电力系统运行灵活性分析

阳国燕

(广西电网有限责任公司桂林供电局电力调度控制中心，广西 桂林 541002)

电力系统运行灵活性分析

阳国燕

(广西电网有限责任公司桂林供电局电力调度控制中心，广西 桂林 541002)

灵活性是电力系统运行的一个重要特性，对当今电力系统运行起着至关重要的作用，电力系统已可有效地容纳大规模的多元可再生能源(Renewable Energy Sources,RES)。多种可再生能源，尤其是风电和光伏(Photovoltaics,PV)，会导致功率大幅度波动，充足的运行灵活性则是大规模整合电网的必要前提。本文建立了必要的框架，用于对独立电力系统装置及其整体的运行灵活性的量化及评估。电力系统运行灵活性的必要指标包括功率变化率、发电机的功率和储能、负荷和储存设备等。对风电不确定性和负荷不确定性的电力系统以及不同备用容量下的电力系统之间的灵活性彼此进行定量分析和比较。

灵活性；可再生能源；风电不确定性；负荷不确定性

1 引言

在电力系统中，灵活性可以指在快速响应时间内对不同变化和事件的快速反应[1]。本文提出了一种新的方法来分析给定的电力系统运行灵活性。在本文中，可组合不同的运行灵活性，限制网格区的电力系统装置，提供每个时间间隔步长的规划，给予负荷需求和可再生能源(RES)预测信息，以便于在实时情况下的应急。如由风力涡轮机、光伏组件或是波动负荷需求等导致的电力供应中断或预测偏差会导致电力系统产生干扰，而运行灵活性是电力系统中减轻干扰的重要手段。Makarov等人在文献[2]中提出了电力系统运行灵活性的评估指标有容量斜坡率(ρ)、电力系统容量(π)、能量储存容量(C=)和容量持续时间(δ)，并在文献[3]中进行了更深入的讨论。本文简历了必要的框架，用于量化电力系统运行灵活性。文献[4-5]中介绍了使用电源节点建模框架可以完成所有电力系统装置的功能建模。对风电不确定性和负荷不确定性的电力系统以及不同备用容量下的电力系统之间的灵活性彼此进行定量分析和比较。

2 电力系统运行灵活性

运行灵活性是电力系统的一个重要特性，它是电力系统中减轻由风力涡轮机、太阳能组件或是波动负荷需求等导致的电力供应中断或预测偏差所导致的干扰的重要手段。提高可再生能源的可用性可以满足电力系统对运行灵活性的要求。

2.1 提高运行灵活性的必要性

近年来，电力系统调度优化和实时操作已经成为大势所趋，其中包括：

(1)多种可再生能源，如风电和光伏的广泛调度构成了发电重要部分，因为风电和光伏发电具有高度的波动性和随机性。多种可再生能源供电导致了常规机组频繁的调节，若系统没有更高的灵活性则可能会使电网产生不确定的功率失衡和潮流转移现象[6-7]。

(2)新型的电力市场更加关注于其自身的灵活性。例如，频繁地改变发电厂目前以市场为导向的运行安排以及波动性更大(甚至越界)的潮流形式，将导致瞬时功率不平衡，继而造成额定的频率偏差[8]。

(3)智能电网的出现电力系统运行方式产生了改变[9]。利用控制理论的框架体系，智能电网可以被理解为所有可提高观测性和可控性的电力系统结构。即在电网各电压等级，功率在供应侧和需求侧需要更高的灵活性。

总之，这些发展构成了电力系统主要的管理模式。电力系统要在更复杂的环境下运行，需要在每一个时间节点对运行灵活性进行更细致的评估，借此有效减轻系统的干扰。

2.2 运行灵活性的分类

运行灵活性资源可以分为传统能源和可控的大规模可再生能源[1]。其中传统能源包括火电、水电和核电。传统能源装机容量大且稳定性强、可靠性高，在电力系统运行中占大部分。而可再生能源(如风电、光伏、潮汐和太阳能等新型能源)使用成本低，经济性好，但稳定性较差，需要较高的电力系统灵活性，同时需要提高其可控性、可预测性和可观察性。

2.3 运行灵活性的指标

为了便于分析，需要通过适当的灵活性指标对提高运行灵活性的技术进行描述并分类。Makarov等人在文献[2]中提出了一个很有用的方法来评估电力系统所需要的运行灵活性，例如利用高比例的风力发电。以下是运行灵活性的四个指标：

(1)容量斜坡率ρ(MW/min)

(2)电力系统容量π(MW)

(3)能量储存容量ε(MWh)

(4)容量持续时间δ(min)

