《基于动态安全域的大规模风电运行风险评估技术-朱文峰.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于动态安全域的大规模风电运行风险评估技术-朱文峰.pdf（53页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 基于动态安全域 的 大规模 风电 运行 风险 评估技术 Operation Risk Assessment of Power System with Large Scale Wind Farm Integration Based on Dynamic Security Region 学科专业： 电气工程 研 究 生： 朱文峰 指导教师：曾沅 副教授 天津大学电气与自动化工程学院 二零一 四 年十 一 月独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学
2、 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘 要 随着电网规模的不断扩大，电
3、力系统结构日趋复杂，系统 中的不确定性因素越来越多，尤其是风电等可再生能源的大规模接入，给电力系统 安全 运行 带来 了更多的 挑战 。 本文 结合 动态安全域 思想 和 风险评估理论， 研究 了 风电接入系统的风险评估方法， 主要工作 如下 ： （ 1） 研究 了 大规模风电风险评估技术 的 相关 基础理论 ，对 动态安全域 的 基本构造 方法 进行 了 简要概述； （ 2） 基于 线性回归理论 中的拟合优度 及总偏回归平方和 评价指标 ， 提出 了改进的动态 安全域 拟合构造方法 ， 能够 更加准确、 合理 、 简洁 地 计算 电力系统 的动态安全域 边界 ， 便 于 风险 指标 的 量化
4、分析 与 应用 ； （ 3） 基于动态安全域 思想 ， 提出 了 大规模风电 运行 风险指标计算 及综合 分析方法 ， 可 用于 系统日前调度计划的风险水平量化 评估 ， 并 给出 系统的风险 时间 、严重故障元件以及薄弱环节 等 信息 。 基于 标准算例进行了 仿真 验证， 结果 表明 本文 所提 方法 的 有效性和准确性。本文 研究工作 能够为 电力系统 运行人员 确定 调度决策提供 一定的 参考 。 关键词： 风电； 不确定性 ； 风险评估；动态安全域 ABSTRACT With the continuous expansion of the grid, the power system
5、 structure is becoming more complicated, leading to more and more uncertainty of the system. Especially, the massive integration of wind power and other renewable energy to the power system brings more challenges. In this paper, by taking use of DSR (dynamic security region) and risk assessment theo
6、ry, some researches were done on the operation risk assessment of power system with large scale wind farm integration. The main works in this article include the following aspects: (1) A brief overview of related theories of wind power risk assessment and the basic construction method of DSR boundar
7、y were made; (2) Based on the goodness of approximation and the total partial regression sum of squares theory, an advanced construction method of DSR boundary was proposed, which can be used to improve the accuracy, rationality and brevity of dynamic security region, so that it could do some favour
