張程銘, 程浩忠, 柳 璐, 王 崢, 陸建忠, 張嘯虎

(1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué)), 上海市 200240; 2. 國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部, 上海市 200122)

高比例可再生能源接入的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)及評(píng)估方法

張程銘1, 程浩忠1, 柳 璐1, 王 崢2, 陸建忠2, 張嘯虎2

(1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué)), 上海市 200240; 2. 國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部, 上海市 200122)

高比例可再生能源并網(wǎng)和交直流混聯(lián)電網(wǎng)是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的基本特征,評(píng)估不同輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特別是交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)源—荷雙重波動(dòng)的適應(yīng)性,將為未來(lái)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、靈活運(yùn)行奠定基礎(chǔ),但適應(yīng)性評(píng)估難于量化且亟待一套新背景下的評(píng)價(jià)體系。首先,在分析未來(lái)高比例可再生能源接入下輸電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上給出了輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的定義;然后,提出一套概率化的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并基于蒙特卡洛模擬算法和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)模型提出一種實(shí)用化的適應(yīng)性指標(biāo)計(jì)算方法;最后,以IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)網(wǎng)架,分別對(duì)純交流和交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性做出評(píng)價(jià),同時(shí)定量研究了不同因素對(duì)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)的影響及變化規(guī)律。算例證明適應(yīng)性指標(biāo)能夠有效反映不同輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在高比例可再生能源接入下多方面的適應(yīng)能力。

高比例可再生能源; 交直流混聯(lián)電網(wǎng); 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性; 蒙特卡洛模擬算法

0 引言

日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題使以傳統(tǒng)能源為基礎(chǔ)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式難以為繼,以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的可再生能源正逐步成為人類(lèi)能源可持續(xù)發(fā)展的重要選擇[1]。預(yù)計(jì)至2050年,中國(guó)總發(fā)電量將達(dá)15.2 PW·h,其中水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電量將占總發(fā)電量的85.8%,高比例可再生能源并網(wǎng)將成為未來(lái)電力系統(tǒng)的重要特征[2]。未來(lái)高比例可再生能源時(shí)空分布特性將使電力系統(tǒng)基本形態(tài)與運(yùn)行特性發(fā)生根本變化[3],源—荷雙重不確定性將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊,而電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制將作為主要因素影響電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。為滿(mǎn)足高比例可再生能源的接入,構(gòu)建具有高適應(yīng)性的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)迫在眉睫,而評(píng)估電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性作為未來(lái)電力系統(tǒng)規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)性工作亟待開(kāi)展。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)估研究較少,大部分研究集中于傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安全適應(yīng)性。文獻(xiàn)[4]在現(xiàn)有安全性評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上提出了城市電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以評(píng)估城市電網(wǎng)對(duì)各種擾動(dòng)的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[5]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,提出了一種大規(guī)模電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性分析方法以揭示電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于故障場(chǎng)景的適應(yīng)性。但以上研究均基于電力系統(tǒng)低隨機(jī)場(chǎng)景,在考慮高比例可再生能源后,適應(yīng)性研究主要集中于電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及系統(tǒng)可再生能源消納能力評(píng)估。文獻(xiàn)[6]以大規(guī)模風(fēng)電接入為背景,利用綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)綜合評(píng)價(jià)安全適應(yīng)性。文獻(xiàn)[7]在綜合考慮網(wǎng)架約束、跨區(qū)電力交換以及調(diào)峰容量等因素后,基于時(shí)序生產(chǎn)模擬方法,對(duì)跨區(qū)電網(wǎng)適應(yīng)風(fēng)電消納的能力進(jìn)行評(píng)估。

