考慮可再生能源電源功率不確定性的電源靈活性評(píng)價(jià)

肖定垚，王承民，曾平良，孫偉卿

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；3.上海理工大學(xué) 電氣工程系，上海 200093）

0 引言

可再生能源發(fā)電REG（Renewable Energy Generation）以及智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，使電力系統(tǒng)的不確定性日益增強(qiáng)，給電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行帶來諸多負(fù)面影響[1-4]。而電力系統(tǒng)靈活性是為應(yīng)對(duì)不確定因素帶來的負(fù)面影響，即在經(jīng)濟(jì)約束和運(yùn)行約束下，某一時(shí)間尺度內(nèi)，電力系統(tǒng)快速而有效地優(yōu)化調(diào)配現(xiàn)有資源，快速響應(yīng)電網(wǎng)功率變化、控制電網(wǎng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的能力[5-8]。

靈活性指標(biāo)結(jié)合不確定因素和電力系統(tǒng)2個(gè)方面的特點(diǎn)，全面衡量系統(tǒng)的靈活性。文獻(xiàn)[9]根據(jù)巴西水電資源比重較大的特點(diǎn)，將靈活性量化為水電和火電發(fā)電切換能力及其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，該指標(biāo)應(yīng)用局限性較大；文獻(xiàn)[10]從經(jīng)濟(jì)性的角度定義了正負(fù)電價(jià)，并由此建立了大規(guī)模風(fēng)電的靈活性評(píng)價(jià)模型；文獻(xiàn)[11-12]中從潮流、網(wǎng)架等基礎(chǔ)方面著手，將其量化為成本的函數(shù)，構(gòu)建靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[13]從某一時(shí)段負(fù)荷的功率譜密度著手，得出風(fēng)電出力變化的周期圖，并將其與可調(diào)度的靈活性資源圖對(duì)比，得出大規(guī)模風(fēng)電的靈活性價(jià)值評(píng)估。文獻(xiàn)[14]以電力系統(tǒng)容量、能量存儲(chǔ)容量、容量斜坡率和容量持續(xù)時(shí)間為基本參數(shù)，從單節(jié)點(diǎn)的功率注入分析出發(fā)，得到多節(jié)點(diǎn)靈活性潮流模型，針對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性建立了評(píng)估模型。文獻(xiàn)[15]從規(guī)劃的角度，建立了靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效應(yīng)用于電力系統(tǒng)規(guī)劃中。文獻(xiàn)[16-17]利用Kaplan-Meier法[18]估計(jì)的累積密度函數(shù)得出可用靈活性資源的概率分布，并考慮到靈活性資源的相關(guān)性，通過臨界點(diǎn)找到各種情況下的靈活性評(píng)估。

目前，關(guān)于靈活性指標(biāo)模型的研究工作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展和成果，但也存在著一些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

a.對(duì)電力系統(tǒng)靈活性資源考慮不全面。大部分靈活性模型中認(rèn)為電力系統(tǒng)靈活性資源僅存在于火電、水電或風(fēng)電中，未能全面考慮系統(tǒng)中的其他靈活性資源；同時(shí)，未考慮各類靈活性資源的特點(diǎn)及其特性對(duì)電力系統(tǒng)靈活性的影響程度。

b.靈活性特點(diǎn)體現(xiàn)不足。對(duì)靈活性的特點(diǎn)把握不清，故沒有將其完全體現(xiàn)在靈活性指標(biāo)中，在量化靈活性指標(biāo)時(shí)，也未考慮不確定性因素的影響。

c.普適性較差。指標(biāo)通常針對(duì)特定的電力系統(tǒng)或運(yùn)行模式，不能比較運(yùn)行狀態(tài)間或不同系統(tǒng)間的靈活性。

針對(duì)目前靈活性指標(biāo)模型研究中存在的問題，本文考慮到大規(guī)模REG不確定性，通過分析靈活性特點(diǎn)與靈活性資源，建立了具有顯著物理意義的電源靈活性目標(biāo)函數(shù)以及具有靈活性特點(diǎn)的約束條件，并由此得到了衡量電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的綜合評(píng)價(jià)表以及衡量電力系統(tǒng)固有靈活性的指標(biāo)，以此形成靈活性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1 靈活性特點(diǎn)及資源

