关于风电不确定性对电力系统影响的评述.pdf

1、 第 34 卷 第 29 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.34 No.29 Oct.15,2014 2014 年 10 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2014 Chin.Soc.for Elec.Eng.5029 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.29.004 文章编号：0258-8013(2014)29-5029-12 中图分类号：TM 74 关于风电不确定性对电力系统影响的评述 薛禹胜1，雷兴2，薛峰1，郁琛1，董朝阳3，文福拴4，鞠平5(1国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省 南京市 211000；

2、2上海市电力公司检修公司，上海市 浦东新区 200063；3悉尼大学电气与信息工程学院，NSW 2006，澳大利亚；4浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027；5河海大学能源与电气学院，江苏省 南京市 210098)A Review on Impacts of Wind Power Uncertainties on Power Systems XUE Yusheng1,LEI Xing2,XUE Feng1,YU Chen1,DONG Zhaoyang3,WEN Fushuan4,JU Ping5(1.State Grid Electric Power Research Instit

3、ute/NARI Group Corporation,Nanjing 211000,Jiangsu Province,China;2.Maintenance Company,Shanghai Municipal Electric Power Company,Pudong New Area,Shanghai 200063,China;3.School of Electrical and Information Engineering,The University of Sydney,NSW 2006,Australia;4.College of Electrical Engineering,Zh

4、ejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China;5.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China)ABSTRACT:With the ever-increasing penetration level of wind power,its impacts on power system reliability,power quality,economical efficienc

5、y and social welfare are becoming more and more significant mainly due to the uncertainty nature of the fluctuation and intermittence of wind.Thus,the relationships between fluctuation,intermittence and randomness are discussed.The causes and mathematical description of uncertain factors of wind pow

6、er and the impacts on the acceptability of power frequency/voltage,stability and adequacy of power systems,power quality,electricity power market and emission reduction are concluded.Studying the problem in the generalized congestion framework of power systems is suggested.Also,the state-of-art and

7、development of wind power uncertainties are reviewed.The solutions to cope with wind power uncertainties,as well as their optimization and coordination,are discussed through aspects of generation side,grid side and demand side.And also,the impacts caused by wind power uncertainties are considered in

8、 the three-defense-lines of power systems.The importance of quantitative analysis and risk-based decision-making are emphasized and suggested for further researches.KEY WORDS:wind power;fluctuation;intermittence;基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973 计划)(2013CB 228204)；澳大利亚 ARC(DP120101345)；中英合作研究项目(513111025-2013

9、,EP/L001063/1)；国家电网公司科技项目资助。The National Basic Research Program(973 Program)(2013CB228204);Australian Research Council Project(DP120101345);NSFC-EPSRC Collaborative Project(NSFC-No.513111025-2013,EPSRC-EP/L001063/1);SGCC.randomness;wind power forecasting;wind farm control 摘要：风电的波动和间歇行为都具有强烈的不确定性，其对电

10、力可靠性、电能质量、经济性及社会福利的影响随着渗透率的增加而越发突出。为此，讨论风电波动性、间歇性与随机性的关系；归纳风电不确定性因素的构成、描述，及其对电力系统功角稳定性、频率与电压可接受性、充裕性、电能质量、电力市场及减排等方面的影响；并将其纳入广义阻塞的框架。回顾对其机理的研究现状；讨论发电侧、电网、需求侧及其综合的不确定性分析及协调控制；提出计及风电不确定性的电网三道防线；强调量化和风险观点在上述研究中的重要性。关键词：风电；波动性；间歇性；随机性；风电功率预测；风电场控制 0 引言 不确定性包括随机性(或偶然性)和模糊性(或非明晰性)两方面，它们的产生机理和物理意义均有一定差异。随机

11、性指结果与给定的场景之间没有必然的对应关系，或给定的场景的特征并不完整。随机性可分为本质型与激励型两类。本质型随机性是多维非线性动力系统在没有任何随机因素作用下也会表现出来的随机性，例如具有与 Lorenz 吸引子相似微观结构的电力系统滑步与再同步过程1，一般只能基于动态轨迹进行定性分析。激励型随机性则来自随机因素，主要研究工具为概率论、数理统计和随机过程。模糊性是指由于事物本身概念不清楚或衡量事物的尺度不清楚，而造成分类的不确5030 中 国 电 机 工 程 学 报 第 34 卷 定性(例如多云及少云)。基本的研究工具是模糊数学，通过隶属函数来量化模糊性。随机性和模糊性往往共生于研究对象之中

