譚濤亮，姜云鵬，李 震，錢 峰，任洲洋，劉俊磊，顏 偉

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陽江供電局，廣東 陽江 529500；2. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044；3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心，廣州 510000)

近年來，中國新能源發(fā)電已經(jīng)取得較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。截至2017年底，中國風(fēng)電裝機容量達到了1.6×108kW，光伏裝機容量達到了1.3×108kW。然而，棄風(fēng)、棄光量也分別達到了4.19×1010kW·h和7.3×109kW·h[1]。隨著新能源裝機容量的快速增長，新能源消納成為學(xué)者關(guān)注的核心問題之一。南方地區(qū)水資源豐富，建立了一定規(guī)模的蓄水式水電站，系統(tǒng)具有較高的靈活性。在一定的新能源滲透率下，充分利用系統(tǒng)中的電源靈活性可以實現(xiàn)新能源的全額消納。新能源消納需在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，合理利用各種資源提高新能源的效益[2]，系統(tǒng)不能因消納新能源，產(chǎn)生大量的切負荷、線路過載等不良運行狀態(tài)。但風(fēng)電場、光伏電站的并網(wǎng)運行改變了系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，也改變了網(wǎng)絡(luò)的潮流分布，系統(tǒng)面臨著線路過載和切負荷的風(fēng)險[3]。文中以負荷削減量為系統(tǒng)安全可靠評價指標，提出了基于最小切負荷模型的新能源消納評估方法，用于分析新能源滲透率和負荷削減量之間的關(guān)系，為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)的安全可靠運行和新能源消納提供參考。

當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于新能源消納的研究較多。文獻[4-5]基于系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)安全約束，評估了風(fēng)電消納能力。其中，文獻[4]評估了系統(tǒng)在特定時間段內(nèi)的風(fēng)電消納能力，但沒有考慮系統(tǒng)內(nèi)靈活性電源的調(diào)節(jié)能力；文獻[5]分析了系統(tǒng)在典型日峰時段內(nèi)的風(fēng)電消納能力，但缺乏系統(tǒng)在極端時段(峰時段或谷時段)的消納能力數(shù)據(jù)，不能全面反映系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。文獻[6-8]考慮了區(qū)域內(nèi)可靈活調(diào)度的水電資源，優(yōu)化水電機組啟停狀態(tài)，并利用風(fēng)電水電互補特性來提升新能源消納能力，簡化了水電站的運行模型，而蓄水式水電站的水庫承擔(dān)著防洪、灌溉和供水等其他綜合性任務(wù)，文獻沒有考慮水庫因其他任務(wù)需求而限制的機組發(fā)電能力。此外，文獻[4-8]只考慮了系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下的各類約束，沒有對系統(tǒng)進行N-1安全校核，系統(tǒng)發(fā)生故障時可能出現(xiàn)線路過載、切負荷等現(xiàn)象，影響供電的可靠性。

為了評估系統(tǒng)的新能源消納能力以及分析系統(tǒng)的安全可靠性，文中提出考慮靈活性的地區(qū)電網(wǎng)新能源消納能力評估方法。首先，考慮源荷相關(guān)性，基于K均值聚類技術(shù)生成若干典型場景；然后，在各個場景下，通過對靈活性電源的優(yōu)化調(diào)度，保證系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下不出現(xiàn)新能源棄能、線路過載和切負荷現(xiàn)象；在故障情況下，根據(jù)N-1安全校核的預(yù)想故障集，優(yōu)化不同新能源滲透率下的最小負荷削減量的期望值；最后，結(jié)合南方某沿海地區(qū)110 kV電網(wǎng)的實際數(shù)據(jù)，分析了新能源滲透率和最小負荷削減量期望值的關(guān)系，評估了系統(tǒng)的新能源消納能力，驗證了文中方法的有效性。

1 考慮源荷相關(guān)性的場景生成法

新能源出力和負荷功率都具有波動性和不確定性，在不同時刻可能存在著明顯差異。如果新能源消納能力的評估時刻過多，則計算量巨大。場景分析法能夠分析原始數(shù)據(jù)，生成多個典型場景，新能源的消納評估只需對生成的典型場景進行分析計算。此外，電網(wǎng)中的電源出力和負荷功率之間始終保持著對應(yīng)關(guān)系，在對源荷功率進行分析時，選擇某個時刻的電源出力就必須選擇該時刻對應(yīng)的負荷功率。因此，在場景生成時需要計及電源出力和負荷功率之間的相關(guān)性[9]。

