計及風(fēng)險控制的風(fēng)電機組潛在電力風(fēng)險分析

計及風(fēng)險控制的風(fēng)電機組潛在電力風(fēng)險分析

0atc的風(fēng)險管理隨著國際社會對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求越來越高，屋頂發(fā)電逐漸受到重視。中國風(fēng)能資源比較豐富,近年來風(fēng)力發(fā)電得到快速發(fā)展,越來越多的大型風(fēng)電場將直接接入220kV及以上電壓等級的電力系統(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)濟運行的重要參數(shù)。風(fēng)電機組出力具有隨機性、間歇性和相當程度的不可控性。大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后,將對系統(tǒng)ATC產(chǎn)生明顯影響。因此,如何合理考慮風(fēng)電機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)鍵問題。ATC決策本質(zhì)上是在滿足各種系統(tǒng)運行約束的前提下,尋求能夠最大化利用發(fā)電和輸電資源的系統(tǒng)運行方案的過程。在這一過程中,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,或在計算最大輸電容量時直接將網(wǎng)絡(luò)元件的額定值降低一定比率等確定性原則來近似確定ATC。隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入,系統(tǒng)運行的不確定性因素增多,ATC決策面臨的風(fēng)險也更為復(fù)雜。主要有2種方式定義風(fēng)險: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。該定義主要強調(diào)風(fēng)險狀態(tài)發(fā)生的可能性,而該意義上的風(fēng)險控制主要是以規(guī)避這些風(fēng)險狀態(tài)或?qū)L(fēng)險狀態(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。這主要強調(diào)損失大小的不確定性,而該意義上的風(fēng)險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)生的代價往往很難準確量化,且在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)安全準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)險定義。運行人員在ATC決策時所面臨的風(fēng)險可描述為:1)系統(tǒng)運行違反安全約束的風(fēng)險。風(fēng)電機組出力的不確定性會造成系統(tǒng)潮流的波動,有可能導(dǎo)致違背系統(tǒng)運行安全限值。文獻采用蒙特卡洛仿真(MCS)得到了ATC的概率指標,以反映風(fēng)電機組出力等不確定性因素對ATC的影響。MCS能計及多種隨機因素,方法簡單,但若要滿足一定的精度則需要進行大量抽樣和重復(fù)運算。2)系統(tǒng)購電成本越限的風(fēng)險。如果風(fēng)電機組出力無法達到預(yù)期發(fā)電出力水平,那么為了維持既定的ATC水平,調(diào)度機構(gòu)就需要購買額外的備用,這將導(dǎo)致購電成本增加。隨著風(fēng)電裝機容量所占比例的逐步增大,其對購電成本的影響也會越來越明顯。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,避免由于ATC估計過高而導(dǎo)致過高的經(jīng)濟風(fēng)險。在上述背景下,以文獻中的研究工作為基礎(chǔ),本文首先引入了以控制風(fēng)險發(fā)生可能性為目標的風(fēng)險控制策略。然后,通過聯(lián)合采用半不變量和Gram-Charlier級數(shù)展開理論得到了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流和購電成本的概率分布。最后,用IEEE118節(jié)點系統(tǒng)對所發(fā)展的模型和方法進行了測試,驗證了發(fā)展的模型、方法的可行性和有效性。1風(fēng)險控制在決策中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)存在潮流越限和購電成本越限的風(fēng)險。為了將這2個方面的風(fēng)險發(fā)生的可能性限制在可接受范圍內(nèi),這里在ATC決策中通過引入概率約束來控制風(fēng)險發(fā)生的可能性。不同的概率約束表示在ATC決策中對不同風(fēng)險成分的控制策略和程度。大量風(fēng)電機組接入系統(tǒng)后,由于其出力具有明顯的間歇性和波動性,會造成節(jié)點電壓和支路潮流的波動,甚至超出允許的安全范圍。這樣,就需要將這種安全風(fēng)險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。