（电力系统及其自动化专业论文）考虑大型风电场的可用输电能力评估.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着风力发电技术的快速发展和电力市场的逐渐成熟，评估大型并网风电场对 系统可用输电能力( a t c ) 的影响具有重要的意义。 本文针对风电场输出功率具有时序变化的特点，通过序贯m o n t ec a r l o 仿真的 方法来评估大型并网风电场对a t c 的影响。风电场的风速采用自回归滑动平均 ( a r m a ) 模型来模拟。系统每一抽样状态下的a t c 分别采用基于直流潮流线性规 划方法和基于关键约束的交流潮流方法来计算。在评估结果的基础上，考虑双边交 易的收益和风险，建立了a t c 的经济决策模型。算例结果为电力市场的运行和风 电场的规划提供了重要的参考价值。 关键词：大型风电场，可用输电能力，概率评估，序贯m o n t ec a r l o 仿真，决策 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m to fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n 锄d 笋a d u a lm 椭r i t yo f p o w c rm a r k e t ，t h er e s e a r c ho ft h ea s s e s s m e n to nw i n dp o w e f si n n u e n c e so na v a i l a b l e t r a n s 衙c 印a b i l i t y ( a t c ) i i lp o w e rs y s t e m si so f 伊e a ts i 驴i f i c 趾c e b e c a u s eo ft h ec l u 旧n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i n dp o w e r ，s e q u e n t i a lm o n t e c a n os i m u l a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt om a k et h ea s s e s s m e n to na t cw i t hl a r g e s c a l e w i n df a m l s t h eh o u r l yw i n ds p e e di ss i m u l a t e db yt h ea u t o - r e 孕e s s i v e 觚dm o v i n g a v e r a g e ( 删a )t i m es e r i e s m o d e l t h ea t co fe v e d rs 锄p l e ds y s t e ms t a t ei s c a l c u l a t e db yt w ok i n d so fm e t l l o d ：o n ei st h el i n e a rp r o 蓼锄m i n ga l g o r i t hb a s e do n d cp o w e rf l o w 1 eo t h e ri s 觚a cp o w e rn o wm e t h o du n d e rc n l c i a lc o n s t r a i n t b a s e d o nt h ea s s e s s m e n tr e s u l t s ，觚e c o n o m i cd e c i s i o n - m a l ( i n gm o d e lo fa t ci s p r o p o s e d c o n s i d e 订n gt h eg a i l l 缸dr i s ko fb i l a t e r a lt r 姐s a c t i o n si np o w e rm a r k e t t h er e l e v 缸t t h e o r e t i c a l 觚a l y s i sa n dn u m e r i c a lt e s t s w i l l p r o v i d ev a l u a b l er e f 打e n c ef o rp o w e r m a r k e to p e r a t i o na i l dw i n df a m p l a n n i n g r a n r u i j i a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i n k e yw o r d s ：l a r g e s c a l ew i n df a r m s ，a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y p r o b a b i l i s t i c a s s e s s m e n t ，s e q u e n t i a im o n t ec a r l os i n l u l a t i o n ，d e c i s i o n m a k i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑大型风电场的可用输电能力 评估，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：眭盗冱日 期：里z ：主：2 竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：燧丝 日 期：呈z 生 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 国内外风力发电的发展和现状 能源是人类生存的基本要素，是经济可持续发展的关键基础。