計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)控制的風(fēng)電機(jī)組潛在電力風(fēng)險(xiǎn)分析

計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)控制的風(fēng)電機(jī)組潛在電力風(fēng)險(xiǎn)分析

0atc的風(fēng)險(xiǎn)管理隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求越來(lái)越高，屋頂發(fā)電逐漸受到重視。中國(guó)風(fēng)能資源比較豐富,近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電得到快速發(fā)展,越來(lái)越多的大型風(fēng)電場(chǎng)將直接接入220kV及以上電壓等級(jí)的電力系統(tǒng),與之相關(guān)的研究工作也逐步受到重視?？捎幂旊娙萘?availabletransfercapability,ATC)是反映電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)。風(fēng)電機(jī)組出力具有隨機(jī)性、間歇性和相當(dāng)程度的不可控性。大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后,將對(duì)系統(tǒng)ATC產(chǎn)生明顯影響。因此,如何合理考慮風(fēng)電機(jī)組出力不確定性所產(chǎn)生的影響,是ATC決策需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。ATC決策本質(zhì)上是在滿足各種系統(tǒng)運(yùn)行約束的前提下,尋求能夠最大化利用發(fā)電和輸電資源的系統(tǒng)運(yùn)行方案的過(guò)程。在這一過(guò)程中,必須保證電力系統(tǒng)在不確定環(huán)境下所面臨的風(fēng)險(xiǎn)在可接受的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)上,一般在求得的最大輸電容量基礎(chǔ)上扣除一定百分比,或在計(jì)算最大輸電容量時(shí)直接將網(wǎng)絡(luò)元件的額定值降低一定比率等確定性原則來(lái)近似確定ATC。隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入,系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性因素增多,ATC決策面臨的風(fēng)險(xiǎn)也更為復(fù)雜。主要有2種方式定義風(fēng)險(xiǎn):①不期望狀態(tài)出現(xiàn)的不確定性,即在一定條件下發(fā)生行為主體遭受損失狀態(tài)的可能性。該定義主要強(qiáng)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生的可能性,而該意義上的風(fēng)險(xiǎn)控制主要是以規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)或?qū)L(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生的可能性控制在可接受范圍內(nèi)。②由于各種可能結(jié)果發(fā)生的不確定性而導(dǎo)致行為主體遭受損失的量和損失發(fā)生的可能性程度。這主要強(qiáng)調(diào)損失大小的不確定性,而該意義上的風(fēng)險(xiǎn)控制主要是將損失控制在可接受的范圍內(nèi)。考慮到電力系統(tǒng)事件發(fā)生的代價(jià)往往很難準(zhǔn)確量化,且在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)安全準(zhǔn)則中仍是以邊界約束為主。因此,本文采用了上述第1種風(fēng)險(xiǎn)定義。運(yùn)行人員在ATC決策時(shí)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)可描述為:1)系統(tǒng)運(yùn)行違反安全約束的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)電機(jī)組出力的不確定性會(huì)造成系統(tǒng)潮流的波動(dòng),有可能導(dǎo)致違背系統(tǒng)運(yùn)行安全限值。文獻(xiàn)采用蒙特卡洛仿真(MCS)得到了ATC的概率指標(biāo),以反映風(fēng)電機(jī)組出力等不確定性因素對(duì)ATC的影響。MCS能計(jì)及多種隨機(jī)因素,方法簡(jiǎn)單,但若要滿足一定的精度則需要進(jìn)行大量抽樣和重復(fù)運(yùn)算。2)系統(tǒng)購(gòu)電成本越限的風(fēng)險(xiǎn)。如果風(fēng)電機(jī)組出力無(wú)法達(dá)到預(yù)期發(fā)電出力水平,那么為了維持既定的ATC水平,調(diào)度機(jī)構(gòu)就需要購(gòu)買(mǎi)額外的備用,這將導(dǎo)致購(gòu)電成本增加。