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摘要 大范圍極端天氣影響下的分布式光伏波動(dòng)事件對(duì)電力系統(tǒng)功率平衡問題影響顯著，可能引起棄光、切負(fù)荷等風(fēng)險(xiǎn)事故。為此，提出了基于區(qū)間分析理論的分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)區(qū)間滾動(dòng)預(yù)警方法，以針對(duì)分布式光伏波動(dòng)事件可能的危害程度進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)警。首先，明晰電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)分布式光伏波動(dòng)的功率調(diào)控機(jī)理，并制定預(yù)警等級(jí)，確定不同功率控制手段能夠應(yīng)對(duì)的分布式光伏波動(dòng)幅度區(qū)間，即不同預(yù)警等級(jí)對(duì)應(yīng)的預(yù)警界限；然后，依據(jù)分布式光伏波動(dòng)的概率密度，通過對(duì)各預(yù)警區(qū)間內(nèi)的概率密度積分，計(jì)算各預(yù)警等級(jí)的概率；最后，分析不同時(shí)間尺度下光伏波動(dòng)預(yù)測(cè)精度的差異水平，通過定時(shí)滾動(dòng)預(yù)警校正結(jié)果，實(shí)現(xiàn)分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)區(qū)間滾動(dòng)預(yù)警。算例結(jié)果表明，該方法能夠在確定各預(yù)警區(qū)間界限的同時(shí)，決策電力系統(tǒng)在不同系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和光伏波動(dòng)事件下的預(yù)警結(jié)果，且與蒙特卡洛法預(yù)警結(jié)果的均方根誤差僅為1.6718%，進(jìn)而驗(yàn)證了該方法的有效性和適用性。
1 分布式光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間計(jì)算過程
電力系統(tǒng)功率調(diào)控手段包括一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用、棄光和切負(fù)荷等，本節(jié)通過分析不同功率調(diào)控手段的作用能力，分時(shí)段計(jì)算各功率控制手段能夠?qū)崿F(xiàn)功率平衡的分布式光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間。
1.1 電力系統(tǒng)的自動(dòng)功率控制過程
本文考慮一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的功率調(diào)節(jié)方式，在分布式光伏波動(dòng)緩和時(shí)，采用自動(dòng)功率控制手段維持電力系統(tǒng)的功率平衡。
1.1.1 一次調(diào)頻
1.1.2 二次調(diào)頻
當(dāng)一次調(diào)頻的功率調(diào)節(jié)能力不足以單獨(dú)應(yīng)對(duì)分布式光伏波動(dòng)事件時(shí)，為實(shí)現(xiàn)功率平衡，需輔以二次調(diào)頻手段進(jìn)一步調(diào)節(jié)機(jī)組出力。根據(jù)功率平衡，同理可得一次調(diào)頻和二次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)同時(shí)作用時(shí)，能夠應(yīng)對(duì)的光伏波動(dòng)幅度區(qū)間為
1.2 電力系統(tǒng)的主動(dòng)功率控制過程
由于光伏波動(dòng)預(yù)測(cè)前瞻時(shí)間有限，在光伏波動(dòng)較為強(qiáng)烈時(shí)，僅采用一次調(diào)頻及二次調(diào)頻手段時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)功率平衡難以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而影響系統(tǒng)頻率的整體穩(wěn)定情況，此時(shí)需要采用調(diào)度手段以實(shí)現(xiàn)功率平衡，具體調(diào)度手段主要包括旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用。
1.2.1 旋轉(zhuǎn)備用
在一次調(diào)頻和二次調(diào)頻自動(dòng)調(diào)節(jié)功率的基礎(chǔ)上，增加旋轉(zhuǎn)備用，即通過下達(dá)調(diào)度指令調(diào)節(jié)非AGC運(yùn)行機(jī)組的出力，以增加功率調(diào)節(jié)的能力。根據(jù)功率平衡，系統(tǒng)同時(shí)采用自動(dòng)調(diào)頻手段和旋轉(zhuǎn)備用調(diào)度手段實(shí)現(xiàn)功率平衡時(shí)光伏波動(dòng)的允許區(qū)間為
