趙冠雄，葛維春，葉丹，王順江，凌兆偉

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

為了應(yīng)對資源短缺、環(huán)境污染等問題、人類利用開發(fā)可再生的新能源代替化石能源來實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展[1-2].可再生能源的諸多優(yōu)點使其在電網(wǎng)運行中所占比例越來越高，由于可再生能源具有間歇性、隨機性等特點，給電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度帶來一系列的挑戰(zhàn)[2-4].因此，提高可再生能源的消納能力與系統(tǒng)靈活性，保證電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行進(jìn)而實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)運行調(diào)度域的合理劃分，成為當(dāng)下學(xué)者關(guān)注的亟待解決熱點問題之一.

針對高比例可再生能源并網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略，大量學(xué)者開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[5]針對REAF系統(tǒng)，提出了提高可再生能源消納能力的最優(yōu)調(diào)度策略.文獻(xiàn)[6]針對海島聯(lián)合系統(tǒng)，提出三種調(diào)度策略，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果選擇最優(yōu)調(diào)度策略.文獻(xiàn)[7]綜合考慮現(xiàn)有調(diào)度資源，體現(xiàn)了“源-荷-儲”協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略的優(yōu)越性.文獻(xiàn)[8]提出了計及風(fēng)功率預(yù)測誤差的多時間尺度調(diào)度策略從而提高了風(fēng)電消納能力.文獻(xiàn)[9]建立了風(fēng)蓄模型與棄風(fēng)量協(xié)調(diào)運行的優(yōu)化策略.文獻(xiàn)[10]基于靈活性需求建立優(yōu)化模型并形成靈活性評價圖，從而確定調(diào)度策略.文獻(xiàn)[11]計及風(fēng)電出力不確定性，提出以虛擬電廠經(jīng)濟性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)的調(diào)度策略.文獻(xiàn)[12]建立了“源-儲-荷”多目標(biāo)優(yōu)化模型，從而得到相關(guān)運行策略.上述文獻(xiàn)在調(diào)度策略中較少提及到電力系統(tǒng)中各靈活性資源協(xié)調(diào)配合運行，且未考慮到可再生能源為電網(wǎng)運行帶來的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題.

綜上所述，本文提出基于電力系統(tǒng)整體靈活性與風(fēng)電消納能力電網(wǎng)運行域劃分的優(yōu)化策略，從時序上對靈活性充裕量劃分體現(xiàn)了電力系統(tǒng)靈活性需求與風(fēng)電消納能力，建立了基于均值電壓穩(wěn)定L指標(biāo)分析隨機電壓穩(wěn)定的方法，在此基礎(chǔ)上提出基于全網(wǎng)電壓穩(wěn)定約束的電網(wǎng)不同運行域劃分指標(biāo).

1 面向電力系統(tǒng)靈活性的電網(wǎng)運行域劃分

1.1 電網(wǎng)運行域劃分的依據(jù)和原則

由于當(dāng)前世界環(huán)境保護(hù)問題日益突出，能源消耗日益嚴(yán)重，可再生能源在電網(wǎng)中所占比例越來越高.所以，高比例新能源接入電網(wǎng)會帶來一系列問題.

電力系統(tǒng)中，機組出力與負(fù)荷水平共同決定了電網(wǎng)運行狀態(tài).將包含常規(guī)機組、儲能設(shè)備的電力系統(tǒng)，在系統(tǒng)負(fù)荷水平和可再生能源處于不同的邊界下，系統(tǒng)運行于不同狀態(tài)下，通過不同運行狀態(tài)可調(diào)設(shè)備不同，如正常狀態(tài)下調(diào)節(jié)火電、水電，異常狀態(tài)下調(diào)節(jié)儲能，緊急狀態(tài)下調(diào)節(jié)風(fēng)、光和核電等.因此，我們將電網(wǎng)運行分為三個不同區(qū)域.

1.2 電網(wǎng)運行域定義

在電網(wǎng)運行時，應(yīng)盡可能多的消納風(fēng)電，基于電力系統(tǒng)整體靈活性與風(fēng)電消納能力將電網(wǎng)劃分為三種運行域.

正常域：常規(guī)機組為系統(tǒng)內(nèi)主要的靈活性供給資源，在常規(guī)機組的出力范圍內(nèi)為電力系統(tǒng)提供靈活性資源，在正常域內(nèi)，風(fēng)電可以被完全消納，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度處理，使得運行經(jīng)濟性最好.