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量所占比例的逐步增大,其對(duì)購(gòu)電成本的影響也會(huì)越來(lái)越明顯。因此,在ATC決策中就需要考慮由于風(fēng)電出力不確定而引起的發(fā)電成本波動(dòng),避免由于ATC估計(jì)過(guò)高而導(dǎo)致過(guò)高的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。在上述背景下,以文獻(xiàn)中的研究工作為基礎(chǔ),本文首先引入了以控制風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性為目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略。然后,通過(guò)聯(lián)合采用半不變量和Gram-Charlier級(jí)數(shù)展開(kāi)理論得到了含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流和購(gòu)電成本的概率分布。最后,用IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)所發(fā)展的模型和方法進(jìn)行了測(cè)試,驗(yàn)證了發(fā)展的模型、方法的可行性和有效性。1風(fēng)險(xiǎn)控制在決策中1.1引入概率約束前已述及,在不確定環(huán)境下電力系統(tǒng)存在潮流越限和購(gòu)電成本越限的風(fēng)險(xiǎn)。為了將這2個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性限制在可接受范圍內(nèi),這里在ATC決策中通過(guò)引入概率約束來(lái)控制風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。不同的概率約束表示在ATC決策中對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)成分的控制策略和程度。大量風(fēng)電機(jī)組接入系統(tǒng)后,由于其出力具有明顯的間歇性和波動(dòng)性,會(huì)造成節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流的波動(dòng),甚至超出允許的安全范圍。這樣,就需要將這種安全風(fēng)險(xiǎn)限制在一定的范圍內(nèi)。1基于[l東南角]的雙潮流事件的成立概率支路l的實(shí)際潮流Pl不越限的概率rl可以描述為:rl=Pr{|Ρl|≤ˉΡl}(1)式中:ˉΡl為支路l潮流的上限值;Pr{·}為{·}中事件成立的概率。對(duì)支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)的控制策略為其越限概率小于給定的允許概率值:rl≥αl(2)式中:αl為給定的可接受的支路l潮流不越限概率的下限值。2節(jié)點(diǎn)電壓幅值節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際電壓幅值不越限概率rn可以描述為:rn=Pr{Vminn≤Vn≤Vmaxn}(3)式中:Vmaxn和Vminn分別為節(jié)點(diǎn)n電壓幅值的上、下限。對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓幅值越限風(fēng)險(xiǎn)的控制策略為其越限概率小于給定的允許概率值:rn≥αn(4)式中:αn為給定的可接受的節(jié)點(diǎn)n電壓幅值不越限概率的下限值。1.2atc決策問(wèn)題的約束風(fēng)電機(jī)組出力具有間歇性和波動(dòng)性,當(dāng)風(fēng)電機(jī)組無(wú)法提供預(yù)期的發(fā)電出力時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行人員需要購(gòu)買(mǎi)額外的備用以維持ATC水平,導(dǎo)致購(gòu)電成本增加。購(gòu)電成本Ftotal可表示為:Ftotal={ΝG∑i=1cG,iΡG,i+ΝW∑j=1cW,jΡW,jΝW∑j=1ΡW,j≥ΡeΝG∑i=1cG,iΡG,i+ΝW∑j=1cW,jΡW,j+ΝL∑k=1cu,k(Ρe,k-ΡC,k)ΝW∑j=1ΡW,j<Ρe(5)式中:Pe為ATC決策方案中所有風(fēng)電機(jī)組期望出力的總和;NG和NW分別為系統(tǒng)中傳統(tǒng)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)數(shù);PG,i和PW,j分別為第i臺(tái)傳統(tǒng)機(jī)組和第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際出力;NL為系統(tǒng)中無(wú)法達(dá)到期望出力的風(fēng)力發(fā)電單元的數(shù)目,每個(gè)單元可以為單臺(tái)或數(shù)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,也可以為一個(gè)風(fēng)電場(chǎng);cu,k為風(fēng)力發(fā)電單元k的單位功率高估懲罰費(fèi)用或購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)備用的單位價(jià)格;Pe,k和PC,k分別為風(fēng)力發(fā)電單元的期望出力和實(shí)際出力;cG,i和cW,j分別為第i臺(tái)傳統(tǒng)機(jī)組和第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)。