容量持续时间δ由容量斜坡率ρ和电力系统容量π决定，δ=π/ρ，因此，可以使用相关的指标ρ，π和ε来描述灵活性，也可用其中三个灵活性指标来表示另外一个指标。

3 运行灵活性的建模

电力系统运行灵活性的分析和评估首先需要建立一个框架，该框架允许电力系统在一定程度内偏离预设工作点运行，以便调节功率供应和功率需求的模式。一个单元是否具有有限的存储功能，是否能提供波动功率供应，以及是哪种可控性和可观测性，后者还具有预测性，波动电源和负荷需求的系统运行进程。这些特性的总和便可成为电力系统单元的运行稳定性。这实际上与现有的电力系统单元里的嵌入式存储容量高度相关。本文建模的目的是使用电源节点模型框架：该框架允许电力系统各单位对具体功能建模，如多元储能单元(如电池，飞轮，抽水蓄能等)、多元发电机组(如传统发电机，风力发电，光伏发电等)、多元负荷需求单元。

故运行灵活性的模型如式(1)所示:

(1)

功率节点的运作可用图1中电能存储单元模型直观描述。

图1 电能存储单元的功率节点模型

4 运行灵活性的评估分析

使用功率节点注记的复杂电力系统交互作用函数表达式能够给出三个与功率相关的运行灵活性度量的直观评估及分析。本节将给出基于Monte-Carlo模拟方法的电力系统运行灵活性的评估模型，及其模拟算法流程。

4.1 常规运行灵活性评估

电力系统运行灵活性分析如图2所示，状态1代表净负荷曲线超越了机组出力上限，表明该系统需要补充上调灵活性资源；状态2代表该系统灵活性资源充足；状态3代表该系统净负荷曲线超过了机组出力下限，表示其下调灵活性资源缺失。

图2 电力系统运行灵活性评估示意图

基于Monte-Carlo算法并加以改进可以得到节点注入功率和潮流数据，并据此建立一个目标函数，目标函数中包括各节点发电的成本、各支路所剩传输能力的成本及网损，再利用遗传算法处理节点注入功率，通过计算得到系统运行灵活性的评估[11]。但随着电力系统大规模接入风电，运行灵活性需要有更好的评估方法。

4.2 可再生能源并网后的运行灵活性评估

大规模的可再生新能源并网是如今大势所趋，相对于常规能源，可再生能源出力随机性较强，可调控力更弱，风电为例，风速的可预测性及其难度都相对于负荷预测高得多。因此，对可再生能源的灵活性要求更高，需要更多的灵活性资源。

而其灵活性的建模步骤如下：

(1)根据风电功率、负荷预测参数确定当日的机组组合类型，得到机组i在t时刻启停状态为ui,t，设模拟次数初值k=0。

(2)通过历史功率预测误差可以设置弃风、切负荷变量来求解以下模型：

(2)

式中，cwind和cload分别为单位弃风量和切负荷电量的损失度；Δuwind,t和Δuload,t分别为t时刻内的弃风量及切负荷量；f(x)为出力x的机组耗煤量。

再设4个中间变量ξmax、ηmax、ξmim、ηmin来记录模拟结果。当[Δuload，t]t×T全为0时，上调备用不足，如式(3)所示计算：

(3)

当[Δuload，t]t×T不全为0时，下调备用不足，如式(4)所示计算：

(4)

(3)令模拟次数做k=k+1的迭代，可如式(5)所示，计算电力系统运行灵活性指标：

(5)

式中，PU为上调灵活性不足概率，EU为上调灵活性不足期望，PD为下调灵活性不足概率，ED为下调灵活性不足期望。

(6)

若收敛于一个误差值ε，则模拟结束，输出灵活性指标，若不满足则从步骤(2)开始继续计算。

4.3 算例分析

基于我国南方某电网风电及负荷的实际情况进行模拟。其中，常规机组的装机容量为13600MW、风电装机容量为6800MW、负荷峰值为12466MW，收敛误差值ε=0.01，常规机组煤耗如表X所示。

本节设计了两个方案来对比风电不确定性与负荷不确定性对灵活性指标的影响。其中，方案1中系统不接入风电场，假设负荷预测误差5%，标准差为285MW，最低的备用容量为15%。方案2中系统接入23.5%的风电场，忽略负荷预测误差，设其标准差为285MW，误差预测百分比为17.4%，同时设最低备用容量为15%。

