含大规模风电电网综合安全评估模型研究

杨列銮，杨斌，但扬清，王维洲，刘文颖

(1.国网甘肃省电力公司，甘肃兰州 730050;2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250001;3.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

含大规模风电电网综合安全评估模型研究

杨列銮1，杨斌2，但扬清3，王维洲1，刘文颖3

(1.国网甘肃省电力公司，甘肃兰州 730050;2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250001;3.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

基于多层次模糊综合评价方法提出了一种含大规模风电电网综合安全评估模型。首先研究了多层次模糊综合评价方法，在充分分析大规模风电注入功率对电网的影响后，综合考虑风电送出水平、电网静态安全性、暂态稳定性和运行经济性多个指标建立大规模风电注入功率对电网影响的评估模型;最后以甘肃酒泉大规模风电基地为实例，仿真分析大规模风电注入对电网的影响，提出适应该风电基地的模糊评价指标、隶属度函数和评语集，对大规模风电注入功率对电网影响的评估模型计算求解，量化评估该风电送出方案，验证了所提出的评估方法的可行性和有效性。

大规模风电;电网安全评估;多层次模糊综合评价

0 引言

我国风电基地发展迅猛，大规模风电基地外送通道中风电功率比重高，对电网影响显著，主要表现在以下几个方面:(1)改变电网潮流分布;(2)影响电网静态安全;(3)影响电网暂态稳定;(4)电网调度困难;(5)改变电网有功损耗;(6)社会经济效益［1－2］。大规模风电集中注入电网带来的一系列电力系统安全稳定问题成为约束风电并网的因素。

目前对基于大规模风电注入功率对电网安全影响的研究很多，能够比较全面地考虑到电网潮流分布、电网静态安全性、电力系统功角、电压、频率等稳定性问题以及电网网损变化、电网短路容量、电网调度以及社会经济效益等方面［3－5］，但均为单一目标研究。随着大规模风电基地的建设，风电基地出力增加时，需综合考虑各种影响因素，在尽量提高风电送出能力的同时，选择一种对电网冲击较小、社会经济效益较高风电送出功率方案。因此有必要建立一种大规模风电注入功率对电网影响的评估模型，为电力系统稳定、高效运行提供指导。

本文基于大规模风电注入功率对电网的影响机理，建立了大规模风电注入功率对电网影响的综合评估模型，通过实例仿真计算分析，验证了所提出评估模型的可行性和有效性。

1 含大规模风电电网综合安全评估模型

根据国内外大规模风电接入电网对电力系统的影响的研究，结合我国大规模风电基地现状，从风电送出水平、静态安全性［6］、暂态稳定性及运行经济性四个方面研究大规模风电注入功率对电网的影响，应用层次模糊综合评价法［7－10］建立含大规模风电电网综合安全评估模型。

1.1 递阶层次结构

在对大规模风电接入电网后进行分析时，需要综合考虑风电送出水平、静态安全性、暂态稳定性以及运行经济性等要求，全面分析风电机组发电负荷率、不同接入点风电场群出力比、线路或变压器过负荷、母线电压越限、发电机最大功角差、断面稳定极限、火电机组发电负荷率和系统网损等综合影响，并对其影响进行综合评估。根据各个因素集和因素子集间相互关系，定义方案层、准则层和指标层三层递阶层次结构［11］。形成的模糊评判模型递阶层次结构关系图如1所示。

图1 模糊评判模型递阶层次结构关系

1.2 确定评语集

研究大规模风电功率注入对电网的影响时，定义评价等级标准为“差”、“一般”、“较好”、“好”、“最好”五个等级，即评价集V=(v1，v2，v3，v4，v5)，各等级对应的分值分别为E= {1，3，5，7，9 }，此处认为分值越高，评价越好。

1.3 隶属度函数

隶属度函数是将行为指标层的数值映射到评价集的函数［12］。结合大规模风电注入对电网影响的各指的标特点，采用三角形和半梯形的隶属度函数即可以准确地描述各指标水平，该两类隶属度函数曲线见图2。

图中μ(vk，λP)(k=1，2，…，5)即表示该指标对评语vk的隶属度，其中λ1～λ5为常量参数，称为行为指标隶属度函数的参数，通常是根据实际仿真验证得到的经验判断值。

图2 三角形和半梯形隶属度函数

1.4 模糊行为指标

本文基于大规模风电注入功率对电网的影响机理，确定各个模糊行为指标［13－14］。

(1)风电机组发电负荷率指标λwr

式中:α风电机组的集合;PG风电机组实际出力。(2)不同接入点注入电网风电场群出力λarea

式中:Φ为从同一接入点注入电网的风电机组的集合，φ为从另一接入点注入电网的风电机组的集合，PGw为各个区域内风电机组的出力。

(3)线路或变压器过负荷指标λL

式中:y输电线路或变压器支路集合，wl支路l的权重因子，Sl支路l的功率;Slmax支路l容量上限。

(4)母线电压越限指标λU

式中:θ母线集合;wi母线i的权重因子，Ui母线i的电压幅值，UiH和UiL分别为其上限和下限［15］。

(5)最大发电机功角差△δmax

式中:δmax1为待评估的方案中电网发生N－1故障切除后暂态过程中任意两台发电机之间最大功角差、δmax0原始运行方式下电网发生N－1故障切除后暂态过程中任意两台发电机之间最大功角差［16］。

