风电接入带来的不确定性研究

摘要

风能的大规模开发有助于解决目前面临的能源枯竭和环境污染等问题。受风力资源随机变化的影响，风电存在不确定性。对于电力系统，风电始终是一种不可控电源，其并网运行问题已成为制约其发展的最重要因素。风电接入带来的不确定性，对电力系统的安全性与充裕性都构成挑战。随着气候、环境因素与系统安全性和充裕性的关联程度增大，如何扩展时空停电防御框架的功能与应用来应对风电的不确定性，就成为一个迫切需要解决的重要问题。
　　 风电系统除负荷和故障等外部不确定因素外，还存在内部不确定性。内部不确定性既包括风自身的不确定性（波动性、间歇性以及两者所具有的高度随机性），还包括风力发电过程中带入的不确定性。本文对比分析波动性和间歇性的成因、特性以及短时间风功率不确定性的描述方法。分析风电不确定性对系统功角、电压、频率、充裕性等的影响及其机理。
　　 从发电侧、电网侧及需求侧分别讨论其应对措施，策略的优化及协调;强调量化和风险分析方法在研究大规模风电接入对电力系统的影响中的重要性。发电侧加强超短期预测、风电场有功/无功综合控制及与其他电源互补等。电网侧优化电网结构、合理调度及增强电网的抗扰动能力，强化电网连接发电侧和需求侧的纽带作用，共同应对风电不确定性。需求侧利用需求侧管理、分布式发电及电动汽车等措施对电力负荷削峰填谷。风电不确定性不是某一层面或某一措施可以单独解决的，需要从发输用三方面对风电不确定性带来的运行风险进行预警与综合防御。
　　 安全性方面，需要考虑电网运行与风电场的交互影响:一方面要在三道防线中综合考虑风电接入影响;另一方面要分析电网故障对风电场稳定性的影响。分析风电接入后系统的暂态电压稳定和暂态功角稳定，并评估其风险。首先比较感应发电机和感应电动机的暂态电压稳定特性;对应于感应电动机的暂态电压稳定判据，提出感应发电机的暂态电压稳定判据及相应的稳定裕度定义。其中综合考虑了节点电压和转子转速的影响，合理设计了多判据的执行流程，以保证远离临界条件时的快速性及接近临界条件时的准确性。用反复仿真试探到的暂态电压稳定的故障临界切除时间作为标准，考核基于上述稳定裕度的灵敏度分析算法。其次，基于暂态电压稳定量化分析技术，计算暂态电压稳定域，并评估暂态电压失稳风险。
　　 充裕性方面，需要定量的评估控制场景的概率水平，实现风电的动态概率预报;扩展不同风险水平的控制手段，如冷、热、旋转备用，实现多时间尺度的控制协调。只有这样，才可能将风电的不确定性导致的备用成本降低到合理水平，真正实现节能减排。本文分析充裕控制中风功率预测信息的时空信息的挖掘。指出依赖单一备用手段和短时间优化旋转备用都存在很大的局限性，并分析多等级备用（含弃风控制）协调优化的重要性和优越性。在此基础上，基于风险观点，从多时间尺度实现多等级备用的协调优化，实现自适应充裕性控制;在开放的市场环境下，分析备用容量和备用价格对充裕控制的影响。
　　 本课题受国家自然科学基金重点项目(91024028)，863项目(2011AA05A105)，国家电网公司科技项目(SG10&SG11)，香港RGCGrant(5151/10E)和澳大利亚ARC(DP120101345)资助，是广域监测分析保护控制系统（WARMAP）的进一步研究。通过在工程应用中不断完善，扩展WARMAP功能和应用，必将为风电系统的可靠性研究提供实用的分析工具。

目录

声明

摘要

缩写及符号

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 电力系统安全稳定性的量化分析

1．2．1 EEAC功角稳定量化理论

1．2．2 暂态频率偏移安全的量化

1．2．3 暂态电压稳定性量化

1．2．4 暂态电压偏移可接受性的量化

1．3 电力系统充裕性分析

1．3．1 传统研究方法的不足

1．3．2 充裕控制决策优化框架

1．4 电力系统可靠性的不确定性分析方法

1．4．1 概率方法

1．4．2 风险方法

1．5 时空协调的大停电防御框架

1．5．1 时空多道防线的优化协调

1．5．2 广域测量保护控制系统

1．5．3 时空协调防御框架的扩展

1．5．4 风电对WAP的影响以及WAP的对策

1．6 本文研究思路与主要工作

1．6．1 论文研究思路

1．6．2 论文主要工作

第2章 关于风电不确定性对电力系统影响的评述

2．1 引言

2．2 风电的不确定性

2．2．1 风电系统内部不确定性

2．2．2 与其他不确定性因素的比较

2．2．3 描述

2．2．4 不确定性因素分类

2．3 风电不确定性对系统的影响

2．3．1 对频率的影响

2．3．2 对电压的影响

2．3．3 对暂态稳定性的影响

2．3．4 对动态特性的影响

2．3．5 对充裕性的影响

2．3．6 决定风电影响程度的主要因素

2．4 发电侧应对风电不确定性的技术

2．4．1 风电场应对不确定性的技术

2．4．2 常规电源应对风电不确定性的技术

2．5 电网侧应对风电不确定性的技术

2．5．1 输电阻塞

2．5．2 保护控制

2．6 需求侧应对风电不确定性的技术

2．6．1 需求侧管理

2．6．2 用户侧分布发电

2．6．3 电动汽车

2．7 风电不确定性的综合应对

2．7．1 计及风电的三道防线

2．7．2 风电系统的优化调度

2．7．3 风电系统的系统保护

2．7．4 风化分析和风险分析

2．8 本章小结

第3章 风电系统暂态电压稳定不确定性分析

3．1 引言

3．2 感应发电机和感应电动机的比较

3．2．1 电磁转矩

3．2．2 对功角稳定的影响

3．2．3 对电压稳定性的影响

3．2．4 对无功功率支持的需求

3．3 感应发电机的暂态电压稳定判据

3．3．1 定性判据

3．3．2 判据4的例证

3．3．3 判据的执行流程

3．3．4 判据4的有效性分析

3．3．5 k值的影响

3．4 暂态电压稳定裕度

3．4．1 裕度指标

3．4．2 算例分析

3．5 考虑风速、负荷和故障不确定性的暂态电压稳定域计算

3．6 哲态电压稳定风险评估

3．7 本章小结

第4章 风电系统自适应充裕控制的仿真研究

4．1 引言

4．2 充裕控制中的风功率预测

4．3 多等级的备用容量

4．4 充裕控制模型

4．4．1 自适应充裕控制模型原理

4．4．2 模型的数学描述

4．4．3 自适应充裕控制方法

4．5 仿真分析

4．5．1 预测／优化区间的长度对结果的影响

4．5．2 可中断负荷价格对结果的影响

4．5．3 弃风价格、弃风容量对结果的影响

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

附录A IEEE 39节点系统数据

附录B 充裕控制仿真实验数据

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间参与的研究项目

学位论文评阅及答辩情况表