1.1 特點(diǎn)分析

靈活性與經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性是并列關(guān)系，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析中須著重考慮的重要因素。電力系統(tǒng)常以安全性和可靠性為前提，以經(jīng)濟(jì)性為目的，以靈活性為約束，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、規(guī)劃、調(diào)度等。

靈活性是電力系統(tǒng)的固有特征[19]，與可靠性和安全性均有交叉與不同。從安全性角度，不確定性因素帶來的負(fù)面影響可能對(duì)電力系統(tǒng)安全性帶來威脅，因而，靈活性可從應(yīng)對(duì)不確定性能力的角度對(duì)安全性進(jìn)行補(bǔ)充，是安全性研究中不可缺少的一環(huán)，但靈活性其自身又是從宏觀的角度，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)的評(píng)估，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和獨(dú)立性，特別地，當(dāng)靈活性提高到一定程度時(shí)，對(duì)靈活性資源要求會(huì)更加苛刻，反而會(huì)使安全性略微下降；從可靠性角度，靈活性越高，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，相應(yīng)的可靠性也會(huì)越高，但靈活性對(duì)可靠性的積極影響只局限于不確定性層面。電力系統(tǒng)靈活性與經(jīng)濟(jì)性、安全性及可靠性的變化趨勢(shì)示意圖如圖1所示。

圖1 靈活性與經(jīng)濟(jì)性、安全性及可靠性的關(guān)系Fig.1 Relationship between flexibility and economy／security／reliability

對(duì)于任意電力系統(tǒng)而言，其本身就具有一定能力應(yīng)對(duì)不確定性帶來的負(fù)面影響，靈活性的特點(diǎn)應(yīng)充分考慮不確定因素及其給電力系統(tǒng)帶來的影響。不確定性會(huì)使電力系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)功率不平衡問題，功率平衡情況不同時(shí)，電力系統(tǒng)的靈活性不同。因而，可認(rèn)為電力系統(tǒng)靈活性具有向上與向下2個(gè)方向，分別對(duì)應(yīng)電力系統(tǒng)功率供應(yīng)小于需求和供應(yīng)大于需求2種情況。同時(shí)，在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)不確定性時(shí)，需充分考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度是否與不確定因素發(fā)生的時(shí)間尺度相匹配，即系統(tǒng)響應(yīng)能力的時(shí)間特性。因此，電力系統(tǒng)靈活性的特點(diǎn)主要為具有方向性和時(shí)間尺度[20]。

1.2 資源分析

理論上，電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，所有的可調(diào)度的資源均可以成為靈活性資源，它們?yōu)橄到y(tǒng)所提供的靈活性是不斷變化的，如圖2所示。隨著時(shí)間的推移，機(jī)組按照日前計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度運(yùn)行，出力不斷變化。機(jī)組出力上限和當(dāng)前的差值即為機(jī)組的向上靈活性容量，稱為系統(tǒng)的向上靈活性資源；機(jī)組當(dāng)前出力與機(jī)組備用容量的差值即為機(jī)組的向下靈活性容量，稱為系統(tǒng)的向下靈活性資源。因此，對(duì)于每一臺(tái)機(jī)組而言，均具有一定的靈活性，而各臺(tái)機(jī)組的靈活性容量之和，即為該系統(tǒng)靈活性資源的總?cè)萘俊?/p>

電力系統(tǒng)靈活性資源作為靈活性需求響應(yīng)以及靈活性指標(biāo)的基礎(chǔ)，是受到靈活性特點(diǎn)影響最大的部分?？紤]到時(shí)間尺度、響應(yīng)方向以及經(jīng)濟(jì)性約束，部分傳統(tǒng)資源不適合作為靈活性資源，因而，靈活性資源是傳統(tǒng)資源的真子集。

