一种考虑风力发电的可伸缩有功静态安全域的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统安全稳定运行领域，涉及电力系统风电注入的随机性形成一 种可伸缩的有功静态安全域。
【背景技术】
[0002] 当前风力发电相关技术的研究日益成熟，电力系统中风电装机容总量的不断攀 升，而风电出力的随机性对电网的影响也日趋明显，在考虑风电随机出力对电网静态安全 的影响，对维持电力系统的安全稳定及提高对风电的利用十分重要。
[0003] 现有对有功静态安全域的研究一般从负荷的不确定性角度来考虑，《基于随机负 荷与模糊线性规划的可伸缩静态安全域》在采用传统的边界扩展法与线性规划法求解静态 安全域的基础上，考虑负荷随机性与线路潮流约束条件的模糊性，提出模糊线性规划法求 解安全域；有学者考虑了风电随机不确定性注入的系统静态安全研究却不是从安全域角度 深入的，文献《基于随机潮流的含风电电力系统静态安全评估》从概率和风险两个角度快速 实现系统的安全的综合量化评价；文献《考虑风电场出力随机性的电网静态安全风析》综合 考虑了风电场出力随机性、常规机组强迫停运、负荷预测不确定性等因素，运用灵敏度分析 理论和随机潮流计算方法，提出一种适用于含风电电网规划的静态安全快速分析的概率方 法，对风电随机注入的电力系统静态安全域的特征尚未研究。
[0004] 为了能更好地将电力系统的特点与发展清洁可再生能源的理念相结合，研究含风 电随机有功注入的电力系统静态安全域的特征，可以作为调度人员充分利用风电资源又保 证系统运行安全的重要参考，对逐步提高系统风电的利用率有着重要意义。
【发明内容】
[0005] 风力发电的随机性、间歇性和不可控性对传统确定系统的安全稳定运行会产生较 大影响，有必要对含风电机组的电力系统的安全域进行研究分析。有功静态安全域有全域 和响应域两种形式，本发明专利从系统有功功率的角度，对含风电机组的电力系统静态安 全域的响应域特征进行了研究。对风电场有功出力的随机性进行建模得到有功出力的概率 密度函数，以除平衡机组外的系统发电机功率可调机组的有功功率总容量作为系统静态安 全域的目标函数，遵循系统直流潮流模型下的潮流约束、发电机功率可调机组的安全约束、 相邻节点相角差约束以及线路安全约束，并在已知负荷大小情况下采用线性优化方法对在 风电有功随机注入的某一置信区间对目标函数优化求解，得到随机风电有功出力在该置信 区间下的系统静态安全域。改变置信区间的大小，得到不同的静态安全域，从而得到系统有 风电注入的可伸缩的有功静态安全域。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0007] 本发明解决上述问题采取的技术方案：
[0008] 1、风电场的有功功率出力建模。依据风速与风力发电机输出的有功功率关系，结 合风速的概率密度函数，建立风电场有功输出概率密度函数；
[0009] 2、含风电场的电力系统有功静态安全域的目标函数。考虑到风力发电的不可控性 特点，以发电机可调机组的可调有功容量作为系统有功静态安全域的目标函数；
[0010] 3、系统的安全约束。考虑了系统的直流潮流模型下的潮流约束、发电机功率可调 机组的安全约束、相邻节点相角差约束以及线路安全约束；
[0011] 4、含风电场的电力系统有功安全域的模型求解。在风电有功随机注入在某一置信 度下，通过求取某一状态下的直流潮流，采用线性优化方法对该运行状态的静态安全域目 标函数进行优化求解，得到某一确定的安全域；调整控制变量，求解系统在下一运行状态下 的静态安全域；直至得到系统所有运行情况下的安全域，并得到最大静态安全域；改变风 电有功随机注入的置信度，得到含风电系统所有稳定运行状态下可伸缩的有功静态电压安 全域；
[0012] 本发明主要针对含有风电机组的电力系统有功静态安全域特征进行研究。根据风 电随机注入在不同置信度下，求得的可伸缩有功静态安全域，供调度人员作为参考，以在满 足系统安全的前提下提高对风电的利用率。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明模型求解总体流程图（求解安全域的流程图）。