針對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)高比例可再生接入而表現(xiàn)出缺乏靈活性的情況,有學(xué)者從靈活性評(píng)估角度來(lái)衡量電力系統(tǒng)對(duì)高比例可再生能源的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[8]利用概率方法提出了一套考慮大規(guī)模風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靈活性定量評(píng)估指標(biāo)體系及計(jì)算方法。文獻(xiàn)[9]對(duì)含高比例可再生能源電力系統(tǒng)的靈活性研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜述,并對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的靈活性定義、平衡原理及定量評(píng)價(jià)體系進(jìn)行歸納整理。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[10]針對(duì)源—荷雙重波動(dòng)性給出了電力系統(tǒng)靈活性的概念及特征,同時(shí)提出了一種多時(shí)間尺度的靈活性供給—需求平衡數(shù)學(xué)分析方法及靈活性度量指標(biāo),最后通過(guò)建立靈活性裕度概率模型闡述了3種靈活性增加途徑。但上述文獻(xiàn)均從電力系統(tǒng)整體角度來(lái)研究系統(tǒng)的適應(yīng)性,缺乏對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)約束的充分考量,因此，研究電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)適應(yīng)性將為電力系統(tǒng)的適應(yīng)性評(píng)估和規(guī)劃工作奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)上述不足,本文提出了一套適用于高比例可再生能源接入的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性量化評(píng)估指標(biāo)體系和計(jì)算方法。首先,在充分分析未來(lái)高比例可再生能源接入下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,給出了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的定義以及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系綜合考慮了電網(wǎng)利用率、電網(wǎng)波動(dòng)性、故障安全性和正常供電能力,能夠充分反映電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在源—荷雙重不確定性下保持高效、安全、平穩(wěn)傳輸電能的能力。然后,基于蒙特卡洛算法,通過(guò)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)模型及多支路開(kāi)斷快速故障潮流算法提出一種實(shí)用化的指標(biāo)計(jì)算方法。最后,對(duì)基于IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的改進(jìn)網(wǎng)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)估,在分析指標(biāo)收斂性能后給出了不同場(chǎng)景下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)值,同時(shí)研究了不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、風(fēng)電接入比例以及交直流混聯(lián)電網(wǎng)中不同直流聯(lián)網(wǎng)形式對(duì)適應(yīng)性指標(biāo)的影響。

1 高比例可再生能源接入的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征

交流電網(wǎng)是以220 kV和500 kV網(wǎng)架為主的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)在于兼顧輸電和網(wǎng)絡(luò)功能并適于構(gòu)建主網(wǎng)架和各級(jí)輸電網(wǎng)絡(luò)。隨著可再生能源高比例化趨勢(shì),傳統(tǒng)交流電網(wǎng)缺乏快速響應(yīng)能力,而建立跨區(qū)直流輸電線(xiàn)路可促進(jìn)大區(qū)之間的資源共享。同時(shí),將直流電網(wǎng)與傳統(tǒng)能源互聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)多能源形式、多時(shí)間尺度、多用戶(hù)類(lèi)型之間的有效控制和互補(bǔ)[11]。交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)的基本趨勢(shì)和特征[12],在此列出交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型如表1所示[13]。

表1 交流和直流電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)Table 1 Typical structure of AC and DC network

高比例可再生能源接入下的交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)如下特征。

1)堅(jiān)強(qiáng)交流電網(wǎng)支撐直流電網(wǎng)。1 000 kV特高壓交流輸電線(xiàn)為直流多落點(diǎn)饋入提供堅(jiān)強(qiáng)支撐,可降低停電事故風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省輸電走廊。

2)“強(qiáng)直弱交”形式長(zhǎng)期存在。單回直流輸電容量遠(yuǎn)大于交流輸電容量,系統(tǒng)呈現(xiàn)“強(qiáng)直弱交”的特點(diǎn)。

3)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評(píng)估成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)低隨機(jī)場(chǎng)景下可利用通道強(qiáng)度指標(biāo)、電壓強(qiáng)度指標(biāo)等來(lái)綜合衡量作為主要發(fā)展趨勢(shì)的交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量[14]。

