CN109672173B - 一种大型风电腰荷接入的主网在线安全调度方法 - Google Patents

Abstract

大型风电一般接入主网，类似于负荷，可分为“基荷”、“腰荷”和“峰荷”3种出力水平，弃风量从大到小，随机性从小到大。“基荷”出力有利于主网安全运行但弃风量太大。为减小弃风量且提高主网的静态功‑角安全性，本发明“一种大型风电腰荷接入的主网在线安全调度方法”，将风功率预测值序列经多项式回归拟合，得到了日前风电“腰荷”出力计划曲线；针对出力计划与实际风功率偏差较大情况，提出了二次调频“优化启动”曲线族，得到了调频机组二次调频的优化启动时间点；基于等效功角指标，提出了调频机组二次调频的在线优化方法。IEEE39算例验证了该调度方法的可行性。本发明对减少弃风量并提高主网安全运行水平具有实际意义。

Description

一种大型风电腰荷接入的主网在线安全调度方法

技术领域

电力系统(电网)安全运行与控制。

背景技术

国内有较多超过100兆瓦的大型风电场，出力接入主网。风电出力既有统计学规律也有较大随机性，类似于日负荷曲线。故可参照负荷划分，将风电出力分为“基荷”、“腰荷”和“峰荷”3个出力水平，随机波动性从小到大，接入主网时的弃风量则从大到小。

目前，大型风电场一般采用“基荷”出力方式，类似于传统发电厂的恒功率出力，便于主网日前(即明日)的安全运行方式制定，但在线运行时弃风量太大。风功率的“峰荷”随机性太大，难以日前预测，对电网安全运行冲击太大。为平衡弃风量和随机波动性，采用“腰荷”出力方式是大型风力接入主网的可取方式。但是，日前风电“腰荷”出力计划与实际风功率可能存在较大偏差，导致基于预期潮流分布的安全校验失效，主网安全性难以保证。因此，需进行在线安全调度。

在线安全调度的主要任务是，当计划与实际风功率偏差较大时，启动调频机组的二次调频，优化分配调频机组的出力方案，使主网潮流分布合理，以提高主网的静态功-角安全性。

静态安全性好的电网抗扰动能力强，功-角安全性体现的是主网的有功“承载能力”，是主要功能指标。传统的优化调度方法，一般优化的是发电成本而不是电网安全性，如“等耗微增率”法。其原因是没找到合适的主网安全性量化指标。此前申请的专利“一种主网在线安全态势及运行经验的获取方法(申请号：2018101816231.1)”，通过适配性、抗噪性分析，提出了合适的主网静态功-角安全量化指标——等效功角。

故本申请发明专利基于前期研究，为平衡弃风量和出力随机波动性导致的主网安全隐患，研究并提出了风电“腰荷”出力及调频机组在线优化调度的方法。

发明内容

为减小大型风电的弃风量且提高接入主网的静态功-角安全性，本发明提出了“一种大型风电腰荷接入的主网在线安全调度方法”。由风功率预测值序列，经多项式回归拟合，得到了日前风电“腰荷”出力计划曲线；针对“腰荷”出力计划与实际风功率偏差较大情况，提出了二次调频“优化启动”曲线族，得到了调频机组二次调频的优化启动时间点；基于主网功-角安全性的量化指标——等效功角，提出了调频机组二次调频的在线优化方法。IEEE39算例验证了该调度方法的可行性。本发明对减少弃风量并提高主网安全运行水平具有实际意义。

附图说明

图1风功率“基荷”接入后的弃风量

图2风电场的“腰荷”出力计划曲线

图3“腰荷”与“基荷”出力的弃风量比较

图4二次调频“优化启动”曲线族

图5新英格兰机10机39节点系统

图6传统优化与安全性优化的等效功角比较

具体实施方式

1.日前风功率“腰荷”出力计划曲线的生成方法

1.1风功率“基荷”接入导致的弃风

根据风电场气象信息有关数据，利用物理模拟计算和科学统计方法，对风电场的风力风速进行预报，得到明天的风功率预测曲线，设某大型风电场的日前预测风功率数据如表1所示。风功率的预测精度一般与预测时间提前量成反比，故日前风功率预测精准性较差。

