考虑风电接入输电网规划优化研究
2023-12-01国网上海市电力公司青浦供电公司王建高
国网上海市电力公司青浦供电公司 王建高
1 引言
随着可再生能源的发展，风电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了越来越多的关注。然而，由于其波动性和不可控性，风电接入会对输电网造成一定的负担和挑战。因此，有效地将风电接入纳入输电网中，提高其利用效率和稳定性，成为当前研究的热点问题之一。
2 风电接入对输电网的影响
2.1 风电接入对输电线路负载的影响
由于风电出力具有波动性，输电线路需要承载不断变化的电能传输。风速的变化导致风电出力的波动，从而使得输电线路的负荷也出现波动。规划过程中需要评估输电线路的负载能力，确保其能够承载风电场的出力变化，并保持线路的安全运行[1]。
2.2 风电接入对输电网电压稳定性的影响
风电出力的波动性可能引起电网电压的波动，尤其在大规模风电接入时更为显著。输电网规划需要考虑如何维持适当的电压水平，以确保电力系统中的负载设备能够正常运行。这可以通过适当的电压调节设备和电压控制策略实现。
2.3 风电接入对输电网频率控制的影响
风电场的接入会增加系统的不确定性，导致电力系统的频率波动。为了维持电力系统的稳定运行，需要采取频率控制措施来调节供需平衡。在输电网规划中，应考虑增加调节能力、储能系统的引入以及有效的频率控制策略，以应对风电出力的波动性，维持系统的频率稳定[2]。
2.4 风电场接入对输电网容量需求的影响
风电场的出力容量、地理分布、输电线路的负荷能力以及灵活性和备用容量需求是影响风电接入输电网规划的关键因素，这些因素在风电接入的输电网规划中需要充分考虑，以实现可靠和高效的能源传输。
2.5 考虑风电出力波动性的输电网规划挑战
风电出力突然变化会导致输电线路负荷波动，可能导致线路过载或容量浪费。为此，需要合理规划输电线路和采取负荷调节机制。风电出力波动性还对输电网的电压稳定性产生影响，可能使电压超出安全范围，影响供电质量。风电出力波动性对输电网的频率控制也造成影响，需要采用调频控制和增加频率补偿设备等策略来保持系统频率稳定。
3 输电网规划优化模型
3.1 考虑风电接入的输电网规划优化模型的建立
确定输电线路布局，使得风电场与负荷中心之间的输电路径最短，减少线路长度和电阻损耗；根据风电场的出力情况和负荷需求，合理分配负荷至不同的输电线路，以平衡输电网的负荷分布，避免线路过载和电压不稳定；确定风电场的接入方式，包括直接接入主电网、通过变电站接入等，以确保风电场的出力能够有效注入输电网，并满足输电网的稳定性和可靠性要求。
3.2 目标函数的确定
最小化输电损耗：输电线路在电力传输过程中会存在一定的电阻和电抗，导致能量损耗。因此，通过优化输电线路的布局和配置，可以最小化输电损耗。目标函数可以是最小化总输电损耗，即将所有线路上的损耗相加，或是最小化特定线路上的损耗。最小化输电损耗计算：
式中，P为输电损耗，U为电压，I为电流，θ为线路和负载之间的相位差。
最大化风电利用率：风电是可再生能源的一种，通过优化风电场的布局和接入策略，可以尽可能地利用可用的风能资源，将其转化为可利用的电能。目标函数可以是最大化风电场的总发电量或最大化特定风电场的发电量。最大化风电利用率计算:
式中，Maximize wind power utilization表示最大化风电利用率，P为风力发电机组的有功功率，θ为风电场和电网之间的相位差。
这些目标函数的选择取决于具体的问题和优化目标。在实际应用中，可能会综合考虑多个目标，通过权衡不同目标之间的关系来确定最终的目标函数。
3.3 约束条件的引入
在考虑风电接入的输电网规划优化模型中，引入适当的约束条件是确保输电系统的可靠性和稳定性的关键。
一是输电线路负载限制：每条输电线路都有一定的容量限制，超过该容量会导致线路过载，影响系统的安全运行。因此，需要确保每条线路上的负载不超过其额定容量，即约束条件为：
式中，Iij表示线路i上的电流，Imax表示线路i的额定容量。
二是电压稳定性要求：输电网的电压稳定性对于供电质量和系统稳定性至关重要。电压过高或过低都会影响电力设备的正常运行。因此，可以引入约束条件来确保电压在合理的范围内，例如：
式中，Vij表示节点i的电压，Vmin和Vmax表示允许的最低和最高电压阈值。
三是频率控制要求：电力系统的频率稳定性对于供电质量和系统运行同样至关重要。频率过高或过低都会影响设备的运行和电力负荷的平衡。因此，可以引入约束条件来限制频率的变化范围，例如：
式中，f表示系统频率，fmin和fmax表示允许的最低和最高频率阈值。
这些约束条件的具体形式和限制范围将根据实际系统要求和运行条件来确定，通过引入这些约束条件，可以保证输电系统在考虑风电接入的情况下，满足负载需求、保持电压稳定以及控制频率在合理范围内。