2 高比例可再生能源接入的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)估方法

2.1 輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

在此定義輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性:面對(duì)源—荷隨機(jī)波動(dòng)和多時(shí)空分布特性等不確定性因素,電網(wǎng)能夠利用自身結(jié)構(gòu)特性達(dá)到抵抗不確定擾動(dòng)而保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、協(xié)調(diào)、靈活運(yùn)行的能力。

輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性主要有4個(gè)特征。

1)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性:利用效率最大化,即應(yīng)對(duì)各隨機(jī)場(chǎng)景在滿(mǎn)足安全性前提下電網(wǎng)綜合利用效率最大化。

2)波動(dòng)適應(yīng)性:電網(wǎng)潮流高慣性,即電網(wǎng)能夠表現(xiàn)出良好的潮流平抑性能。

3)故障適應(yīng)性:嚴(yán)重故障高抗性,即需考慮嚴(yán)重故障下電網(wǎng)保持安全運(yùn)行的能力,傳統(tǒng)N-1校驗(yàn)已不再滿(mǎn)足高比例可再生能源接入下對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求。

4)供電適應(yīng)性:負(fù)荷供電保障性,即在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制下要降低切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn),最大程度保證正常供電。

2.2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性概率指標(biāo)體系

定義1:支路負(fù)載率期望值PLROB,指所有支路負(fù)載率的期望值。該指標(biāo)反映了高比例可再生能源接入后輸電網(wǎng)傳輸資源的利用情況。具體計(jì)算公式為:

(1)

式中:xi為第i條支路傳輸功率值;φl(shuí)(xi)為第i條支路傳輸功率概率密度函數(shù);Si,max為第i條支路最大極限傳輸功率;N為支路數(shù)。

定義2:支路傳輸功率波動(dòng)率PTPFB,指支路傳輸功率波動(dòng)量總和與所有支路傳輸功率最大波動(dòng)量總和的比值。該指標(biāo)反映了電網(wǎng)對(duì)源—荷隨機(jī)性抗擾動(dòng)能力和平抑潮流性能。具體計(jì)算公式為:

PTPFB=

(2)

(3)

(4)

定義3:支路功率故障越限概率PELBP,指電網(wǎng)在發(fā)生故障時(shí)支路傳輸功率的越限概率,該指標(biāo)衡量電網(wǎng)對(duì)故障的適應(yīng)性。故障類(lèi)型可按該電網(wǎng)多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)設(shè)定,同時(shí)可采用多支路開(kāi)斷分布因子快速計(jì)算故障潮流[15-16]。當(dāng)系統(tǒng)在故障情況下失穩(wěn),此時(shí)認(rèn)為該電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)此種故障完全不具有適應(yīng)性,可將該指標(biāo)值置1。則指標(biāo)具體計(jì)算公式為:

(5)

定義4:輸電網(wǎng)傳輸不足概率PLPTN,指考慮發(fā)輸電系統(tǒng)隨機(jī)故障情況下,輸電網(wǎng)傳輸功率小于負(fù)荷需求功率的概率。其分為兩種情況:①輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)所決定的極限供電能力小于負(fù)荷總需求功率導(dǎo)致的負(fù)荷供給不足;②輸電網(wǎng)傳輸能力足夠,但由于可再生能源隨機(jī)波動(dòng)等不確定性導(dǎo)致的負(fù)荷供給不足。第1種情況的輸電網(wǎng)傳輸不足概率計(jì)算式如下:

(6)

式中:φ(D)為輸電網(wǎng)所承載總負(fù)荷隨機(jī)變量的概率密度函數(shù);D為總負(fù)荷實(shí)際功率;Dmax為特定發(fā)輸電結(jié)構(gòu)下輸電網(wǎng)最大供給負(fù)荷值。

其中Dmax與輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān),在此可利用文獻(xiàn)[17]中基于N-1安全約束的輸電網(wǎng)最大供電能力優(yōu)化模型求解出極限供電能力值,當(dāng)系統(tǒng)總負(fù)荷需求大于該值可認(rèn)為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致供電不足。發(fā)輸電系統(tǒng)元件隨機(jī)故障模擬可采用蒙特卡洛隨機(jī)模擬的方法,根據(jù)各元件故障率隨機(jī)產(chǎn)生元件狀態(tài)。

