電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念與效益評估獲獎科研報告

電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念與效益評估獲獎科研報告摘

要：目前國內(nèi)外學(xué)者對于電力系統(tǒng)線路故障短時增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整均有一些研究，但并未全面分析線路故障短時增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整所帶來的輸電運(yùn)行彈性空間，評估對電網(wǎng)產(chǎn)生的效益，且對于聯(lián)絡(luò)線調(diào)整建模較為粗略，未考慮外部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行約束對聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的限制作用。鑒于此，文章重點(diǎn)就電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念與效益評估進(jìn)行研究，以供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);輸電運(yùn)行;彈性空間;基本概念;效益評估

引言

由于電網(wǎng)負(fù)荷的增長以及新能源滲透率的不斷攀升，電網(wǎng)安全運(yùn)行的可行域逐漸縮小，電網(wǎng)運(yùn)行逼近極限。電力系統(tǒng)的新變化和新形態(tài)為電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)，已有眾多學(xué)者開展了考慮不確定性的電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方法等關(guān)鍵問題的相關(guān)研究，在電網(wǎng)運(yùn)行安全域內(nèi)提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。然而若要從根本上解決負(fù)荷增長和電網(wǎng)注入不確定性增加情況下的電力系統(tǒng)安全運(yùn)行難題，需要擴(kuò)展電網(wǎng)的運(yùn)行邊界，擴(kuò)大電網(wǎng)運(yùn)行安全域。

1電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念

1.1線路故障短時增容彈性模型

電網(wǎng)的安全運(yùn)行不僅需要滿足正常狀態(tài)下的潮流約束，而且需要滿足N-1故障狀態(tài)下線路潮流不越限，N-1安全約束分為預(yù)防性控制和校正性控制兩種，其區(qū)別在于預(yù)防性控制要求在線路N-1故障狀態(tài)下，機(jī)組出力無需調(diào)整也可保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，而校正性控制允許故障狀態(tài)下通過機(jī)組出力的調(diào)整消除越限。若要求電網(wǎng)在所有N-1場景下均不能產(chǎn)生線路潮流越限，就大大縮小了電網(wǎng)的運(yùn)行安全域。事實(shí)上，由于線路過載和電流越限引起的熱量積累存在一個時間過程，電網(wǎng)通常能夠承受短時間的潮流越限，例如新英格蘭電網(wǎng)將線路潮流傳輸容量分為三檔，即故障狀態(tài)長時間容量（冬季4h、夏季12h容量限值），故障狀態(tài)短時間容量（故障后15min容量限值），以及故障容量極限（故障后5min容量限值），本文將線路故障狀態(tài)下短時間傳輸容量的增加稱為線路故障短時增容。目前電網(wǎng)采用的預(yù)防性控制方式中，其描述的可行域是線路故障短時增容的輸電約束所描述可行域的一個子集，因此線路故障短時增容有效地利用了線路故障時電流熱效應(yīng)積累的時間過程，拓展了輸電環(huán)節(jié)的運(yùn)行彈性空間。

1.2聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性模型

目前我國電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率由上級調(diào)度機(jī)構(gòu)制定，下發(fā)至各區(qū)域調(diào)度機(jī)構(gòu)，在一段時間內(nèi)保持不變，不能根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況動態(tài)調(diào)整。該模式便于實(shí)現(xiàn)分省電力電量平衡，但沒有充分利用聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行彈性空間擴(kuò)大電網(wǎng)的運(yùn)行安全域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域之間電力資源的協(xié)調(diào)互濟(jì)。結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況，本文提出聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性模型，其中需要考慮以下三個方面的約束：第一，外網(wǎng)運(yùn)行等值約束，即為滿足互聯(lián)外網(wǎng)運(yùn)行約束，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率不能越過外網(wǎng)等值的可用容量（互聯(lián)外網(wǎng)可提供給聯(lián)絡(luò)線傳輸最大功率）;第二，階梯化約束。出于電網(wǎng)可靠性以及調(diào)度便捷考慮，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率應(yīng)滿足階梯化約束;第三，日交換電量約束，即為滿足跨區(qū)電量交易計(jì)劃，日交換電量需保持不變。

