高比例風電并網電力系統運行風險評估和應對措施分析

翟阿瑞

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原 030001）

0 引言

隨著全球氣候不斷變暖，低碳轉型對保護自然環境與人類身體健康具有越來越重要的現實意義。在此背景下，光伏、風力等可再生清潔能源受到了重點關注，但這類新能源具有一定的隨機性與間斷性，并網時給電力系統的安全穩定運行帶來了嚴重影響，且隨著風電機組裝機容量的不斷增加，電力系統運行風險加大，甚至會引發電力故障，所以風電并網電力系統運行風險評估顯得愈發重要。文獻[1]利用風險價值理論制定了具有遞進關系的三層電力系統風險評估指標，有效評估了風電功率波動給電力系統整體運行帶來的風險；文獻[2]基于潮流追蹤理論實現了電力系統運行風險的快速評估，且具有較高準確性。風能資源不僅具有儲量豐富、可再生等優勢，而且在風力發電過程中不會給環境帶來二次污染，所以本文針對高比例風電并網電力系統的運行風險評估和應對措施做了進一步研究，希望有助于推動我國智能電網的健康發展。

1 獲取高比例風電并網電力系統運行風險評估指標

對于高比例風電并網的電力系統，因風電出力的波動性易發生運行故障，所以本文在評估系統運行風險時，主要從電力系統的靜態與動態風險這兩個角度出發獲取評估指標[3]。

關于高比例風電并網電力系統的靜態運行風險，一是系統的節點電壓越限指標，其表達式如下：

式中：F1為高比例風電并網電力系統節點電壓越限風險值；P1（Vi）為電力系統節點i發生電壓越限的概率，其中Vi為系統節點i的電壓幅值；U（Vi）為電力系統節點i發生電壓越限時的電壓大??；I為高比例風電并網電力系統節點集合。

二是系統的支路潮流越限指標，其表達式如下：

式中：F2為高比例風電并網電力系統支路潮流越限風險值；P2（Qj）為電力系統支路j發生潮流越限的概率，其中Qj為支路j的有功潮流參數；W（Qj）為電力系統支路j發生潮流越限時的有功潮流大小；J為高比例風電并網電力系統支路集合。

然后是高比例風電并網電力系統的動態運行風險[4]，本文將下式所示的負荷損失作為系統動態運行風險指標：

式中：F3為高比例風電并網電力系統負荷損失風險值；P3為電力系統中負荷損失事故的預期發生概率；P4e為電力系統接入的第e個風電機組出力的概率；S（He）為電力系統接入的第e個風電機組出力時系統負荷損失量，其中He為系統的負荷損失值；E為高比例風電并網電力系統接入的風電機組數量。

綜上，為實現高比例風電并網電力系統運行風險的評估，本文從系統靜態與動態運行風險角度出發，獲取了節點電壓越限與支路潮流越限、負荷損失這三個評估指標，為后續風險評估提供數據支持。

2 高比例風電并網電力系統運行風險評估流程

根據上述內容可知，本文為完成高比例風電并網電力系統運行風險的全面評估，獲取了反映系統靜態與動態運行風險的三個指標F1、F2、F2，由于這三個指標對電力系統整體運行風險評估的重要程度并不一致，所以在此基礎上，通過對指標進行加權運算來獲得電力系統的綜合風險值[5]，具體計算公式如下：

式中：F為高比例風電并網電力系統運行風險的綜合評估值；ω1、ω2、ω3分別為電力系統運行風險指標F1、F2、F2的權值。

綜上所述，本文在進行高比例風電并網電力系統運行風險評估時，具體流程如下：首先確認風險源，通常來說高比例風電并網電力系統的主要風險源就是風電出力的波動性與隨機性，所以本文從電力系統的靜態運行與動態運行這兩個方面進行分析評估；然后在電力系統實時運行過程中，收集系統節點電壓Vi、支路潮流Qj及負荷損失He等數據，并將數據代入式（1）（2）（3）中，分別獲取高比例風電并網電力系統運行時的F1、F2、F3這三個風險指標數據；最后根據式（4）對各運行風險指標進行加權計算，從而得到電力系統的綜合風險值，以此實現高比例風電并網電力系統運行風險的定量評估。