表1 典型常规燃煤发电机组供电煤耗参考值

方案1和方案2的对比如表2所示。

表2 负荷和风电不确定性对灵活性指标的影响

从表2中可以看出，方案1中灵活性充足，而方案2中灵活性不足的概率并不完全等于0，并且还需要57.8MW的上调灵活容量。故而，风电接入系统中需要更多的考虑影响灵活性的因素如风功率预测误差，并作出应对措施。

除此之外，备用容量的不同对灵活性指标亦有影响。假设风电接入比例为30%，计算备用容量分别为15%，20%，25%，30%时灵活性指标，如表3所示。

表3 不同备用比例下的灵活性指标

表3中可知，提高系统备用容量对提高上调灵活性有明显作用，对下调灵活性作用不明显。备用容量上升到30%时，下调灵活性仍然不足，故只采用提高备用容量无法彻底解决灵活性不足问题。

5 结论

本文介绍了电力系统运行灵活性的分类和特征，阐述了提高灵活性的重要性，并建立了运行灵活性的模型，提出了电力系统运行灵活性的评估方法。

随着电力系统的发展及可再生能源的大规模入网，电力系统运行灵活性的研究显得越发重。有以下几点结论：

(1)可再生能源的大规模入网降低了电力系统运行的成本，保护了环境，但同时对运行灵活性的要求也借此提升，需要更多的关注及研究保证灵活性资源充足。

(2)灵活性资源不足的根本原因是可调用容量不足，要保证灵活性资源的充足就必须留有足够的可调用容量。

(3)负荷不确定性与风电不确定性还是有一定的区别，要解决风电不确定性必须更多的考虑影响灵活性的因素如风功率预测误差。

(4)通过算例可知，仅提高备用容量没有办法彻底解决灵活性不足问题，要解决此问题还需要更好的方法。

[1] 肖定垚,王承民,曾平良,等.电力系统灵活性及其评价综述[J].电网技术,2014,38(6):1569-1576.

[2] Makarov Y,Loutan C,Ma J,de Mello P.Operational impacts of wind generation on california power systems.IEEE Trans Power Syst,2009,24(2):1039-50.

[3] Ulbig A,Andersson G.On operational flexibility in power systems.In:IEEE PES general meeting,San Diego,USA,2012.

[4] Heussen K,Koch S,Ulbig A,Andersson G.Energy storage in power system operation:the power nodes modeling framework.In:IEEE PES conference on innovative smart grid technologies(ISGT)Europe,Gothenburg,2010.

[5] Heussen K,Koch S,Ulbig A,Andersson G.Unified system-level modeling of intermittent renewable energy sources and energy storage for power system operation.IEEE Syst J,2012,6(1):140-51.

[6] Gül T,Stenzel T.Variability of wind power and other renewables-management options and strategies.IEA,2005.

[7] Jones LE,editor.Renewable energy integration-practical management of variability,uncertainty,and flexibility in power grids.Academic Press(Elsevier),2014.

[8] Weissbach T,Welfonder E.Improvement of the performance of scheduled stepwise power programme changes within the European power system.In:17th IFAC world congress,the international federation of automatic control(IFAC),Seoul,Korea,2008.

[9] US Deptartment of Energy.Smartgrid.gov;2014..

[10] Ulbig A,Andersson G.Analyzing operational flexibility of electric power systems[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems,2015,72:155-164.

[11] 李海波,鲁宗相,乔颖,等.大规模风电并网的电力系统运行灵活性评估[J].电网技术,2015,39(6):1672-1678.

Analysis of Electric Power System Operation

YANGGuo-yan

(Electric Power Dispatch and Control Center of Guilin Power Grid Corporation,Guilin 541002,China)

Flexibility is an significant characteristic of power system operation,it plays a vital role in the operation of the power system.The power system has been effective to accommodate large-scale diverse renewable energy(Renewable Energy Sources,RES).A variety of renewable energy,particularly wind power and photovoltaic(PV),will lead to power fluctuations,adequate operational flexibility is a necessary prerequisite for large-scale integration of the grid.This article established the necessary framework for independent system device and its overall operational flexibility and quantitative assessment of electricity.Power system operational flexibility necessary indicators include power ramp-rate,power and energy capability of generators,loads and storage devices.The flexibility of the power system and the load uncertainty and the uncertainty of the wind power are analyzed and compared with each other,also compared the different reserve capacity of the power system.

Flexibility;Renewable Energy Sources;the uncertainty of the wind power;the load uncertainty

1004-289X(2016)03-0033-05

TM71

B

2015-09-14

阳国燕(1981-)，女，广西桂林人，工程师，工程硕士，从事地区电网电力调度运行及继电保护整定计算管理，主要研究方向为电网运行风险管控及运行方式优化。