K均值聚類技術(shù)作為一種經(jīng)典的場景分析法，既能挖掘不同時刻場景性質(zhì)的異同，聚類分析生成典型場景，也能保證所生成的典型場景中新能源出力和負荷功率的相關(guān)性[10-11]。因此，基于K均值聚類技術(shù)進行場景生成?？紤]到K均值聚類初始聚類中心的隨機選擇對聚類結(jié)果影響較大，在場景生成時采用密度參數(shù)法[12-13]優(yōu)化初始聚類中心，進而提高聚類精度。基于K均值聚類技術(shù)對源荷序列進行典型場景生成主要為以下4個階段：

第1階段，考慮不同時段負荷水平的差異性，通過對典型日不同時刻的源荷功率數(shù)據(jù)采樣分析，劃分典型日為峰平谷3個時段。

(1)

第3階段，確定峰、平、谷各個時段內(nèi)的聚類個數(shù)Ktop、Klev和Klow，利用密度參數(shù)法依次優(yōu)化生成Ktop、Klev和Klow個初始聚類中心；再計算各個場景與聚類中心的歐式距離，將其分配到距離最近的類中；最后，利用均值法迭代更新聚類中心直至收斂，獲得Ktop、Klev和Klow個類，Ktop、Klev和Klow個聚類中心以及場景發(fā)生的概率。

第4階段，考慮聚類結(jié)果應(yīng)和實際系統(tǒng)中的源荷功率場景相吻合，分別將峰平谷各時段內(nèi)生成的聚類中心同該時段內(nèi)的原始場景進行比較，尋找最相似的原始場景進行替換，保證生成的典型場景的真實性。

2 基于最小負荷削減量的新能源消納評估模型

面向中國水電資源富集的南方地區(qū)，提出利用系統(tǒng)中蓄水式水電站的靈活性來實現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電和水電全額消納的方法。由于新能源電源的并網(wǎng)運行改變了電網(wǎng)中的電源結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)發(fā)生某些故障時，電網(wǎng)可能會出現(xiàn)線路過載、切負荷的情況。因此，含新能源的系統(tǒng)不僅要考慮新能源消納狀況，還需要計及系統(tǒng)在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的安全可靠性。為此，文中以負荷削減量為系統(tǒng)安全可靠評價指標，建立了基于最小負荷削減量的新能源消納評估模型。

2.1 目標函數(shù)

以系統(tǒng)負荷削減量的期望值F最小為優(yōu)化目標，建立目標函數(shù)為

(2)

2.2 正常運行狀態(tài)的約束條件

2.2.1 風(fēng)電和光伏的消納約束

為了防止出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光問題，必須使各場景下系統(tǒng)所消納的風(fēng)電和光伏發(fā)電功率等于風(fēng)電場和光伏電站的最大出力，建立如下約束：

(3)

2.2.2 水電的消納約束

蓄水式水電站具有容量較大的水庫，當(dāng)風(fēng)電場和光伏電站出力較大時，水庫可以將該時段多余的發(fā)電用水量進行儲存，用于其他時段的水力發(fā)電，建立的水電電量平衡約束為

(4)

2.2.3 功率平衡約束[14]

(5)

2.2.4 線路傳輸容量約束

(6)

(7)

2.2.5 機組出力約束

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2.6 水電站發(fā)電流量約束

水庫承擔(dān)著一定量的防洪、灌溉和生活用水等任務(wù)，水電站需要根據(jù)水庫調(diào)度部門安排發(fā)電用水量，可用水電資源應(yīng)為調(diào)度部門分配的發(fā)電流量上下限，建立如下約束：

(12)

(13)

2.2.7 水電站水量平衡約束[17]

(14)

2.2.8 水電站庫容約束[18]

(15)

2.3 故障狀態(tài)的約束條件

由于系統(tǒng)在故障情況下可能出現(xiàn)切負荷，并且切負荷會造成系統(tǒng)潮流的改變，因此，需要修改功率平衡約束，增加負荷削減量約束，其他約束條件與式(3)(4)(6)(15)相同。