對(duì)于第2種輸電網(wǎng)傳輸不足情況,由于輸電網(wǎng)極限傳輸能力足夠,只需考慮系統(tǒng)供需平衡,當(dāng)系統(tǒng)電力供給總量小于負(fù)荷需求總量時(shí)出現(xiàn)輸電網(wǎng)傳輸不足情況。由于源—荷都存在不確定性,因此為利用概率密度計(jì)算可采用卷差和卷和計(jì)算方法。定義系統(tǒng)總電力供應(yīng)量為X,總電力需求量為Y,則Z=X-Y表示電力供給余量。隨機(jī)變量Z的概率密度函數(shù)及輸電網(wǎng)傳輸不足概率計(jì)算如下:

(7)

(8)

(9)

式中:φX為發(fā)電機(jī)總出力的概率密度函數(shù);φY為負(fù)荷總需求的概率密度函數(shù);⊕和?分別為卷和、卷差符號(hào);S為電力供應(yīng)設(shè)備集;L為電力需求設(shè)備集;φZ(yǔ)(z)為電力供給余量的概率密度函數(shù);φZ(yǔ)(z|D)為總負(fù)荷實(shí)際功率下電力供給余量的概率密度函數(shù)；PLPTN,2為第2種情況下的供電不足概率。

綜上，得到輸電網(wǎng)傳輸不足概率計(jì)算式如下:

PLPTN=PLPTN,1+PLPTN,2

(10)

2.3 輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)估步驟

一種針對(duì)上述輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)的實(shí)用計(jì)算方法步驟如下。

步驟1:輸入系統(tǒng)初始參數(shù),確定可再生能源裝機(jī)容量Cre及接入位置,初始化模擬計(jì)數(shù)k=0。

步驟2:根據(jù)基于N-1安全約束的輸電網(wǎng)最大供電能力優(yōu)化模型求解出輸電網(wǎng)極限供電能力值。

步驟3:根據(jù)區(qū)域可再生能源和負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)確定可再生能源有功功率分布函數(shù)Fre(x)和負(fù)荷有功功率分布函數(shù)Fld(x),根據(jù)區(qū)域歷史故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定模擬的故障類(lèi)型。

步驟4:采用蒙特卡洛方法模擬采樣生成源—荷隨機(jī)出力場(chǎng)景Ψ以及模擬不同元件故障的發(fā)生。

步驟5:通過(guò)電網(wǎng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)模型求最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式,判斷模擬的故障場(chǎng)景下系統(tǒng)是否失穩(wěn),若失穩(wěn)則直接將支路功率故障越限概率置1,否則利用多支路開(kāi)斷分布因子快速計(jì)算故障潮流。

步驟6:根據(jù)前k次模擬的數(shù)據(jù)樣本計(jì)算指標(biāo)中所涉及的概率密度函數(shù),計(jì)算當(dāng)前模擬的適應(yīng)性指標(biāo)值及k次模擬的指標(biāo)期望值。指標(biāo)期望值計(jì)算式如下:

(11)

式中:Ek為前k次模擬的適應(yīng)性指標(biāo)期望值;Padapt,i為第i次模擬的適應(yīng)性指標(biāo)值。

步驟7:判斷各指標(biāo)期望值是否收斂,判據(jù)如式(12)所示[8]。

(12)

式中:Vσ為期望數(shù)組{Ek}的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù);Eavg為數(shù)組{Ek}的平均數(shù)。

設(shè)置閾值ε,當(dāng)max{VLROB,VTPFB,VELBP,VLPTN}≤ε時(shí)停止蒙特卡洛模擬并轉(zhuǎn)至步驟8,否則令k=k+1并返回步驟3。其中，VLROB,VTPFB,VELBP,VLPTN分別為PLROB,PTPFB,PELBP,PLPTN的期望值。

