魯棒優化下含風電電力系統輸電網規劃應用

程嚴寧

摘要：輸電網擴展規劃是在已知電源規劃和負荷預測的基礎上，根據現有的輸電網結構，確定在可能的輸電走廊上新建或擴建輸電線路，以滿足電力系統安全經濟的電能輸送，同時適應電力系統運行方式多樣性的過程。本文主要對魯棒優化的含風電電力系統輸電網絡規劃情況加強理論研究，希望能對輸電網的科學規劃發展有所裨益。

關鍵詞：魯棒優化；電力系統；規劃應用

0.引言

近年來風電快速發展的同時，其電能消納情況卻并不盡如人意。與傳統的火電、水電、核電不同，風電場的輸出主要取決于風能資源情況，具有隨機性和間歇性特點，可控性相對較差，即受到風能資源的隨機性特點及電網拓撲結構的制約，風電并網會對電力系統的可靠性產生一定的影響。

1.風電電力系統輸電網發展現狀

電力系統規劃由電力負荷預測、電源規劃、電網規劃等部分構成，其中電源規劃和電網規劃相輔相成、互相影響，有必要促進兩者的協調發展。為支持風電發展和大范圍消納，中國的電網企業近年來也相繼加大了電網建設的力度。即便如此，由于風電項目前期工作流程相對簡單，核準進度快，建設周期相對較短，而電網接入系統在項目審查、方案確定及工程建設方面相對復雜，致使接入系統工程與風電場建設難以同步完成，因此現有風電場建設與電網建設速度并不協調[1]。

與常規電源相比較，現階段的風電發展需要依托政策支持，而且具有集中規劃、出力間歇性、一般離主網較遠等顯著特點，因此風電場的容量確定和地點選擇、輸電網發展規劃等都將對電力系統的可靠性和投資經濟性造成一定的影響，應當積極推進二者的協調規劃與發展。除風力發電之外，電力系統運行中還存在很多不確定性因素（如負荷波動、電力設備故障等），在充分考慮各類不確定因素影響的基礎上，獲得最優的電力系統規劃方案至關重要。

2.風電接入對系統產生的影響

2.1對電壓的影響

風電場接入對系統電壓的影響主要表現在：第一，啟動時對電網的沖擊；第二，運行時對電網電壓的影響。目前我國的風力發電機組主要為異步發電機，在并網前發電機本身沒有電壓，因此在并網的過渡過程中啟動沖擊電流可能達到額定電流的5—8倍，對小容量電網會造成電網電壓大幅降低，從而使電網穩定安全運行受到威脅[2]。一般風電機組的有效風速范圍在3—24m/s。當出現陣性風或脫離有效風速范圍時，就會造成風力發電功率發生大幅度變化，尤其對風電接入點處的電壓影響最大。

2.2對系統潮流的影響

風力發電機組通常都接在電網末端。但系統中沒有風電機組接入時，系統各支路處于穩定運行狀態。但當風電場投入運行時，改變了原有電網功率單向流動的特點，風電機組接入點線路的功率流動發生變化，使整個電網的功率流動和功率分配出現變化。因此可能會造成各線路超負荷輸送功率，發生電壓越限等不良后果。

2.3對電能質量的影響

風力發電產生電壓波動和和閃變的根本原因是由于風電機組輸出功率的波動。風電機組引起電壓閃變和波動的因素很多包括：風況、風電機組類型、控制系統、大型風電機組單元的啟停、風電機組單元輸出的短時劇變；并網風電機組公共連接點短路比和線路 R/X 比風電機組單元與系統中電壓反饋控制設備相互作用而帶來的不利影響等等。

風電發電機本身產生的諧波幾乎可以忽略，但是大量的電力電子器件、電能轉換系統的應用，給系統引入了大量諧波，諧波的幅度和階次受到發電方式以及轉換器的工作模式的影響。風電并網對繼電保護也有影響，與常規配電網不同，風電場接入系統后改變了原有的網絡潮流使之與電網之間的潮流有可能是雙向的[3]。當電網發生短路時，風電場有可能會向短路點輸送短路電流，使得電流保護無法正常工作。異步電動機發生短路故障時，由于沒有調節勵磁能力，造成機端電壓顯著降低，使得風力發電機出現近距離三相短路時只能提供短暫故障電流。

3.基于魯棒優化的含風電電力系統規劃思路

為實現風電場并網線路的合理決策，應進行風電場接入系統方案與輸電網擴展的協調規劃，達到系統可靠性與投資經濟性的整體最優。盡管輸電網優化規劃是一個大規模非線性混合整數規劃問題，但其本質上包括確定最優擴展投資和系統運行分析兩方面內容，BenderS分解算法通過將電網規劃問題分解為投資主問題和運行子問題進行求解，目前已在確定性電網規劃問題中得到了應用。在考慮輸電網擴展規劃的同時，為實現風電場接入線路的合理決策，應進行風電場接入系統線路與輸電網擴展的協調規劃，達到系統可靠性與投資經濟性的整體最優。

首先建立魯棒優化模型，對待解決的問題進行深入研究，確定問題中的優化對象，辨別哪些是控制變量，哪些是狀態變量，和這些變量的維數，以及這些變量之間的關系，判斷變量中是否含有不確定因素，如果含有就要給定這個不確定因素一個變化范圍。分析好這些問題后，就可以利用魯棒優化理論的數學方法將模型中的目標函數、控制變量、約束條件和不確定參數進行整理轉化，最后得到該問題的魯棒優化模型。

在傳統的無功優化規劃基礎上，以電網有功損耗費用和無功補償設備費用綜合最小為目標函數，采用罰函數法將電壓越限加入目標函數中作為懲罰費用，使系統在經濟運行時，保持合理的電壓水平。為考慮負荷變化對無功優化規劃的影響，將系統運行狀態分為最大、一般和最小三種負荷方式。在最大負荷方式下可確定無功補償地點和補償容量上限，其他方式電容器組自動投切。在進行潮流計算過程中，通過加入風電機組無功功率對電壓的偏導修正雅可比矩陣，給出較了為準確的含風電場電力系統潮流計算模型。通過引入電壓無功靈敏度方法，對系統節點進行篩選，確定候選無功補償節點，從而有效的節約計算時間和減少資源浪費。針對風電機組出力的不確定性，首次將魯棒優化方法應用到系統的無功優化規劃研究中，對含不確定因素的風電機組出力進行數學描述，通過對約束條件的轉換，將問題轉化為確定量的無功優化規劃模型。

4.結語

總而言之，由于模型考慮的是最壞情況下的最優選擇，相對于其他方法，其結果具有保守性。同時，鑒于論文篇幅的限制和對問題研究深度，對于相關研究還有很多改進和深入挖掘。希望能通過此次研究有助于實際的工作執行。

參考文獻：

[1]楊樺，梁海峰，李庚銀.含雙饋感應電機的風電場電壓協調控制策略[J].電網技術.2015（02）

[2]何禹清，彭建春，毛麗林，曹麗華.含多個風電機組的配電網無功優化[J].電力系統自動化.2016（19）

[3]陳惠粉，喬穎，魯宗相，閔勇.風電場群的無功電壓協調控制策略[J].電力系統自動化.2015（18）