如前所述,本文中引入以控制風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性為目的的風(fēng)險(xiǎn)控制策略作為ATC決策問(wèn)題的約束。這樣,系統(tǒng)購(gòu)電成本不越限概率γf可描述為:γf=Pr{Ftotal≤ˉF}(6)式中:ˉF為可接受的購(gòu)電成本上限。購(gòu)電成本越限概率的風(fēng)險(xiǎn)控制策略為其越限概率小于給定的允許概率值:rn≥αf(7)式中:αf為給定的可接受的購(gòu)電成本不越限概率的下限值。2atc決策的約束和約束這里采用多目標(biāo)規(guī)劃對(duì)多個(gè)區(qū)域間的輸電容量進(jìn)行協(xié)調(diào)決策。目標(biāo)函數(shù)可表示為:max[f1(X),f2(X),…,fq(X),…,fm(X)](8)式中:m為參與ATC決策的給定發(fā)電/受電組合數(shù)目;fq(X)為第q個(gè)發(fā)電/受電組合對(duì)應(yīng)的區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線傳輸功率之和;X為決策向量。ATC決策中的約束條件包括潮流約束和發(fā)電機(jī)出力上下限約束等。在決策模型中引入風(fēng)險(xiǎn)控制策略,將給定的支路潮流不越限下限值αl、節(jié)點(diǎn)電壓幅值不越限下限值αn和購(gòu)電成本不越限概率下限值αf作為約束條件,如式(2)、式(4)和式(7)所示,則ATC決策最終可描述為機(jī)會(huì)約束規(guī)劃問(wèn)題。3通用子問(wèn)題求解引入風(fēng)險(xiǎn)控制后,ATC決策模型中就包含了概率約束,這樣就成了機(jī)會(huì)約束規(guī)劃問(wèn)題。求解這類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)概率約束的處理。傳統(tǒng)方法是將其轉(zhuǎn)化為一系列確定性等效類(lèi)子問(wèn)題求解,但該方法對(duì)問(wèn)題的模型結(jié)構(gòu)和決策變量類(lèi)型有嚴(yán)格限制。通用的方法是直接計(jì)算待檢驗(yàn)變量的概率分布,進(jìn)而確定機(jī)會(huì)約束是否成立。這里采用聯(lián)合半不變量法和Gram-Charlier級(jí)數(shù)來(lái)確定待檢驗(yàn)隨機(jī)變量的分布。半不變量法將求取概率密度函數(shù)的卷積計(jì)算簡(jiǎn)化為半不變量的代數(shù)運(yùn)算,這樣可以大大減小計(jì)算量。然后,根據(jù)Gram-Charlier級(jí)數(shù)展開(kāi)理論,利用已求得的半不變量經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單線性計(jì)算就可以得到待檢驗(yàn)變量(本文中為支路潮流、節(jié)點(diǎn)電壓和購(gòu)電成本)的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)。3.1風(fēng)力機(jī)組出力與風(fēng)速的關(guān)系對(duì)風(fēng)速的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,絕大多數(shù)地區(qū)的年平均風(fēng)速符合Weibull分布。這樣,風(fēng)速v的概率密度函數(shù)fv(v)和概率分布函數(shù)Fv(v)可分別描述為:fv(v)=sc(vc)s-1exp(-(vc)s)(9)Fv(v)=1-exp(-(vc)s)(10)式中:s為形狀系數(shù);c為尺度參數(shù)。通過(guò)風(fēng)電機(jī)組出力與風(fēng)速間的關(guān)系,可導(dǎo)出風(fēng)電機(jī)組出力的概率分布函數(shù)fw:fw(Ρw)={Fv(vci)+1-Fv(vco)Ρw=0,0≤v≤vci,v≥vcoF(v)-F(vci)0<Ρw<Ρr,vci<v<vrFv(vco)-Fv(vr)Ρw=Ρr,vr<v<vco(11)式中:Pw為風(fēng)電機(jī)組實(shí)際出力;Pr為風(fēng)電機(jī)組額定有功功率;vci,vr,vco分別為風(fēng)力機(jī)的切入、額定和切出風(fēng)速。這里采用文獻(xiàn)中介紹的離散化方法求解風(fēng)電機(jī)組有功和無(wú)功出力的各階半不變量。