但地球上可供人 类使用的化石燃料资源是极有限和不可再生的。上世纪七十年代世界范围内的能源 危机爆发后，环境污染和能源短缺成为现代文明社会的世纪性难题。因此随着全世 界对能源的广泛关注以及人们的环保意识和危机感的不断加强，各国政府纷纷制定 自己的能源政策，给风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源带来了发展的契机。 风能作为最具活力的可再生能源，其用于发电兴起于2 0 世纪7 0 年代，到9 0 年代中后期进入黄金时代。自9 0 年代以来，风力发电容量以每年平均2 2 的速度 增长，近几年增长速度更快，在各种发电方式中风力发电量的增长速度居于首位【l 】。 2 0 0 6 年全球风电市场的增长率达到3 2 ，新增装机容量1 5 1 9 7 m w ，全球风电总装 机容量达到了7 4 2 2 3 m w 。以经济价值而言，风电已经在能源市场占据了稳定的地 位，2 0 0 6 年新增设备总价值达到1 8 0 亿欧元( 2 3 0 亿美元) 。在总装机容量方面， 2 0 0 6 年排在世界前列的国家依次是德国、西班牙、美国、印度、丹麦和中国【2 】。 我国幅员辽阔，陆疆总长2 万多k m ，海岸线1 8 万多k m ，是一个风力资源非 常丰富的国家，全国约有2 3 的地带为多风带。风能总储量为3 2 2 6 亿k w ，实际可 开发的风能储量为2 5 3 亿k w ，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源 条件。我国风能的发展受到一系列因素的限制，其中包括资金和技术资源供应的不 足、政策还不完善以及没有完整强大的自主风电产业链等。但近几年，从中央到地 方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。我国风电以及风电设备的发展受到 可再生能源法等法规政策的支持，风电设备国产化率要求达到7 0 。我国风电 装机容量自2 0 0 3 年以来进入快速增长期，2 0 0 7 年总装机容量、新增装机容量分别 达到6 0 5 万千瓦和3 4 4 9 万千瓦，总装机容量跃升为世界第五位【3 1 。2 0 0 8 年由于金 融危机的影响和国家拉动内需的要求，国家发改委目前正在酝酿的目标计划是，要 按照融入大电网、建设大基地的要求，力争用十多年的时间，在甘肃、内蒙古、河 北、江苏等地形成几个上千万千瓦的风电基地，实现2 0 2 0 年供电装机规模1 亿千 瓦的目标【2 1 。 风电技术的发展也日趋成熟，基础设施费用和运行维护成本均逐渐降低，开发 商的经验不断丰富。在一些平均风速7 m s 的地方，每k w 装机成本为7 0 0 欧元时， 风电已经可以与燃气发电竞争。风电机组单机容量也在不断增大，美国已经成功研 l 华北电力大学硕士学位论文 制出7 m w 风力机，而英国正在研制1 0 m w 的巨型风力机。变桨距、变速恒频、智 能控制技术以及直驱永磁式风力发电机组都在推动着风力发电的快速发展【4 1 。 1 1 2 电力市场的发展及可用输电能力的作用 多年以来，由于电力的特殊性质，世界各国的电力行业都是传统的垄断性行业， 无一例外地实施发、输、配、售垂直一体化的垄断性管理模式。随着现代科技和经 济理论的发展，自2 0 世纪8 0 年代以来，电力改革的浪潮席卷全球，国际上数十个 国家进行了电力市场改革【5 l 。 电力市场改革是电力工业发展到一定阶段的必然要求，已经成为世界电力行业 的共同发展趋势。其根本目的是将电力工业纳入全社会资源优化配置链，以市场机 制全面提高电力工业的投资和运行效率。其本质是将电力交易的一切条件都转化为 单一的货币单位来衡量，并且其价格由市场决定，从而实现资源的优化配置，降低 成本。改革的重点是建立竞争性的电力市场，打破传统的垂直一体化的行业垄断组 织结构，引入竞争机制【6 j 。 输电网由于其规模效益，具有自然垄断的性质，因此各国市场化的共同特点是 “厂网分开 ，由政府对输电部分进行适当的管制，保证输电网开放，以便为发电 和配售电创造一个公平的竞争环境。输电网开放是指允许除输电网所有者之外的其 它类型的公司，如电力公司、独立发电厂、批发客户以及电力市场的参与者使用输 电网的设备和输电能力进行电力交易。大用户与发电行业或供电行业经协商，可以 直接签订双边购售电合同，并向电网行业交纳过网服务费。这种供需双方直接签订 双边合同的交易方式可以降低购电成本、优化资源配置。 