楊列鑾，楊斌，但揚(yáng)清，王維洲，劉文穎

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730050;2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南250001;3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

含大規(guī)模風(fēng)電電網(wǎng)綜合安全評估模型研究

楊列鑾1，楊斌2，但揚(yáng)清3，王維洲1，劉文穎3

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730050;2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南250001;3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

基于多層次模糊綜合評價方法提出了一種含大規(guī)模風(fēng)電電網(wǎng)綜合安全評估模型。首先研究了多層次模糊綜合評價方法，在充分分析大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)的影響后，綜合考慮風(fēng)電送出水平、電網(wǎng)靜態(tài)安全性、暫態(tài)穩(wěn)定性和運行經(jīng)濟(jì)性多個指標(biāo)建立大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的評估模型;最后以甘肅酒泉大規(guī)模風(fēng)電基地為實例，仿真分析大規(guī)模風(fēng)電注入對電網(wǎng)的影響，提出適應(yīng)該風(fēng)電基地的模糊評價指標(biāo)、隸屬度函數(shù)和評語集，對大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的評估模型計算求解，量化評估該風(fēng)電送出方案，驗證了所提出的評估方法的可行性和有效性。

大規(guī)模風(fēng)電;電網(wǎng)安全評估;多層次模糊綜合評價

0 引言

我國風(fēng)電基地發(fā)展迅猛，大規(guī)模風(fēng)電基地外送通道中風(fēng)電功率比重高，對電網(wǎng)影響顯著，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)改變電網(wǎng)潮流分布;(2)影響電網(wǎng)靜態(tài)安全;(3)影響電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定;(4)電網(wǎng)調(diào)度困難;(5)改變電網(wǎng)有功損耗;(6)社會經(jīng)濟(jì)效益［1－2］。大規(guī)模風(fēng)電集中注入電網(wǎng)帶來的一系列電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題成為約束風(fēng)電并網(wǎng)的因素。

目前對基于大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)安全影響的研究很多，能夠比較全面地考慮到電網(wǎng)潮流分布、電網(wǎng)靜態(tài)安全性、電力系統(tǒng)功角、電壓、頻率等穩(wěn)定性問題以及電網(wǎng)網(wǎng)損變化、電網(wǎng)短路容量、電網(wǎng)調(diào)度以及社會經(jīng)濟(jì)效益等方面［3－5］，但均為單一目標(biāo)研究。隨著大規(guī)模風(fēng)電基地的建設(shè)，風(fēng)電基地出力增加時，需綜合考慮各種影響因素，在盡量提高風(fēng)電送出能力的同時，選擇一種對電網(wǎng)沖擊較小、社會經(jīng)濟(jì)效益較高風(fēng)電送出功率方案。因此有必要建立一種大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的評估模型，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行提供指導(dǎo)。

本文基于大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)的影響機(jī)理，建立了大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的綜合評估模型，通過實例仿真計算分析，驗證了所提出評估模型的可行性和有效性。

1 含大規(guī)模風(fēng)電電網(wǎng)綜合安全評估模型

根據(jù)國內(nèi)外大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響的研究，結(jié)合我國大規(guī)模風(fēng)電基地現(xiàn)狀，從風(fēng)電送出水平、靜態(tài)安全性［6］、暫態(tài)穩(wěn)定性及運行經(jīng)濟(jì)性四個方面研究大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)的影響，應(yīng)用層次模糊綜合評價法［7－10］建立含大規(guī)模風(fēng)電電網(wǎng)綜合安全評估模型。

1.1 遞階層次結(jié)構(gòu)

在對大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后進(jìn)行分析時，需要綜合考慮風(fēng)電送出水平、靜態(tài)安全性、暫態(tài)穩(wěn)定性以及運行經(jīng)濟(jì)性等要求，全面分析風(fēng)電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率、不同接入點風(fēng)電場群出力比、線路或變壓器過負(fù)荷、母線電壓越限、發(fā)電機(jī)最大功角差、斷面穩(wěn)定極限、火電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率和系統(tǒng)網(wǎng)損等綜合影響，并對其影響進(jìn)行綜合評估。根據(jù)各個因素集和因素子集間相互關(guān)系，定義方案層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三層遞階層次結(jié)構(gòu)［11］。形成的模糊評判模型遞階層次結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如1所示。