圖2 靈活性資源分析圖Fig.2 Analysis of flexible resources

根據(jù)靈活性的方向性和時(shí)間尺度的限制，目前系統(tǒng)中可用的靈活性資源主要有5類：具備快速調(diào)節(jié)能力的火電站；抽水蓄能電站；區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)；可中斷負(fù)荷；各類儲(chǔ)能系統(tǒng)。

對(duì)各類靈活性資源的評(píng)價(jià)如表1所示，在一定程度上說明了各類靈活性資源的特點(diǎn)與作用。

表1 各類靈活性資源評(píng)價(jià)Table 1 Evaluation of various flexible resources

2 考慮REG功率不確定性的電源靈活性評(píng)價(jià)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

依據(jù)電力系統(tǒng)靈活性的要求，定義電源靈活性指標(biāo)旨在從電源側(cè)衡量電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不確定性因素的能力。在電源側(cè)，造成系統(tǒng)不確定性的主要原因通常為可再生能源出力的變化，使系統(tǒng)功率平衡的不確定性增加，可再生能源接入電力系統(tǒng)的規(guī)模越大，其出力變化造成的后果越嚴(yán)重，因此，可將系統(tǒng)能夠承受的可再生能源最大突變?nèi)萘孔鳛殪`活性評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文以風(fēng)電場(chǎng)為例，說明電源靈活性指標(biāo)的相關(guān)問題。

考慮到靈活性的方向性，需分別評(píng)價(jià)2個(gè)方向上的電源靈活性，即風(fēng)電場(chǎng)出力突然減小和突然增大2個(gè)方向，為與前述靈活性資源的方向?qū)?yīng)，可將前者簡(jiǎn)稱為向上靈活性，后者簡(jiǎn)稱為向下靈活性，2個(gè)方向的靈活性的本質(zhì)相同。故以向上靈活性指標(biāo)為例，其目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

其中，ΔPwi為研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)i的出力變化，且以風(fēng)電場(chǎng)功率向下的變化為正，ΔPwi應(yīng)不小于0；Nw為研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的個(gè)數(shù)。

本文定義的目標(biāo)函數(shù)物理含義為系統(tǒng)所能承受的風(fēng)電場(chǎng)出力的最大變化，直觀上而言，即為系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性所帶來的功率供應(yīng)不足的能力。因此，目標(biāo)函數(shù)的值越大，說明電力系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)能力越強(qiáng)，電源靈活性則越佳。

需要說明的是，該目標(biāo)函數(shù)并不要求涵蓋研究區(qū)域內(nèi)的全部風(fēng)電場(chǎng)，可根據(jù)研究目的和對(duì)象的不同，選擇相應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)。同時(shí)，模型的物理意義明確，能夠直觀地反映可再生能源功率不確定性的情況以及系統(tǒng)靈活性情況。

2.2 約束條件

靈活性的特點(diǎn)與特性對(duì)靈活性指標(biāo)有著較大影響，響應(yīng)靈活性需求的資源不同時(shí)，靈活性指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)不同。靈活性指標(biāo)模型的約束條件不僅需要考慮到傳統(tǒng)電力系統(tǒng)約束，也應(yīng)兼顧靈活性背景下的新的約束條件及形式，因此，靈活性指標(biāo)的約束條件可分為2類：第一類約束條件為通用約束，通用約束的形式與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)約束相似，也是靈活性指標(biāo)計(jì)算中必須考慮的約束；第二類約束條件為靈活性資源約束，靈活性資源反映了靈活性自身的特點(diǎn)及其對(duì)靈活性資源的特殊要求。在實(shí)際問題中，并不是所有的靈活性資源都能夠響應(yīng)靈活性需求，可依據(jù)當(dāng)前靈活性需求和資源，選擇相應(yīng)的約束，因此，靈活性資源約束是選擇性約束，視各個(gè)電源的接入情況以及運(yùn)行人員的主觀意愿而確定。