異常域：在系統(tǒng)未接入其他可調(diào)節(jié)設(shè)備時，此時常規(guī)機組不能作為電力系統(tǒng)靈活性資源，風(fēng)電為消耗系統(tǒng)靈活性資源，消納風(fēng)電能力趨于飽和，此時需要儲能設(shè)備為系統(tǒng)提供靈活性資源，保證系統(tǒng)安全可靠的運行.

緊急域：系統(tǒng)靈活性需求過大，現(xiàn)有的可調(diào)節(jié)設(shè)備不能為系統(tǒng)提供靈活性資源，為保證系統(tǒng)安全可靠運行，采取棄風(fēng)措施.在緊急域內(nèi)，為了提高風(fēng)電的消納能力，減小棄風(fēng)量[13-14]，可以采取對常規(guī)機組深度調(diào)峰[15].

1.3 電網(wǎng)運行域狀態(tài)判定

(1)正常域判定

在正常域內(nèi)，常規(guī)機組為系統(tǒng)靈活性供給資源，風(fēng)電可以被完全消納，此時

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)電網(wǎng)運行域的劃分原則，系統(tǒng)上調(diào)與下調(diào)靈活性充裕量分別為

(5)

存在負(fù)荷的特殊狀態(tài)Cn為正常域與異常域的臨界狀態(tài)，則

(6)

仿照數(shù)學(xué)上的符號函數(shù)Sgn函數(shù)，定義Sgn(X)，X參數(shù)是任何有效的數(shù)值表達(dá)式.返回值如果大于0，則Sgn輸出1；等于0，輸出0；小于0，則輸出-1.

因此定義系統(tǒng)運行在正常域內(nèi)的判定條件為

(7)

(2)異常域判定

在異常域內(nèi)電儲能設(shè)備為系統(tǒng)靈活性供給資源，由于其具有“未滿可充，未空可放”的運行特點，定義其在充放電狀態(tài)分別為向下、向上靈活性資源，此時系統(tǒng)靈活性充裕量為

(8)

儲能設(shè)備的最大充放電功率Pin和Pout為異常域與緊急域的臨界狀態(tài)，則

(9)

在系統(tǒng)接入儲能設(shè)備后，儲能設(shè)備運行的響應(yīng)時間以秒為單位，則

(10)

(11)

因此定義系統(tǒng)運行在異常域的判定條件為

(12)

(3)緊急域判定

在緊急域內(nèi)，未采取其他措施時，系統(tǒng)靈活性需求過大，上調(diào)靈活性與下調(diào)靈活性均不足，風(fēng)電不能被完全消納，則

(13)

2 隨機電壓穩(wěn)定評估

電力系統(tǒng)是隨機性很強的復(fù)雜系統(tǒng)，因而確定性評估的結(jié)果相對比較樂觀，本文考慮不確定因素引入隨機潮流，結(jié)合電壓穩(wěn)定L指標(biāo)，分析含風(fēng)電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性.

2.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)

文獻(xiàn)[16]中首次提出靜態(tài)電壓穩(wěn)定L指標(biāo).其表達(dá)簡潔、計算簡單，因此一直被廣泛應(yīng)用.

在多節(jié)點系統(tǒng)中，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分為兩類，一類是負(fù)荷節(jié)點，一類是發(fā)電機節(jié)點和平衡節(jié)點.

在兩節(jié)點系統(tǒng)中有

(14)

系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣為

(15)

公式中：y11、y12、y22分別為線路π型等值電路的支路導(dǎo)納.

公式(14)可以變?yōu)?/p>

,

(16)

記

(17)

定義電壓穩(wěn)定指標(biāo)L為

(18)

將系統(tǒng)節(jié)點進(jìn)行分類后，可用混合矩陣來表示節(jié)點電壓與電流間的關(guān)系為

(19)

L指標(biāo)的表達(dá)式為

(20)

2.2 基于隨機潮流計算的L指標(biāo)

極坐標(biāo)下節(jié)點的功率方程可以寫成矩陣形式為

W=F(X，Y)

，

(21)

公式中：W為節(jié)點注入功率；X為狀態(tài)變量；Y為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù).