圖1 模糊評判模型遞階層次結(jié)構(gòu)關(guān)系

1.2 確定評語集

研究大規(guī)模風(fēng)電功率注入對電網(wǎng)的影響時，定義評價等級標(biāo)準(zhǔn)為“差”、“一般”、“較好”、“好”、“最好”五個等級，即評價集V=(v1，v2，v3，v4，v5)，各等級對應(yīng)的分值分別為E= {1，3，5，7，9 }，此處認(rèn)為分值越高，評價越好。

1.3 隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)是將行為指標(biāo)層的數(shù)值映射到評價集的函數(shù)［12］。結(jié)合大規(guī)模風(fēng)電注入對電網(wǎng)影響的各指的標(biāo)特點，采用三角形和半梯形的隸屬度函數(shù)即可以準(zhǔn)確地描述各指標(biāo)水平，該兩類隸屬度函數(shù)曲線見圖2。

圖中μ(vk，λP)(k=1，2，…，5)即表示該指標(biāo)對評語vk的隸屬度，其中λ1～λ5為常量參數(shù)，稱為行為指標(biāo)隸屬度函數(shù)的參數(shù)，通常是根據(jù)實際仿真驗證得到的經(jīng)驗判斷值。

圖2 三角形和半梯形隸屬度函數(shù)

1.4 模糊行為指標(biāo)

本文基于大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)的影響機(jī)理，確定各個模糊行為指標(biāo)［13－14］。

(1)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率指標(biāo)λwr

式中:α風(fēng)電機(jī)組的集合;PG風(fēng)電機(jī)組實際出力。(2)不同接入點注入電網(wǎng)風(fēng)電場群出力λarea

式中:Φ為從同一接入點注入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組的集合，φ為從另一接入點注入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組的集合，PGw為各個區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的出力。

(3)線路或變壓器過負(fù)荷指標(biāo)λL

式中:y輸電線路或變壓器支路集合，wl支路l的權(quán)重因子，Sl支路l的功率;Slmax支路l容量上限。

(4)母線電壓越限指標(biāo)λU

式中:θ母線集合;wi母線i的權(quán)重因子，Ui母線i的電壓幅值，UiH和UiL分別為其上限和下限［15］。

(5)最大發(fā)電機(jī)功角差△δmax

式中:δmax1為待評估的方案中電網(wǎng)發(fā)生N－1故障切除后暫態(tài)過程中任意兩臺發(fā)電機(jī)之間最大功角差、δmax0原始運行方式下電網(wǎng)發(fā)生N－1故障切除后暫態(tài)過程中任意兩臺發(fā)電機(jī)之間最大功角差［16］。

(6)斷面穩(wěn)定極限λsl

式中:ψ斷面集合，Pi－0、Pi－1分別為大功率的風(fēng)電注入電網(wǎng)前后斷面i的穩(wěn)定極限，wi斷面i的權(quán)重。

(7)火電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率λtr

式中:τ為出力運行狀態(tài)的火電機(jī)組的集合，PGi為第i臺火電機(jī)組的實際有功出力，PGNi為第i臺火電機(jī)組的額定功率。

(8)系統(tǒng)網(wǎng)損指標(biāo)λlr

式中:Ploss為某方案系統(tǒng)總有功網(wǎng)損，β為所有機(jī)組集合，PG為機(jī)組出力。

式(3)、(4)中權(quán)重因子在取值時，一般令n取值為1，既避免遮蔽現(xiàn)象發(fā)生，又滿足計算速度的要求，對越限程度差異性的描述也更為貼切。

2 實例分析

選取甘肅省2011年冬季大負(fù)荷典型運行方式中河西地區(qū)風(fēng)電送出方案作為本文的原始風(fēng)電送出方案，在此方案基礎(chǔ)上增加大規(guī)模的風(fēng)電送出功率，進(jìn)行甘肅電網(wǎng)綜合影響的仿真分析。2011年甘肅電網(wǎng)示意圖如圖3所示。