2.2.1 通用約束

a.節(jié)點(diǎn)功率平衡。

由于目標(biāo)函數(shù)的影響，節(jié)點(diǎn)功率平衡方程應(yīng)分別考慮風(fēng)電節(jié)點(diǎn)和非風(fēng)電節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于風(fēng)電節(jié)點(diǎn)，功率平衡方程為：

其中，PGk、QGk分別為節(jié)點(diǎn)k的有功功率和無功功率；PLk、QLk分別為節(jié)點(diǎn)k的有功負(fù)荷和無功負(fù)荷；ΔPwk、ΔQwk分別為節(jié)點(diǎn)k的風(fēng)電有功變化和無功變化；Uk為節(jié)點(diǎn) k 的電壓；Gkj、Bkj、θkj分別為節(jié)點(diǎn) k 和 j之間的電導(dǎo)、電納和相角差；j?k表示節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)k相連。

對(duì)于非風(fēng)電節(jié)點(diǎn)，功率平衡方程為：

b.電壓約束：

其中，Uk、Ukmax、Ukmin分別為節(jié)點(diǎn) k的電壓及其上、下限。

c.線路約束：

其中，H為備用容量；uk為標(biāo)識(shí)量，若發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，則uk為 1，否則為0。

e.風(fēng)電場(chǎng)功率變化約束。

風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)時(shí)，需滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)定，因此在考慮靈活性指標(biāo)時(shí)，各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的最大出力變化需限制在國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)[21]。同時(shí)，考慮到目標(biāo)函數(shù)方向的問題，風(fēng)電場(chǎng)功率變化應(yīng)滿足如下條件：

其中，ΔPGB為國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)定中的風(fēng)電最大功率變化值，該值與時(shí)間尺度相關(guān)，若靈活性與標(biāo)準(zhǔn)中的時(shí)間尺度不匹配，可用插值擬合，確定限值。

2.2.2 靈活性資源約束

a.時(shí)間尺度的選擇。

電力系統(tǒng)靈活性的衡量建立在一定的時(shí)間尺度下，靈活性資源的響應(yīng)特性與時(shí)間尺度息息相關(guān)，因此，時(shí)間尺度的問題是靈活性資源約束的前提條件。

靈活性研究中將時(shí)間尺度設(shè)定為固定值，考慮到不確定因素持續(xù)時(shí)間通常較短，該時(shí)間尺度不宜過大，同時(shí)，為滿足靈活性特點(diǎn)以及國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)定，限定其取值，即：

當(dāng)時(shí)間尺度超出30 min的范圍時(shí)，可認(rèn)為該問題已經(jīng)非常接近傳統(tǒng)問題，靈活性指標(biāo)的參考意義下降，相應(yīng)的問題可采用傳統(tǒng)方法求解。

b.火電機(jī)組。

靈活性的時(shí)間尺度將影響火電機(jī)組的有功出力范圍，因此，綜合傳統(tǒng)的上下限出力約束以及靈活性時(shí)間尺度與機(jī)組爬坡速率約束，火電機(jī)組的有功出力約束可寫成如下形式：

其中，PTG為火電機(jī)組的出力；PTG，0、PTG，max、PTG，min分別為火電機(jī)組的當(dāng)前出力以及其出力的上、下限；rTu、rTd分別為火電機(jī)組的向上和向下的爬坡速率。

c.抽水蓄能電站。

與火電機(jī)組相似，抽水蓄能電站的有功出力約束可描述為：

其中，PPG為抽水蓄能電站的出力；PPG，0、PPG，max分別為抽水蓄能電站的當(dāng)前出力以及其當(dāng)前庫容水平下所

其中，Pl、Plmax分別為線路l的潮流值和限值；α為線路的柔性裕度，通常設(shè)為固定值。

d.備用約束：允許的出力上限；rPu、rPd分別為抽水蓄能電站的向上和向下的爬坡速率。

d.可中斷負(fù)荷。

可中斷負(fù)荷的出力由2個(gè)方面綜合決定：一方面為合同規(guī)定的最大出力變化的限制，另一方面為用戶自身的出力預(yù)期的限制。因此，可中斷負(fù)荷的出力約束可描述為：