2電力系統(tǒng)輸電運(yùn)行彈性空間的效益評估

為了研究輸電運(yùn)行彈性空間對N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，這里采用以下4種調(diào)度策略進(jìn)行分析。M1：常規(guī)N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案，不考慮線路故障短時增容和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性;M2：僅考慮線路故障短時增容彈性的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案;M3：僅考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案;M4：同時考慮線路故障短時增容和聯(lián)絡(luò)線傳輸容量兩方面輸電運(yùn)行彈性空間的N-1安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

2.1輸電運(yùn)行彈性空間分析

2.1.1線路故障短時增容彈性分析

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，考慮線路故障短時增容的調(diào)度策略M2相較于常規(guī)調(diào)度策略M1，機(jī)組4出力總量有所提高，而機(jī)組5出力總量降低。這是由于在常規(guī)調(diào)度策略M1下，線路3-4，4-6，12-13阻塞嚴(yán)重，限制了機(jī)組出力可行域，考慮線路故障短時增容彈性后，發(fā)生N-1故障時，短時間內(nèi)放寬線路的傳輸容量約束，緩解了線路阻塞對機(jī)組出力的限制，擴(kuò)大了機(jī)組出力可行域，最終使得發(fā)電成本最低的機(jī)組4總出力增大，發(fā)電成本最高的機(jī)組5總出力降低。

2.1.2聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性分析

在白天07：00到夜晚21：00時段，外網(wǎng)在其運(yùn)行約束下可提供的傳輸容量低于熱極限傳輸容量，如果按熱極限傳輸容量約束進(jìn)行調(diào)整，不考慮外網(wǎng)運(yùn)行約束對聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的限制，可能導(dǎo)致安全性問題。本文提出的聯(lián)絡(luò)線外網(wǎng)運(yùn)行等值約束可以精準(zhǔn)刻畫聯(lián)絡(luò)線的“真實(shí)”彈性空間，保證了聯(lián)絡(luò)線在電網(wǎng)安全的前提下調(diào)整。M1和M2不考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率固定，而考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整的調(diào)度策略M3和M4，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率在可傳輸容量約束下發(fā)生了調(diào)整。在夜晚21：00到白天07：00，由于風(fēng)力充足，風(fēng)電機(jī)組可發(fā)電量較多，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率下調(diào)以接納更多的風(fēng)電，而在白天07：00到夜晚21：00時段，風(fēng)力不足，風(fēng)電機(jī)組可發(fā)電量較少，成本較便宜的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上調(diào)來滿足負(fù)荷要求。由此可見，聯(lián)絡(luò)線靈活調(diào)整有效提高了各機(jī)組的調(diào)整能力，擴(kuò)大了電網(wǎng)運(yùn)行可行域。

2.2效益分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)調(diào)度策略M1的棄風(fēng)比例為13.9%，而考慮輸電運(yùn)行彈性空間的調(diào)度策略M2至M4棄風(fēng)比例分別為9.2%、11.0%和6.1%。其原因主要體現(xiàn)在以下兩個方面，一方面考慮線路故障短時增容彈性后，提升了線路的傳輸容量，常規(guī)機(jī)組可以下調(diào)出力，從而消納更多的風(fēng)電。另一方面考慮聯(lián)絡(luò)線調(diào)整彈性后，聯(lián)絡(luò)線功率可以下調(diào)，以提高電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力。

結(jié)束語

綜上所述，隨著電網(wǎng)負(fù)荷的增長和新能源的不斷接入，為保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，本文提出輸電運(yùn)行彈性空間的基本概念，建立線路故障短時增容和