1、大规模风电接入对电力系统安全经济运行提出了挑战

近年来，以风电为代表的可再生能源装机比例持续提高，其出力的可变性(variability)与不确定性(uncertainty)使电力系统安全经济运行面临极大的挑战。为应对上述挑战，国内外学者在高精度风电预测技术、风电出力不确定性建模及高灵活性调度策略制定等方面做了大量富有成效的工作。

在电力系统实际运行中，通常需要安排额外的备用容量以平抑风电出力的预测偏差带来的影响。当风电出力预测偏差超过所安排备用容量的调节范围时，电力系统将不得不采取弃风或切负荷等方式使系统满足其运行约束，进而造成一定的运行损失。为此，本文将评估在给定的调度计划下电力系统的风电可接纳能力，以期为调度计划校正及备用容量配置等提供参考。

2、由电力系统静态安全域到电力系统风电可接纳域

电力系统静态安全域(Steady-state Security Region, SSR)的概念于1982年由吴復立教授提出，其描述了由电力系统中各节点功率注入向量在运行约束下形成的高维空间，特别地，其在直流潮流模型中为多面体(Polyhedron)。进一步，若将SSR投影到由风电场所在节点功率注入向量所在的平面，则可得到风电可调度域(Dispatchable region)。图1为一个含两风电场电力系统单时段风电可调度域示意图，其中区域A表示由两风电场所有可能出力组合情况，区域B为考虑电力系统运行约束后的风电可调度域。若两风电场出力组合落在区域B中，可通过调用备用容量等再调度策略(re-dispatch strategy)使各运行约束得以满足;反之，不得不弃风或切负荷。不难发现，在风电可调度域中，各风电场出力对系统运行可行性的影响是耦合的，某一风电场出力的情况下，才可获知另一风电场对系统当前运行点可行的出力范围。

图1 风电可调度域示意图

将上述矩形定义为风电可接纳域(Wind Generation Admissibility Region, WGAR)。图2为风电可接纳域的示意图。直观地，在风电可调度域中存在无穷多个风电可接纳域，故需要提出风电可接纳域度量指标及“最大”风电可接纳域求解方法，电力系统风电可接纳能力。

图2 风电可接纳域示意图

3、风电可接纳能力评估指标、模型与实施框架

1)评估指标

假定已知某风电场次日风电可接纳域边界，如图3所示。显然，当该风电场实际出力高于可消纳域的上边界值时，电力系统需要弃掉以保证运行可行性;当该风电场实际出力低于其风电可消纳域的下边界值时，电力系统需要切掉等量的负荷以保证运行可行性。由此，引入电力系统运行风险(Operational Risk)作为系统风电可接纳能力评估指标，该指标由各风电场风电出力预测偏差而导致的弃风及切负荷风险组成，具体数学表达式请见原文。

图3 某风电场次日风电可接纳域示意图

2)评估模型

本文采用两阶段鲁棒优化进行建模。电力系统第一阶段决策变量为各风电场各时段风电可接纳域上下边界值，第二阶段决策变量为可调机组有功出力;风电决策变量为其实际出力。该模型的优化目标为最小化系统总运行风险，约束条件包括功率平衡约束、网络安全约束、机组爬坡约束、机组容量约束等。具体模型请见原文。

3)实施框架

本文提出的电力系统风电可接纳能力评估方法可在电力系统调度中滚动实施，具体框架如下：

步骤1：调度决策。各风电场上报其风电出力预测曲线及预测精度等信息至调度中心，调度中心制定或修正调度计划。

步骤2：可接纳域评估。调度中心按照本文提出的风电可接纳域评估模型求解得到各风电场未来各时段风电可接纳域边界，并下发给各风电场。

步骤3：执行计划。各风电场根据调度中心下发的可接纳域边界。

4、算例分析

将本文所提评估模型应用于的IEEE 9节点系统及广东电网实际系统中验证其有效性。算例结果如图4-图6所示。

图4为不同评估指标下风电可接纳域边界示意图。其中DNE Limit表示以各风电场风电可接纳域区间宽度加权和最大为目标得到的风电可接纳域边界;而Admissibility Bound表示以系统总运行风险最小为目标得到的风电可接纳域边界。不难发现，在时段4,10,11,12,13，DNE Limit下的风电可接纳域边界紧贴风电预测值，这意味着在上述时段风电出力一旦向上或向下偏离其预测值，系统运行可行性无法保证。而在Admissibility Bound下的风电可接纳域充分考虑了风电出力预测误差的分布，因而其上边界和下边界距预测值曲线均有一定距离。图5进一步展示了两种评估指标下系统各时段运行风险分布情况，可以看出在大部分时段DNE Limit指标下系统在当前时段的运行风险均高于Admissibility Bound。同时，DNE Limit下系统总运行风险为3012美元，远高于Admissibility Bound下41.39美元的运行风险。图6则展示了发电计划对风电可消纳域的影响。

图4 不同评估指标下风电可接纳域边界

图5 不同评估指标下系统各时段运行风险

图6 发电计划对风电可接纳域的影响

5、结论

本文以风电“大发”或“小发”给电力系统带来的弃风及切负荷运行风险为评估指标，提出了一种最小化运行风险的电力系统风电可接纳能力评估方法。仿真结果验证了本文所提方法的有效性。