其中，PIL為可中斷負(fù)荷的出力；PIL，0、PIL，max分別為可中斷負(fù)荷的當(dāng)前出力以及其出力的上限；ΔPIL，max為可中斷負(fù)荷的最大出力變化限制，該限制通常由電網(wǎng)與用戶簽訂的合同決定。

e.區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)。

區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的出力限制有2個(gè)方面：一方面是聯(lián)絡(luò)線的最大傳輸功率限制，另一方面為最大交換功率限制。同時(shí)，由于區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)既可以成為功率的供應(yīng)側(cè)，又可以成為功率的需求側(cè)，因此，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)是出力可以為“負(fù)”的電源。則區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的出力約束可描述為：

其中，Pc為聯(lián)絡(luò)區(qū)域的出力；PLine，0、PLine，max分別為聯(lián)絡(luò)區(qū)域聯(lián)絡(luò)線上的當(dāng)前傳輸有功功率和最大傳輸有功功率；ΔPex，max為聯(lián)絡(luò)區(qū)域的最大功率交換限制。

f.儲(chǔ)能裝置。

儲(chǔ)能裝置出力受到最大出力限制及其所儲(chǔ)存的總能量的限制，其出力約束可以描述為：

其中，Ps為儲(chǔ)能裝置的出力；Ps，max為儲(chǔ)能裝置的最大出力限制；Ws，max、Ws，0分別為儲(chǔ)能裝置的存儲(chǔ)能量的上、下限。

需要指出的是，靈活性資源約束中時(shí)間尺度可根據(jù)研究需要進(jìn)行調(diào)整，但風(fēng)電場(chǎng)功率變化約束也會(huì)有相應(yīng)的調(diào)整；同時(shí)，5類靈活性資源中，若某種資源被納入至靈活性指標(biāo)評(píng)估中，相應(yīng)的約束條件才生效，可依據(jù)研究對(duì)象由專業(yè)人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定。

3 電源靈活性評(píng)價(jià)體系

3.1 綜合評(píng)價(jià)表

電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，靈活性會(huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)行工況的不同而改變；同時(shí)，對(duì)于同一工況而言，不同的靈活性資源對(duì)靈活性評(píng)價(jià)也會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此，靈活性的評(píng)價(jià)應(yīng)考慮不同時(shí)間尺度下，不同靈活性資源響應(yīng)時(shí)，電力系統(tǒng)目前的靈活性指標(biāo)值。

在確定的時(shí)間尺度下，根據(jù)控制手段和研究對(duì)象的不同，可以將電力系統(tǒng)電源靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)化為如表2所示的形式。其中，控制手段即靈活性資源，它既可包含單一的控制手段，也可包含各種控制手段的組合；類似地，控制對(duì)象即風(fēng)電場(chǎng)，既可以是單一風(fēng)電場(chǎng)，又可以是多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的組合；靈活性指標(biāo)Oi，j則由相應(yīng)的控制手段和研究對(duì)象計(jì)算得出。例如，某研究區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)個(gè)數(shù)為2，該研究區(qū)域內(nèi)的可用靈活性資源為火電機(jī)組、水電機(jī)組以及儲(chǔ)能裝置，若控制手段考慮3種靈活性資源，則在某一確定的時(shí)間尺度下，上述情況下的電源靈活性指標(biāo)模型的目標(biāo)函數(shù)為式（1），約束條件則為式（2）—（10）及式（13），從而可得到該情況下的靈活性指標(biāo)；若控制手段僅考慮火電機(jī)組及水電機(jī)組，此時(shí)的電源靈活性模型則不考慮式（13），評(píng)價(jià)情況與結(jié)果與前述的均不相同。每一種控制手段和研究對(duì)象均可認(rèn)為是一種特定的運(yùn)行模式。

表2 電力系統(tǒng)電源靈活性評(píng)價(jià)表Table 2 Power source flexibility evaluation table for power system