對支路潮流越限風(fēng)險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)點電壓幅值節(jié)點n的實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n電壓幅值的上、下限。對節(jié)點電壓幅值越限風(fēng)險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n電壓幅值不越限概率的下限值。1.2atc決策問題的約束風(fēng)電機組出力具有間歇性和波動性,當風(fēng)電機組無法提供預(yù)期的發(fā)電出力時,系統(tǒng)運行人員需要購買額外的備用以維持ATC水平,導(dǎo)致購電成本增加。購電成本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)電機組期望出力的總和;NG和NW分別為系統(tǒng)中傳統(tǒng)機組和風(fēng)電機組的臺數(shù);PG,i和PW,j分別為第i臺傳統(tǒng)機組和第j臺風(fēng)電機組的實際出力;NL為系統(tǒng)中無法達到期望出力的風(fēng)力發(fā)電單元的數(shù)目,每個單元可以為單臺或數(shù)臺風(fēng)電機組,也可以為一個風(fēng)電場;cu,k為風(fēng)力發(fā)電單元k的單位功率高估懲罰費用或購買相應(yīng)備用的單位價格;Pe,k和PC,k分別為風(fēng)力發(fā)電單元的期望出力和實際出力;cG,i和cW,j分別為第i臺傳統(tǒng)機組和第j臺風(fēng)電機組的上網(wǎng)電價。如前所述,本文中引入以控制風(fēng)險發(fā)生可能性為目的的風(fēng)險控制策略作為ATC決策問題的約束。這樣,系統(tǒng)購電成本不越限概率γf可描述為:γf=Pr{Ftotal≤ˉF}(6)式中:ˉF為可接受的購電成本上限。購電成本越限概率的風(fēng)險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規(guī)劃對多個區(qū)域間的輸電容量進行協(xié)調(diào)決策。目標函數(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個發(fā)電/受電組合對應(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)電機出力上下限約束等。在決策模型中引入風(fēng)險控制策略,將給定的支路潮流不越限下限值αl、節(jié)點電壓幅值不越限下限值αn和購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會約束規(guī)劃問題。3通用子問題求解引入風(fēng)險控制后,ATC決策模型中就包含了概率約束,這樣就成了機會約束規(guī)劃問題。求解這類問題的關(guān)鍵在于對概率約束的處理。傳統(tǒng)方法是將其轉(zhuǎn)化為一系列確定性等效類子問題求解,但該方法對問題的模型結(jié)構(gòu)和決策變量類型有嚴格限制。通用的方法是直接計算待檢驗變量的概率分布,進而確定機會約束是否成立。這里采用聯(lián)合半不變量法和Gram-Charlier級數(shù)來確定待檢驗隨機變量的分布。半不變量法將求取概率密度函數(shù)的卷積計算簡化為半不變量的代數(shù)運算,這樣可以大大減小計算量。然后,根據(jù)Gram-Charlier級數(shù)展開理論,利用已求得的半不變量經(jīng)過簡單線性計算就可以得到待檢驗變量(本文中為支路潮流、節(jié)點電壓和購電成本)的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)。3.1風(fēng)力機組出力與風(fēng)速的關(guān)系對風(fēng)速的大量實測數(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)。通過風(fēng)電機組出力與風(fēng)速間的關(guān)系,可導(dǎo)出風(fēng)電機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)電機組實際出力;Pr為風(fēng)電機組額定有功功率;vci,vr,vco分別為風(fēng)力機的切入、額定和切出風(fēng)速。這里采用文獻中介紹的離散化方法求解風(fēng)電機組有功和無功出力的各階半不變量。3.2節(jié)點電壓和支段電壓的靈敏度矩陣將節(jié)點潮流方程和支路潮流方程在基準運行點處線性化可得:{ΔX=J0-1ΔYΔΖ=G0ΔX=G0J0-1ΔY=Τ0ΔY(12)式中:J0為收斂點處的雅可比矩陣;G0為支路潮流對節(jié)點電壓幅值和相角的靈敏度矩陣;T0為支路潮流對節(jié)點注入功率的靈敏度矩陣;ΔY為節(jié)點注入功率的擾動,這里用以表示風(fēng)電機組出力的波動;ΔX和ΔZ分別為節(jié)點電壓和支路潮流對ΔY的響應(yīng)。當已知ΔY的各階半不變量時,根據(jù)半不變量的性質(zhì),通過式(11)可直接求得ΔX和ΔZ的相應(yīng)階半不變量。最后,通過Gram-Charlier級數(shù)計算節(jié)點電壓和支路潮流的分布,進而對式(2)和式(4)所表示的約束條件進行檢驗。