步驟8:根據(jù)計(jì)算得到的電網(wǎng)適應(yīng)性指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)做出適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

3 算例分析

3.1 算例介紹

本節(jié)選擇改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[18]作為算例,以風(fēng)電接入為例,風(fēng)電機(jī)組有功功率和系統(tǒng)負(fù)荷滿(mǎn)足如下條件:①風(fēng)速滿(mǎn)足Weibull分布W(c,k)=W(11,2),為體現(xiàn)高比例可再生能源接入的特點(diǎn),分別在節(jié)點(diǎn)3,18,24,29接入120 MW集群輸出風(fēng)電場(chǎng);②負(fù)荷作為隨機(jī)變量,系統(tǒng)總接入負(fù)荷額定容量增加到600 MW,同時(shí)有功功率服從期望為額定有功功率,標(biāo)準(zhǔn)差為期望15%的正態(tài)分布。

3.2 指標(biāo)收斂性分析

在應(yīng)用所建立的指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性做出評(píng)價(jià)之前,需要先驗(yàn)證本文所提出指標(biāo)的合理性,其表現(xiàn)為指標(biāo)滿(mǎn)足一定收斂性。在此逐步增加蒙特卡洛模擬次數(shù)求適應(yīng)性指標(biāo),得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 適應(yīng)性指標(biāo)收斂趨勢(shì)圖Fig.1 Convergence trend of adaptability index

由圖1可知,在蒙特卡洛模擬次數(shù)較小時(shí),各指標(biāo)存在較大上下波動(dòng),說(shuō)明初期指標(biāo)不穩(wěn)定,但是隨著模擬次數(shù)逐步增加可發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)趨于穩(wěn)定,說(shuō)明所提指標(biāo)滿(mǎn)足收斂性要求。在此設(shè)置閾值ε為10-2,通過(guò)式(12)中適應(yīng)性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬次數(shù)達(dá)到6 000次時(shí),max{VLROB,VTPFB,VELBP,VLOCE}=0.009 8≤ε,可知指標(biāo)計(jì)算值達(dá)到收斂要求。

3.3 輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)估

本節(jié)對(duì)交流電網(wǎng)和交直流混聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行適應(yīng)性指標(biāo)評(píng)估。為形成交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu),先將標(biāo)準(zhǔn)IEEE 30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架進(jìn)行分區(qū)后再將各分區(qū)之間交流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)以直流輸電線(xiàn)代替,并將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上并聯(lián)的電抗拆除。直流輸電線(xiàn)主要采用兩端直流輸電模型,分為整流側(cè)和逆變側(cè),換流器控制方式設(shè)置為三種,交直流電網(wǎng)潮流計(jì)算主要采用文獻(xiàn)[19]的順序解法,具體直流輸電線(xiàn)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[20]。用直流替換方式形成的交直流混聯(lián)電網(wǎng)如圖2所示。圖中,支路27-28,6-10,21-22為直流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)。

圖2 交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of AC/DC hybrid network

設(shè)置兩個(gè)對(duì)比場(chǎng)景:①無(wú)可再生能源接入,對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)電網(wǎng)確定性場(chǎng)景,設(shè)置常規(guī)機(jī)組容量為750 MW,備用比例為25%;②存在高比例可再生能源接入,對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)強(qiáng)隨機(jī)性場(chǎng)景。在總發(fā)電機(jī)等效裝機(jī)容量保持750 MW前提下,根據(jù)一定置信度用風(fēng)電機(jī)組來(lái)替代等效的常規(guī)機(jī)組容量。本文中置信度取為20%,風(fēng)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量比為42%,達(dá)到高比例可再生能源接入條件。適應(yīng)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of adaptability index