不同的時(shí)間尺度下可得到相應(yīng)的靈活性評(píng)價(jià)表。此外，靈活性指標(biāo)Oi，j分為2個(gè)方向上的指標(biāo)值，因此，靈活性評(píng)價(jià)表也有2個(gè)。靈活性綜合評(píng)價(jià)表能完全反映電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的靈活性狀態(tài)，整體把握靈活性變化及趨勢(shì)。

3.2 固有靈活性評(píng)價(jià)

對(duì)于任意電力系統(tǒng)，其在任意運(yùn)行狀態(tài)下都具有一定的靈活性能力，即固有靈活性。固有靈活性表示了系統(tǒng)的內(nèi)在特征，但由于靈活性特點(diǎn)的特殊性，固有靈活性依然與時(shí)間尺度以及靈活性資源密切相關(guān)。

靈活性綜合評(píng)價(jià)表針對(duì)特定的運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)不同的靈活性資源響應(yīng)，形成了對(duì)靈活性的綜合評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)表無法評(píng)價(jià)不同運(yùn)行狀態(tài)間或不同系統(tǒng)間的靈活性。因此，靈活性指標(biāo)體系不僅應(yīng)可觀評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性的變化趨勢(shì)，還應(yīng)更直觀地對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的固有靈活性作出靈活性評(píng)價(jià)。

對(duì)于不同的運(yùn)行狀態(tài)或不同系統(tǒng)，若控制手段i包含所有的靈活性資源，研究對(duì)象j包含研究區(qū)域內(nèi)所有的風(fēng)電場(chǎng)，均可得到2個(gè)方向上的靈活性指標(biāo)O+i，j、O-i，j，它們可以評(píng)價(jià)特定方向上的靈活性。 不區(qū)別方向時(shí)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，得到：

EI值可作為系統(tǒng)固有靈活性的參考值。

通常而言，若需對(duì)比2個(gè)系統(tǒng)或2種運(yùn)行狀態(tài)下的固有靈活性，則需在同一時(shí)間尺度下考慮所有可用的靈活性資源時(shí)所得到固有靈活性指標(biāo)，作為評(píng)價(jià)依據(jù)。

固有靈活性的參考值與安全性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)相似，可以為電力系統(tǒng)運(yùn)行、規(guī)劃方案提供依據(jù)和指導(dǎo)。

4 算例

本文采用IEEE 30節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)架[22]，基準(zhǔn)值為SB=100 MV·A、UB=135 kV，以驗(yàn)證本文所建模型的有效性。在原始網(wǎng)架的基礎(chǔ)上，本文添加了部分電源點(diǎn)，并對(duì)電源點(diǎn)的出力上、下限進(jìn)行折算，電源點(diǎn)的參數(shù)如表3所示，其中，7、10號(hào)節(jié)點(diǎn)接入了容量為0.3 p.u.的風(fēng)電場(chǎng)，分別記為風(fēng)電場(chǎng)1、風(fēng)電場(chǎng)2，1、22、9、18、23 號(hào)節(jié)點(diǎn)分別為火電、水電、可中斷負(fù)荷、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入點(diǎn)，同時(shí)將各電源的上、下限折算至10 min時(shí)間尺度下，表中功率均為標(biāo)幺值。

表3 電源基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of power sources

利用文中所述模型，以向上靈活性指標(biāo)為例，計(jì)算時(shí)間尺度為10 min的靈活性綜合評(píng)價(jià)表?？刂剖侄喂?種：第一種為靈活性資源僅考慮火電，記為控制手段Ⅰ；第二種為靈活性資源考慮火電和水電，記為控制手段Ⅱ；第三種到第五種則在前一種控制手段中依次加入可中斷負(fù)荷、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、儲(chǔ)能系統(tǒng)，并分別記為控制手段Ⅲ、控制手段Ⅳ、控制手段V。表4則為該情況下的靈活性評(píng)價(jià)表，表中數(shù)據(jù)均為標(biāo)幺值。

由表4可知，對(duì)于同一個(gè)研究對(duì)象，控制手段不同時(shí)，靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，在依次增加靈活性資源數(shù)量與種類時(shí)，電力系統(tǒng)靈活性指標(biāo)會(huì)隨之增加，增加的幅度與靈活性資源的種類密切相關(guān)。