8、 to the analysis and application of risk index. (3) The risk index calculation and integrated analysis method of large-scale wind power integration system was proposed based on dynamic security region, which was able to give quantitative indicators of the system day-ahead scheduling plan, and analyz
9、e the high risk time, the serious fault element and vulnerability information of the system. The efficiency and practicality of theories mentioned herein were verified by standard numerical examples, which showed that the works done in this paper could provide references for the operators scheduling
10、 decisions. KEY WORDS: Wind Power; Uncertainty; Risk Assessment; Dynamic Security Region i 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 本文主要工作 .4 第二章 风电运行风险评估相关理论基础 .6 2.1 双馈风力发电机仿真模型 .6 2.2 动态安全域简介 . 10 2.3 风险评估理论简介 . 13 2.3.1 风险评估概述 . 13 2.3.2 风险评估模型 . 14 2.3.3 风险评估方法 . 18 2.4 本章小结 . 19 第三章 改进的动态安全域
11、拟合构造方法 . 20 3.1 传统拟合优度评价方法 . 20 3.2 改进的拟合优度指标及节点筛选方法 . 21 3.3 算例分析 . 24 3.4 本章小结 . 27 第四章 基于动态安全域的风电运行风险评估 . 28 4.1 风电运行风险评估流程 . 28 4.2 风电出力不确定性问题的处理 . 29 4.3 基于动态安全域的负荷损失计算方法 . 31 4.4 风电运行风险指标计算及综合风险分析 . 32 4.5 算例分析 . 35 4.6 本章小结 . 40 第五章 总结与展望 . 41 5.1 本文总结 . 41 5.2 未来展望 . 41 参考文献 . 43 发表论文和科研情况说明
12、 . 47 致 谢 . 48 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 截止到 2013 年底，我国 风力发电 装机容量 累计已 达 9174.46 万千瓦， 位 居世界第一。 然而与传统能源不同， 风力发电 具有非常强的 间歇性 与 随机性，大规模风电的接入将对 电力系统的安全稳定运行 带来巨大的挑战，因此需要新的工具分析风电接入对电网安全性的影响，包括接入点对电网的影响、装机容量对电网的影响等。风险评估 方法不仅能够有效的计及风速不确定性对电网的影响，同时还能考虑系统故障对电网所造成的后果，因此风险指标能够更加全面真实的反映电网实际运行状况。一方面，目前电网规划工作遵循 N-1 可靠性
13、准则，此方法能否满足大规模风电接入电网时运行与规划工作的需要是急需回答的问题；另一方面，电网公司本身具有企业属性，存在国有资产的增值保值任务，因此利用风险分析方法合理评估大规模风电接入电网后电网的投资与收益成为电网发展规划中迫切需要研究解决的问题。 风险评估方法最早在企业管理领域得到广泛的实践，近年来已成功应用于电力行业的诸多领域 ，如变电站风险评估、电网充裕度评估等。目前常用的风险评估方法一般有 2 种：模拟法和解析法。 风险评估中的模拟法主要指蒙特卡洛模拟法，该方法主要通过对样本的 模拟抽样得到系统状态对应的概率，其精度与抽样次数以及模拟时间有关。为保证蒙特卡洛模拟法的精度，需要足够的抽样
14、次数及充足的模拟时间，因此，该方法的计算量大，计算时间长，难以在线使用。解析法包括多种方法，通过对系统的概率机理进行深入分析，解析的计算系统状态对应的概率，计算精度高，且计算量相对较少。然而当系统规模较大时，会造成计算过程过于复杂，出现维数灾难问题。 电 力系统 动态 安全域 能够提供大量的安全信息，该 理论的出现为风险评估方法指明了新的方向 。动态安全域 表征电力系统的暂态稳定性，其 边界上 有功 功率注入临界点的集合可以利用超平面来表示。复功率注入空间上的安全域 边界也可由超平面表示，该安全域 既考虑了有功注入，也考虑到无功注入有较大变化是对电力系统稳定性的影响。 动态安全域可以提供系统运
