摘要：随着社会经济的快速发展，对电力系统的可靠性要求越来越高，以化石燃料为主的传统能源结构为社会进步与经济发展做出了突出贡献，但也带来了环境污染和生态破坏等问题。风电作为无污染的可再生资源，在推动能源革命、优化能源结构方面具有重要意义。风电大规模并网后，对电力系统可靠性造成一定的影响。本文深入研究了风电并网后带来的问题，提出含风电力系统优化调度模型，以期提高电力系统可靠性，降低风电对电力系统的影响。
关键词：可靠性；风电；电力系统；优化调度
随着我国社会经济快速发展，能源消耗问题已经受到越来越多的关注，世界各国均以清洁能源作为能源发展的出路，我国更是提出了以清洁替代和电能替代为主要内容的两个“替代”战略，通过特高压骨干网构建全球能源互联网，促进清洁能源的大规模开发与高效利用。在政策的扶持下，以太阳能和风能为代表的清洁能源技术迅速发展，在推动能源改革、优化能源结构方面发挥着重要作用。截至2016年，我国新增装机容量为2337万千瓦，累计装机容量为1.69亿千瓦，风电并网规模和总装机容量均位列世界第一。然而，风电受自然环境影响较大，风电出力具有较强的波动性、间歇性和反调峰特性，在风电大规模并网后，无疑增加了电力系统调度管理难度，进而影响电力系统运行可靠性，因此，有必要探讨含风电电力系统调度优化策略，以期提高电力系统运行可靠性。
一、风力发电的特性
随着技术的研究与应用，为大规模风电并入电网奠定了基础，优化了风电并网性能，但由于风电具有自身的出力特性，风力发电机通过风轮叶片获取有效功率可表示为：
p=1/2 πpR^3 ν^3 C_P (λ,β)
由上述公式可知，在不考虑风机本身特性的情况下，风电出风力主要受风速的影响。当风速过大或过小时，风电发电机输出功率为零，风速过大时，有可能对风机造成一定的损害；而当风速过小时，则达不到风机启动的动能。只有当风速达到一定水平且小于额定值的区间时，风速达到额定值后风电输出额定功率。
风速的大小受自然环境、季节、气候等因素的影响，并在诸多因素叠加作用下表现出间歇性和波动性，进而造成风电出力存在间歇性和波动性。此外，我国内陆地区普遍存在白天风速小夜晚风速大的情况，一定程度上导致了风电出力呈现反调峰特性。
二、大规模风电并网对电力系统的影响
通过上述分析，风电出力具有较强的波动性、间歇性和反调峰特性，当大规模风电并网后，给电力系统调度带来一定的困难，增加了调度管理的难度，进而影响电力系统的可靠性，对电力系统调度管理提出了新的要求。
1、影响电力系统稳定性
风电出力的波动性对电力系统有功平衡造成一定影响，并引起频率波动，特别是在大规模风电并网时，这种波动可能造成较大的冲击，使频率调整难度增加。其次，风电的异步发电机、主变压器和其他电子设备均以负荷的形式出现在无功功率平衡中，无疑增加了电力系统无功负荷，如未提供额外的无功支持，则可能导致电网电压失稳。此外，风电大多建设在偏远地区，接入地区的电网容量较小，需要增压远距离外送，而在长距离输送中极易放大出力波动对无功电压特性的影响，进而使电压失稳风险加大，难以满足末端用户电压需求。
2、影响电力系统可靠性
继电保护、安全自动装置及低频低压解列装置是电力系统的三道防线，通过一系列保护措施防范电网事故的发生，确保电力系统在事故发生后安全可靠运行，是电力系统的重要保证。然而，随着大规模风电并网，以往的三道防线已难以适应电力系统运行的需求，难以对间歇性的能源进行有效的控制，需要在安全防线配置和方法上做出相应的挑战，以免出现保护误操作、低频减载动作切负载等问题，影响电力系统可靠性和稳定性。
三、电力系统优化调度模型研究
基于上述分析，风电取代传统化石能源机组后，能够有效降低电力系统总运行费用，同时，由于风电本身的特性，因此，风电具有较低的容量可信度，对电力系统可靠性造成一定的影响，因此，通过优化风电调度策略提高风电调度运行水平，充分挖掘风电消纳空间，是当前电力系统解决大规模风电并网问题最为直接、有效的途径。
1、最低可靠性电力系统优化调度模型
由于风电出力波动较大，在风电大规模并网时会造成常规机组的启停策略改变问题，而由此导致的启停成本不可忽略，因此，应考虑常规机组的启、停成本，而风作为一种可再生的自然资源，其启停成本可忽略不计，基于此，建立不含风电时最低可靠性电力系统优化调度模型如下：
式中：F为常规机组运行成本
T为调度期间系统时段数量；
P_i (t)为t时间段内机组i的有功功率；
Z_i ̇ (t)为t时间段内i机组的状态；
均为常规发电机组的耗量特性系数
s_i(t) 为t时间段内机组i的启停成本
2、约束条件
风电并入电网后，为保证电力系统的可靠性，应对电力系统调度模型进行等式约束和不等式约束。
（1）功率平衡约束
式中，以P_L (t)表示t时间段内的负荷功率
（2）常规机组出力约束
由于机组出力都应在一定范围内，而常规机组P_i (t)出力的上限为额定的功率，而下限则为机组最小技术出力；风电机组P_wi (t)上限为可被调用的出力功率（），而最小功率则为0，因此，可以下列公式表示常规机组与风电机组的出力约束。
（3）正、负旋转备用约束
在电力系统中，为了避免负荷预测误差而导致电力系统供需失衡的问题，电力系统调度中应设置某些备用常规机组，以确保供电平衡，其中，随时可以并网的机组部分被称为旋转备用。在风电并网后，结合风电输出功率特性及出力预测精度存在一定的误差，因此，电力系统调度应预留一部分常规机组，以提高电力系统供需平衡。
式中，Pi，max（t）代表备用机组出力上限；
Pi，min（t）代表备用机组出力下限；
L%代表电力系统总负荷对正负备用的需求系数；
Pw（t）代表t时刻风电机组出力总和；
Pw代表所有风电机组的装机容量总和；
us%、ds%代表风电预测精度误差对正、负旋转备用的需求系数
（4）常规机组爬坡速率约束
式中，ui 代表常规机组i上升爬坡速率；
di为常规机组的下降爬坡速率；
T60 表示以60分钟作为一个调度时段。
（5）常规机组启停时间约束
式中，Tui 代表常规的最小持续开机运行时间；
Tdi 代表最小连续关机时间；
Ti（t）代表常规机组在t时间段内启动、停止持续时间，如为正值则为连续运行，负值则表示该机组停止。
四、结语
相较于常规发电机组，风电具有可再生、无污染等优势，对传统机组产生了积极的替代作用，有效降低了常规机组运行费用。同时，由于风电具有波动性、间歇性和反调峰特性的特点，对电力调度产生一定的影响。本文深入研究了基于可靠运行的含风电电力系统调度优化措施，建立电力系统优化调度模型，并结合常规机组启停成本，提出相应的约束条件，以期降低风电并网对电力系统调度产生的影响，提高电力系统调度可靠性。
参考文献：
[1]姜天斌，秦磊.基于粒子群优化算法的并网风电场穿透功率极限研究[J].科技风，2018（25）：166.
[2]秦本双.基于实测数据的风电场风速和风功率预测研究[D].东北电力大学，2018.
论文作者:林宇舟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：风电论文; 电力系统论文; 机组论文; 常规论文; 可靠性论文; 风速论文; 功率论文; 《电力设备》2018年第24期论文;