1.2.2 非旋轉(zhuǎn)備用與停機(jī)
在自動(dòng)調(diào)整的基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)備用調(diào)節(jié)速率而不能滿足功率平衡時(shí)，應(yīng)對(duì)向下光伏波動(dòng)，須盡快對(duì)非旋轉(zhuǎn)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)操作，以增加機(jī)組出力，防止切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)對(duì)向上光伏波動(dòng)，盡快對(duì)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)操作，以減少機(jī)組出力，防止棄光的發(fā)生。功率平衡條件區(qū)間形式為
1.3 電力系統(tǒng)的強(qiáng)制功率平衡過程
當(dāng)上述手段均無法滿足功率平衡條件時(shí)，不得不采取切負(fù)荷的措施以應(yīng)對(duì)向下光伏波動(dòng)/棄光的措施以應(yīng)對(duì)向上光伏波動(dòng)，防止功率過高或過低影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。此時(shí)，電力系統(tǒng)強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)功率平衡情況為
2 計(jì)及光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間的滾動(dòng)預(yù)警過程
2.1 分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)預(yù)警等級(jí)的劃分
根據(jù)第1節(jié)的計(jì)算方法，當(dāng)分布式光伏波動(dòng)事件發(fā)生時(shí)，求得不同功率控制手段對(duì)應(yīng)的光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間，確定不同預(yù)警等級(jí)的預(yù)警界限，并將其與分布式光伏波動(dòng)預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)警。本文根據(jù)分布式光伏波動(dòng)事件對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響嚴(yán)重程度，制定5個(gè)預(yù)警等級(jí)，各預(yù)警等級(jí)的預(yù)警區(qū)間如下。
2.2 分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)預(yù)警等級(jí)的概率表示
由于光伏波動(dòng)幅度的不確定性，通過區(qū)間數(shù)的形式表示光伏預(yù)測(cè)波動(dòng)幅度，確定各預(yù)警區(qū)間內(nèi)光伏波動(dòng)幅度的概率密度，即可計(jì)算光伏波動(dòng)幅度落在不同預(yù)警區(qū)間的概率。光伏波動(dòng)幅度不同預(yù)警等級(jí)的概率為
2.3 分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)區(qū)間滾動(dòng)預(yù)警
分布式光伏波動(dòng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度本身較低，同時(shí)預(yù)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度很低。因此，若僅在波動(dòng)開始時(shí)對(duì)該事件進(jìn)行預(yù)警，時(shí)間尺度越長(zhǎng)預(yù)警結(jié)果越不準(zhǔn)確，應(yīng)采用滾動(dòng)預(yù)警的方式不斷校正預(yù)警結(jié)果，滾動(dòng)過程如圖1所示。
圖1 分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)區(qū)間滾動(dòng)預(yù)警流程
Fig.1 Multi-stage interval rolling warning flow of distributed photovoltaic fluctuation events
3 算例分析