圖3 2011年甘肅電網(wǎng)示意

河西電網(wǎng)位于甘肅西部的河西走廊，為典型的鏈?zhǔn)介L距離供電網(wǎng)絡(luò);截至2011年底，酒泉風(fēng)電基地的并網(wǎng)風(fēng)電場總?cè)萘恳殉^5000MW。因此通過仿真分析河西地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電功率注入電網(wǎng)后給甘肅全網(wǎng)帶來的影響，并定量評估計算其影響程度有著重要意義。

2.1 評估模型中行為指標(biāo)隸屬度函數(shù)參數(shù)確定

甘肅電網(wǎng)2011年冬季大負(fù)荷方式下，大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的評估模型中，隸屬度函數(shù)是進(jìn)行評估模型的基礎(chǔ)。指標(biāo)隸屬度函數(shù)的參數(shù)確定，需結(jié)合甘肅電網(wǎng)實際情況，利用電力系統(tǒng)綜合分析程序仿真分析得到。設(shè)定河西風(fēng)電大規(guī)模注入電網(wǎng)的方案為:新疆送甘肅電網(wǎng)容量不變，河西風(fēng)電出力由1000MW增加至2500MW。大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的評估模型中行為指標(biāo)隸屬度函數(shù)參數(shù)值如表1所示。

表1 評估模型中行為指標(biāo)隸屬度函數(shù)參數(shù)

2.2 河西風(fēng)電外送方案模糊行為指標(biāo)值

考慮風(fēng)電送出水平、靜態(tài)安全性、暫態(tài)穩(wěn)定性以及運行經(jīng)濟(jì)性等約束，仿真分析該方案對各個指標(biāo)的影響。上述大規(guī)模風(fēng)電注入電網(wǎng)方案中模糊行為指標(biāo)值如表2所示。

表2 該方案下模糊行為指標(biāo)值

2.3 河西大規(guī)模風(fēng)電注入電網(wǎng)方案評估計算

該風(fēng)電送出方案評估中各因素的重要性不同，其評估的結(jié)果也不同。根據(jù)目前國家政策實際情況，鼓勵新能源并網(wǎng)，因此準(zhǔn)則層中風(fēng)電送出水平權(quán)重適當(dāng)增加。

(1)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)集

準(zhǔn)則層權(quán)重系數(shù)集:

w=(0.45 0.2 0.2 0.15)

各指標(biāo)層系數(shù)集:

(2)一級模糊綜合評價

第r個準(zhǔn)則下的第j個因素Crj隸屬于評語集中第k個評語的隸屬度矩陣，即Br到評語集V的模糊關(guān)系矩陣Rr為:

通過模糊矩陣的合成運算，可得Ur的模糊綜合評價集:

Ur所有因素隸屬于評語集中各評語加權(quán)和:

(3)二級模糊綜合評價

二級模糊綜合評價指準(zhǔn)則層上風(fēng)電送出水平、靜態(tài)安全性、暫態(tài)穩(wěn)定性以及運行經(jīng)濟(jì)性等因素權(quán)重結(jié)合各因素的隸屬度矩陣得到的綜合考慮各因素的影響時，被評價事物對評語集中第k個評語的隸屬度。

(4)評估結(jié)果

該方案的評估結(jié)果計算即模糊綜合評價的優(yōu)先度N為5.68376。

從模糊綜合評價結(jié)果可以看出，河西地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電接入后對甘肅電網(wǎng)的綜合影響評估結(jié)果在5和7之間，為較好與好之間，該評價體系的側(cè)重點為優(yōu)先風(fēng)電送出，因此，適當(dāng)增加風(fēng)電送出規(guī)模，可以使該方案在這種評價體系下提高評估得分。

3 結(jié)語

基于大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)的影響機(jī)理和多層次模糊綜合評價模型，建立了大規(guī)模風(fēng)電注入功率對電網(wǎng)影響的評估模型，并以甘肅電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)，對河西地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電接入后對甘肅電網(wǎng)的綜合影響為實例進(jìn)行仿真計算，對大規(guī)模風(fēng)電送出功率方案進(jìn)行了評估，驗證了所提出評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

楊列鑾(1963-)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析及控制與新能源并網(wǎng)研究。E－mail:danbenbenme@ 163.com