 算例系統(tǒng)接線圖
圖1所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由36個(gè)節(jié)點(diǎn)、35條支路組成,并接入了8臺(tái)常規(guī)風(fēng)電機(jī)組,系統(tǒng)總裝機(jī)容量達(dá)到1 600 MW。在本次實(shí)驗(yàn)過程中,首先需要利用Windows 10系統(tǒng)、Intel P8400處理器的計(jì)算硬件對(duì)算例系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算,從而獲得系統(tǒng)風(fēng)電接入節(jié)點(diǎn)的電壓與負(fù)荷等數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示。
表1 IEEE-36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,使用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)該算例系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果判斷設(shè)計(jì)方法的性能。
為進(jìn)一步分析風(fēng)電并網(wǎng)的裝機(jī)容量對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響,本次實(shí)驗(yàn)中將算例系統(tǒng)的總裝機(jī)容量分別設(shè)置為100、400、800、1 200、1 600 MW,基于設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到各裝機(jī)容量下系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)值,結(jié)果如表2所示。
從表2數(shù)據(jù)可以看出,不同裝機(jī)容量下,電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)值各不相同,雖然風(fēng)電并網(wǎng)可以在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率不足的缺陷,但隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增加,電力系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值逐漸增加,導(dǎo)致電力系統(tǒng)總體運(yùn)行存在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。由此可以說明,本文設(shè)計(jì)方法可以有效評(píng)估電力系統(tǒng)因高比例風(fēng)電并網(wǎng)帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),且評(píng)估結(jié)果可以為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的調(diào)度與規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。
在評(píng)估出高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的綜合運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)值之后,就可以針對(duì)性地制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。根據(jù)上述內(nèi)容可知,在高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中,節(jié)點(diǎn)電壓與支路潮流發(fā)生越限或系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)損失,就會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),所以本文在管理電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí),主要從可操控性方面出發(fā),通過調(diào)節(jié)用戶端的用電量來避免電力系統(tǒng)在高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期供電。簡單來說就是控制用戶在電力系統(tǒng)低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期用電,這樣就可以避免用電高峰期為滿足用戶電力需求系統(tǒng)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓越限或支路潮流越限的風(fēng)險(xiǎn)。一般來說,電力系統(tǒng)用戶在用電時(shí)除滿足自身需要外還會(huì)考慮電價(jià)的問題,所以本文為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理,采用電價(jià)來調(diào)控用戶用電量。在高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中,不同用戶類型對(duì)電價(jià)變動(dòng)的反應(yīng)程度均不一致,所以為達(dá)到通過電價(jià)變動(dòng)來調(diào)控系統(tǒng)負(fù)荷變化的目的,本文將電力系統(tǒng)用戶劃分為M種類型,那么當(dāng)電價(jià)發(fā)生變化時(shí),電力系統(tǒng)的負(fù)荷改變量計(jì)算公式如下:
式中:ΔL(t)為當(dāng)電價(jià)變化時(shí)電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化量;Lm(t)為電力系統(tǒng)用戶m在t時(shí)段所需負(fù)荷量;γm(t)為電力價(jià)格彈性系數(shù);ΔY為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電價(jià)變化量。
在式(5)的基礎(chǔ)上,即可求出電價(jià)校正后高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷,計(jì)算公式如下:
式中:L0(t)、L′(t)分別為高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)在電價(jià)校正前后的負(fù)荷值。
綜上,本文利用實(shí)時(shí)電價(jià)來應(yīng)對(duì)高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),也就是在根據(jù)式(4)求出電力系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的綜合運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)值之后,控制風(fēng)險(xiǎn)值較高的時(shí)段電價(jià)升高,風(fēng)險(xiǎn)值較低的時(shí)段電價(jià)降低,這樣就可以刺激用戶適當(dāng)減少系統(tǒng)高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段用電,并在低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段增加用電量,從而保障高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
在我國電網(wǎng)運(yùn)行的過程中,加強(qiáng)高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理是一項(xiàng)主要任務(wù),本文根據(jù)可靠性風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)詳細(xì)分析了電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估方法,并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)給出電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)然,高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)是一個(gè)存在多種不確定性因素的系統(tǒng),尤其是隨著系統(tǒng)規(guī)模的日漸擴(kuò)大與結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)越來越大,所以電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法與應(yīng)對(duì)措施是一個(gè)長期的研究課題。今后,筆者將繼續(xù)完善設(shè)計(jì)方法與措施,為我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定供電提供更多有益的參考。