表1预测日前24小时风电出力

主网在制定日前运行方式时，需根据风电接入计划。为避免接入计划与实际风功率的偏差，大型风电场往往采用“基荷”出力接入主网的方式，类似于传统发电厂的恒功率出力，以减小或消除风功率随机波动性对主网安全性的影响。

所谓的风功率“基荷”出力是指：在一个调度周期内去除掉风电功率波动较大的部分，将风功率较为稳定的基础部分接入电力系统，以减少常规机组的频繁调整和潮流转移，进而提高了主网安全性，风功率基荷曲线如图1所示。

虽然风功率“基荷”接入便于电网运行方式制定且提高了主网的安全性，但弃风量太大。图1中阴影部分为风功率“基荷”接入所造成的弃风量，这与我国清洁能源使用原则相悖。

1.2风功率“腰荷”出力曲线的生成方法

基于统计学原理发现，风电功率与时间序列具有强关联性。因此，可将风电场明日的预测风功率值序列[P(t₀),P(2t₀),…,P(it₀),…,P(nt₀)]进行多项式回归处理，其中，n＝1440/t₀且为整数，时间步长t₀可取5～60分钟。

令拟合多项式为

其中，C_j(j＝0,1,…,m)为待求系数，t为时间，整数m一般取4～6。

作预测风功率序列值[P(t₀),P(2t₀),…,P(it₀),…,P(nt₀)]到曲线P₀(t)离差平方和为

求R2最小时C_j的值，令

得到方程组

上式的矩阵形式为

记

由式(4)可得

C＝X^-1·Y (5)

将式(5)得到的系数C_j(j＝0,1,…,m)分别代入式(1)，可得到风电的日前“腰荷”出力计划曲线

如图2所示。

1.3风功率“腰荷”与“基荷”出力的弃风量比较

假设明日风电场的实际风功率曲线以及“基荷”、“腰荷”的计划曲线如图3所示。可见，相比“基荷”出力，风电场采用“腰荷”出力可大大减少的弃风量。二者的弃风量对比如表2所示。

表2日弃风量对比

2.风电“腰荷”接入后的主网在线安全调度的关键问题

但是，风电场采用“腰荷”出力计划，风功率的随机性将导致明日的实际风功率与风力发电计划有较大出入，如图3所示，需要主网中的其它机组频繁调整出力以实现功率平衡。

其它机组的出力调整方式有：自动一次调频、二次调频。一般只在主网中选择容量较大且调节性能较好的若干机组作为调频机组，承担二次调频任务。

当“腰荷”出力计划与实际风功率不同时，其它机组的一次调频自动启动，调整出力；若计划与实际风功率差值超出一次调频的调节能力，就需要给调频机组分配调节功率，进行二次调频。

各调频机组二次调频分配的调节功率不同，将导致主网的潮流分布和安全性不同。因此，风电场采用“腰荷”出力计划时，需及时优化调频机组的出力分配，使主网潮流分布均衡，提高主网的静态安全性。接下来，需研究两个关键问题：

1)二次调频的优化时间点选择；

2)如何优化分配调频机组的出力。

3.调频机组的二次调频“优化启动时间点”的选择方法

当在线实际风功率P_W(t)大于“腰荷”出力计划曲线P₀(t)时，则风电场通过“弃风”以维持P_W(t)＝P₀(t)出力，主网中其它机组则按日前发电计划运行。

若P_S为主网其它机组一次调频的总功率范围，令P_k(t)＝P₀(t)-k·P_S为主网中调频机组的二次调频“优化启动”曲线族，如图4中所示，其中，k≥1且为整数，k的最大取值取决于调频机组的总容量限制。