3.2節(jié)點(diǎn)電壓和支段電壓的靈敏度矩陣將節(jié)點(diǎn)潮流方程和支路潮流方程在基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)處線性化可得:{ΔX=J0-1ΔYΔΖ=G0ΔX=G0J0-1ΔY=Τ0ΔY(12)式中:J0為收斂點(diǎn)處的雅可比矩陣;G0為支路潮流對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角的靈敏度矩陣;T0為支路潮流對(duì)節(jié)點(diǎn)注入功率的靈敏度矩陣;ΔY為節(jié)點(diǎn)注入功率的擾動(dòng),這里用以表示風(fēng)電機(jī)組出力的波動(dòng);ΔX和ΔZ分別為節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流對(duì)ΔY的響應(yīng)。當(dāng)已知ΔY的各階半不變量時(shí),根據(jù)半不變量的性質(zhì),通過(guò)式(11)可直接求得ΔX和ΔZ的相應(yīng)階半不變量。最后,通過(guò)Gram-Charlier級(jí)數(shù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流的分布,進(jìn)而對(duì)式(2)和式(4)所表示的約束條件進(jìn)行檢驗(yàn)。3.3風(fēng)電機(jī)組出力模型約束條件(式(7))可表達(dá)為:Ρr{∑j=1ΝWΡW,j<Ρe＆((∑k=1ΝLcu,k(Ρe,k-ΡC,k)+∑i=1ΝGcG,iΡG,i+∑j=1ΝWcW,jΡW,j)<Fˉ)}+Ρr{∑j=1ΝWΡW,j≥Ρe＆(∑i=1ΝGcG,iΡG,i+∑j=1ΝWcW,jΡW,j≤Fˉ)}≥αf(13)各待檢驗(yàn)分變量(即式(13)中各事件的成立概率)均為風(fēng)電機(jī)組出力的線性函數(shù)。同樣,可根據(jù)半不變量的性質(zhì)及Gram-Charlier級(jí)數(shù)計(jì)算得到γf,進(jìn)而對(duì)式(7)所表示的約束條件進(jìn)行檢驗(yàn)。3.4該算法采用多目標(biāo)進(jìn)化差異算法對(duì)所發(fā)展的優(yōu)化模型進(jìn)行求解,具體見(jiàn)文獻(xiàn)。4風(fēng)電接入系統(tǒng)atc的場(chǎng)景分析采用IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,并把該系統(tǒng)分為區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C這3個(gè)子系統(tǒng)。在節(jié)點(diǎn)40,59,69處分別接有額定容量為240MW,600MW和180MW的風(fēng)電場(chǎng)。為論述方便,假設(shè)各風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組額定功率均為3MW,參數(shù)相同?；赩isualStudio2005平臺(tái)編寫(xiě)計(jì)算程序,采用CPU為IntelCore2Duo、內(nèi)存為1GB的計(jì)算機(jī)求解。為了說(shuō)明風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)ATC的影響,分以下3種場(chǎng)景進(jìn)行分析。1)場(chǎng)景1:不考慮風(fēng)電機(jī)組出力的不確定性。2)場(chǎng)景2:考慮風(fēng)電機(jī)組出力不確定性引起的安全風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)為支路潮流不過(guò)載和節(jié)點(diǎn)電壓不越限的概率不低于0.85。3)場(chǎng)景3:考慮風(fēng)電機(jī)組出力不確定性所引起的安全和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。安全風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)為支路潮流不過(guò)載和節(jié)點(diǎn)電壓不越限的概率不低于0.85;經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)為購(gòu)電成本不越限的概率為0.85。這里,購(gòu)電成本上限值采用了不考慮風(fēng)電機(jī)組出力不確定性時(shí)購(gòu)電成本的1.2倍。為了說(shuō)明各種風(fēng)險(xiǎn)控制策略對(duì)系統(tǒng)ATC的影響,以“區(qū)域B至A的ATC與區(qū)域B至C的ATC總和最大”的決策原則從各個(gè)場(chǎng)景下獲得Pareto前沿并從中挑選出ATC的最終決策方案,詳細(xì)情況如表1所示。4.1潮流不越限允許的概率下限如表1所示,當(dāng)計(jì)及風(fēng)電機(jī)組接入所引起的系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)后,區(qū)域B至A與區(qū)域B至C的ATC總和下降了14.37%。