15、行点的裕度信息，用以表征系统风险水平 ，对系统风险进行量化，其计算负担小，结果准确，能够用于快速计算安全转移概率。此外，利用安全域的裕度信息，可以为调度运行人员在故障过程中切机切负荷，以及在调度 操作过程中规避风险提供可靠的依据。 第一章 绪论 2 1.2 国内外研究现状 风电机组的 大规模 并网 发电对原有电网的运行技术造成巨大的影响。为了规避风电接入对电网产生的风险，合理分析风电场的不确定性，是未来电网规划所面临的突出问题之一。文献 1从暂态稳定角度出发，分析了由双馈风机组成的风力发电系统在不同接入点对原有电网的影响。由于风速的不确定性，传统的安全性分析方法存在一定的局限性，因此近年来风险
16、分析方法受到国内外的广泛关注，常被用来处理电网中的不确定性因素 2-4。文献 5充分考虑了风电功率的不确定性，对风电与储能装置综合系统 进行可靠性建模，用于输电线路的升级改造 。文献 6利用可靠性价值分析方法对 配电网中 分布式电源 的 接入点问题进行 了 研究。 传统的 N-1 安全性校验方法受到了严重的制约，容易对分析结果造成保守的估计，不能有效的兼顾经济与安全两个重要因素。因此，有必要在电网规划设计及运行阶段引入概率方法，合理的处理电网中的随机因素，使得安全性分析结果更加符合实际。风险评估方法有效的计及了系统故障的概率和后果两个方面，不仅考虑了不确定性因素对电网故障的影响，同时也考虑了故
17、障本身对电网安全性的影响。基于此，近年来风险评估受到了 越来越多的 关注，引发了一场研究热潮 。 从全世界范围来看 ，大多数国家都制定了电网规划和运行的可靠性准则 7，例如俄罗斯称的 电力系统稳定导则，北美 的 可靠性标准，英国 的 安全导则 。虽然各个国家的可靠性准则均有着不同的名称 ，但都是 针对 电网规划设计和 调度操作的可靠性所提出的 要求。 目前，电网规划方案及调度运行操作中的可靠性校验仍主要采用确定性的 N-1 准则 8-9，通过对 切除系统元件后的潮流及暂态仿真计算结果来检验系统能否满足规定的可靠性需求。确定性准则未能将电力系统中的不确定性因素考虑进来， 因此 难以合理的评估系统
18、的可靠性水平， 通常会造成投资成本的浪费。 2000 年，美国电力科学研究院（ EPRI）发起了电力传输可靠性项目（ Power delivery Reliability Initiative），该项目得到了 NERC 和许多电力公司的支持。其最主要的研究成果就是基于概率的风险 /可靠性评估（ PRA）方法及其计算工具 概率可靠性指标（ PRI）计算程序。 PRA 考虑了电力系统所存在的不确定性因素，并将其与 确定性方法的 计算结果相结合。 它首先确定一个突发事件出现的概率，并将事故 发生的 概率和 造成的后果进行 合并 ，作为系统的 可靠性指标。同年， EPRI 和爱荷华州立大学 V.Vit
19、tal 等教授合作，共同开发了基于风险理论的在线安全评估程序包，此研究意在提供当前或者近期电网运行条件下的系统安全指标，其涵盖了电压偏离和过负荷两个方面，为电网运行人员提供参考意见，同时第一章 绪论 3 利用可视化技术实现人机交流，将系统风险水平利用各种手段清晰展现出来，方便调度人员采取必要的控制措施，同时此研究为风险理论的在线应用提供了宝贵的借鉴意义。 虽然国内对于电力系统可靠性 /风险分析的研究起步较晚，但也取得了一定的研究成果 10-15。西安交通大学的王锡凡等人最早研究了蒙特卡罗模拟法在电 力系统可靠性评估中的应用 16，提出将一种新的蒙特卡罗模拟方法 马尔可夫链蒙特卡罗法应用于电力系
20、统的可靠性评估中并取得了很好的效果，该方法已在我国西北 750kV 和 330kV 电网结构的优化研究中得到了实际应用。重庆大学的周家启等人 提出了利用并行计算系统 的模拟仿真计算 17，用以 对电力系统的 可靠性水平进行评估 。以上研究工作均从可靠性的角度进行开展，但并未考虑事故发生后的经济损失，没有上升到风险分析的层面。 不同于传统的“逐点法”， 域 能够传递给人们更多的安全信息 ，它不仅可以用来快速判断电力系统的稳定性，还能 够提供系统运行点的裕度信息。 电力系统动态安全域表征系统的暂态稳定性，它定义为有功功率注入空间上的集合。当系统发生给定故障时，只要故障前系统的运行点位于动态安全域内
21、，则故障后系统能够恢复暂态稳定 18-19。动态安全域边界的 求取需要通过大量的计算，负担较重，因此需要对所用安全域进行离线计算，在线使用时只需通过分析运行点在功率注入空间中的位置便可以判断系统的安全稳定性。目前，求取动态安全域的方法主要有拟合法和解析法。拟合法是在时域仿真的基础上，利用某种搜索手段，找出动态安全域边界上的大量临界点，再通过最小二乘 法拟合求出动态安全域边界的超平面系数 18-21。动态安全域边界上临界点的搜索，可以利用拟正交选点法来确定初始 搜索 点。 解析法则是在充分理解电力系统故障机理的基础上，利用系统的动态方程及系统稳定性判据，根据非线性系统的分析方法，解析的求出动态安