2.3.1 功率平衡約束

(16)

2.3.2 節(jié)點負荷削減量約束

節(jié)點負荷削減量受限于節(jié)點的負荷功率，建立如下約束

(17)

2.4 模型求解

由于式(2)～式(18)是典型的線性優(yōu)化模型，文中采用成熟的商業(yè)軟件CPLEX求解器計算，具體求解流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程圖Fig. 1 The flow chart of model solution

3 算例分析

3.1 測試網(wǎng)絡(luò)

為了驗證文中方法的有效性，根據(jù)中國南方某沿海地區(qū)110 kV電網(wǎng)2018年的電源結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等信息，仿真分析新能源滲透率與最小負荷削減量期望值的關(guān)系，評估系統(tǒng)的新能源消納能力。2018年該區(qū)域有3座新能源電場，總?cè)萘繛?20.24 MW；1座火電廠，總?cè)萘繛? 200 MW；4座蓄水式水電站，總?cè)萘繛?9.6 MW，年度負荷峰值為1 080.49 MW，網(wǎng)絡(luò)N-1預(yù)想故障集中的故障數(shù)量為97個。

3.2 場景生成結(jié)果

在冬、夏和春、秋季節(jié)內(nèi)各選取1個典型日來反映當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)2018年的運行情況。在每個典型日內(nèi)，以電網(wǎng)中的123個節(jié)點作為功率采樣點，每隔5 min對各采樣點進行1次功率采樣獲得源荷功率的原始數(shù)據(jù)。結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實際運行情況，典型日內(nèi)的峰平谷時段劃分情況，如表1所示。

表1 典型日內(nèi)的峰平谷時段劃分情況

根據(jù)采樣獲得的原始數(shù)據(jù)，采用文中提出的場景生成方法，分別在3個典型日的峰平谷時段內(nèi)各生成3個典型場景，計算各個典型場景發(fā)生的概率。以2018年春/秋季的典型日3月21日的峰時段為例，得到典型場景如圖2所示。依據(jù)2018年3月21日平時段、谷時段和冬季、夏季典型日各時段內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，同樣可以生成對應(yīng)的典型場景和獲得各典型場景發(fā)生的概率，不再詳細羅列。

圖2 2018年3月21日峰時段的典型場景生成結(jié)果Fig. 2 The typical scenarios of peak periods on march 21st, 2018

3.3 評估結(jié)果

3.3.1 新能源滲透率和最小負荷削減量的關(guān)系

基于測試網(wǎng)絡(luò)和典型場景數(shù)據(jù)，在正常運行狀態(tài)下，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的新能源全額消納，避免系統(tǒng)出現(xiàn)線路過載和切負荷等問題；在故障狀態(tài)下，根據(jù)N-1安全校核的預(yù)想故障集，計算出各個典型場景下的最小負荷削減量，如表2所示。

進一步結(jié)合預(yù)想故障數(shù)量和各個典型場景概率，可獲得最小負荷削減量的期望值。經(jīng)計算可知，2018年該區(qū)域最小負荷削減量的期望值為0.288 1 MW。根據(jù)新能源滲透率的定義[19]，可獲得當(dāng)前該區(qū)域的新能源滲透率為20.38%。調(diào)整新能源電場的裝機容量，并利用文中方法對最小負荷削減量的期望值進行求解，獲得不同新能源滲透率下的最小負荷削減量的期望值。需要注意的是，在改變新能源滲透率時仍需實現(xiàn)系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下全額消納新能源，并且不出現(xiàn)線路過載和切負荷等問題。根據(jù)不同新能源滲透率下的最小負荷削減量的期望值，兩者之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