對(duì)于同一種控制手段，研究對(duì)象不同時(shí)，靈活性指標(biāo)與控制手段和研究對(duì)象均有較大關(guān)系?？傮w而言，當(dāng)研究對(duì)象數(shù)量較多時(shí)，得到靈活性指標(biāo)較大；研究對(duì)象數(shù)量相同時(shí)，靈活性變化趨勢(shì)與研究對(duì)象的個(gè)體相關(guān)性較強(qiáng)。

表4 電源靈活性指標(biāo)評(píng)價(jià)表Table 4 Evaluation table of power source flexibility index

在靈活性資源數(shù)量較少時(shí)，潮流約束作用較小，靈活性資源出力限制約束占主導(dǎo)地位，因此，各類靈活性資源均可接近或達(dá)到其最大出力限制，此時(shí)控制手段I和Ⅱ中，各情況下的靈活性指標(biāo)差距較小，甚至出現(xiàn)相同的結(jié)果；而當(dāng)靈活性資源數(shù)量逐漸增多時(shí)，潮流約束作用逐漸增強(qiáng)，各情況下的靈活性指標(biāo)表現(xiàn)不一。特別地，靈活性資源越多，研究對(duì)象為2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的靈活性指標(biāo)越接近研究對(duì)象為單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的靈活性指標(biāo)之和。

為比較固有靈活性指標(biāo)，本文計(jì)算了IEEE 30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架在不同負(fù)荷水平下，時(shí)間尺度為10 min、控制手段為V時(shí)，研究對(duì)象為2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的雙向靈活性指標(biāo)與固有靈活性指標(biāo)，如表5所示，表中數(shù)據(jù)均為標(biāo)幺值。

表5 不同負(fù)荷水平下的固有靈活性評(píng)價(jià)Table 5 Inherent flexibility evaluation for different load levels

由表5可知，中負(fù)荷時(shí)的向上靈活性遠(yuǎn)高于高負(fù)荷時(shí)的向上靈活性，但高負(fù)荷時(shí)的向下靈活性略高于中負(fù)荷時(shí)的向下靈活性，僅根據(jù)向上或向下靈活性無法判斷哪種運(yùn)行狀態(tài)下的靈活性更高。因此，對(duì)比其固有靈活性可以看出，中負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)的固有靈活性高于高負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)的固有靈活性。該固有靈活性值僅是靈活性對(duì)比時(shí)的參考量。

5 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有靈活性指標(biāo)的不足，著重考慮靈活性的特點(diǎn)，建立了具有明顯物理意義的電源靈活性指標(biāo)模型，適用于含可再生能源電站的電力系統(tǒng)。

基于電源靈活性指標(biāo)模型，電源靈活性評(píng)價(jià)體系由靈活性評(píng)價(jià)表及固有靈活性指標(biāo)組成，前者反映電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的靈活性狀態(tài)及變化趨勢(shì)，后者則可以比較不同運(yùn)行狀態(tài)或不同電力系統(tǒng)間的電源靈活性。

IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的算例表明，電力系統(tǒng)電源靈活性受到時(shí)間尺度、研究對(duì)象和控制手段等諸多因素的影響。本文所述的電源靈活性指標(biāo)體系能夠反映電力系統(tǒng)的電源靈活性，在一定程度上反映電力系統(tǒng)的整體靈活性，可為靈活性研究的進(jìn)一步深入提供思路。但由于本文的研究以理論研究為主，研究對(duì)象為含可再生能源電站的電力系統(tǒng)，靈活性模型則僅從電源側(cè)考量，在實(shí)際應(yīng)用中則具有一定的局限性。

電力系統(tǒng)整體靈活性的評(píng)價(jià)不僅局限于電源側(cè)，還可以從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷、電壓和頻率等角度評(píng)價(jià)靈活性，未來的研究將集中于從不同角度評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)靈活性，從而形成更加完備的靈活性評(píng)價(jià)體系，以更好地服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用的需求。