风电并网的可用输电能力分析综述

李鹏飞，肖隆恩，胡婕

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

随着进一步深化电力体制改革，我国要努力建成坚持清洁、高效、安全、可持续发展的具有有效竞争的市场结构和市场体系的电力新体制。这就意味着将来会有越来越多的可再生能源并网，可再生能源并网发电可以保护环境、减少大气污染。而经过近年来的快速发展，风能已经成为比较具有发展前景的可再生能源。迄今为止，风电已比除水电外的其他可再生能源技术更成熟、开发条件更具规模和商业化发展更有前景［1］。但在电力市场环境下，由于风电出力的随机性和间歇性，可能造成系统违反输电的安全性限制而导致输电阻塞。因此，风电并网的可用输电能力分析就具有很重要的理论和实际工程意义。

2 可用输电能力的定义

在20世纪70年代，已经开始计算电力系统区域间的功率传送能力，当时称为输电交换能力(TIC:Transmission Interchange Capability)。此后人们也把它叫做电网传输容量(TC:Transmission Capability)。在电网的跨区域互联的不断发展和电力改革的市场化进程不断加深的过程中，电网可用输电能力(available transfer capability，ATC)的准确确定对保证市场交易的顺利进行和电网的安全稳定运行起着非常关键的作用［2］。自上个世纪的最后十年起，由于电网的市场化改革，各国电力工业组织先后对电力系统输电能力做了不同的定义。其中，国际广泛认同的是1995年北美电力系统可靠性委员会(NERC)给出的ATC的定义。它指出ATC是在现有的输电合同基础上，输电网络中剩余的用于商业用途的传输容量。从数值上定义，可用输电能力可以表示为线路最大的传输容量，除去输电的可靠性裕度，再除去线路的现存输电协议的总和，最后去除线路的容量裕度。如下式所示:

ATC=TTC－TRM－ETC－CBM

式中:TTC——是线路最大电能传输能量(Total Transmission Capability)，表明了在满足系统各种安全可靠性要求下，互联系统联络线上总的输电能力;

TRM——是输电可靠性裕度(Transmission Reliability Margin)，表明了不确定因素对互联系统间输电能力的影响;

ETC——是现存输电协议(Existing Transmission Commitment)，表明了现有输电协议占用的输电能力;

CBM——是容量效益裕度(Capability Benefit Margin)，表明了为保证电力用户的供电可靠性，需要在现有的最大传输容量中留有一部分容量，以确保某些发电机组出现故障后互联系统中的备用发电机容量的顺利启用，并且不会引起输电阻塞。

3 可用输电能力各个组成部分的分析及确定

3.1 确定最大传输容量

可用输电能力是用来评估在将来一段时间内系统区域间或点间剩余的输电能力。计算ATC的关键是确定TTC，而确定TTC就是确定从送电区域到受电区域通过联络线可传送的最大有功功率。其中“区域”既可以是相互互联系统的分支系统，也可以是各个不同的电力联合运营中心(Power Pool)等。TTC的确定必须满足系统的安全性限制，TTC的安全性限制主要是满足系统的物理和电气特性，包括［3］:

(1)发电机容量:发电机有、无功出力不能超过机组出力的上下限;

(2)节点电压:母线电压不能超过系统规定的电压上下限;

(3)线路热容量:线路传输容量不能越过其传输容量上下限;

(4)网络稳定性:系统的功角和电压要保持在其规定范围内。

3.2 确定输电可靠性裕度

为了保证系统的安全稳定运行，需要留有一定量的传输容量来评估可用传输容量，这一定量的传输容量就称为输电可靠性裕度。引进可靠性裕度是因为电力系统日常运行中存在各种不确定因素，为确保输电阻塞在系统运行时不会发生。各种设备的检修，负荷的剧烈变化，甚至是气候的变化等等构成不确定因素。除了系统的不确定性因素外，所计算的可用输电能力时间的长短也影响输电可靠性裕度的大小。计算的可用输电能力时间跨度越大，其输电可靠性裕度也需要相应扩大，以包含更长时间跨度下更多的不确定因素。现在还没有一套明确的计算方法计算输电可靠性裕度，在ATC的计算中，一般有以下几种方法来对TRM进行处理:①输电可靠性裕度是由某一确定数量的系统输电容量构成［4］;②输电可靠性裕度是由TTC中的某一百分比构成;③在系统的基准运行状态下，反复计算各种预想故障下电网的输电能力，输电可靠性裕度是由最坏预想故障条件下的电网输电能力与TTC的差构成［5］;④用灵敏度分析法来计算输电可靠性裕度［6］。

3.3 确定输电容量效益裕度和现存输电协议

由上述第2节给出的定义可知，输电容量效益裕度是被负荷服务企业能从互联系统获得出力，满足区域发电可靠性要求的容量。因此，估算系统的容量效益裕度可以使用“计算单个区域发电可靠性”的方法［7］。而现存输电协议是指现阶段已经确定的电能输电协议。有些电能输电协议的电能传输已经开始，但有些电能输电协议的电能传输还没发生，但是电能输电协议却已经确定。所以，无论电能输电协议中的电能传输是否发生，只要电能输电协议已经确定，在可用输电能力的评估中都需从最大传输容量中将ETC去除。