3.3風(fēng)電機組出力模型約束條件(式(7))可表達為: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)各待檢驗分變量(即式(13)中各事件的成立概率)均為風(fēng)電機組出力的線性函數(shù)。同樣,可根據(jù)半不變量的性質(zhì)及Gram-Charlier級數(shù)計算得到γf,進而對式(7)所表示的約束條件進行檢驗。3.4該算法采用多目標進化差異算法對所發(fā)展的優(yōu)化模型進行求解,具體見文獻。4風(fēng)電接入系統(tǒng)atc的場景分析采用IEEE118節(jié)點系統(tǒng)進行仿真計算,并把該系統(tǒng)分為區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C這3個子系統(tǒng)。在節(jié)點40,59,69處分別接有額定容量為240MW,600MW和180MW的風(fēng)電場。為論述方便,假設(shè)各風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機組額定功率均為3MW,參數(shù)相同?；赩isualStudio2005平臺編寫計算程序,采用CPU為IntelCore2Duo、內(nèi)存為1GB的計算機求解。為了說明風(fēng)電接入對系統(tǒng)ATC的影響,分以下3種場景進行分析。1)場景1:不考慮風(fēng)電機組出力的不確定性。2)場景2:考慮風(fēng)電機組出力不確定性引起的安全風(fēng)險,風(fēng)險控制目標為支路潮流不過載和節(jié)點電壓不越限的概率不低于0.85。3)場景3:考慮風(fēng)電機組出力不確定性所引起的安全和經(jīng)濟風(fēng)險。安全風(fēng)險控制目標為支路潮流不過載和節(jié)點電壓不越限的概率不低于0.85;經(jīng)濟風(fēng)險控制目標為購電成本不越限的概率為0.85。這里,購電成本上限值采用了不考慮風(fēng)電機組出力不確定性時購電成本的1.2倍。為了說明各種風(fēng)險控制策略對系統(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”的決策原則從各個場景下獲得Pareto前沿并從中挑選出ATC的最終決策方案,詳細情況如表1所示。4.1潮流不越限允許的概率下限如表1所示,當計及風(fēng)電機組接入所引起的系統(tǒng)安全風(fēng)險后,區(qū)域B至A與區(qū)域B至C的ATC總和下降了14.37%。為進一步說明安全風(fēng)險控制對含風(fēng)電的電力系統(tǒng)ATC的影響,分以下3種情況進行仿真計算。1)情況1:僅考慮接入節(jié)點59的風(fēng)電場出力不確定性所導(dǎo)致的安全風(fēng)險,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40和節(jié)點59的風(fēng)電場出力不確定性所導(dǎo)致的安全風(fēng)險,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:同時考慮以上3座風(fēng)電場出力不確定性所導(dǎo)致的安全風(fēng)險,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。實際上,概率下限反映了系統(tǒng)運行人員對安全風(fēng)險的接受能力,給定的概率下限越大,對系統(tǒng)的可靠性越重視,對運行風(fēng)險越厭惡。因此,要求保留的輸電可靠性裕度越大,ATC越小。同時,由圖1還可以看出,在系統(tǒng)總裝機容量不變的情況下,風(fēng)電裝機容量所占比例越高,由此導(dǎo)致的安全風(fēng)險就越突出。因此,在相同的安全風(fēng)險控制目標下,系統(tǒng)ATC也就越小。這就從另一個角度說明必須根據(jù)系統(tǒng)實際情況確定合理的風(fēng)電容量接入上限,避免由于接入過量的風(fēng)電引起ATC水平惡化,進而導(dǎo)致較大的安全運行風(fēng)險。4.2基于模型的仿真如表1所示,當同時考慮風(fēng)電機組接入所引起的安全風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)險后,系統(tǒng)ATC下降了23.7%。為進一步說明經(jīng)濟風(fēng)險控制對含風(fēng)電的電力系統(tǒng)ATC的影響,分以下3種情況進行仿真計算。1)給定高估懲罰系數(shù)為145美元/MW,購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,購電成本也就具有一定程度的不確定性。為避免由于ATC估計過高而引起的附加經(jīng)濟代價,需要對購電成本實施風(fēng)險控制。同時,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。當風(fēng)電機組出力不足(即無法滿足在計算ATC水平時所假定的風(fēng)電機組出力)時,調(diào)度機構(gòu)獲得其他備用所需付出的代價就越大,相應(yīng)地,所需承受的經(jīng)濟風(fēng)險也就越大。為了規(guī)避由此引起的經(jīng)濟風(fēng)險,在確定ATC時就要留有