以10臺(tái)常規(guī)火電機(jī)組構(gòu)成的電力系統(tǒng)為例，驗(yàn)證本文所提多級(jí)區(qū)間滾動(dòng)預(yù)警方法的適用性。設(shè)該系統(tǒng)的下層配電網(wǎng)包含總?cè)萘繛?00 MW分布式光伏，火電機(jī)組參數(shù)如表1所示，其中1~4號(hào)機(jī)組為AGC機(jī)組?？紤]負(fù)荷預(yù)測(cè)比較成熟，設(shè)負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差為2%，各常規(guī)機(jī)組調(diào)差率的標(biāo)幺值δi?均取5%，圖片取典型值1%，電力系統(tǒng)頻率偏差允許范圍為±0.1 Hz。考慮大規(guī)模分布式光伏的預(yù)測(cè)難度較大，預(yù)測(cè)結(jié)果置信度較低，取預(yù)測(cè)誤差為15%。
表1 算例采用的10機(jī)系統(tǒng)機(jī)組參數(shù)
Table 1 Generator parameters of 10-units power system used in case study
3.1 光伏波動(dòng)算例分析
為驗(yàn)證本文所提分布式光伏波動(dòng)事件多級(jí)區(qū)間滾動(dòng)的預(yù)警能力，假設(shè)從06:00開始，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的分布式光伏整體波動(dòng)預(yù)測(cè)顯示，將發(fā)生幅度約為50%常規(guī)機(jī)組出力的向上光伏波動(dòng)事件，此類極端事件主要由暴曬等天氣引起，每30 min根據(jù)新的光伏出力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)重新對(duì)光伏波動(dòng)事件預(yù)警，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)預(yù)警。負(fù)荷預(yù)測(cè)符合城市區(qū)雙峰曲線，即負(fù)荷預(yù)測(cè)以11:00和18:00為雙峰，記作算例1。本算例共計(jì)4次預(yù)警，即在06:00、06:30、07:00和07:30分別進(jìn)行預(yù)警，結(jié)果分別如圖2~5所示。
圖2 算例1在06:00時(shí)的預(yù)警結(jié)果
Fig.2 Example 1: early warning results at 06:00
圖3 算例1在06:30時(shí)的預(yù)警結(jié)果
Fig.3 Example 1: early warning results at 06:30
圖4 算例1在07:00時(shí)的預(yù)警結(jié)果
Fig.4 Example 1: early warning results at 07:00
圖5 算例1在07:30時(shí)的預(yù)警結(jié)果
Fig.5 Example 1: early warning results at 07:30
在圖2 a)中，Ⅳ級(jí)—Ⅰ級(jí)預(yù)警區(qū)間對(duì)應(yīng)光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間的上限（即圖片曲線）表示允許的光伏向上波動(dòng)的最大幅度。本算例為向上光伏波動(dòng)事件，因此需要使用光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間的上限計(jì)算預(yù)警區(qū)間概率。在06:00—06:45時(shí)段，系統(tǒng)可以僅采取一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)功率平衡。從07:00開始，一次調(diào)頻作用幅度小，單獨(dú)作用將不再能夠滿足功率平衡要求，需要使用其他手段共同作用。在07:00—07:30時(shí)段，通過AGC機(jī)組的二次調(diào)頻手段，調(diào)節(jié)AGC機(jī)組出力實(shí)現(xiàn)功率平衡。在07:30之后，受限于AGC機(jī)組的爬坡速率和容量，二次調(diào)頻也將無法實(shí)現(xiàn)功率平衡。在07:45增加旋轉(zhuǎn)備用以調(diào)度手段調(diào)節(jié)功率，可以保證功率平衡，但在此之后，受限于機(jī)組容量和爬坡速率，自動(dòng)調(diào)整和旋轉(zhuǎn)備用同時(shí)發(fā)揮作用也不能保證實(shí)現(xiàn)功率平衡。在08:00開始增加非旋轉(zhuǎn)備用的投入，自波動(dòng)開始，8~10號(hào)機(jī)組已經(jīng)完成關(guān)機(jī)，可以發(fā)揮非旋轉(zhuǎn)備用的作用。在08:00之后，自動(dòng)功率調(diào)整和調(diào)度手段都無法實(shí)現(xiàn)功率平衡，此時(shí)需要采用棄光的手段強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)功率平衡，該手段對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性危害極大。圖3 a)、圖4 a)和圖5 a)中光伏波動(dòng)幅度允許區(qū)間的上限分析同理。