3 實驗分析

3.1 實驗設置

為驗證上述評估方法的有效性，下面以IEEE-36節點系統為算例，在Matpower4.0的潮流分析軟件中進行仿真實驗，系統示意圖如圖1所示。

圖1 算例系統接線圖

圖1所示實驗系統主要由36個節點、35條支路組成，并接入了8臺常規風電機組，系統總裝機容量達到1 600 MW。在本次實驗過程中，首先需要利用Windows 10系統、Intel P8400處理器的計算硬件對算例系統進行潮流計算，從而獲得系統風電接入節點的電壓與負荷等數據，結果如表1所示。

表1 IEEE-36節點系統實驗數據

在上述實驗數據的基礎上，使用本文設計方法對該算例系統的運行風險進行評估，根據評估結果判斷設計方法的性能。

3.2 結果分析

為進一步分析風電并網的裝機容量對電力系統運行風險的影響，本次實驗中將算例系統的總裝機容量分別設置為100、400、800、1 200、1 600 MW，基于設計方法計算得到各裝機容量下系統綜合風險值，結果如表2所示。

從表2數據可以看出，不同裝機容量下，電力系統運行風險值各不相同，雖然風電并網可以在一定程度上彌補常規發電機組發電功率不足的缺陷，但隨著風電并網容量的不斷增加，電力系統的靜態與動態風險值逐漸增加，導致電力系統總體運行存在嚴重風險。由此可以說明，本文設計方法可以有效評估電力系統因高比例風電并網帶來的運行風險，且評估結果可以為大規模風電并網電力系統的調度與規劃提供數據支撐。

4 風險應對措施

在評估出高比例風電并網電力系統的綜合運行風險值之后，就可以針對性地制定風險應對措施。根據上述內容可知，在高比例風電并網電力系統運行過程中，節點電壓與支路潮流發生越限或系統負荷出現損失，就會導致電力系統存在運行風險，所以本文在管理電力系統運行風險時，主要從可操控性方面出發，通過調節用戶端的用電量來避免電力系統在高風險時期供電。簡單來說就是控制用戶在電力系統低風險時期用電，這樣就可以避免用電高峰期為滿足用戶電力需求系統出現節點電壓越限或支路潮流越限的風險。一般來說，電力系統用戶在用電時除滿足自身需要外還會考慮電價的問題，所以本文為實現系統的風險管理，采用電價來調控用戶用電量。在高比例風電并網電力系統的實際運行過程中，不同用戶類型對電價變動的反應程度均不一致，所以為達到通過電價變動來調控系統負荷變化的目的，本文將電力系統用戶劃分為M種類型，那么當電價發生變化時，電力系統的負荷改變量計算公式如下：

式中：ΔL（t）為當電價變化時電力系統負荷的變化量；Lm（t）為電力系統用戶m在t時段所需負荷量；γm（t）為電力價格彈性系數；ΔY為高比例風電并網電力系統的電價變化量。

在式（5）的基礎上，即可求出電價校正后高比例風電并網電力系統的負荷，計算公式如下：

式中：L0（t）、L′（t）分別為高比例風電并網電力系統在電價校正前后的負荷值。

綜上，本文利用實時電價來應對高比例風電并網電力系統的運行風險，也就是在根據式（4）求出電力系統各個時間段內的綜合運行風險值之后，控制風險值較高的時段電價升高，風險值較低的時段電價降低，這樣就可以刺激用戶適當減少系統高風險時段用電，并在低風險時段增加用電量，從而保障高比例風電并網電力系統的穩定運行。

5 結束語

在我國電網運行的過程中，加強高比例風電并網電力系統風險管理是一項主要任務，本文根據可靠性風險指標詳細分析了電力系統運行風險的定量評估方法，并結合實際數據給出電力系統運行風險的應對措施。當然，高比例風電并網電力系統是一個存在多種不確定性因素的系統，尤其是隨著系統規模的日漸擴大與結構的日益復雜，運行風險越來越大，所以電力系統的運行風險評估方法與應對措施是一個長期的研究課題。今后，筆者將繼續完善設計方法與措施，為我國電網安全穩定供電提供更多有益的參考。