输电网开放之后，输电网的实时状态对整个电力市场交易的进行至关重要，因 此必须对输电网的传输极限进行比以前更加精确和更加频繁的计算，并及时将这些 结果公布到电力市场中去，使交易各方能够做出正确的判断和计划。同时输电网开 放使得电网运行、规划变得更加复杂，尤其是开放后的输电网，如何考虑诸多不确 定性因素的影响，进行电网的可靠性和充裕性评估，用于指导电网的规划建设，使 电网的发展满足市场发展的需要，也是当前需要解决的问题。 现代电力系统正逐渐向复杂化、互联化、以及能源供应中心与负荷中心相分离 的方向发展，以便能更有效地利用现有的电力设备，实现更大范围内的资源优化配 置。然而，电力市场的发展和跨区电网互联带来明显的经济效益的同时，也对电力 系统的物理及经济安全稳定运行提出了严峻的挑战。在电网互联和电力工业市场化 后，系统的运行条件、稳定裕度、备用容量以及对突发事件的应变能力与以往相比 都有很大的不同。市场竞争对系统的物理稳定性产生了很大的影响，如果市场规则 不能引导出充足的远期可用发电和输电容量，市场运营不能及时保证发电和输电各 2 华北电力大学硕士学位论文 用裕度，不但电力市场潜藏稳定性危机，系统的物理稳定性也很难保证。 因此随着跨区域电网互联的扩大和电力市场的不断推进，电网的输电能力尤其 是可用输电能力( a v a i l a b l et r a n s f e r c a p a b i l i t y ，a t c ) ，在保证市场交易的顺利进行 和电网的安全稳定运行方面起着越来越重要的作用。及时准确地公布电网的a t c 信息能使交易各方做出正确的判断和计划，充分利用电网的输电能力：对电网输电 能力的准确计算还可为电网的安全可靠运行提供重要的信息；此外，综合考虑各种 不确定性因素的影响准确地评估现有电网的输电能力，寻找限制电网输电能力的瓶 颈，从而能为电网的规划设计部门提供重要的参考信息。 1 2 课题研究意义 风电由于其分布较广和环境友好的特点及相对成熟的开发技术，从9 0 年代后 期进入黄金时代以来，在全球都掀起了发展风电的热潮。随着现代科学技术的飞速 发展，特别是空气动力学、尖端航天技术和大功率电力电子技术应用于新型风电机 组的开发研制，风电的发展已经逐步走向了规模化和产业化的道路，大型并网风力 发电场成为了风力发电的主流，风力发电在电网中所占的比例也越来越大，成为除 水力发电以外最成熟、最现实以及最有活力的一种清洁能源发电方式。并网型风力 发电一般是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至 成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以将风力资源丰富地区的清洁 能源送入负荷中心，还可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分开发风力资源。 但是由于风能的间歇性和随机性，风电是一种间歇性的能源。风电场的功率输 出具有很强的随机性，其输出大小主要取决于风速这种不可控的随机变量的变化。 此外，风速湍流和风机的尾流效应等造成的紊流也会引起风电功率的波动和风电机 组的频繁启停，风机的杆塔遮蔽效应使风电机组的输出功率存在周期性的脉动。这 种波动性的电源会给电力系统的运行带来一定的影响【_ 7 】【8 】，给系统的发电、运行和 市场交易计划等的制定增加了困难，使电力工业在可再生能源蓬勃发展的浪潮中面 临着机遇与挑战。 而在电力市场中，触陀不仅是电力系统的一个技术指标，也是反映电网输电容 量的市场信号，是衡量交易是否可行的重要指标，也是调度部门调整阻塞的参考， 为判断系统的安全性提供依据，并对电网的规划建设起指导作用。当越来越多的大 型风电场并入现有电网以后，风电功率的波动性会给系统的a t c 带来定的影响。 在这种情况下，如果不能找到一种准确快速的方法来计算出a t c 的值，就会影响 到电力市场的正常交易甚至电力系统的安全稳定运行。电力系统是一个动态的时变 系统，其状态在各个运行时刻都在变化，而且电力系统的运行也充满了不确定性。 在包含大型风电场的系统中，需要准确地描述风速变化、负荷波动、发电机调度、 3 华北电力大学硕士学位论文 输电线路和变压器等设备故障这些不确定性因素的影响，这些不确定性因素的处理 以及处理的合理程度决定着电网输电能力计算与评估的准确性和可靠性。而概率性 的方法可以很方便地考虑各种不确定性因素，因此本文利用序贯蒙特卡罗仿真的方 法来评估大型风电场对系统a t c 的影响。 从风速具有不确定性以及时序变化的特点来看，非常适合采用序贯蒙特卡罗仿 真法来进行分析。序贯蒙特卡罗仿真是按照时间顺序，在一个时间跨度上进行的仿 真，常采用状态持续时间抽样的方法。它可以描述设备运行状态的连续性，反映随 时间变化的不确定性因素对系统的影响，长期的仿真运行能更准确地刻画实际系统 的情况，并可方便地计算出所分析量的概率统计分布。 序贯蒙特卡罗仿真需要抽样大量的系统状态样本，对于每一抽样所得的样本均 需要快速精确地计算此时的a t c ，本文分别采用基于直流潮流线性规划方法和基于 关键约束的交流潮流方法计算包含大型风电场的系统a t c 。直流潮流把非线性电力 系统潮流问题简化为线性电路问题，计算速度快，而且适合进行断线分析，便于形 成用线性规划求解的优化问题；而基于关键约束的交流潮流方法则通过一个安全约 束指标找到限制输电能力的关键因素从而快速计算a t c 。