可以看出，當(dāng)新能源滲透率在0～68.74%時，最小負荷削減量的期望值為固定值，與新能源是否接入、新能源滲透率是否提高均沒有關(guān)系，其值始終為0.288 1 MW，因為在該滲透率區(qū)間內(nèi)，電網(wǎng)的負荷需求主要依靠火電供給，某些線路故障后系統(tǒng)將失負荷，在負荷功率一定的前提下，系統(tǒng)失去的負荷量也是固定的。當(dāng)新能源滲透率高于68.74%時，最小負荷削減量的期望值同新能源滲透率成正相關(guān)，負荷削減量將隨著新能源消納電量的增加而增大，原因是此時配電網(wǎng)中更多的負荷需求將依靠新能源電源供給，并且隨著滲透率的增加，新能源電源輸出功率增多，導(dǎo)致電源周圍的支路更為薄弱，使得故障發(fā)生后線路越限的數(shù)量增加，造成切負荷量的增多，給系統(tǒng)的安全可靠運行帶來更多的隱患。受限于新能源電場輸電線路傳輸容量的限制，新能源滲透率的上限為84.58%，對應(yīng)最小負荷削減量的期望值最大為0.759 2 MW。當(dāng)新能源滲透率超過上限時，系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下會出現(xiàn)線路過載的現(xiàn)象，無法安全運行。根據(jù)新能源滲透率上限，可以獲得系統(tǒng)的新能源消納能力，該區(qū)域年度新能源消納電量上限為3.592×105MW·h。

表2 各典型場景下的最小負荷削減量

圖3 新能源滲透率和最小負荷削減量期望值的關(guān)系曲線Fig. 3 The relation curve between renewable energy penetration and minimum load-shedding expected value

3.3.2 忽略電源的靈活性時新能源滲透率和最小負荷削減量的關(guān)系

為了進一步分析系統(tǒng)中靈活性電源的作用，在模型中不考慮蓄水式水電站的調(diào)節(jié)作用，求解不同新能源滲透率下的最小負荷削減量的期望值。圖4給出了系統(tǒng)忽略靈活性電源的調(diào)節(jié)作用時，新能源滲透率和最小負荷削減量期望值的關(guān)系曲線。

圖4 忽略電源靈活性時新能源滲透率和最小負荷削減量期望值的關(guān)系曲線Fig. 4 The relation curve between renewable energy penetration and minimum load-shedding expected value ignoring generation flexibility

可以看出，如果不考慮系統(tǒng)內(nèi)靈活性電源的調(diào)節(jié)作用，新能源滲透率高于68.74%時，最小負荷削減量的期望值將和新能源滲透率成正相關(guān)，但是新能源滲透率上限僅為78.24%。這是因為忽略系統(tǒng)中靈活性電源的調(diào)節(jié)作用，新能源滲透率為78.24%時，線路在某些場景下會過載，導(dǎo)致新能源無法全額消納。根據(jù)新能源滲透率上限，獲得該區(qū)域年度新能源消納電量上限為3.312×105MW·h，該值明顯低于考慮電源靈活性時系統(tǒng)的新能源消納能力。此外，新能源滲透率上限對應(yīng)的負荷削減量期望值為0.377 8 MW，該值高于圖3中新能源滲透率78.24%時的負荷削減量期望值0.369 2 MW。這是因為預(yù)想故障發(fā)生時，系統(tǒng)缺少可靈活調(diào)節(jié)電源，難以安全可靠地滿足負荷的供電需求，往往導(dǎo)致更多的負荷削減量。由此可見，利用系統(tǒng)內(nèi)的靈活性電源可有效提高系統(tǒng)的新能源消納能力，減小新能源消納時的負荷削減量，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

4 結(jié)束語

為了充分利用地區(qū)電網(wǎng)水電資源的靈活性以及有效評估地區(qū)電網(wǎng)的新能源消納能力，文中提出了考慮靈活性的地區(qū)電網(wǎng)新能源消納能力評估方法，該方法考慮了系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)和N-1預(yù)想故障狀態(tài)。在正常運行狀態(tài)下，利用區(qū)域內(nèi)電源的靈活性來實現(xiàn)新能源的全額消納，避免系統(tǒng)出現(xiàn)線路過載、切負荷等問題；在預(yù)想故障狀態(tài)下，進行N-1安全校核，優(yōu)化最小負荷削減量的期望值。結(jié)果表明，當(dāng)新能源滲透率超過一定值時，提高新能源滲透率會增加最小負荷削減量的期望值，意味著為了消納更多的新能源，系統(tǒng)在故障狀態(tài)下將以更多的負荷削減量為代價。通過對比分析，利用系統(tǒng)內(nèi)的電源靈活性能夠有效地提升新能源消納能力，減少最小負荷削減量，提高新能源消納時系統(tǒng)的安全可靠性。