22、全域的边界方程表达式 22。 电力系统的非线性分析方法有很多 23，包括基于能量函数的相关不稳定平衡点法、势能界面法，以及在势能界面法上做出改进的 BCU法，然而由于算法所使用的电力系统动态模型的问题，以及算法本身的局限性，解析法所求出的结果均较保守，难以满足工程应用 需求，然而解析法对于电力系统故障机理的研究具有非常重要的意义，能够从新的层面去理解电力系统故障的动态过程。 薛禹胜院士所提出的扩展等面积法则中的机组分群理论，也为解析法求解动态安全域提供了新的思路。 文献 24对电力系统动态安全域的机理进行了进一步的研究， 从理论上证明了超平面能够很好地描述电力系统动态安全域的边界。 此外，文献
23、 25-26提出了几种高阶动态安全域边界的求解方法，文献 27-28在此基础上讨论了不同发电机和负荷模型对动态安全域边界的影响。 由于超平面形式的安全域边界具有便于开发快速计算方法、便 于实现安全域第一章 绪论 4 可视化和易于处理优化问题中的稳定约束条件的优点 29，使得基于安全域的应用研究日益活跃。文献 30-32应用安全域计算失稳状态下进行紧急控制所需的最小切负荷量，文献 33提出了基于静态安全域的电力系统电压控制策略，文献 34将安全域应用到输电网规划当中，文献 35-38则把安全域应用到了输电系统的概率安全评估当中。在电力市场环境下，往往对于传输通道的阻塞非常敏感，文献39通过构建静
24、态电压稳定域，用以对 FACT 的控制原理进行研究，用以解决阻塞问题。文献 40还基于安全域理论提出了电 力系统的有功和无功定价模型。尽管围绕安全域已开展众多研究并取得了大量的实用化成果，但迄今为止，尚未见有安全域在风险评估领域中的应用开展。 目前对含风电的电力系统 安全域研究较少，尤其在动态安全域方面。 而在风电接入的电力系统静态安全域方面已有部分研究成果，可以用于在动态安全域的构造中作为参考。 已有研究针对风电特点利用微扰法给出静态 安全域 边界的求解方法，考虑风电出力具有波动性，对于每一阶段的风速求出其对应的静态电压稳定域边界 41。 此外，还可以利用微扰法计算不同风电有功出力下的静态安
25、全域边界，并将不同出力下的静 态安全域取并集作为系统的安全域，从而快速估算出风电接入系统的静态安全域边界，其结果能够满足工程需求 42。此外，文献 42的研究结果表明，与相同容量的异步风力发电机相比，双馈风力发电机接入系统能够更好地加强系统的静态电压稳定性。 文献 43将异步风力发电机的静态模型加入到系统潮流方程中，从而推导出含风电场有功功率注入量的静态安全域边界表达式。 含风电的考虑节点电压水平的静态电压安全域目前已有研究，根据异步风力发电机有功功率、无功功率和机端电压的关系，将异步风力发电机的有功出力加入安全域的参数空间。结果表明 含风电的静态电压安全域边界可以用一个或几个超平面近似描述。
26、如果将风电机组的输出功率加入静态安全域的参数空间，可以在安全域内直接考虑风电波动性的影响，有利于操作人员对含风电系统的监测和控制。风电出力的间歇性和波动性仅会影响风电场附近的节点，因此对于含有风电的大规模系统，将与风电联系较弱的区域系统进行等值以简化系统规模 44，亟待研究。 对于大规模风电接入电力系统动态安全域， 可以 将上述在静态安全域方面的研究方法作为参考，将其研究思路应用到动态安全域上，以期在研究中获得突破。 1.3 本文主要工作 本 文 针对 大规模风电接 入 给电力系统安全运行带来的风险问题， 研究含大规模风场的电力系统风险评估模型和方法 ， 在 动态 安全域 思想 基础上，利用以
27、往在第一章 绪论 5 风险评估领域内的丰富经验，构建大规模风电机群接入的 电力系统 风险评估技术理论，提出可计及大规模风电接入动态风险评估结果的电网运行风险评价体系，用以为未来风电场运行风险问题提供 了一定的 理论依据， 可 为 调度人员 的 调度决策 提供了一定的参考 。本项目的研究有助于提高现有风电的运行效率，保证大规模风电接入时系统的可靠运行。 本文的主要工作包括以 下几个方面： （ 1）研究了对基于动态安全域理论的大规模风电风险评估技术的相关的基础理论，对动态安全域的基本构造方法进行了简要概述； （ 2）为提高动态安全域的计算精度，基于利用线性回归理论中的拟合优度及总偏回归平方和评价指标，提出了改进的动态安全域拟合构造方法，能够用以构造更加准确、合理、简洁的地计算电力系统的动态安全域边界，便于风险指标的量化分析与应用； （ 3）基于动态安全域思想，提出了基于动态安全域理论的大规模风电运行风险指标计算方法及综合风险分析方法，可用于系统日前调度计划的风险水平量化评估，并给出系统 的风险事件时间、严重故障元件以及薄弱环节等信息。