在此基础上，建立风电功 率对a t c 影响的一些评估指标，并进行多年抽样样本的仿真计算，就可以获得较 为准确的评估结果，为电力市场的运行和风电场的规划提供一定的参考依据。 在不断开放的市场环境下，发电侧引入了竞争机制，发电商成为了独立的竞争 实体，它们可以和大的电力用户进行双边交易，而只需向输电网支付过网费。在这 种情况下，快速精确的a t c 信息是保证双边交易能够顺利进行的一个关键因素， 只有充分掌握了现有输电系统的剩余输送容量，发电商才能够制定出合理的售电协 议，同时保证电力系统的安全稳定运行。但随着大型并网风电场的不断发展，风电 这种波动性功率会对a t c 的计算带来影响。同时由于负荷的变化和系统设备故障 等不确定性因素的综合作用，某一时刻系统的a t c 会存在一定程度上的不确定性， 不同的a t c 值也会影响到售电电价和输电服务费用，这就会导致发电商在双边交 易中面临着不可预计的风险。如何为发电商建立一个使其收益达到最大的决策模 型，使其对各个时刻系统的a t c 都能有一个最经济的判断，从而做出合理的交易 计划是一个很有意义的问题。因此，本文建立了一种考虑收益和风险的概率决策模 型，每一时刻都能在各种可能的a t c 值中决策出一个使发电商收益最大的a t c 值 作为对系统剩余输电容量的一个合理判断，这样就有效地规避了风电功率以及电力 系统不确定性因素给双边交易带来的风险，从而在风电等可再生能源大力发展的同 时维持电力市场交易的安全稳定性。 1 3 课题研究现状 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 1 大型风电场模型的研究现状 随着工业发展对电能需求的不断增长，以及环境问题的日益突出，风电这种极 具潜力的可再生能源发电形式得到了越来越多的重视。风力发电机组的单机容量以 及风电场的规模都在不断扩大，风能的利用呈现出大规模和并网运行的趋势。但是 风能具有一个显著的特点，即间歇性，这使得风电场的波动功率给现有电网的分析 运行均带来了影响。如何分析这种影响，并找到解决的措施已经成为了研究的热点。 文献 9 】- 1 0 】描述了大型风电场对电力系统的一些影响，这些研究表明，由于气 候因素尤其是风速的间歇性，风力发电系统输出的功率也是不确定和不稳定的。风 电并网除了会影响电网的电能质量和稳定性以外，也会给a t c 的计算和电力市场 交易的顺利进行带来一定的影响。因此，需要对包含大型风电场的电力系统a t c 进行重新计算与评估。而合理的风电场输出功率模型是必不可少的。 风电场的输出功率和其所在地区的风速是紧密相关的。目前风速建模的研究已 经取得了一些成果。文献【1 1 】采用w e i b u n 分布模型来模拟某地区的风速，通过尺度 参数和形状参数来反映不同地区的差异。文献 1 2 】采用r a y l e i g l l 分布函数来仿真某 地区的风速，需要计算某时间区间内的平均风速作为预测的参考数据。而文献【1 3 】 使用自回归滑动平均( a 1 w a ) 时间序列模型来预测某一时刻的风速，这种模型需 要大量的历史数据来拟合模型的相关参数。以上3 种风速模型，w e i b u n 分布和 r a y l e i g h 分布用得比较广泛，r a y l e i g h 分布只含一个参数，精度上稍差。而对于平 稳的随机过程，且某一小时的值和前一小时的值也有关时，使用时间序列模型则较 为合适。 风力发电机组的模型主要包括风力机、传动机构、发电机和相应的控制系统4 个模块。文献 1 4 】用数据辨识的方法建立风力机的数学模型，文献 1 5 】对传动机构 进行简化，把其视为一个刚体，用1 阶惯性环节来表示其特性。根据风力发电过程 中桨距的变化和发电机的运行特点，风力发电机组分为3 类：定桨距风力发电机组、 变桨距风力发电机组和变速恒频风力发电机组。 而在风电场的整体建模方面，在与风电接入系统相关的研究中，一般不需要把 关注的焦点放在风电场内部机组之间复杂的联系上，往往将风电场的整体特性作简 化处理，分3 种方法：一是对风电场进行单机等值，模型参数与单个风机相同，工 程上再采用加权求和的办法近似模拟这个风电场的反应及输出的功率；二是运用风 机功率特性曲线来描述风能和电能的转换，此类方法完全不计发电机和传动机部分 的特性及风机间的联系，直接将输出功率与风速相联系，适合描述风电机组出力随 风速变化的波动趋势；三是将风力发电机组作p q 节点处理，常用于稳态分析，如 潮流计算以及从功率波动的角度来研究含风电的电力系统的电压变化，具有比较简 5 华北电力大学硕士学位论文 洁的优点【1 6 】。 1 3 2a t c 计算方法的研究现状 a t c 的计算在电力市场中起着非常重要的作用，目前计算方法主要包括确定性 的方法和概率性的方法。 确定性的方法主要包括以下几种： ( 1 ) 直流灵敏度法。利用直流潮流线性分布因子推导线路在基态和单一线路故 障情况下节点功率对区域a t c 的灵敏度公式，从而进行快速的a t c 计算【1 7 】。 ( 2 ) 交流灵敏度法。交流灵敏度分析法基于交流潮流，从某一运行点下已知的 a t c 值出发，分析当系统参数在此基础上发生微小变化时对a t c 值的影响，在系 统运行状态改变后，迅速获得特定断面的a t c 【1 8 】。 ( 3 ) 重复潮流法( r p f ) ，又叫常规潮流法。这种方法基于常规交流潮流，通过 逐渐增加负荷侧的负荷，同时相应增加发电侧的出力，直到某一约束生效为止，则 通过所研究断面的有功潮流之和即为最大输电能力。 ( 4 ) 连续潮流计算法( c p f ) 。即从当前的潮流解出发，逐步增加指定送端母线 功率，通过迭代求解，沿p 矿曲线准确得到极限功率点相应的发电功率，因而可以 方便地用来计算静态电压稳定约束下的a t c 【1 9 】。 ( 5 ) 最优潮流法( o p f ) 。它将a t c 的计算转化为一个非线性规划的数学问题， 因而可以采用各种优化算法来求解，如二次规划法、牛顿法、信赖域法、内点法、 人工神经网络法、粒子群优化法等【2 0 1 。文献 2 l 】介绍了b e n d e r s 分解技术把原优化 问题分解为主问题和一系列子问题，并对子问题采用并行求解技术。文献【2 2 】使用 基于序贯二次规划( s q p ) 的方法把最初的优化问题转化为一系列二次规划( q p ) 子问题，再基于k t 条件用最优搜索步长的半牛顿法来解。 ( 6 ) 人工智能算法。该类算法包括遗传算法、人工神经网络法、模糊逻辑法等。 概率型算法就是利用概率理论和数理统计分析确定a t c 。基于电力系统所具有 的随机特征，通过模拟发输电设备的随机开断及负荷变化确定系统可能出现的运行 方式，然后使用适当的优化算法求解这些运行方式下的a t c ，最后综合各运行状态 下的a t c 值进行分析。目前基于概率型模型的a t c 算法主要有以下4 种： ( 1 ) 随机规划法【2 3 】考虑了3 种不确定性因素对a t c 计算的影响：发电机故障、 输电线路故障和负荷预测误差。该方法涉及了概率潮流的计算、离散变量和连续变 量的处理，计算速度不够理想，不容易处理系统结构的变化。 ( 2 ) 枚举法1 2 4 l 将系统状态枚举和优化算法结合来计算a t c 。其基本思想是把输 电能力的计算用一个复杂的优化问题来描述，然后采用基于概率的方法来求解这个 6 华北电力大学硕士学位论文 优化问题。 ( 3 ) 蒙特卡罗仿真法【2 5 】将蒙特卡罗仿真和优化算法结合起来求解a t c ，能够方 便地处理电网中数目庞大的不确定性因素，且计算时间不随系统规模或网络连接复 杂程度的增加而急剧增加，因此该算法非常适合大系统离线a t c 的研究。 ( 4 ) b o o t s t r a p 算法【2 6 】是种新的计算机模拟算法，该算法根据所收集的最近交 易日的节点数据，通过某种仿真技术模拟系统可能出现的运行状态，然后再像蒙特 卡罗仿真法那样使用优化算法和数理统计理论来估计a t c 。 基于概率模型计算a t c 时，不仅可以得到a t c 的期望值，而且根据a t c 的样 本值可以方便地绘出a t c 的概率密度曲线和样本分布函数曲线，估计a t c 的期望 值在某一置信水平下的置信区间，以及某项电力交易被削减的风险。a t c 的这些统 计信息，一方面可以指导电力系统运行方式的安排；另一方面可以用于预测未来一 段时期的电力交易量，指导电力交易商的市场行为。 1 3 3 考虑大型风电场的a t c 概率评估与决策的研究现状 当大型风电场并入电网以后，a t c 的计算需要考虑风速的特点以及电力系统的 各种不确定性因素。如何分析风电功率对a t c 的影响，探索含风电场的有效的a t c 计算和评估方法是一个值得研究的课题，但目前这方面的研究成果还不多。文献【2 7 】 建立了加入异步风力发电机模型的含参潮流方法，推导出含风电场注入功率项的全 注入空间静态电压稳定域边界局部切平面解析式，分析了风速概率分布参数对最大 输电能力的影响，但并没有考虑风速及系统变化的时序特性。为了能够更有效和全 面地反映大型风电场对a t c 的影响，还需要从不同角度对其进行更详细的评估。 由于风电场的并网，系统的a t c 信息也会出现一定程度的不确定性，电力市 场参与者需要根据自身的情况对每一时刻的a t c 做出合理的判断，从而提高市场 交易的效率。这方面的研究目前也不多，文献【2 8 】给出了一种在电力市场环境下考 虑现存方式的a t c 概率决策方法，以综合效益最大为优化目标，实现概率下的最 优a t c 决策。在考虑大型风电场的电力市场中，需要进一步为市场参与者建立一 个a t c 的经济决策模型。 1 4 本文的主要工作 大型风力发电场的不断发展，给电力系统的规划运行等各方面带来很多影响。 在电力市场环境下，需要分析风电功率的波动性对系统a t c 的影响，如何建立合 理的a t c 计算及概率评估方法，并为市场交易者建立a t c 的决策模型是很有意义 的课题。因此本文的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 针对风速具有随时间连续变化的特点，采用a r m a 时间序列模型模拟风 7 华北电力大学硕士学位论文 速，并建立适合a t c 计算的大型风电场输出功率模型。 ( 2 ) 根据风电并网系统的时序特点，采用序贯蒙特卡罗仿真进行a t c 的概率评 估。