如图4所示，当在线实际风功率P_W(t)位于曲线P₀(t)、P₁(t)之间时，或位于曲线族P_k(t)之间波动时，主网其它机组通过一次调频自动调整有功出力。

当P_W(t)触碰“优化启动”曲线族P_k(t)中的任一条时，即为调频机组的二次调频“优化启动时间点”，如图4中的黑点对应的时刻。

启动二次调频优化，求得各调频机组新的出力方案，一是保持全网功率平衡，二是使主网潮流分布合理提高静态功-角安全性。

4.调频机组二次调频的在线优化方法

为提高主网的静态功-角安全性，需选择合适的安全性量化指标。

此前申请的发明专利“一种主网在线安全态势及运行经验的获取方法(申请号：201810181623.1)”提出来主网在线安全性的量化指标——等效功角，即

其中，P_topi、θ_topi分别为主网中电源节点的注入有功、相位角，P_botj、θ_botj分别为负荷节点的有功负荷、相位角，∑P_bot为主网的总有功负荷。

前期研究发现等效功角指标θ_eq具有如下特征：

1)能表征主网有功潮流分布的均衡性；2)能量化表征主网整体功-角安全性；3)能表征潮流分布异常(源-网-荷不协调)对功角安全性的影响；4)等效功角θ_eq减小，主网功角安全性趋好。

故在线调度的二次调频优化时，可选θ_eq作为优化目标函数，使其最小，即

约束条件有：1)主网有功平衡约束；2)常规机组有功出力上下限约束；3)线路有功潮流约束；4)系统正负备用约束等。

基于以上目标及约束条件的优化，可得到各调频机组在“优化启动点”的新出力方案，使主网有功功率平衡且潮流分布合理，以提高主网的静态功-角安全性。

在线运行时，只要实际风功率与“腰荷”出力计划达到一定偏差，便依次“启动优化”，得到使主网潮流分布合理的调频机组二次调频方案。

5.算例分析

5.1算例情况

IEEE39节点系统如图5所示，其中31节点为平衡节点。设35节点为风电电源，装机容量为600WM，其余为常规火电机组，全网日最大负荷为6450WM，火电的备用容量为323WM，机组的一次调频范围为35WM。常规机组的热备用容量如表3所示，根据表3选取节点30、31、38的机组为调频机组，总备用容量为385WM。

表3机组热备用容量排序

5.2风电“腰荷”接入后的在线安全优化

假设明日的在线实际风功率P_W(t)曲线、日前风电计划的“腰荷”出力曲线、二次调频“优化启动”曲线族如图4所示。

当运行到11:09、11:45、12:27、13:45、13:51时，P_W(t)曲线与“优化启动”曲线族相交，故为二次调频的“优化启动时间点”。

当依次运行到这5个“优化启动时间点”时，根据第4节中的优化目标(即式(7))和约束条件，进行二次调频优化，得到3台调频机组的优化有功出力方案。

与采用传统“等耗微增率”优化的方法相比，采用第4节的“安全性优化”方法得到的调频机组出力方案，可明显降低主网的等效功角，即提升主网的静态功-角安全性。如图6所示。

5.结论

为减小风电“基荷”接入导致的大量弃风，需提升风电的日前发电出力计划。故根据日前风功率预测值序列，采用多项式拟合方法得到了大型风电场的日前“腰荷”出力计划曲线。

但风功率的随机波动性，可能导致日前“腰荷”出力计划与实际风功率偏差较大。故运行时需进行在线优化调度，以优化调整各调频机组二次调频的出力方案，保持主网功率平衡，并使潮流分布合理以提高主网的静态功-角安全性。

