一種考慮風電隨機性的電力系統電壓運行區間計算方法

摘 要： 針對風電場出力的波動性使風電接入地區電網的隨機性增強，并網點電壓波動的頻率和幅度變大，造成的電壓穩定問題，以實際風電場的運行數據為基礎，通過統計學方法分析風電場輸出功率的波動特性，得到風功率波動率在不同時間尺度內的分布參數以及95%置信區間，并分析不同風電水平下的電壓波動特性，在此基礎上提出使用[t] location?scale分布函數對電壓波動率的概率分布進行擬合，進而得出一種基于風功率波動特性以及仿射區間潮流算法的電壓運行區間計算方法，通過該方法計算得到的電壓運行區間反映了在風功率波動條件下未來一段時間內電力系統電壓的運行區間，對風電接入系統的運行、控制及規劃工作具有重要的指導意義。

關鍵詞： 風功率波動； 隨機性； 仿射運算； 區間潮流； 電壓波動特性

中圖分類號： TN915.853?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0125?03

Abstract： The fluctuation of wind power plant can enhance the power grid randomness of wind power access region， and increase the frequency and amplitude of the voltage fluctuation at the connection point， which may cause the voltage stability problem. On the basis of the operating data of practical wind power plant， the statistical method is used to analyze the fluctuation characteristic of the wind power plant output power， so as to obtain the distribution parameters and 95% confidence interval of wind power fluctuation in different time scales， and analyze the voltage fluctuation characteristic under different wind power levels. On this basis， the t location?scale distribution function is used to fit the probability distribution of voltage fluctuation rate， and the voltage operating range calculation method based on wind power fluctuation characteristic and affine interval power flow algorithm is obtained. The voltage operating range calculated by this method reflects the possible operating voltage range of the electric power system within a period of time in the future under the condition of wind power fluctuation， and has an important guiding significance for the operation， control and planning work of the wind power access system.

Keywords： wind power fluctuation； randomness； affine operation； interval power flow； voltage fluctuation characteristic

風力發電作為技術最成熟、最具規模化開發條件的可再生能源，在國內外得到了迅猛發展。但由于風力發電出力的隨機性和難以調度控制等特點，將對系統的電能質量和穩定性產生負面影響。基于此，本文研究了針對確定性潮流難以適應系統波動性的問題，提出一種基于風功率波動特性和改進區間潮流算法的電壓波動區間計算方法，得到風功率波動條件下未來一段時間內電力系統電壓可能的運行區間，從而可為大規模風電并網系統中的電壓補償方案提供參考，以利于緩解電力工業在節能減排上日益增長的壓力。

1 風電場出力波動率及其分布特性

風功率的波動率有不同的定義方法，而系統實際測量得到的風功率總是某一個時間點的瞬時功率。風電場出力的波動率具有中間大、兩頭寬泛的“胖尾性”特點，與正態分布、極值分布等其他概率分布函數相比，帶位移因子與伸縮系數的[t]分布（t location?scale）更適合描述具有這些特點的風功率波動率的概率分布。

式中：[μ]為位置參數；[σ]為尺度參數；[ν]為形狀參數。對風電場全年的風功率波動率進行t location?scale擬合，得到擬合參數[μ，][σ，][ν，]并可以計算得到風功率波動率的置信區間（Confidence Interval，CI）。再通過t location?scale的累積概率分布函數可以求得風功率波動率的95%置信區間。

研究結果表明，風功率波動率在不同時間尺度程序具有不同的特性：時間越長，風電可能的波動范圍越大，隨機性越強。而對于5 min以內的功率波動，由于波動幅度相對較小，大部分會被常規水電機組和火電機組的機械慣性、熱力以及控制死區吸收，對系統的影響有限。因此，只需對5 min及15 min的波動特性進行分析說明。

2 風電波動對系統電壓的影響

風電場往往位于偏遠地區，其輸電線路較長，線路電阻、電抗相對較大。當風電場輸出功率波動時，其線路上的電流分量同樣波動，導致并網點電壓出現較大波動。為分析風電波動對系統電壓的影響，類似于風功率波動率采用如下電壓波動率計算公式：

從表1的擬合參數最終得到不同的風電出力情況。在不同的時間尺度下，從電壓波動率95%置信區間分析可知：同一時間尺度下，即風電出力水平較高時，風電并網點電壓波動幅度越大，短時間內出現大幅度電壓波動的可能性越高；在風電出力水平較低時，風電并網點電壓波動幅度越小，短時間內出現大幅度波動的可能性越低。另一方面，在較長的時間尺度內，電壓波動率的增長并不明顯，這是由于系統本身的無功調節手段起了作用，因此，對于風電引起的電壓波動主要考慮5 min級的波動。

3 基于區間潮流的電壓運行區間計算

隨著局部地區風電滲透率的進一步提高，常規的確定性潮流求取的電壓運行區間無法反映系統波動性狀況，因而在系統的規劃、運行控制以及調度過程中，選用不確定性潮流算法求取電壓波動區間。通過分析風功率波動率和電壓波動隨機性特性，引入仿射運算的區間潮流，采用求取含風電并網電力系統未來某一時段內電壓運行區間的計算方法更具有效性。

（1） 對風電場歷史運行數據進行預處理（剔除壞點、歸一化等），計算特定時間尺度內的風功率波動率（這里取5 min）；

（2） 對風功率進行[t] location?scale曲線擬合，得到風功率波動率95%置信區間；

（3） 對風功率波動率進行仿射形式的分解，并代入區間潮流方程，求解區間潮流，通過仿射運算有效克服了由于潮流雅克比矩陣中的相關元素導致的區間保守性。

（4） 由區間潮流的計算結果得到電壓運行區間。

由于IEEE 14節點標準算例節點較少，電源點有限，較適合模擬風電并網地區的網架結構，故選該標準算例進行驗證分析，如圖1所示。將節點8選取為風電并網點，并保持最大出力不變，按照實際運行數據得到的5 min風功率波動率95%置信區間設置風電出力波動上下界，負荷波動率取±5%。

利用Matlab的Intlab工具箱編寫計算程序，得到區間潮流計算結果如表2，圖2，圖3所示，并與確定性潮流結果對比。

現有的研究采用不同的算例系統，僅設置5%的負荷波動進行計算，得到的區間潮流電壓幅值的上下界差的均值為0.025左右，而本文得到的5 min電壓幅值上下界差的均值為0.03。這是由于在算例系統中添加了風電并引入了風電波動，增加了不確定量，因而電壓波動區間更大。以上計算結果證明了所提電壓波動區間計算方法的可行性。

4 結 論

本文在某風電場的實際運行數據的基礎上分析了風電場的出力特性，提出了一種基于區間潮流算法求解一段時間內的電壓運行區間的方法。該方法基于統計學方法，將一定時間尺度內的風功率波動率的95%置信區間作為風電場出力波動區間代入仿射區間潮流算法，計算得到未來一段時間內風電并網點電壓運行的區間。區間潮流計算的結果實質是考慮了風電未來一段時間內產生波動時，系統潮流可能的變化區間，特別是風電并網節點電壓在未來特定時間段內的運行范圍。對風電接入系統的運行、控制及規劃工作具有重要的指導意義。

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