在圖2 b)中，通過式（20）~（24）計(jì)算各級(jí)預(yù)警的概率。假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警閾值為10%，即預(yù)警等級(jí)由高到低，超過10%部分即為該時(shí)刻的預(yù)警等級(jí)，將預(yù)警情況分為5個(gè)階段：06:00—06:45時(shí)段為階段1，此時(shí)系統(tǒng)不會(huì)預(yù)警；06:45—07:30時(shí)段為階段2，此時(shí)出現(xiàn)Ⅳ級(jí)及以上預(yù)警的概率大于10%，系統(tǒng)處于Ⅳ級(jí)預(yù)警狀態(tài)；07:30—07:45時(shí)段為階段3，此時(shí)出現(xiàn)Ⅲ級(jí)及以上預(yù)警的概率大于10%，系統(tǒng)處于Ⅲ級(jí)預(yù)警狀態(tài)；07:45—08:15時(shí)段為階段4，此時(shí)出現(xiàn)Ⅱ級(jí)及以上預(yù)警的概率大于10%，系統(tǒng)處于Ⅱ級(jí)預(yù)警狀態(tài)；08:15—09:00時(shí)段為階段5，此時(shí)出現(xiàn)Ⅰ級(jí)預(yù)警的可能性大于10%，系統(tǒng)處于Ⅰ級(jí)預(yù)警狀態(tài)。圖3 b)、圖4 b)和圖5 b)同理。
3.2 有效性分析
通過改變系統(tǒng)參數(shù)、分布式光伏波動(dòng)事件和負(fù)荷狀況，分別對(duì)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行分析，以驗(yàn)證本文預(yù)警方法的有效性。
3.2.1 不同系統(tǒng)參數(shù)的影響
原系統(tǒng)中的5號(hào)機(jī)組改為AGC機(jī)組，同時(shí)將7號(hào)機(jī)組的最小啟動(dòng)時(shí)間改為2 h，使其能夠提前參與應(yīng)對(duì)光伏波動(dòng)過程。光伏波動(dòng)和負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與算例1相同，記作算例2。07:30的預(yù)警結(jié)果如圖6所示。
圖6 算例2在07:30時(shí)的預(yù)警結(jié)果
Fig.6 Example 2: early warning results at 07:30
對(duì)比圖6 a)與圖5 a)可知，二次調(diào)頻允許的波動(dòng)區(qū)間上限曲線略微上移，這是由于算例2中AGC機(jī)組增加，導(dǎo)致二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)速率和可調(diào)容量均在一定程度上增加。非旋轉(zhuǎn)備用允許波動(dòng)區(qū)間的上限曲線于08:00發(fā)生階梯式上移，符合7號(hào)機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)間提前而導(dǎo)致提前上移的預(yù)期。
比較圖6 b)與圖5 b)可知，Ⅲ級(jí)預(yù)警概率整體明顯下降，如在08:00，Ⅲ級(jí)預(yù)警概率由30%下降為10%左右，下降原因主要是圖片曲線的上移。同時(shí)，算例1預(yù)測(cè)將于08:30—08:45時(shí)段出現(xiàn)的Ⅰ級(jí)預(yù)警，在本算例中改變?yōu)棰蚣?jí)預(yù)警，此改變是由于7號(hào)機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)刻由09:00提前到08:00提前引起的。不難看出，對(duì)于分布式光伏滲透率高的系統(tǒng)，增加AGC機(jī)組或降低機(jī)組的啟動(dòng)/停止時(shí)間，有利于電力系統(tǒng)功率平衡的實(shí)現(xiàn)，可以在一定程度上提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。
3.2.2 不同光伏波動(dòng)事件發(fā)生時(shí)刻的影響
假設(shè)負(fù)荷預(yù)測(cè)由3.1節(jié)的城市區(qū)雙峰曲線變?yōu)楣I(yè)區(qū)雙峰曲線，即負(fù)荷預(yù)測(cè)以06:00和18:00為雙峰。負(fù)荷變化由上升變?yōu)橄陆?，其他?shù)據(jù)與算例1相同，記作算例3。07:30的預(yù)警結(jié)果如圖7所示。
圖7 算例3在07:30時(shí)的預(yù)警結(jié)果
Fig.7 Example 3: early warning results at 07:30