12、，而预报方法的不完善和主观判断的不正确则会放大不确定性的影响。传统的统计回归方法只能考虑到随机性，而不能处理模糊性。电力系统的规划与运行均涉及大量不确定因素，但在电力系统的分析与控制中如何处理这些因素尚需深入研究2。风和太阳辐射是重要的可再生能源资源(renewable energy sources，RES)，对能源安全与环境安全至关重要。电能是重要的二次能源，对节能减排与社会文明极为关键。因此，最大程度地将风能和太阳能转换为电能，平稳而无阻塞地向用户输送优质电能，就成为能源革命的核心之一。中国的大规模 RES 与化石类能源资源的分布相当类似，均远离负荷中心。因此，除了大力发展需求侧的分布式

13、RES 外，远方大规模 RES 基地的开发无法回避远距离输电问题。风电的迅速发展在对能源安全与环境安全做出巨大贡献的同时也带来严重挑战。风电及光伏发电的时空分布有很强的波动性及间歇性，其不确定性及混沌特性远比负荷强烈，而时变态势往往与负荷曲线的形态不同调。目前风速预报的平均误差似乎并不太大，但对其最大误差却很难控制，而对间歇时段的预报误差则可能相差数小时，严重影响电力可靠性。虽然通过参数优化、最大功率追踪3、并网控制4及平滑控制5，变速风电机组(variable speed wind turbines，VSWT)的可控性已有所提高，但高效消纳大规模入网的间歇式能源仍为当务之急。间歇式能源的不确

14、定性及反调峰性对中国电力流的可靠性、电能质量和经济性的影响，要比那些电源与负荷分布相对均匀的国家突出得多。随着地域的扩大，不同风场的风速互补性在大时间尺度上会大大增强，但其本质间歇性决定了并不能在小时间尺度上消除对电网运行充裕性的压力。电网在运行中应该精确预测各母线注入量的变化，通过事件发生前的调度，保持适当的调峰容量及其响应速度，以最经济的方式补偿风电的不确定性。此外，还必须正确识别各种稳定性风险大的潜在故障，保证电力系统的安全性。这就要求：从历史数据中提取风速的统计特征，评估风电价值6，优化风电场选址及设计7，评估发电可靠性8，优化并网方案、输电容量和备用容量9，并在系统规划和运行规划中协

15、调优化启停时滞不同的备用容量。风电并网的研究还包括风电并网标准10、渗透率、运行技术11和管理方式，包括计及风电功率预测误差的潮流计算12、机组组合13、阻塞管理14、稳定分析及故障穿越方案15等。通过风电与火电、水电等的协调来降低风险16。文献17通过成本效益分析研究风电接入的时空影响，渗透率对并网容量、备用容量和输电容量的影响。针对不确定因素，有些文献基于机会约束等随机规划理论，按给定的置信水平优化对策，但很少考虑到风电场内部风险，也缺乏在多时间尺度上的综合研究。文献18建立了一套多时空尺度的风电统计特性评价指标体系。文献19综述了在潮流计算中计及风电不确定性的方法，及输电规划的优化方法。

16、为更深刻地理解风电不确定因素对电力系统可靠性的影响，本文在归纳研究现状的基础上，分别讨论发电侧、需求侧、电网环节及整个电力系统的不确定性分析及控制。1 风电的不确定性 1.1 风速的波动性和间歇性 风速往往表现出较强的波动性和间歇性(见 表 1)，在时域上可分解为大时间尺度的平均风速及小时间尺度的脉动风速，在频域上则对应于低频分量和高频分量。此外，风速的波动及间歇都不是确定性的行为(不像正弦波那样的确定性波动及矩形波那样的确定性间歇)，而是随机变化的。表 1 风速的波动性和间歇性 Tab.1 Fluctuation and intermittent of wind power 特性成分时间 尺度 机理 研究 关键 影响 研究 内容 间歇性平均风速1 至10 min用时 空观测数据 校核数学模型 有功/无功平衡；各种稳定性 二次调频，无功优化 优化调度，稳定分析 波动性脉动风速1 s 研究强风与 小风特性 电能质量 一次调频 无功补偿 风电功率是风速的 3 次幂函数。统计表明运行中的风电在 1 h 内的变化量可占装机容量的 10%35%，而在 412 h 内可能超过 50%。风电功率在均