高比例风电并网电力系统运行风险评估和应对措施分析

翟阿瑞

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原 030001）

0 引言

随着全球气候不断变暖，低碳转型对保护自然环境与人类身体健康具有越来越重要的现实意义。在此背景下，光伏、风力等可再生清洁能源受到了重点关注，但这类新能源具有一定的随机性与间断性，并网时给电力系统的安全稳定运行带来了严重影响，且随着风电机组装机容量的不断增加，电力系统运行风险加大，甚至会引发电力故障，所以风电并网电力系统运行风险评估显得愈发重要。文献[1]利用风险价值理论制定了具有递进关系的三层电力系统风险评估指标，有效评估了风电功率波动给电力系统整体运行带来的风险；文献[2]基于潮流追踪理论实现了电力系统运行风险的快速评估，且具有较高准确性。风能资源不仅具有储量丰富、可再生等优势，而且在风力发电过程中不会给环境带来二次污染，所以本文针对高比例风电并网电力系统的运行风险评估和应对措施做了进一步研究，希望有助于推动我国智能电网的健康发展。

1 获取高比例风电并网电力系统运行风险评估指标

对于高比例风电并网的电力系统，因风电出力的波动性易发生运行故障，所以本文在评估系统运行风险时，主要从电力系统的静态与动态风险这两个角度出发获取评估指标[3]。

关于高比例风电并网电力系统的静态运行风险，一是系统的节点电压越限指标，其表达式如下：

式中：F1为高比例风电并网电力系统节点电压越限风险值；P1（Vi）为电力系统节点i发生电压越限的概率，其中Vi为系统节点i的电压幅值；U（Vi）为电力系统节点i发生电压越限时的电压大小；I为高比例风电并网电力系统节点集合。

二是系统的支路潮流越限指标，其表达式如下：

式中：F2为高比例风电并网电力系统支路潮流越限风险值；P2（Qj）为电力系统支路j发生潮流越限的概率，其中Qj为支路j的有功潮流参数；W（Qj）为电力系统支路j发生潮流越限时的有功潮流大小；J为高比例风电并网电力系统支路集合。

然后是高比例风电并网电力系统的动态运行风险[4]，本文将下式所示的负荷损失作为系统动态运行风险指标：

式中：F3为高比例风电并网电力系统负荷损失风险值；P3为电力系统中负荷损失事故的预期发生概率；P4e为电力系统接入的第e个风电机组出力的概率；S（He）为电力系统接入的第e个风电机组出力时系统负荷损失量，其中He为系统的负荷损失值；E为高比例风电并网电力系统接入的风电机组数量。

综上，为实现高比例风电并网电力系统运行风险的评估，本文从系统静态与动态运行风险角度出发，获取了节点电压越限与支路潮流越限、负荷损失这三个评估指标，为后续风险评估提供数据支持。

2 高比例风电并网电力系统运行风险评估流程

根据上述内容可知，本文为完成高比例风电并网电力系统运行风险的全面评估，获取了反映系统静态与动态运行风险的三个指标F1、F2、F2，由于这三个指标对电力系统整体运行风险评估的重要程度并不一致，所以在此基础上，通过对指标进行加权运算来获得电力系统的综合风险值[5]，具体计算公式如下：

式中：F为高比例风电并网电力系统运行风险的综合评估值；ω1、ω2、ω3分别为电力系统运行风险指标F1、F2、F2的权值。

综上所述，本文在进行高比例风电并网电力系统运行风险评估时，具体流程如下：首先确认风险源，通常来说高比例风电并网电力系统的主要风险源就是风电出力的波动性与随机性，所以本文从电力系统的静态运行与动态运行这两个方面进行分析评估；然后在电力系统实时运行过程中，收集系统节点电压Vi、支路潮流Qj及负荷损失He等数据，并将数据代入式（1）（2）（3）中，分别获取高比例风电并网电力系统运行时的F1、F2、F3这三个风险指标数据；最后根据式（4）对各运行风险指标进行加权计算，从而得到电力系统的综合风险值，以此实现高比例风电并网电力系统运行风险的定量评估。