為進(jìn)一步說(shuō)明安全風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)含風(fēng)電的電力系統(tǒng)ATC的影響,分以下3種情況進(jìn)行仿真計(jì)算。1)情況1:僅考慮接入節(jié)點(diǎn)59的風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性所導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn),潮流不越限允許的概率下限分別取為0.80,0.85和0.90。2)情況2:考慮接入節(jié)點(diǎn)40和節(jié)點(diǎn)59的風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性所導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn),潮流不越限允許的概率下限分別取為0.80,0.85和0.90。3)情況3:同時(shí)考慮以上3座風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性所導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn),潮流不越限允許的概率下限分別取為0.80,0.85和0.90。3種情況下得到的仿真結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,潮流不越限允許的概率下限給定得越高,系統(tǒng)ATC就越小。實(shí)際上,概率下限反映了系統(tǒng)運(yùn)行人員對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的接受能力,給定的概率下限越大,對(duì)系統(tǒng)的可靠性越重視,對(duì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)越厭惡。因此,要求保留的輸電可靠性裕度越大,ATC越小。同時(shí),由圖1還可以看出,在系統(tǒng)總裝機(jī)容量不變的情況下,風(fēng)電裝機(jī)容量所占比例越高,由此導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)就越突出。因此,在相同的安全風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)下,系統(tǒng)ATC也就越小。這就從另一個(gè)角度說(shuō)明必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況確定合理的風(fēng)電容量接入上限,避免由于接入過(guò)量的風(fēng)電引起ATC水平惡化,進(jìn)而導(dǎo)致較大的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。4.2基于模型的仿真如表1所示,當(dāng)同時(shí)考慮風(fēng)電機(jī)組接入所引起的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)后,系統(tǒng)ATC下降了23.7%。為進(jìn)一步說(shuō)明經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)含風(fēng)電的電力系統(tǒng)ATC的影響,分以下3種情況進(jìn)行仿真計(jì)算。1)給定高估懲罰系數(shù)為145美元/MW,購(gòu)電成本不越限允許的概率下限分別取為0.80,0.85和0.90。2)給定高估懲罰系數(shù)為150美元/MW,購(gòu)電成本不越限允許的概率下限分別取為0.80,0.85和0.90。3)給定高估懲罰系數(shù)為155美元/MW,購(gòu)電成本不越限允許的概率下限分別取為0.80,0.85和0.90。3種情況下得到的仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,購(gòu)電成本不越限允許的概率下限越大,系統(tǒng)ATC越小。由于風(fēng)電出力的不確定性,購(gòu)電成本也就具有一定程度的不確定性。為避免由于ATC估計(jì)過(guò)高而引起的附加經(jīng)濟(jì)代價(jià),需要對(duì)購(gòu)電成本實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)控制。同時(shí),由圖2還可以看出,高估懲罰系數(shù)的取值越大,系統(tǒng)ATC越小。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出力不足(即無(wú)法滿足在計(jì)算ATC水平時(shí)所假定的風(fēng)電機(jī)組出力)時(shí),調(diào)度機(jī)構(gòu)獲得其他備用所需付出的代價(jià)就越大,相應(yīng)地,所需承受的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)也就越大。為了規(guī)避由此引起的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn),在確定ATC時(shí)就要留有