高比例可再生能源接入后使電網(wǎng)利用率降低,相比于傳統(tǒng)線(xiàn)路擴(kuò)容擴(kuò)展進(jìn)程,在高比例可再生能源場(chǎng)景下可適當(dāng)放緩。同時(shí),由于直流輸電線(xiàn)主要由電力換流器自動(dòng)選擇一定控制模式來(lái)決定運(yùn)行方式,具備一定自我調(diào)節(jié)適應(yīng)功能,因此交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在一定程度上能夠平抑全網(wǎng)潮流波動(dòng)使潮流均勻化分布。然而,由于電力電子設(shè)備存在故障率高且故障將直接失去對(duì)潮流控制的特點(diǎn),也使其存在對(duì)隨機(jī)故障適應(yīng)性不高的缺點(diǎn)。

3.4 可再生能源接入比例對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的影響

為研究風(fēng)電接入比例對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的影響,設(shè)置可再生能源接入比例從0一直增加到100%,得到的不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)隨可再生能源比例上升變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示。在此定義:可再生能源接入比例為可再生能源裝機(jī)容量與總負(fù)荷容量的比值。

圖3 不同可再生能源接入比例下純交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)趨勢(shì)圖Fig.3 Trend chart of adaptability index of AC network structure under different ratio of renewable energy

圖4 不同可再生能源接入比例下交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)趨勢(shì)圖Fig.4 Trend of adaptability index for AC/DC hybrid network structure under different ratio for renewable energy

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性將隨可再生能源比例升高而降低,這是由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)自身對(duì)潮流分布存在約束作用,即需滿(mǎn)足特定結(jié)構(gòu)下的電氣連接。接入可再生能源比例越高,約束力將越大,結(jié)構(gòu)作用也越凸顯,導(dǎo)致存在一閾值使其維持不變,且由于交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)作用更強(qiáng),故凸顯閾值較之于交流電網(wǎng)將提前,從圖4中可看出交直流電網(wǎng)凸顯閾值為40%左右,遠(yuǎn)小于純交流電網(wǎng)。同時(shí),電網(wǎng)結(jié)構(gòu)作用將使波動(dòng)存在快速增長(zhǎng)期,超過(guò)該時(shí)期則電網(wǎng)結(jié)構(gòu)抑制作用增強(qiáng)從而使波動(dòng)增長(zhǎng)趨于平緩。從總體趨勢(shì)來(lái)看,交流電網(wǎng)隨可再生能源接入比例提高適應(yīng)性指標(biāo)波動(dòng)較大,而交直流混聯(lián)電網(wǎng)適應(yīng)性能則保持相對(duì)平穩(wěn)。

3.5 交直流混聯(lián)電網(wǎng)不同結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性比較

從3.4節(jié)可發(fā)現(xiàn)交直流混聯(lián)電網(wǎng)相較于純交流電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)性和波動(dòng)性上表現(xiàn)出更好的適應(yīng)能力,但僅針對(duì)于各區(qū)域間用直流輸電線(xiàn)兩兩互聯(lián)的交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為研究典型聯(lián)網(wǎng)形式對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的影響,本節(jié)將同樣采用直流替換交流的方法形成單直流聯(lián)網(wǎng)、多直流送出、多直流饋入及多送出多饋入4種結(jié)構(gòu),將其按順序編號(hào)為1,2,3,4,分別計(jì)算電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性指標(biāo)以評(píng)估各結(jié)構(gòu)類(lèi)型的電網(wǎng)。4種聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖5所示,得到的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)如表3所示。

圖5 交直流混聯(lián)電網(wǎng)不同聯(lián)網(wǎng)形式Fig.5 Different networking methods of AC/DC hybrid network

結(jié)構(gòu)編號(hào)PLROBPTPFBPELBPPLPTN10.52500.06730.13350.129820.60810.07310.16970.092230.63290.06590.20940.089140.36770.09000.09080.0231