3 实验分析

3.1 实验设置

为验证上述评估方法的有效性，下面以IEEE-36节点系统为算例，在Matpower4.0的潮流分析软件中进行仿真实验，系统示意图如图1所示。

图1 算例系统接线图

图1所示实验系统主要由36个节点、35条支路组成，并接入了8台常规风电机组，系统总装机容量达到1 600 MW。在本次实验过程中，首先需要利用Windows 10系统、Intel P8400处理器的计算硬件对算例系统进行潮流计算，从而获得系统风电接入节点的电压与负荷等数据，结果如表1所示。

表1 IEEE-36节点系统实验数据

在上述实验数据的基础上，使用本文设计方法对该算例系统的运行风险进行评估，根据评估结果判断设计方法的性能。

3.2 结果分析

为进一步分析风电并网的装机容量对电力系统运行风险的影响，本次实验中将算例系统的总装机容量分别设置为100、400、800、1 200、1 600 MW，基于设计方法计算得到各装机容量下系统综合风险值，结果如表2所示。

从表2数据可以看出，不同装机容量下，电力系统运行风险值各不相同，虽然风电并网可以在一定程度上弥补常规发电机组发电功率不足的缺陷，但随着风电并网容量的不断增加，电力系统的静态与动态风险值逐渐增加，导致电力系统总体运行存在严重风险。由此可以说明，本文设计方法可以有效评估电力系统因高比例风电并网带来的运行风险，且评估结果可以为大规模风电并网电力系统的调度与规划提供数据支撑。

4 风险应对措施

在评估出高比例风电并网电力系统的综合运行风险值之后，就可以针对性地制定风险应对措施。根据上述内容可知，在高比例风电并网电力系统运行过程中，节点电压与支路潮流发生越限或系统负荷出现损失，就会导致电力系统存在运行风险，所以本文在管理电力系统运行风险时，主要从可操控性方面出发，通过调节用户端的用电量来避免电力系统在高风险时期供电。简单来说就是控制用户在电力系统低风险时期用电，这样就可以避免用电高峰期为满足用户电力需求系统出现节点电压越限或支路潮流越限的风险。一般来说，电力系统用户在用电时除满足自身需要外还会考虑电价的问题，所以本文为实现系统的风险管理，采用电价来调控用户用电量。在高比例风电并网电力系统的实际运行过程中，不同用户类型对电价变动的反应程度均不一致，所以为达到通过电价变动来调控系统负荷变化的目的，本文将电力系统用户划分为M种类型，那么当电价发生变化时，电力系统的负荷改变量计算公式如下：

式中：ΔL（t）为当电价变化时电力系统负荷的变化量；Lm（t）为电力系统用户m在t时段所需负荷量；γm（t）为电力价格弹性系数；ΔY为高比例风电并网电力系统的电价变化量。

在式（5）的基础上，即可求出电价校正后高比例风电并网电力系统的负荷，计算公式如下：

式中：L0（t）、L′（t）分别为高比例风电并网电力系统在电价校正前后的负荷值。

综上，本文利用实时电价来应对高比例风电并网电力系统的运行风险，也就是在根据式（4）求出电力系统各个时间段内的综合运行风险值之后，控制风险值较高的时段电价升高，风险值较低的时段电价降低，这样就可以刺激用户适当减少系统高风险时段用电，并在低风险时段增加用电量，从而保障高比例风电并网电力系统的稳定运行。

5 结束语

在我国电网运行的过程中，加强高比例风电并网电力系统风险管理是一项主要任务，本文根据可靠性风险指标详细分析了电力系统运行风险的定量评估方法，并结合实际数据给出电力系统运行风险的应对措施。当然，高比例风电并网电力系统是一个存在多种不确定性因素的系统，尤其是随着系统规模的日渐扩大与结构的日益复杂，运行风险越来越大，所以电力系统的运行风险评估方法与应对措施是一个长期的研究课题。今后，笔者将继续完善设计方法与措施，为我国电网安全稳定供电提供更多有益的参考。