高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)對(duì)措施分析

翟阿瑞

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030001）

0 引言

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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)程中不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)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(guó)智能電網(wǎng)的健康發(fā)展。

1 獲取高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

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)的電壓大小；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??；J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。

2 高比例風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

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(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算來(lái)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(lái)說(shuō)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(guò)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。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

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(guò)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。

3.2 結(jié)果分析

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(shuō)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(lái)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。

4 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)用戶端的用電量來(lái)避免電力系統(tǒng)在高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期供電。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)電價(jià)變動(dòng)來(lái)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(lái)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。

5 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)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(lái)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(zhǎng)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(guó)電網(wǎng)安全穩(wěn)定供電提供更多有益的參考。