與純交流電網(wǎng)相比,對(duì)于直流輸電線(xiàn)僅作為聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的不同交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)其具有普遍良好的抗波動(dòng)性能和潮流平抑性能,針對(duì)高比例可再生能源接入可采取適當(dāng)直流替換交流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的方式減弱系統(tǒng)隨機(jī)性帶來(lái)的影響。多送出多饋入直流聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相較于其他三種結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性不強(qiáng),綜合利用率較低,實(shí)際情況中需對(duì)其進(jìn)行利用率的優(yōu)化,但是其對(duì)故障適應(yīng)性較強(qiáng),適于故障風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析適應(yīng)未來(lái)高比例可再生能源接入的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的基礎(chǔ)上,提出一套計(jì)及經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性、安全適應(yīng)性、波動(dòng)適應(yīng)性和供電適應(yīng)性的概率化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)體系,并基于蒙特卡洛模擬和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)模型建立了實(shí)用化算法評(píng)估流程,分別評(píng)估了不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)不同比例可再生能源接入下的各指標(biāo)變化規(guī)律和趨勢(shì)進(jìn)行了研究,同時(shí)針對(duì)交直流混聯(lián)電網(wǎng)所存在的4種典型聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性進(jìn)行了分析比較。仿真結(jié)果表明,本文所提出的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)能夠表征電網(wǎng)多方面的適應(yīng)能力,并能將適應(yīng)能力量化以比較分析各結(jié)構(gòu)的適應(yīng)特征。

本文所提出的指標(biāo)雖然具有一定實(shí)用性和有效性,但研究仍處于起步階段,僅提供一種針對(duì)高比例可再生能源下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析方法,對(duì)于指標(biāo)的定義以及對(duì)算例的分析還有待深入,同時(shí)結(jié)論僅針對(duì)特定電網(wǎng)結(jié)構(gòu),不具有普適性。因此,本文下階段工作是深化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)體系,并通過(guò)大量典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的指標(biāo)計(jì)算,統(tǒng)計(jì)歸納出典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征以及各類(lèi)型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)所適宜的應(yīng)用場(chǎng)景,以期為未來(lái)高比例可再生能源下的電網(wǎng)規(guī)劃做出指導(dǎo)。

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AdaptabilityIndexandEvaluationMethodforPowerTransmissionNetworkStructurewithIntegrationofHigh-penetrationRenewableEnergy

ZHANGChengming1,CHENGHaozhong1,LIULu1,WANGZheng2,LUJianzhong2,ZHANGXiaohu2

(1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Shanghai 200240, China; 2. East China Branch of State Grid Corporation of China, Shanghai 200122, China)

High-penetration renewable energy system and AC/DC hybrid network are two main basic characteristics of future power systems. Evaluating different network’s structure adaptability, especially for AC/DC hybrid network, is extremely important for power system to keep economical, safe, reliable and flexible when renewable energy and load both have an increasing trend of uncertainty. However, it is very difficult to evaluate the adaptability quantitatively, so that new indexes considering high-penetration are badly needed. First, this paper analyzes the basic characteristic of network structure and gives the definition of adaptability in the background of strong randomness. Then several probable indexes of structure adaptability are proposed based on the basic characteristic of adaptability. After that, a practical calculation method is put forward, which uses the Monte Carlo simulation and the optimal economic model. Finally, by using the IEEE 30-bus system as the basic network frame, an AC network and an AC/DC hybrid network are respectively evaluated, and different influencing factors of adaptability are researched to find the change regulation. The examples prove that the adaptability index can effectively reflect the adaptability of different transmission network structures with high-proportion renewable energy integration.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900100) and State Key Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51337005).

high-penetration renewable energy; AC/DC hybrid network; adaptability of network structure; Monte Carlo simulation algorithm

2017-06-15;

2017-09-10。

上網(wǎng)日期: 2017-09-30。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0900100);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(513370005)。

張程銘(1993—),男,通信作者,碩士研究生,主要研究方向:電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)估、電力系統(tǒng)規(guī)劃。E-mail： zcm_sjtu@163.com

程浩忠(1962—),男,博士,教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、電壓穩(wěn)定、電力市場(chǎng)、電能質(zhì)量。

柳 璐(1983—),女,助理研究員,主要研究方向:輸電網(wǎng)規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估、投資管控。

(編輯萬(wàn)志超)