【具体实施方式】
[0014] 本发明包括以下步骤：
[0015] 1、风电场的有功功率出力建模
[0016] 风力发电受风速、气温等自然环境条件影响，其发电出力表现出了随机不确定性 特征。根据美国国家可再生能源实验室（NREL)测得的几个典型日的实测风速变化曲线数 据可知，风速的变化没有明显的规律，但是几个典型日的风速大都集中在某一范围内，超出 这个范围的情况非常少。
[0017] 虽然风力发电机的输出功率与桨距角、空气密度等有一定的关系，但其出力主要 取决于风速的大小。目前，一般主要是依据Rayleigh分布和Weibull概率分布求取风电出 力功率，或者直接采用风电功率的预测数据。根据Weibull分布可知，当风速小于切入风速 Vcut^或大于切出风速Vcutout时，风力发电机的出力为0 ;当风速在切入风速Vcut^与额定风 速VMted之间时，发电机的出力近似与风速成线性关系；当风速在额定风速V 与切出风速 _之间时，发电机输出额定功率。因此，风力发电机的输出功率与风速的变化曲线一样， 除少数时段外，主要集中在某一区间内。
[0018] 通过对大量实测风电出力数据的拟合表明，对于风速v不确定性变化规律的描述 可选取二参数的weibull分布，其概率密度函数为：
[0019]
(1):
[0020] 式中：k、c分别为形状参数和尺度参数；
[0021] 单台风电机组有功功率出力与风电场风速的关系可描述为：
[0022]
[0023]式中，\utιη，别为风电机组的切入、切出和额定风速；P为空气密 度；A为风轮所覆盖的面积；Cp为该风力机的风能利用系数；PMted为机组的有功功率额定 值。
[0024] 暂不考虑风力发电功率的损失与风电场的尾流效应、低电压穿越和风电机组的强 迫停机率等因素时，可认为风电注入系统的有功出力为风电场中所有风力机的有功出力之 和，即为：
[0025]
[0026] 式中，N为风电场中的风电机台数；
[0027] 经统计，在绝大部分时间内风速都维持在司，结合风速的概率密度函 数，可得风电场有功出力的概率密度函数为：
[0028]
[0029] 2、含风电场的电力系统有功静态安全域的目标函数
[0030] 由于风电场出力不可控制的特点，对于含风电场的电力系统只能对其常规可调机 组有功出力进行调节，则系统的有功静态安全域以可调机组总容量作为目标函数：
[0031]
[0032] 式中，ωι为第i台发电机功率可调机组的权重系数，其体现对某一机组调节量的 偏爱程度；NG为系统发电机节点集合；FG为风电机组与系统节点相连的节点集合；NG-FG-1 为除平衡机与风电机外的发电机节点的节点集合；-If为第i台常规可调机组的安全 有功可调范围。
[0033] 3、系统的安全约束
[0034] 3. 1、直流潮流约束
[0035] 直流潮流模型为：
[0036] [Pk] = [B] · [ Θ k] (6)
[0037] 式中，[Pk]为满足第k次潮流计算的节点有功注入矢量；[Θk]为满足第k次潮流 计算的节点电压相角矢量；[B]为直流潮流电纳矩阵（这里假定系统网络结构与线路参数 不随负载情况而改变）。此约束为等式约束。
[0038] 3. 2、发电机组安全约束
[0039] 对于除风力发电机组与平衡机外的发电机有
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 式中，难为满足第k次潮流计算的常规可调机组i的基本运行点分别 为第i台机组在显示静态安全域的上、下边界；^1, ￡&分别为第i台机组的功率上、下限； 为风电随机有功出力矢量；Eu分别为松弛节点的功率上、下限；ND为已知负荷节 点集合，Σ1?为满足第k次潮流计算的负荷节点注入功率之和。此约束为不等约束。
[0046] 3. 3、节点相角约束
[0047] 支路两端节点的相角差为：
[0048] [<i>] = [A].[9k] (11)
[0049] 式中，[A]为节点支路关联矩阵；[Φ]为支路两端节点的相角差；
[0050] 节点相角约束为：
[0051] [Φιηιη] ^ [Φ,] ^ [Φ1Π3Χ] (12)
[0052] 式中，