基于风险约束的风电场穿透极限功率优化计算

基于风险约束的风电场穿透极限功率优化计算

Optimal Calculation of Wind Power Penetration Limit Based on Risk Constrained Programming

曾利华

1

贾宁

2

侯元柏

3

Zeng Lihau 1Nin Jia g 2Hou Yuanbai 3

（1、河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄0500312、中电国际新能源控股有限公司，上海200086

3、河北建投燕山

（沽源）风能有限公司，河北沽源076550）（1.Hebei electric power design and research institute,Shijiazhuang,050031 2.China Power International New Energy Holding Ltd.,Shanghai,200086

3Hebei construction investment YANSHAN Wind power Co.,LTD,Guyuan,076550）

引言

当今能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活，为了解决这个问题，人们开始把目光投向风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源。

但是，自然界风的变化是很难预测的，风速和风向的变化，影响着风力发电机发出的功率，出力变动大是风力发电的特点。由于这种功率的不稳定性，对于系统的影响是显而易见的。随着国内风力发电项目的增加和百兆瓦级风电场的出现[1][2]，因风电场注入电网功率的变动，而造成的对电网的影响将会越来越引人注目。根据美国的风场经验，即使由数十台风力发电机组成的风场，通常1分钟最大出力变动达40％左右[3]。较大容量的风电在并网后，会给电网带来机网协调问题[4]，包括以下几方面：（1）电能质量；（2）稳定性；（3）发

电计划与调度；（4）容量可信度等[5][6]

。因此，利用含风电场的混合系统的随机模拟运算，在不同的风况下，计算出某置信条件下的风电穿透极限对于系统的影响就有十分重要的意义。

对于传统约束的计算而言，基于风险约束穿透极限的计算可谓是一种继承和发展，可以使用部分已有的模型和算法，本文进行了更加丰富的算例比较、改进，并且更注重结果的分析和总结。首先将从建模入手，在任意风力发电状态的前提下计算出系统的潮流分布以及常规发电机组的状态。此后进行多次优化潮流计算，判断是否满足网络以及热备用的约束，并根据大数定律，得出当前风电装机容量下的满足约束置信度。随后不断改变风电的穿透功率，能恰好满足要求的置信度值被记为穿透极限。

1风力发电机特性

风力发电机的标准功率特性曲线，是风力发电机在标准空气密度(空气密度为1.225kg/m 3)条件下输出的功率与风速的关系曲线。风力发电机实际功率特性曲线是用风力发电机实际安装地点的空气密度计算而得的输出功率与风速的关系曲线。

为简化风力发电机的特性曲线，使其呈现出明显的3段工作区域，用比较简单的分段函数来表示如图1。

2穿透极限功率计算原理2.1穿透功率极限概述

由风力发电场的自身特性可知，风电场的输出功率会随着短期或长期的风速变化而不断地变化，这种功率波动对于电网的影响会随着风电比例的提高而加剧。在风电比例较高的电网，这种风电场输出功率的变化，使得电网稳定运行的问题成为一个主要的问题。若系统中风电容量很大，风电带来的有功备用以及潮流分布问题就需要认真研究解决。

本文在计算风电场穿透功率极限时，采用的定义是最大风电功率与系统规划装机总容量的比值。而基于风险约束的穿透功率极限更具有其独特性。这里理解的约束是在一定风险下的约束，即一定概率置信度下满足约束，允许小概率的超标情况出现而非传统的100%满足约束。由于系统存在多种运行方式，风况条件也千差万别，在个别时候可能有某些约束条件无法满足，但是发生的概率又很低，如果以确定性的方法处理约束条件，得到的优化结果将趋于保守。机会约束规划为解决这类问题提供了可能，它允许在观测到随机变量的实现之前做出决策，只要该决策使得约束条件成立的概率高于给定的置信水平。

2.2穿透功率极限计算模型

基于机会约束求解风电穿透功率极限的数学模型中，系统约束

表达式如下：(3)备注：本论文获得中国电力投资集团公司科技项目（2009065ZDGKJX ）资助

摘要：风电场的穿透极限功率是风电场规划运行的一个重要指标。本文借用金融理论中风险价值的思想，提出一种采用机会约束规划计算风电穿透极限功率的新方法。该方法把风电穿透功率极限看作是在满足网络和设备约束前提下系统允许的风电场最大装机容量。考虑到风电场出力的随机性，在个别情况下可能有某些约束条件无法满足，但发生的概率又很低，如果以确定性的方法处理约束条件，得到的优化结果将趋于保守。机会约束规划为解决这类问题提供了可能，它允许在观测到随机变量的实现之前做出决策，只要该决策使得约束条件成立的概率高于给定的置信水平，便认为满足了机会约束，其中约束条件以概率的形式表示。针对问题特点，求解时应用了随机模拟技术，本文给出在IEEE30节点系统上进行计算的结果。目前，此方法已经应用在了一些风力发电厂的初期规划上，并且经过实践证明，取得了不错的经济和环境效益。关键词：风电穿透功率极限；机会约束；随机模拟；优化潮流

ABSTRACT:This paper introduces a new method for calculating wind power penetration limits in power system utilizing risk constrained programming.Wind power penetration limits are regarded as the maximum installed capacity of wind farm constrained by network and equipments limits,i.e.,transmission lines capability,system spinning reserve,the output limits of conventional generators etc.Considering the stochastic characteristics of wind farm outputs,the system may not meet the requirement of the constraints.If this situation is analyzed by traditional way,the result can be too conservative.The risk constrained programming can tolerate some situations beyond constraints as long as the probability of that is low enough.The constraints are expressed by means of probability,and stochastic simulation is used to solve the problem.The results will be worked out on an IEEE 30-bus system.

KEY WORDS:

wind power penetration limit ；risk constraint ；stochastic simulation ；optimal power flow 图1风机输出功率与风速关系

Fig.1The relationship between the turbo output and wind speed

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