对于每一系统抽样状态的a t c 计算，提出基于直流潮流线性规划的算法和基 于关键约束的交流潮流方法，提高了仿真计算的速度和精度。大型风电场对a t c 的影响通过选取合理的概率指标来评估。 ( 3 ) 在考虑大型风电场以后，系统每一时刻的a t c 值也会存在一定的波动性， 市场参与者需要根据自身情况对a t c 信息做出更合理的判断，因此提出了a t c 的 经济决策机制，并以发电商为例，建立了使发电商获得最大经济收益的决策模型。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1概述 第二章适用于a t c 评估的大型风电场模型 风力发电之所以在全世界获得快速发展，除了能源需求增加，环保压力增大外， 重要的是风能资源本身所具有的独特优点。风能资源非常丰富，属于清洁的可再生 能源；风力发电场施工周期短，对土地要求低；投资灵活，资金回收快；风力发电 技术相对成熟。但风能也有局限性，其能量密度小且不稳定，不能大量储存；风轮 机效率较低：远离负荷中心，承受冲击的能力很弱；随着风电装机规模的扩大，风 电的不可控性会给电力系统的运行带来风险；大型风电场并网会对电力系统的安全 经济稳定运行带来一些挑战，包括并网过程对电网的冲击，对系统电能质量尤其是 电压质量产生不利的影响，给电力市场交易的顺利进行带来困难等。 为了更好地发展风力发电技术，解决大型并网风电场给电力系统带来的若干问 题，首先就需要对其建立合理有效的数学模型。根据所研究问题的不同，大型风电 场的模型也有不同的侧重。本章介绍了风电场建模的一些方法，对适用于a t c 评 估的部分进行了详细的描述。 2 2风速模型 2 2 1w e i b u u 分布模型 风是风力发电的原动力，与发电部分具有独立性。风的自然特性包括风向和风 速，具有间歇性、随机性和难以预测性。风向与风速的建模是风力发电机组建模的 重要组成部分。在风力发电系统的研究中，人们更多地关注风速的特性，而弱化风 向的影响。在描述风速的分布函数中，最常见的是w 萌b u u 分布，其分布函数为 艺( v ) = 1 一e x p l ( c ) i ( 2 - 1 ) 式中，c 和后分别是w e i b u l l 分布的尺度参数和形状参数，v 是风速。根据反变换法 的理论：如果 疋) 是一个在 o ，1 】均匀分布的随机变量，它的概率分布为f i o ) ； 现 要求的 巧) 分布函数为局) ，则只要取萨屁) ，即尸f 1 2 秒) 即可。令 工= f ( v ) = l e x p i - ( c ) l ( 2 - 2 ) 1 ，= c 一l i l ( 1 一x ) “ ( 2 3 ) z 和1 x 都是在【0 ，l 】上均匀分布的随机变量，用x 代替l 呵，于是得到风速值： 1 ，= c 卜1 1 1 工r ( 2 4 ) o 华北电力大学硕士学位论文 w e i b u l l 分布侧重于对风能资源的统计描述，它表示的是风速在l o 分钟或更长 时间内的平均值。 2 2 2r a y l e i g h 分布模型 为准确描述风速的分布而建立正确的模型是计算风电场发电量的基础。目前广 为采用的模型包括w e i b u l l 分布和r a y l e i g l l 分布，r a y i e i g l l 分布中只含有1 个参数， 该参数可通过平均风速体现出来，计算精度比w e i b u l l 分布稍差一些。风速的概率 分布函数和概率密度函数分别为 f 翻 最( 1 ，) = 卜p 4 l ”j ( 2 - 5 ) 、f r y 、2 厶( y ) = 张) d 训 ( 2 6 ) 式中：矿为计算时间区间内的平均风速。 2 2 3 时间序列模型 自回归滑动平均时间序列模型，简称a l a ( a u t o - r e 伊e s s i v e 觚dm o v i n g a v e r a g e ) 模型，是一种有限参数的线性模型，对于满足有限参数线性模型的平稳 时间序列的分析，在理论上已趋成熟，并且广泛应用在很多的领域。有限参数线性 模型能描述的随机现象相当广泛，模型拟合的精度能达到实际工程的要求。时间序 列中同时蕴含着数据顺序和数据大小，表现出客观世界的某一动态过程，能够反映 出客观世界及其变化的信息，用它对数据进行拟合，考虑数据的统计特性比较方便。 由于风电场的风速数据具有按时间排序的特点和离散性，应用时间序列分析方法对 风速进行预测可以取得不错的效果。 a r m a 模型有3 种基本形式：自回归模型( a r ：a u t o r e 班e s s i v e ) ，滑动平均 模型( m a ：m o v i n g a v e r a g e ) 和混合模型( a l 蝴a ) 。a r 模型的意义在于仅通过 时间序列变量的自身历史观测值来反映有关因素对预测目标的影响和作用，不受模 型变量相互独立的假设条件约束，所构成的模型可以消除一般回归预测方法中由于 自变量选择、多重共线性等造成的困难。m a 模型用过去各个时期的随机干扰或预 测误差的线性组合来表达当前的预测值，a r 模型的假设条件不满足时可以考虑用 m a 形式。m a 总是满足平稳条件，较大的随机变化不会改变时间序列的方向。 对风速的分析表明，风速序列本身已经具有时序性和自相关性，它随时间和地 点在变化，总体上有一定的周期性，某一小时的值和前一小时的值有关，所以采用 时间序列模型模拟风速具有一定的优势。