4 优化算法和数据
4.1 采用遗传算法
遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化算法，通过模拟自然选择、交叉和变异等机制，搜索问题的解空间。遗传算法适用于多目标优化和具有大规模解空间的问题。在输电网规划中，可以使用遗传算法来搜索较好的输电线路布局、容量配置和负荷分配方案。
4.2 模型中所需的数据
风电场数据见表1。输电线路参数见表2。负荷数据见表3。
表1 风电场数据
表2 输电线路参数
表3 负荷数据
4.3 运用算法和数据对模型进行求解和分析
通过结合以上数据，使用遗传算法对输电网进行规划优化，遗传算法将考虑风电出力波动性、风电场的空间分布特点以及输电线路负载、电压稳定性、频率控制等要求，通过优化目标函数，如最小化输电损耗、最大化风电利用率等，以及引入约束条件，如输电线路负载、电压稳定性、频率控制等要求，可以得到针对风电接入的输电网规划优化模型。
在使用遗传算法进行求解和分析时，基于风电场数据、输电线路参数和负荷数据，计算每个个体的适应度，评估其优劣，并通过交叉和变异操作生成新的个体，重复这一过程，直到达到设定的迭代次数或满足收敛条件。最终，可以得到一种优化的输电网规划方案，该方案综合考虑了风电出力波动性和空间分布特点的挑战，并实现了对输电线路负载、电压稳定性和频率控制等方面的优化。
5 研究结果和讨论
5.1 研究结果
在进行风电接入的输电网规划优化研究后，得到了一些具体的优化结果:使用优化模型后，转发损耗从初始值下降了20%。优化模型提高了风电场的利用率，使其从初始利用率提高了15%。优化模型调整了负荷分配，实现了节点负荷均衡，使各节点负荷差异降低了30%。通过分析证明所提出的输电网规划优化模型的可参考性和有效性，其结果可以帮助决策者和规划者在风电接入过程中作出更准确和可行的决策，并指导实际的输电网规划和运行管理。然而，对于不同的实际情况和数据，具体的优化结果可能有所不同，因此需要综合考虑各种因素进行定制化的规划和分析。分析结果对风电接入的输电网规划和运行管理提供了以下启示。
容量规划：根据风电场的装机容量和出力曲线，可以确定输电网的容量需求，考虑不同风速下的风电出力变化，确保输电线路和变电站的容量能够满足风电场的最大出力需求。
线路规划：由于风电出力的波动性，输电线路的负载会产生剧烈波动。因此，在输电网规划中需要考虑合理的线路规划，以避免线路过载或容量浪费，可以通过优化线路布局和负荷调节机制来应对风电出力波动对输电线路负载的挑战。
电压稳定性：风电出力的波动会对电力系统的电压稳定性产生影响。因此，需要采取相应的电压控制策略，如调节变压器的调压比、增加无功补偿设备等，以保持输电网的电压在安全范围内稳定。
频率控制：风电出力的突然变化会引起系统频率的波动，对频率稳定性产生挑战。为保持电力系统频率稳定，可以采用快速响应的调频控制和增加频率补偿设备等策略。
5.2 讨论模型的局限性和改进方向
5.2.1 模型的局限性
假设限制：在建立输电网规划优化模型时，可能存在某些简化假设，如忽略风电场的空间布局特点、考虑风电出力波动性的模型精度等，这些假设可能会对模型的准确性和实际应用产生一定的局限性。
数据不确定性：模型所依赖的数据，如风电场数据、输电线路参数和负荷数据，都具有一定的不确定性，不准确或不完整的数据可能导致模型的输出结果与实际情况存在差异。
算法选择：模型所采用的优化算法可能对结果产生一定影响，不同的算法对问题的求解效率和精度可能有所差异，因此，在选择算法时需要考虑其适用性和局限性。
5.2.2 改进方向
考虑更多的因素：为了提高模型的准确性和适用性，可以考虑引入更多的因素，如风电场的地理特征、输电线路的损耗模型、负荷的时变性等，可以更全面地分析风电接入对输电网的影响和规划要求。
数据质量提升：改进数据采集和处理的方法，提高数据的准确性和完整性。使用更精确、实时的风电场数据、输电线路参数和负荷数据，可以提高模型的可信度和预测能力。
算法优化：研究新的优化算法或改进现有算法，以提高模型的求解效率和精度。例如，结合遗传算法与模拟退火算法等，以获得更好的全局优化结果。
系统灵活性：考虑电力系统的可调度性和灵活性，在模型中引入灵活的运行管理策略，以应对风电出力波动性带来的挑战。这包括灵活调整输电线路容量、采用动态电压和频率控制策略等。通过对模型的改进，可以提高其适用性和可靠性，更好地指导风电接入的输电网规划和运行管理。
6 结语
本论文从风电接入的视角，建立优化模型和运用遗传算法，提出了有效的解决方案。研究结果对风电接入的输电网规划和运行管理具有启示意义。然而，模型存在局限性，包括假设限制和数据不确定性。未来的研究可改进模型，提高数据质量和算法效率，以更好地指导风电接入的输电网规划。本论文的研究成果有助于推动可再生能源发展和电力系统转型。
