大規模風電并網的電力系統運行靈活性評估

袁晨光

【摘 ?要】隨著電力系統不確定性的不斷增加，電力系統需要具備一定的應變和響應能力，即所謂的靈活性，以盡可能消除或減小以上不確定因素帶來的負面影響，保證電力系統的安全穩定運行。電力系統已可有效地容納大規模的多元可再生能源。多種可再生能源，尤其是風電和光伏，會導致功率大幅度波動，充足的運行靈活性則是大規模整合電網的必要前提?；诮⒌目蚣?，用于對獨立電力系統裝置及其整體的運行靈活性的量化及評估。

【關鍵詞】電力系統;靈活性;大規?？稍偕茉?/p>

大規?？稍偕茉吹慕尤胍约爸悄茈娋W的不斷發展，將給電力系統帶來巨大變化。當可再生能源的發電容量在電網中所占比重較大時，其出力不確定性將從根本上改變系統潮流分布的特性，使系統的潮流流向與分布變成隨機的、不可預測的。此外，隨著分布式電源、微網、電動汽車的快速發展，負荷預測的偏差、間歇性負荷的不確定性對系統運行過程中的功率分布有著重要影響。

一、靈活性定義

電力系統靈活性具有特點：靈活性是電力系統的固有特征;靈活性具有方向性;靈活性需在一定時間尺度下描述。靈活性是電力系統的固有特征。通常而言，電力系統有一種內在的容忍度，允許電力系統在一定程度內偏離預設的工作點運行，而不需要做出任何改變，可認為該容忍度即為電力系統的固有靈活性。偏離預設工作點的程度越大，電力系統固有靈活性的彈性越小;電力系統的固有靈活性越高，電力系統靈活性的彈性也越小。

靈活性具有方向性。電力系統受到多種因素的影響，具有很強的不確定性，大規?？稍偕茉唇尤牒?，這種不確定性更加明顯與強烈，使電力系統在短時間內出現功率不平衡問題。不同的運行狀態下，電力系統靈活性會隨著各個機組的發電狀態、各個節點的負荷情況的變化而變化，即功率平衡情況不同時，電力系統的靈活性不同。針對靈活性的特點，可認為電力系統靈活性具有向上與向下兩個方向，分別對應電力系統功率供應小于需求和供應大于需求情況。靈活性需在一定時間尺度下描述。電力系統中不確定性造成的功率變化很少有單調遞增或遞減的情況，且變化持續時間也各不相同。同時，系統的靈活性資源對負荷變化的響應能力也有區別，因此，在不同時間尺度下，靈活性的評估是不同的。

二、運行靈活性的建模

電力系統運行靈活性的分析和評估首先需要建立一個框架，該框架允許電力系統在一定程度內偏離預設工作點運行，以便調節功率供應和功率需求的模式。一個單元是否具有有限的存儲功能，是否能提供波動功率供應，以及是哪種可控性和可觀測性，后者還具有預測性，波動電源和負荷需求的系統運行進程。這些特性的總和便可成為電力系統單元的運行穩定性。這實際上與現有的電力系統單元里的嵌入式存儲容量高度相關。模型框架：該框架允許電力系統各單位對具體功能建模，如多元儲能單元、多元發電機組、多元負荷需求單元。

電力系統靈活性，當 ζ < 0 時，供 應小于需求，稱為向上方向的靈活性;當 ζ < 0 時，供應大于需求，稱為向下方向的靈活性。ugen描述的是在轉換率 ηgen時機組的出力，為機組 i 的出力上下限，該電源節點框架增加了一個重要的經典電力系統模型。SOC 是電能存儲等級，電能存儲容量 C≥0 可以表示為 0≤x≤1。能量存儲則關系著內部能量損耗，運行靈活性的模型如式所示：

三、運行靈活性的評估分析

1、常規運行靈活性評估。電力系統運行靈活性分析，狀態 1 代表凈負荷曲線超越了機組出力上限，表明該系統需要補充上調靈活性資源;狀態 2 代表該系統靈活性資源充足;狀態 3 代表該系統凈負荷曲線超過了機組出力下限，表示其下調靈活性資源缺失。

基于 Monte -Carlo 算法并加以改進可以得到節點注入功率和潮流數據，并據此建立一個目標函數，目標函數中包括各節點發電的成本、各支路所剩傳輸能力的成本及網損，再利用遺傳算法處理節點注入功率，通過計算得到系統運行靈活性的評估[1]。隨著電力系統大規模接入風電，運行靈活性需要有更好的評估方法。

2、可再生能源并網后的運行靈活性評估。大規模的可再生新能源并網是如今大勢所趨，相對于常規能源，可再生能源出力隨機性較強，可調控力更弱，風電為例，風速的可預測性及其難度都相對于負荷預測高得多。因此，對可再生能源的靈活性要求更高，需要更多的靈活性資源。而其靈活性的建模步驟如下：（1）根據風電功率、負荷預測參數確定當日的機組組合類型，得到機組 i 在 t 時刻啟停狀態為 uit，設模擬次數初值 k = 0。（2）通過歷史功率預測誤差可以設置棄風、切負荷變量來求解以下模型：

3、算例分析?；谀畴娋W風電及負荷的實際情況進行模擬。其中，常規機組的裝機容量為 13600MW、風電裝機容量為 6800MW、負荷峰值為 12466MW，收斂誤差值 ε = 0.01，本設計方案來對比風電不確定性與負荷不確定性對靈活性指標的影響。其中，方案 1 中系統不接 入 風 電 場，假 設 負 荷 預 測 誤 差 5%，標 準 差 為285MW，最低的備用容量為 15%。方案 2 中系統接入23.5% 的風電場，忽略負荷預測誤差，設其標準差為285MW，誤差預測百分比為 17.4%，同時設最低備用容量為 15%。

從表可以看出，方案 1 中靈活性充足，而方案2 中靈活性不足的概率并不完全等于 0，并且還需要57.8MW 的上調靈活容量。故而，風電接入系統中需要更多的考慮影響靈活性的因素如風功率預測誤差，并作出應對措施。除此之外，備用容量的不同對靈活性指標亦有影響。假設風電接入比例為 30%，計算備用容量分別為15%，20%，25%，30% 時靈活性指標可知，提高系統備用容量對提高上調靈活性有明顯作用，對下調靈活性作用不明顯。備用容量上升到 30% 時，下調靈活性仍然不足，故只采用提高備用容量無法徹底解決靈活性不足問題。

結論

介紹了電力系統運行靈活性特征，并建立了運行靈活性的模型，提出了電力系統運行靈活性的評估方法。隨著電力系統的發展及可再生能源的大規模入網，電力系統運行靈活性的研究顯得越發重?？稍偕茉吹拇笠幠Ｈ刖W降低了電力系統運行的成本，保護了環境，但同時對運行靈活性的要求也借此提升，需要更多的關注及研究保證靈活性資源充足。負荷不確定性與風電不確定性還是有一定的區別，要解決風電不確定性必須更多的考慮影響靈活性的因素如風功率預測誤差。通過算例可知，僅提高備用容量沒有辦法徹底解決靈活性不足問題，要解決此問題還需要更好的方法。

參考文獻：

[1] 張麗英，葉廷路，辛耀中.大規模風電接入電網的相關問題及措施[J].中國電機工程學報，2019，30（25）：1-9.

[2] 遲永寧，劉燕華，王偉勝.風電接入對電力系統的影響[J].電網技術，2017，31（3）：77-81.

（作者單位：內蒙古龍源新能源發展有限公司）