时间序列模型主要包括平稳模型和非平稳 模型。由于某个地区的风速在一年之中近似是平稳的随机过程，因此采用a r m a 1 0 华北电力大学硕士学位论文 模型更为合适【2 9 1 。 a r m a ( ，l ，1 ) 模型的一般表达式为 乃= 谚儿，+ q 一够q ( 2 - 7 ) 其中，弘是f 时刻的时间序列值，用来描述风速随时间的波动过程。诈( f - l ，2 ，刀) 和伽= l ，2 ，m ) 是自回归滑动平均参数， 口，) 是正态白噪声过程，满足平均值为。 和方差秤。由于风速是平稳的随机系统，因此可以近似地使用剐( 万，以1 ) 模型 替代a r m a ( 以，聊) 模型。 a i 蝴a 模型的建立需要确定模型中的参数和模型的阶数。模型参数估计和模型 定阶是应用时间序列分析法进行建模时很重要和十分复杂的过程，该过程的准确与 否直接影响到模型参数的计算精度和风速预测的好坏。一般采用先后估计法来估计 a r m a ( ，l ，m ) 模型的参数，先估计诈，后估计易。模型定阶可以采用准则函数的方法 定阶，准则函数既考虑用某一模型拟合时对原始数据的接近程度，同时也考虑模型 中所包含待定参数的个数，建模时按照这种函数的取值判断模型的优劣，进行取舍。 使准则函数达到极小的模型是最佳模型。 一般来说，使用的观测数据越多，建模结果就越精确。但在概率仿真中，由于 仿真样本较多，所以采用较少的实测数据即可满足要求。f 时刻的模拟风速可由年 平均风速小标准差盯等实测数据以及反映其波动过程的时间序列值儿来获得 v | = + 吖， ( 2 - 8 ) 风电场的年平均风速和标准差的计算方法为 = 熹y ， ( 2 - 9 ) = 夕u i z - y ， 。 8 7 6 0 智 、7 熹登( 弘) 2 ( 2 - 1 0 )叮2 ：二一y f v ( o ) 一1 ( 2 1 0 ) 8 7 6 0 智 叫 、 7 其中， ( o ) 为观测所得的风速序列。 2 3风力发电机组模型 2 3 1 风力机模型 风力发电机组的模型分为电气和机械两部分的模型。根据其运行特点可分3 类： 定桨距风力发电机组：变桨距风力发电机组；变速恒频风力发电机组。定桨距和变 桨距风力发电机组同属恒速恒频发电机组。基于双馈发电机的变速恒频风电机组可 华北电力大学硕士学位论文 使风轮机在大范围内按最佳效率运行，减小阵风、塔影效应对输出功率的影响，降 低对变桨距系统的要求。 机械传动系统由风力机、低速轴和高速轴组成。在稳态情况下，风力机从风能 中吸收的机械功率p 由风速决定： 1 尸= c ，彳 ( 2 1 1 ) f 、， 二 式中：彳为风机叶片扫掠面积；p 为空气密度；1 ，为风速；q 为风力机的利用系数， 它是叶尖速比a 的函数；a = 价；为风轮角速度；，为风轮半径【3 0 1 。 在分析传动系统的机械动态特性时，将传动轴等效为2 或3 个质量块，或把整 个传动机构视为一个刚体，用一阶惯性环节来表示特性： ， 警：( m 一心) 乃 ( 2 - 1 2 ) m 其中，m 与分别为传动机构的输入与输出转矩；死为轮毂时间常数。 2 3 2 异步发电机模型 目前风力发电机一般多为异步发电机，定子绕组与电源直接相连，因此定子绕 组电势和电流的频率决定于系统频率，而转子绕组电势和电流的频率与转子的转速 有关，它取决于空气隙旋转磁场与转子的相对速度。 本文主要研究稳态情况下，风电场的功率波动对a t c 的影响，因此对于异步 发电机电磁暂态、机电暂态和机械暂态模型不做详细的描述。 2 4 大型风电场的功率模型 与常规的发电厂不同，一个容量较大的风电场内往往有数量众多的风力发电机 组。风电场内风力发电机组的位置不同，由于尾流效应的影响，各风机获得的风能 大小也不相同。另外，由于各风机间的相互影响使得风电场作为一个整体表现出了 与单个风机不同的特性。在与风电接入系统相关的研究中，一般不需要把关注的焦 点放在风电场内部机组之间复杂的联系上，本文主要分析大型风电场波动性的功率 对a t c 的影响，将风电场的整体特性作简化处理即可。 在分析大型风电场的整体特性时，最为关心的就是风速与其输出功率间的关 系，因此运用风机功率特性曲线来描述风能和电能之间的转换是最简洁和有效的。 此种方法完全不计发电机和传动机部分的特性以及风机之间的相互联系，直接将输 出功率与风速相联系。 风电机组的输出功率与风速及自身的功率曲线关系密切。描述风机功率曲线最 简单而有效的模型为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 r ( v ) = o ( i ， 或y 匕) 舡嚣( 归咋) ( 2 1 3 ) p( 咋 y ) 式中，砖、吩、及只分别表示风机的切入风速、额定风速、切出风速以及风机的 额定功率。 对风电机组做稳态分析时，将大型风电场作为p q 节点处理。在概率型a t c 的 计算中，采用这种模型和方法进行上万次的仿真计算可以取得比较合理的结果。同 时认为风电机组中电容器自动分组投切，可以使风电场的功率因数恒定不变，即 p q = 三一 ( 2 一1 4 ) 阳缈 式中，9 为并网风电场的功率因数角。对于并网风电场而言，伊一般位于第四象限， t a n 驴为负，表明尸和q 方向相反。 