4 含风电的系统可用输电能力分析的模型及其算法

4.1 含风电的系统可用输电能力分析的模型

含风电的电力系统的可用输电能力的研究侧重面各有不同。文献［8］从风电功率的不确定性可能造成线路输电阻塞进而限制系统输电能力的角度，研究了风电场位于不同区域和节点时，其输出功率对系统区域间输电能力的影响。文献［9］和文献［10］都将风电机组作为PQ节点模型，来研究风电机组和可用输电能力之间的关系，最后揭示了系统接入风电前后可用输电能力的变化规律。文献［11］研究了电力系统ATC在大型风电场并网后受到的影响。风电场风速和输出功率利用时间序列模型来描述，而对包含风电场的ATC采用序贯蒙特卡洛仿真的方法进行概率评估;采用关键约束下的交流潮流方法来计算每一抽样状态的ATC;最后，由期望值、方差及相应的年度化指标来评估风电场对ATC的影响。文献［12］是研究风电场并网后短期内对系统ATC的影响。该文献把异步风机看作为PQ模型，研究异步风机的工作原理，最后揭示风电场接入后系统在一天24小时内的可用输电能力随着风电场出力的变化而变化的规律。以上介绍了几种风电并网后的可用输电能力的研究模型，各个模型的侧重点都有所不同，所建立的模型也因此有所区别。但是，各个模型都是考虑到风电的不确定性而导致并网前后系统的运行状态所要发生的变化。

4.2 模型的求解方法

系统的可用输电能力指导着电力市场行为。因此，需要对系统的可用输电能力进行定期更新。由可用输电能力预测的时间长短，系统可用输电能力的计算一般可被分为在线可用输电能力计算和离线可用输电能力计算。

4.2.1 在线可用输电能力的求解

在一个相对较短的时间内，把某一已经确定的系统运行状态为系统的基础运行状态，分别求取所有N－1故障下(一般只需选择可能最严重的故障)系统区域间或点间最大的剩余容量，把基础运行状态下的ATC值和所有故障状态下的ATC值进行比较，最小的ATC值便为该运行状态下的最终ATC，该种算法就称为在线可用输电能力计算。由于对故障的处理方式使得计算量减少很多，该种算法也被叫做确定性算法。确定性算法列举以下三种:

(1)直流潮流法

直流潮流法是一种近似估算的算法。由于在正常运行情况下，电网各处的电压水平都保持在额定值附近，此时忽略线路的接地支路的影响和串联支路的电阻。只由电抗来表示线路的物理特征，这样便可将非线性问题转化为线性问题。此种方法方便快捷且鲁棒性好，但是由于没有计及无功功率和电压的影响，因此有一定的误差。文献［13］即是用该方法算系统的ATC值。

(2)连续潮流法

在基态潮流的基础上，引入一个负荷增长因子来克服雅克比矩阵奇异，进而克服系统接近稳定极限运行状态时的收敛难题，成功解决基态潮流在崩溃点外无解和在崩溃点附近不可靠收敛问题的方法称为连续潮流法。因此，该方法可以对现有系统潮流进行连续追踪从而得到系统的ATC值。该方法相比直流潮流法计算精度有所提高，但是该方法由于需要对系统进行反复的潮流迭代，在线评估不能使用该方法。文献［14］就是使用该方法计算交直流系统的ATC值。

(3)最优潮流法

在连续潮流法的基础上再进行优化便是最优潮流法。在保证不违反系统的某些安全约束的前提下，通过调节发电机输出功率、可变变压器分接头等控制变量来进一步增大系统的可用输电容量，使最优潮流法的结果相较于连续潮流法不再过于保守。但是该方法同样存在一定的弊端:首先，该方法同样无法满足系统在线计算的要求;其次，最终得到的运行点可能是一个实际无法达到的点，只是一个理想方案。文献［15］就是使用该算法。

4.2.2 离线可用输电能力的求解

离线ATC计算就是对未来较长时间段内的ATC值进行预测。离线ATC值的计算一般采用基于概率模型的求解方法，目的是使计算的ATC值的精确性满足电力市场的要求和使计算时间和计算量大大减少。该方法把ATC看作是随机变量的函数，通过该随机变量来表达系统的运行状态和描述系统中的各种不确定因素，进而运用概率统计理论分析ATC的概率分布和特征指标等信息。其计算方法有以下几类:

(1)随机规划法

运用随机规划法计算ATC值时，需要同时考虑输电线路故障、发电机故障和负荷预测误差三种不确定因素。输电线路故障和发电机故障是服从0－1分布的随机变量，而负荷预测误差是可以看作为服从正态分布的随机变量。计算ATC值时，先用二阶段求索随机规划法(SPR)把离散型随机变量转化为连续型随机变量，对得到的连续型变量再运用机会约束规划法(CCP)进行处理，最后得到基于概率模型的ATC值。该算法计算过程太过繁琐复杂，无法在现实应用中推广。文献［16］便是用的该算法。

(2)状态枚举法

状态枚举法即是将系统中所有的可能运行状态及各个运行状态的概率都进行考虑，对所有可能出现的系统状态都一一进行可用输电能力分析。该算法全面地考虑了系统中的各种不确定性，计算精度较高。但是该算法的计算量也因此非常庞大，无法对大系统进行计算。文献［17］对该算法有所介绍。

(3)蒙特卡洛模拟法

该算法也称作统计模拟方法。该算法对某一事件进行随机抽样，通过某一事件出现的频率估计该事件的概率。随着抽样次数的增加，该算法的结果也越来越趋近于状态枚举法的确定性结果。该算法简单快速，计算的时间与问题的复杂程度近似成正相关。因此，该算法比较适于求解不确定因素众多的大系统。文献［18］便是用该方法处理含风电场的ATC值计算问题。

5 总结

随着电力体制改革的加深和人们的环保意识的增强，越来越多的风电等清洁能源并网将成为大势所趋。而现今的电力系统可用输电能力分析的方法速度过慢和计算的结果过于保守，使得难以满足电力的市场化进程。探讨一种能够快速准确的计算出系统可用输电能力的方法将成为今后研究的一个方向。

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