將上式在基態(tài)按泰勒級數(shù)展開可得

W=W0+ΔW=F(X0，Y0)+F′X(X0，Y0)ΔX+F′Y(X0，Y0)ΔY

.

(22)

在計算均值電壓穩(wěn)定L指標(biāo)時，X表示為節(jié)點電壓.

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)Y不變，則有

ΔW=F′X(X0，Y0)ΔX

.

(23)

在直角坐標(biāo)系下為

W=[P1Q1…P(n-1)Qn-1]T

，

(24)

V=[e1f1…en-1fn-1)]T

，

(25)

公式中：W通過蒙特卡洛抽樣計算得到，將所有不確定因素看成隨機波動，對每一次通過蒙特卡洛抽樣得到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計算，再根據(jù)輸入變量的分布情況利用半不變量法結(jié)合Gram-Charlier級數(shù)求出節(jié)點電壓的分布函數(shù)[17-19]，在此基礎(chǔ)上計算基于隨機潮流的均值電壓穩(wěn)定L指標(biāo)，并對含風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析.

公式(21)中，對注入功率參變量λ求導(dǎo)得

(26)

將公式(26)變形可得

(27)

即

ΔV=S0ΔW

.

(28)

根據(jù)半不變量的性質(zhì)，由節(jié)點負(fù)荷和電源注入功率的r階半不變量求出系統(tǒng)各節(jié)點注入功率的r階半不變量△W(r)，且有

(29)

從而得

(30)

由半不變量的可加性計算出電壓穩(wěn)定L指標(biāo)的r階半不變量為

(31)

利用Gram-Charlier級數(shù)求出電壓關(guān)聯(lián)裕度的概率密度和累積分布函數(shù)為

(32)

(33)

由概率分布曲線可以清楚直觀地了解節(jié)點隨機電壓穩(wěn)定情況與可以承受的最大注入擾動功率概率.求解模型具體流程，如圖2所示.

3 電網(wǎng)運行指標(biāo)

連續(xù)潮流是分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題的重要方法[20-21]，由預(yù)測、校正、參數(shù)化策略和步長控制四部分組成，連續(xù)潮流方程為

(34)

公式中：PGi、PLi、QGi、QLi分別為發(fā)電機和負(fù)荷的有功、無功功率；Vi、θi分別為節(jié)點電壓幅值和相角；Gij、Bij為節(jié)點導(dǎo)納矩陣元素；λ為負(fù)荷參數(shù)；kGi為發(fā)電機爬坡系數(shù)；j∈i表示節(jié)點j與節(jié)點i相連.

當(dāng)電網(wǎng)運行到每個運行域的臨界點時，對全網(wǎng)電壓進(jìn)行觀測并找到最薄弱節(jié)點，利用連續(xù)潮流計算崩潰電壓，如圖3所示.

薄弱節(jié)點的電壓隨著有功的變化而變化，通過觀測薄弱節(jié)點的電壓是定義劃分電網(wǎng)運行域指標(biāo)的關(guān)鍵點.

指標(biāo)定義為

(35)

公式中：Vi、Vim分別為薄弱點電壓幅值與其崩潰電壓幅值.

根據(jù)指標(biāo)Kp，電網(wǎng)運行域劃分為

(36)

這里

(37)

公式中：Vimin為常規(guī)機組出力最小時薄弱節(jié)點電壓；Vimax為常規(guī)機組出力最大時薄弱節(jié)點電壓；Vis為儲能裝置容量已滿時的薄弱節(jié)點電壓.

4 算例分析

本文基于IEEE-30節(jié)點典型系統(tǒng)，將節(jié)點11和節(jié)點13的發(fā)電機替換為容量為50 MW的風(fēng)電，風(fēng)電接入容量占總裝機容量比例為25%，在節(jié)點15加裝容量為15 MW·h的儲能裝置，系統(tǒng)接線圖，如圖4所示.

在IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)中，1號節(jié)點為平衡節(jié)點，節(jié)點2、節(jié)點5、節(jié)點8、節(jié)點11、節(jié)點13為PV節(jié)點，節(jié)點6、節(jié)點9、節(jié)點22、節(jié)點25、節(jié)點27、節(jié)點28為聯(lián)絡(luò)節(jié)點.系統(tǒng)在不同注入功率水平和不同隨機擾動下的均值電壓穩(wěn)定L指標(biāo)結(jié)果如表1、表2所示.