在线安全优化调度的关键有两个，一是优化时间点的选择，二是优化方法。故提出了“一种大型风电腰荷接入的主网在线安全调度方法”，具体步骤如下：

1)将风电场的日前(即明日)预测风功率值序列[P(t₀),P(2t₀),…,P(it₀),…,P(nt₀)]进行多项式回归处理，令拟合多项式曲线为

其中，

且为整数，整数m一般取4～6，时间步长t₀可取5～60分钟，C_j(j＝0,1,…,m)为待求系数；

2)根据步骤1)得到离差平方和

令

得到方程组

解方程组求得系数C_j(j＝0,1,…,m)，代入步骤1)，可得到风电的日前“腰荷”出力计划曲线

3)令P_k(t)＝P₀(t)-k·P_S为主网中调频机组的二次调频“优化启动”曲线族，其中，P_S为主网其它机组一次调频的总功率范围，k≥1且为整数，k的最大取值取决于调频机组的总容量限制；

4)当在线实际风功率P_W(t)＞P₀(t)时，则风电场通过“弃风”，以维持P_W(t)＝P₀(t)出力，主网中其它机组按日前发电计划运行；

5)当P_W(t)位于曲线P₀(t)、P₁(t)之间时，或位于曲线族P_k(t)之间波动时，主网其它机组通过一次调频自动调整有功出力；

6)当P_W(t)触碰到“优化启动”曲线族P_k(t)中的任一条时，则根据步骤7)的目标函数和约束条件，启动二次调频优化，得到主网中各调频机组的在线优化出力方案；

7)以

为优化目标，以主网有功平衡约束、机组出力约束、线路有功潮流约束、系统正负备用约束等为约束条件，其中，θ_eq为等效功角，P_topi、θ_topi分别为主网中电源节点的注入有功、相位角，P_botj、θ_botj分别为负荷节点的有功负荷、相位角，∑P_bot为主网的总有功负荷。

IEEE39算例验证了该调度方法的合理性和可行性。本发明对减少弃风并提高电网安全运行水平具有理论和实际意义。

Claims (1)

1.一种大型风电腰荷接入的主网在线安全调度方法，该方法特征在于，包括如下步骤：

1)将风电场日前即明日的预测风功率值序列

进行多项式回归处理，令该序列的拟合多项式曲线为

其中，时间步长t₀取5～60分钟，

且为整数，整数i＝0,1,…,n，整数m取4～6，整数j＝0,1,…,m，t^j为时刻t的j次方，C_j为待求系数；

2)根据步骤1)，令P(it₀)、P₀(it₀)分别为i·t₀时刻的序列值、拟合曲线的值，作离差平方和

令

得到方程组

解该方程组求得常数C_j(j＝0,1,…,m)，代入步骤1)，得到拟合曲线

即为日前风电“腰荷”出力计划曲线；

3)令P_k(t)＝P₀(t)-k·P_S为主网中调频机组的二次调频“优化启动”曲线族，其中，P_S为主网其它机组一次调频的总功率范围，k≥1且为整数，k的最大取值取决于调频机组的总容量限制；

4)当在线实际风功率P_W(t)＞P₀(t)时，则风电场通过“弃风”，以维持P_W(t)＝P₀(t)出力，主网中其它机组按日前发电计划运行；

5)当P_W(t)位于曲线P₀(t)、P₁(t)之间时，或位于曲线族P_k(t)之间波动时，主网其它机组通过一次调频自动调整有功出力；

6)当P_W(t)触碰到“优化启动”曲线族P_k(t)中的任一条时，则根据步骤7)的目标函数和约束条件，启动二次调频优化，得到主网中各调频机组的在线优化出力方案；

7)以

为优化目标，以主网有功平衡约束、机组出力约束、线路有功潮流约束、系统正负备用约束为约束条件，其中，θ_eq为等效功角，P_topi、θ_topi分别为主网中电源节点的注入有功、相位角，P_botj、θ_botj分别为负荷节点的有功负荷、相位角，∑P_bot为主网的总有功负荷。

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