(6)断面稳定极限λsl

式中:ψ断面集合，Pi－0、Pi－1分别为大功率的风电注入电网前后断面i的稳定极限，wi断面i的权重。

(7)火电机组发电负荷率λtr

式中:τ为出力运行状态的火电机组的集合，PGi为第i台火电机组的实际有功出力，PGNi为第i台火电机组的额定功率。

(8)系统网损指标λlr

式中:Ploss为某方案系统总有功网损，β为所有机组集合，PG为机组出力。

式(3)、(4)中权重因子在取值时，一般令n取值为1，既避免遮蔽现象发生，又满足计算速度的要求，对越限程度差异性的描述也更为贴切。

2 实例分析

选取甘肃省2011年冬季大负荷典型运行方式中河西地区风电送出方案作为本文的原始风电送出方案，在此方案基础上增加大规模的风电送出功率，进行甘肃电网综合影响的仿真分析。2011年甘肃电网示意图如图3所示。

图3 2011年甘肃电网示意

河西电网位于甘肃西部的河西走廊，为典型的链式长距离供电网络;截至2011年底，酒泉风电基地的并网风电场总容量已超过5000MW。因此通过仿真分析河西地区大规模风电功率注入电网后给甘肃全网带来的影响，并定量评估计算其影响程度有着重要意义。

2.1 评估模型中行为指标隶属度函数参数确定

甘肃电网2011年冬季大负荷方式下，大规模风电注入功率对电网影响的评估模型中，隶属度函数是进行评估模型的基础。指标隶属度函数的参数确定，需结合甘肃电网实际情况，利用电力系统综合分析程序仿真分析得到。设定河西风电大规模注入电网的方案为:新疆送甘肃电网容量不变，河西风电出力由1000MW增加至2500MW。大规模风电注入功率对电网影响的评估模型中行为指标隶属度函数参数值如表1所示。

表1 评估模型中行为指标隶属度函数参数

2.2 河西风电外送方案模糊行为指标值

考虑风电送出水平、静态安全性、暂态稳定性以及运行经济性等约束，仿真分析该方案对各个指标的影响。上述大规模风电注入电网方案中模糊行为指标值如表2所示。

表2 该方案下模糊行为指标值

2.3 河西大规模风电注入电网方案评估计算

该风电送出方案评估中各因素的重要性不同，其评估的结果也不同。根据目前国家政策实际情况，鼓励新能源并网，因此准则层中风电送出水平权重适当增加。

(1)准则层和指标层的权重系数集

准则层权重系数集:

w=(0.45 0.2 0.2 0.15)

各指标层系数集:

(2)一级模糊综合评价

第r个准则下的第j个因素Crj隶属于评语集中第k个评语的隶属度矩阵，即Br到评语集V的模糊关系矩阵Rr为:

通过模糊矩阵的合成运算，可得Ur的模糊综合评价集:

Ur所有因素隶属于评语集中各评语加权和:

(3)二级模糊综合评价

二级模糊综合评价指准则层上风电送出水平、静态安全性、暂态稳定性以及运行经济性等因素权重结合各因素的隶属度矩阵得到的综合考虑各因素的影响时，被评价事物对评语集中第k个评语的隶属度。

(4)评估结果

该方案的评估结果计算即模糊综合评价的优先度N为5.68376。

从模糊综合评价结果可以看出，河西地区大规模风电接入后对甘肃电网的综合影响评估结果在5和7之间，为较好与好之间，该评价体系的侧重点为优先风电送出，因此，适当增加风电送出规模，可以使该方案在这种评价体系下提高评估得分。

3 结语

基于大规模风电注入功率对电网的影响机理和多层次模糊综合评价模型，建立了大规模风电注入功率对电网影响的评估模型，并以甘肃电网实际数据，对河西地区大规模风电接入后对甘肃电网的综合影响为实例进行仿真计算，对大规模风电送出功率方案进行了评估，验证了所提出评估方法的可行性和有效性。

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Research on comprehensive safety assessmentmodel of grid with large－scale wind power

A method to assess the im pactof large－scale w ind power injection into power system based on multi－level fuzzy comprehensive evaluation model is proposed.Firstly studies the multi－level fuzzy com prehensive evaluation model.The assessmentmodelof the impact of large－scale w ind power injection into power system which com prehensively considers several aspects as w ind power output level，static security，transient stability and econom icaloperation is built based on the deeply research on the influence of large－scale w ind power injection.At last Gansu Jiuquan large－scale w ind power base is taken as an example to simulate and analyze the effect of large－scale w ind power injection into power system.Fuzzy behavioral indicator，membership degree indicator and evaluation sets that fit Jiuquan w ind and solar power base are presented.Then the assessment modelof the im pactof large－scale w ind power injection into power system is calculated and the feasibility of the evaluation model is verified.

large－scale w ind power;grid safety assessm ent;multi－level fuzzy com p rehensive eva luation

TM614

:B

:1674－8069(2015)02－052－04

2014-10-27;

:2014-12-16

杨列銮(1963-)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统分析及控制与新能源并网研究。E－mail:danbenbenme@ 163.com