根據(jù)上面的計算結(jié)果繪制節(jié)點3、節(jié)點30的L指標(biāo)的概率密度曲線圖和累積函數(shù)分布圖，如圖5～圖8所示.

表1 IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)隨機潮流L指標(biāo)結(jié)果(λ=1.0)

表2 IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)隨機潮流L指標(biāo)結(jié)果(λ=1.45)

圖5 節(jié)點3的L指標(biāo)概率密度曲線圖6 節(jié)點30的L指標(biāo)概率密度曲線圖7 節(jié)點3的L指標(biāo)分布曲線圖8 節(jié)點30的L指標(biāo)分布曲線

由仿真結(jié)果分析可知：

(1)同一節(jié)點當(dāng)功率水平相同時，隨機擾動越大，節(jié)點L指標(biāo)數(shù)值越大，當(dāng)節(jié)點注入功率增大到λ=1.45時，L指標(biāo)接近于1，此時雅可比矩陣接近奇異，系統(tǒng)電壓接近臨界穩(wěn)定.

(2)從節(jié)點3、節(jié)點30的L指標(biāo)分布曲線來看，節(jié)點3的L指標(biāo)整體靠左，只有0.03%的概率大于0.9，而節(jié)點30有0.24%的概率大于0.9.因此，節(jié)點3的電壓穩(wěn)定性最好，相反節(jié)點30最容易出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的情況.

由IEEE-30系統(tǒng)接線圖看出，節(jié)點3距離發(fā)電機中心近所以穩(wěn)定性好，節(jié)點30電氣距離遠(yuǎn)，穩(wěn)定性差.因此隨機電壓穩(wěn)定L指標(biāo)與實際情況相符，具有一定的工程意義.

儲能在運行時刻全網(wǎng)最薄弱節(jié)點為節(jié)點30，節(jié)點30在兩個時刻下的PV曲線，如圖9所示.

由圖9可知，節(jié)點30極限電壓Vm為0.55，根據(jù)定義的Kp指標(biāo)求法以及相關(guān)數(shù)據(jù)求出此時Kpmin值近似為1.87，Kpmax值近似為1.78，Kps值近似為1.91.選取典型日負(fù)荷與風(fēng)電曲線，如圖10所示.基于Kp指標(biāo)電網(wǎng)運行域劃分，如圖11所示.

圖10 典型日風(fēng)電與負(fù)荷曲線圖11 電網(wǎng)運行域劃分圖

表3 各時段指標(biāo)數(shù)值及電網(wǎng)運行狀態(tài)

各時段指標(biāo)數(shù)值及電網(wǎng)運行狀態(tài)，如表3所示.當(dāng)風(fēng)電出力達(dá)到極限功率Pwmax時，由表3分析可知，在時段1～2、時段7～10、時段14～24內(nèi)，負(fù)荷高于風(fēng)電輸出極限功率與常規(guī)機組最小出力但低于常規(guī)機組最大出力，當(dāng)負(fù)荷增大時，常規(guī)機組具備向上調(diào)節(jié)的能力，電網(wǎng)運行在正常域，1.78

5 結(jié) 論

本文提出了解決電力系統(tǒng)整體靈活性與風(fēng)電消納能力電網(wǎng)運行域劃分方法.通過建立隨機潮流下的均值靜態(tài)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)，構(gòu)造了基于電壓穩(wěn)定約束的電網(wǎng)運行域劃分指標(biāo).當(dāng)電網(wǎng)在風(fēng)電滲透25%前提下，分析典型日大風(fēng)時段，通過觀測全網(wǎng)電壓薄弱節(jié)點進(jìn)而計算KP指標(biāo)對電網(wǎng)運行域進(jìn)行劃分，仿真結(jié)果表明本文所提出的基于電力系統(tǒng)整體靈活性與風(fēng)電消納能力電網(wǎng)運行域劃分的源荷儲協(xié)調(diào)運行的優(yōu)化策略提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性與風(fēng)電消納能力，這有效地簡化了調(diào)度的復(fù)雜性，由于計及了電壓穩(wěn)定約束，保證了電力系統(tǒng)安全可靠的運行，為電網(wǎng)調(diào)度人員提供一定的輔助決策作用.

針對不同域間的協(xié)調(diào)調(diào)度問題，以及電網(wǎng)在各個運行域間的調(diào)控方法，將在下一步工作中展開深入探討.