鲁棒优化下含风电电力系统输电网规划应用

程严宁

摘要：输电网扩展规划是在已知电源规划和负荷预测的基础上，根据现有的输电网结构，确定在可能的输电走廊上新建或扩建输电线路，以满足电力系统安全经济的电能输送，同时适应电力系统运行方式多样性的过程。本文主要对鲁棒优化的含风电电力系统输电网络规划情况加强理论研究，希望能对输电网的科学规划发展有所裨益。

关键词：鲁棒优化；电力系统；规划应用

0.引言

近年来风电快速发展的同时，其电能消纳情况却并不尽如人意。与传统的火电、水电、核电不同，风电场的输出主要取决于风能资源情况，具有随机性和间歇性特点，可控性相对较差，即受到风能资源的随机性特点及电网拓扑结构的制约，风电并网会对电力系统的可靠性产生一定的影响。

1.风电电力系统输电网发展现状

电力系统规划由电力负荷预测、电源规划、电网规划等部分构成，其中电源规划和电网规划相辅相成、互相影响，有必要促进两者的协调发展。为支持风电发展和大范围消纳，中国的电网企业近年来也相继加大了电网建设的力度。即便如此，由于风电项目前期工作流程相对简单，核准进度快，建设周期相对较短，而电网接入系统在项目审查、方案确定及工程建设方面相对复杂，致使接入系统工程与风电场建设难以同步完成，因此现有风电场建设与电网建设速度并不协调[1]。

与常规电源相比较，现阶段的风电发展需要依托政策支持，而且具有集中规划、出力间歇性、一般离主网较远等显著特点，因此风电场的容量确定和地点选择、输电网发展规划等都将对电力系统的可靠性和投资经济性造成一定的影响，应当积极推进二者的协调规划与发展。除风力发电之外，电力系统运行中还存在很多不确定性因素（如负荷波动、电力设备故障等），在充分考虑各类不确定因素影响的基础上，获得最优的电力系统规划方案至关重要。

2.风电接入对系统产生的影响

2.1对电压的影响

风电场接入对系统电压的影响主要表现在：第一，启动时对电网的冲击；第二，运行时对电网电压的影响。目前我国的风力发电机组主要为异步发电机，在并网前发电机本身没有电压，因此在并网的过渡过程中启动冲击电流可能达到额定电流的5—8倍，对小容量电网会造成电网电压大幅降低，从而使电网稳定安全运行受到威胁[2]。一般风电机组的有效风速范围在3—24m/s。当出现阵性风或脱离有效风速范围时，就会造成风力发电功率发生大幅度变化，尤其对风电接入点处的电压影响最大。

2.2对系统潮流的影响

风力发电机组通常都接在电网末端。但系统中没有风电机组接入时，系统各支路处于稳定运行状态。但当风电场投入运行时，改变了原有电网功率单向流动的特点，风电机组接入点线路的功率流动发生变化，使整个电网的功率流动和功率分配出现变化。因此可能会造成各线路超负荷输送功率，发生电压越限等不良后果。

2.3对电能质量的影响

风力发电产生电压波动和和闪变的根本原因是由于风电机组输出功率的波动。风电机组引起电压闪变和波动的因素很多包括：风况、风电机组类型、控制系统、大型风电机组单元的启停、风电机组单元输出的短时剧变；并网风电机组公共连接点短路比和线路 R/X 比风电机组单元与系统中电压反馈控制设备相互作用而带来的不利影响等等。

风电发电机本身产生的谐波几乎可以忽略，但是大量的电力电子器件、电能转换系统的应用，给系统引入了大量谐波，谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器的工作模式的影响。风电并网对继电保护也有影响，与常规配电网不同，风电场接入系统后改变了原有的网络潮流使之与电网之间的潮流有可能是双向的[3]。当电网发生短路时，风电场有可能会向短路点输送短路电流，使得电流保护无法正常工作。异步电动机发生短路故障时，由于没有调节励磁能力，造成机端电压显著降低，使得风力发电机出现近距离三相短路时只能提供短暂故障电流。

3.基于鲁棒优化的含风电电力系統规划思路

为实现风电场并网线路的合理决策，应进行风电场接入系统方案与输电网扩展的协调规划，达到系统可靠性与投资经济性的整体最优。尽管输电网优化规划是一个大规模非线性混合整数规划问题，但其本质上包括确定最优扩展投资和系统运行分析两方面内容，BenderS分解算法通过将电网规划问题分解为投资主问题和运行子问题进行求解，目前已在确定性电网规划问题中得到了应用。在考虑输电网扩展规划的同时，为实现风电场接入线路的合理决策，应进行风电场接入系统线路与输电网扩展的协调规划，达到系统可靠性与投资经济性的整体最优。

首先建立鲁棒优化模型，对待解决的问题进行深入研究，确定问题中的优化对象，辨别哪些是控制变量，哪些是状态变量，和这些变量的维数，以及这些变量之间的关系，判断变量中是否含有不确定因素，如果含有就要给定这个不确定因素一个变化范围。分析好这些问题后，就可以利用鲁棒优化理论的数学方法将模型中的目标函数、控制变量、约束条件和不确定参数进行整理转化，最后得到该问题的鲁棒优化模型。

在传统的无功优化规划基础上，以电网有功损耗费用和无功补偿设备费用综合最小为目标函数，采用罚函数法将电压越限加入目标函数中作为惩罚费用，使系统在经济运行时，保持合理的电压水平。为考虑负荷变化对无功优化规划的影响，将系统运行状态分为最大、一般和最小三种负荷方式。在最大负荷方式下可确定无功补偿地点和补偿容量上限，其他方式电容器组自动投切。在进行潮流计算过程中，通过加入风电机组无功功率对电压的偏导修正雅可比矩阵，给出较了为准确的含风电场电力系统潮流计算模型。通过引入电压无功灵敏度方法，对系统节点进行筛选，确定候选无功补偿节点，从而有效的节约计算时间和减少资源浪费。针对风电机组出力的不确定性，首次将鲁棒优化方法应用到系统的无功优化规划研究中，对含不确定因素的风电机组出力进行数学描述，通过对约束条件的转换，将问题转化为确定量的无功优化规划模型。

4.结语

总而言之，由于模型考虑的是最坏情况下的最优选择，相对于其他方法，其结果具有保守性。同时，鉴于论文篇幅的限制和对问题研究深度，对于相关研究还有很多改进和深入挖掘。希望能通过此次研究有助于实际的工作执行。

参考文献：

[1]杨桦，梁海峰，李庚银.含双馈感应电机的风电场电压协调控制策略[J].电网技术.2015（02）

[2]何禹清，彭建春，毛丽林，曹丽华.含多个风电机组的配电网无功优化[J].电力系统自动化.2016（19）

[3]陈惠粉，乔颖，鲁宗相，闵勇.风电场群的无功电压协调控制策略[J].电力系统自动化.2015（18）