根据预测的风速以及风电机组的功率特性曲线即可求出该时刻每台风电机组 输出的有功功率，同时假设无功补偿设备可以保证无功功率的平衡。在此基础上， 忽略整个风电场内部风电机组间的相互影响，假设坐落在同一风电场内部的不同风 电机组具有相同的风速和风向，因此风电场的输出功率就等于所有风电机组的功率 之和。同时，风电场的运行经验表明，尾流效应造成的风电场有功功率的典型损失 值是1 0 ，所以本文将风电机组总的输出功率乘以典型系数o 9 来表示风电场的实 际输出功率【3 1 1 。 2 。5本章小结 本章主要介绍适合a t c 评估的大型风电场模型。在常用的风速模型中，着重 分析了a r m a 时间序列预测模型，风电机组则侧重其稳态模型。考虑大型风电场 的a t c 评估中，风电场的波动性功率是研究的重点，因此在风电场整体建模中， 采用了风机的功率特性曲线，并忽略了风电机组间的复杂联系，为后序的计算打下 了基础。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章可用输电能力及其计算方法 3 1可用输电能力概述 3 1 1a t c 的定义 2 0 世纪9 0 年代以来，为了适应电力市场化改革的要求，各国电力工业先后对 输电能力的定义及内涵做了不同的阐述。1 9 9 5 年北美电力系统可靠性委员会( n o n h a m e r ：i c ae l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ，n e r c ) 修订了其早期关于输电能力的定义， 提供了进一步的解释和示例，指出所谓一个系统2 区域间的功率交换能力，是指在 保证系统稳定的情况下，通过2 区域间的所有输电回路，从一个区域点向另一区域 点可能输送的最大功率【3 2 1 。 n e r c 给出a t c 的定义：a t c 是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电 网络中剩余的、可用于商业使用的输电能力。此定义说明，市场环境下电网输电能 力问题不再是原来意义上简单的区域间的功率交换能力，而是基于已有的输电合 同，在保证系统安全可靠运行的条件下，区域间、或点对点间可能增加的最大输送 功率。其数学表达式为： a t c = t t c - t r m - c b m - e t c ( 3 1 ) 式中：t t c ( t o t a lt r a i l s f 打c 印a b i l i t ) r ) 为最大输电能力，反映了在满足系统各种安 全约束下，互联输电网上总的输送能力；t r m ( t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ym a r g i n ) 为 输电可靠性裕度，反映不确定性因素对互联系统区域间输电能力的影响；c b m ( c a p a b i l i t yb e n e f i tm a r g i n ) 为容量效益裕度，反映为保证e t c ( e x i s t i n gt r 觚s 矗e r c a p a b i l i t y ) 中不可撤销输电服务顺利执行时输电网应当保留的输电能力；e t c 为现 有输电协议占用的输电能力【3 3 1 。 3 1 2 最大输电能力 最大输电能力( t t c ) 是指在满足所有给定的n 1 事故和事故后系统能够可靠 运行的条件下，通过互联网络传输的电力总量。它是由各种约束条件确定的输电极 限的最小值。计算t t c 时所考虑的安全约束包括：设备的热容量约束、节点电压 约束和稳定约束【3 4 1 。 3 1 3 输电可靠性裕度 输电可靠性裕度( t r m ) 是指为保证输电可靠性所预留的必要的输电备用，以 确保当系统运行参数在合理范围内发生变化时，整个系统能够安全稳定地运行。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 t r m 中所考虑的不确定性因素包括网络设备的随机故障、并联线路上由于功率的 同步传输所产生的约束、平衡系统的发电量和负荷量所引起的负荷变化、负荷分布 和负荷预测的随机波动、区域间功率环流等。一般来说，时间跨度越大，不确定性 对输电能力的影响就越大。因此，t r m 与考虑的时间长短有关，时间跨度越大， 往往需要预留的t r m 越多。 t i 蝴的常用计算方法包括： ( 1 ) 在基准状态下不断改变假设和预测的参量，重复计算t t c ，所得到的t t c 中最大值与最小值之差即为t l m 。 ( 2 ) 取确定数量的输电容量作为t r m 。 ( 3 ) 取t t c 的一个固定百分比( 如4 ) 。 ( 4 ) 用统计学或概率方法求解。通过系统状态的模拟来考虑系统中的不确定因 素，在计算a t c 的同时考虑t i 洲。 此外还有降低额定值法和一阶导数法。电力市场环境下，考虑不确定性因素的 不同会得到不同的t i 蝴： 3 1 4 容量效益裕度 容量效益裕度( c b m ) 是指为了能够从其它互联系统中获得电力来满足发电可 靠性需求而预留的输电容量裕度。备用发电容量对保证供电可靠性至关重要，在发 电机停运或因其它设备故障而失去部分电源