由于算例1中負(fù)荷與光伏同向波動(dòng)，二者作用在一定程度上相互抵消，使凈負(fù)荷變化更加緩慢，使得預(yù)警嚴(yán)重程度相對(duì)較低。而在算例3中，負(fù)荷需求逐漸減小，光伏出力逐漸增大，即負(fù)荷需求與光伏出力變化方向相反，凈負(fù)荷變化相對(duì)增加，增大功率平衡實(shí)現(xiàn)的難度。與圖5 b)對(duì)比，圖7 b)中高級(jí)別預(yù)警出現(xiàn)的概率明顯增加。如在07:30—08:00時(shí)段，算例1未出現(xiàn)Ⅰ級(jí)預(yù)警的可能，且Ⅱ級(jí)預(yù)警的概率均在25%以下，而在算例3可能出現(xiàn)Ⅰ級(jí)預(yù)警，且Ⅱ級(jí)預(yù)警的概率均在40%以上。這表明，相同程度的光伏波動(dòng)事件在不同場(chǎng)景下對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度不同。因此，需要同時(shí)分析光伏波動(dòng)事件自身特性和負(fù)荷需求變化，才能更加準(zhǔn)確地對(duì)光伏波動(dòng)事件的嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)警分級(jí)。
綜上所述，本文所提預(yù)警方法能夠?qū)Σ煌到y(tǒng)參數(shù)或不同光伏波動(dòng)事件影響進(jìn)行分析，通過分析允許的光伏波動(dòng)區(qū)間上/下限，計(jì)算光伏波動(dòng)落在各級(jí)預(yù)警區(qū)間的概率，有利于運(yùn)行人員掌握光伏波動(dòng)事件的嚴(yán)重程度，并根據(jù)嚴(yán)重程度提前做出相應(yīng)措施，避免因只考慮極端場(chǎng)景而造成的情況誤判，以減小極端事件對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的不利影響。各場(chǎng)景的仿真結(jié)果符合定性分析結(jié)論，體現(xiàn)了本文預(yù)警方法的有效性。
3.3 對(duì)比其他方法
蒙特卡洛法是處理不確定性的常用方法，本文以算例1場(chǎng)景為例，蒙特卡洛法模擬06:00預(yù)警10萬次，以每個(gè)時(shí)段模擬的預(yù)警等級(jí)次數(shù)占比作為該時(shí)段的預(yù)警概率，結(jié)果如圖8所示。
圖8 算例1在06:00時(shí)蒙特卡洛法的預(yù)警結(jié)果
Fig.8 Example 1: early warning results with Monte Carlo method at 06:00
對(duì)比圖2 b)和圖8可知，區(qū)間分析法和蒙特卡洛法得到的預(yù)警結(jié)果僅有很小的差別，預(yù)警概率的均方根誤差僅有1.6718%。在計(jì)算耗時(shí)方面，蒙特卡洛法需要耗時(shí)28.302 s，而本文方法則僅需0.082 s，具有較大的優(yōu)勢(shì)。因此，本文方法在計(jì)算精度高的同時(shí)，計(jì)算時(shí)間更有優(yōu)勢(shì)。
4 結(jié)論
針對(duì)分布式光伏波動(dòng)引起的功率平衡困難問題，本文提出了一種基于區(qū)間分析的光伏波動(dòng)事件多級(jí)滾動(dòng)預(yù)警技術(shù)，得出如下結(jié)論。
1）本文采用一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和棄光或切負(fù)荷等功率控制手段，分別確定了5種措施能夠?qū)崿F(xiàn)功率平衡的分布式光伏波動(dòng)幅度的允許區(qū)間，即各預(yù)警等級(jí)對(duì)應(yīng)的預(yù)警界限。
2）本文方法可以計(jì)算出各預(yù)警區(qū)間的概率，便于運(yùn)行人員根據(jù)預(yù)警狀況采取對(duì)應(yīng)措施，以減小分布式光伏波動(dòng)帶來的危害。同時(shí)，增加預(yù)警方法的滾動(dòng)性，根據(jù)最新的光伏出力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)分布式光伏波動(dòng)事件進(jìn)行重新預(yù)警，校正預(yù)警結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)分布式光伏波動(dòng)滾動(dòng)預(yù)警，有效增加預(yù)警結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。
3）對(duì)比算例結(jié)果表明，針對(duì)不同系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和不同光伏波動(dòng)事件時(shí)，本文方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏波動(dòng)事件的多級(jí)滾動(dòng)預(yù)警。與蒙特卡洛法相比，本文方法的預(yù)警概率結(jié)果誤差僅有1.6718%，且計(jì)算時(shí)間更有優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了該方法的有效性和適用性，對(duì)提高具有高分布式光伏出力占比的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)意義。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請(qǐng)查看原文。
