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摘要：作为提供能源的手段和保护环境的措施，风能的开发利用受到了人们的关注，风力发电得到快速发展，装机容量增长迅速。风电场的大规模建设给电网规划和运行都带来了挑战，由于我国的电网结构相对薄弱，许多建设或规划中的风电场都位于电网薄弱地区或者电网末端，大规模风电接入电网后可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。因此，本文主要分析了大规模风电接入电力系统备用决策方法。
关键词：大规模风电接入；电力系统备用；决策方法
风电作为替代化石燃料发电且具有规模化开发前景的可再生能源发电的代表，其接入系统的规模越来越大。风电具有较强的随机波动性，大规模风电接入大大增加了系统的不确定性。充足有效的备用是电力系统应对各种不确定性因素，实现安全可靠运行的保障。
一、风力发电机组的原理及其特点
分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。下面分别简单介绍这3种风力发电机组的原理及其特点。
1.异步风力发电机。异步风力发电机的主要特点是结构简单，运行可靠，此种发电机为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的机率比较小，因而，发电能力比新型机组低。同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因素的要求，采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化，驱动异步发电机的风机不可能经常在额定风速下运转。
（异步风力发电机的结构如图1所示）
2.双馈异步风力发电机。兆瓦级风力发电机普遍采用双馈异步发电机形式，是目前世界主力机型，该机型称为变速恒频发电系统。由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的系统效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；与电网连接简单，发电机本身不需要另外附加的无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。
3.直驱式风力发电机。从大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可利用率、可靠性，降低风电机组载荷，提高风力机组寿命。该机组采用直接驱动永磁式同步发电机，全部功率经A—D—A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。
二、大规模风电接入电力系统备用决策方法
传统电力系统运营模式下，备用容量的设置是确定性的，主要针对机组停运和负荷波动等因素，常用的标准有 N-1 准则、负荷百分比准则或两者的结合。各所属电厂在确定的运行方式下留有一定备用容量，归系统调度员调度。这种决策方式简单方便，但由于不考虑机组停运、负荷波动等情况发生的概率，容易造成备用容量有时过剩、有时不足的结果，不利于系统经济运行。针对确定性方法的不足归纳了3种常见的概率性备用决策方法，分析各自特点，并对风电的处理方式、备用决策与机组组合的关系等问题进行了梳理与总结。
1.可靠性的方法。备用需求与系统对可靠性的要求密切相关。经典的基于可靠性的备用决策当属早期的 PJM 方法。后来定义了“投运风险度”的概念，将系统的备用决策与可靠性指标关联起来。但可靠性指标与机组运行状态、出力及备用之间并没有显式的函数关系式，因此，无法通过可靠性指标直接求解备用需求。针对这一问题，文献[3]采用分步研究的思路，将给定条件下机组组合与组合确定后的可靠性指标计算结合起来，通过反复迭代实现对备用容量的修正。在特定场景下，建立了每小时失负荷概率与机组停运概率、净负荷概率密度之间的解析表达式。但由于解析式非常复杂，该方法在应用上有一定困难。将含风电的电源停运容量累积概率用高斯函数拟合，得出了备用需求和失负荷概率 LOLP之间的关系式，作为约束引入机组组合。基于可靠性的方法通过人为设定必须满足的可靠性指标，确保系统在运行中始终保持这一可靠性水平。不足是在安全性与经济性之间缺乏协调。
2.基于成本-效益的方法。发电机组担当备用或者系统获取备用容量都需要付出相应的成本，同时，备用容量的存在减少了电力系统失负荷的概率，为系统创造了效益。因此，系统的安全可靠性应该建立在对系统运行与失负荷的成本-效益分析的基础上。基于成本-效益的方法的目标函数通常为最小化社会总成本或最大化社会福利，通过对备用容量成本和经济价值的分析，寻找目标函数最优点，同时也是备用最优点。决策不需要设置必须满足的可靠性水平。此方法在应用中的难点是如何获得消费者的停运成本曲线。另外，备用市场及其与电能主市场之间的交易决策关系对系统备用容量的优化也有一定影响。如何在基于成本-效益的方法中考虑大规模风电的影响?文献[4]采用风电盈余罚函数的方法在短期调度模型中量化风电不确定性的影响，也有在动态经济调度中使用上、下备用约束的，这属于确定性的处理方式。采用了场景树的方法，对每个研究时段的净负荷预测值都定义了 3 种场景，形成了多时段预测场景树。在机会约束规划框架下，以经济运行为目标，以可靠性水平为约束进行备用决策。将风电接入电力系统发电的经济性和旋转备用的可靠性问题作为多目标优化问题进行求解，在一定程度上，兼顾了系统经济性与可靠性。
3.基于风险价值的方法。基于风险价值理论的VaR方法是衡量和管理金融市场风险的重要方法，由于其简便、灵活的特点，被广泛应用到很多学科。在电力工业中的应用多见于发电商的竞价策略、购电优化决策、电网投资风险评估等。文献[1]提出了风险备用 RaR和条件风险备用 CRaR二个可靠性指标，并建立了基于 CRaR的风险偏好型容量组合模型。根据预测误差的置信度水平，将风电预测功率分为可靠出力和不可靠出力，前者参与系统调度，后者需要额外配置备用，采用解析法求解。为了更好地体现备用需求尾部的分布，定义了条件风险备用，并利用其效用函数，建立了含大规模风电的系统备用决策模型，不仅能反映决策者对风险的态度，还能体现预测时间长短对备用需求的影响。
风力发电的特点及其大规模接入增加了电力系统运行的不确定性，备用正是系统为了应对各种不确定性因素而设置的。广义上讲，备用的问题涉及到电力系统的各个环节：发电环节电力电量的平衡、输电环节风电的远距离大容量传输以及用电环节大规模风电的消纳等等，因此，备用的涵义不仅仅局限于超出负荷需求的那部分发电容量，而应拓展为包含一切应对系统不确定性的手段和方法。大规模风电接入电力系统的备用决策是一个涉及安全、经济、技术和管理的多目标协调优化问题，仍需大量的理论方法、技术和政策支持，以服务于大规模新能源发电接入电力系统的可靠、高效、经济运行。
参考文献：
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[5] 向月，刘俊勇，魏震波，刘友波.可再生能源接入下新型可中断负荷发展研究[J]. 电力系统保护与控制. 2012（05）
[6] 尚志娟，周晖，王天华.带有储能装置的风电与水电互补系统的研究[J]. 电力系统保护与控制. 2012（02）
论文作者:简逊
论文发表刊物:《电力设备》2015年8期供稿
论文发表时间:2016/3/10
标签：风电论文; 可靠性论文; 电力系统论文; 方法论文; 机组论文; 系统论文; 负荷论文; 《电力设备》2015年8期供稿论文;