含不确定性电源的电力系统柔性生产模拟

1 电力系统柔性生产模拟
传统的电力系统生产模拟几乎不考虑或者较 少考虑新能源的接入，当大量的不确定性电源接入 电力系统后，常规的电力系统生产模拟已经无法给 出其对于电网带来的影响。本文提出了“电力系统 柔性生产模拟” ， 该方法是考虑负荷预测误差， 不确 定性电源出力的随机性、波动性和间歇性，机组的 随机故障等不确定性因素以及储能的电力系统生产 模拟。 “电力系统柔性生产模拟”除了能够得到常规 电力系统随机生产模拟得出的各类机组的发电量、 整个系统的燃料费用等经济性指标和电量不足期望 值、电力不足概率等可靠性指标外，还能用于评估 不确定性电源接入电力系统带来的影响，包括不确 定性电源发电的容量可信度 （Capacity credit， CC） 、 可避免费用（Avoided cost，AC） 、对于常规机组启 停的影响以及基于调峰调频分析的电力系统弃能评 估。 含不确定性电源的电力系统柔性生产模拟的 步骤如下： Step 1：选择需要进行电力系统柔性生产模拟 的水平年规划方案。 Step 2：对已选择的水平年规划方案进行柔性 随机生产模拟，得到各类机组的发电量、整个系统 的燃料费用等经济性指标和电量不足期望值、电力 不足概率等可靠性指标，以及不确定性电源发电的 容量可信度（Capacity credit，CC）以及可避免费用
Flexible production simulation for power system with uncertain energy
MA Zhou-jun1, CHENG Hao-zhong1, DING Hao2, ZHANG Jie-tan3, CHEN Kai4, MA Ze-liang5 (1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Shanghai 200240, China; 2. Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 211102, China; 3. Qinghai Electric Power Company, Xining 810008, China; 4. Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210008, China; 5. East China Grid Company Limited, Shanghai 200002, China) Abstract: Uncertain energy is characterized as randomness, fluctuation, and intermittency, which would bring in uncertain factors when connected to power grid. However, conventional probabilistic production simulation can’t deal with generation expansion planning and evaluation well in the above situation. In order to overcome these disadvantages, the concept of flexible production simulation for power system is proposed, whose general method and procedure are also discussed. Flexible production simulation can calculate the reliability and economic indices given by conventional probabilistic production simulation, and also provides capacity credit and avoidable cost considering uncertain energy and storage being connected to power system. Abandoned uncertain energy power could be evaluated by the theory presented in the paper from time scale and two aspects of peak-load regulation and frequency adjustment. In the respect of peak-load regulation, abandoned uncertain energy power is analyzed through the demand and capacity of peak regulation. Abandoned uncertain energy power in frequency adjustment level is assessed based on multi-scene analysis. Flexible production simulation for power system provides a theoretical basis for generation expansion planning and comprehensive assessment of the impact of uncertain energy connected to power system. The effectiveness and validity of the proposed method are illustrated by the simulation of 2020 Northwest Power Network Planning. This work is supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2009CB219703) and National Natural Science Foundation of China (No. 51077091). Key words: power system; uncertain energy; energy storage; flexible production simulation; peak-load regulation and frequency adjustment; abandoned uncertain energy power; multi-scene; generation expansion planning 中图分类号： TM715 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)17-0063-08
（Avoided cost，AC） ，判断相应的经济性指标和可 靠性指标是否合格，不合格则回到 step1，否则进入 下一步。 Step 3：进行调峰分析，得到基于调峰层面电 力系统弃能水平。 Step 4：进行调频分析，得到基于调频层面电 力系统弃能水平。 Step 5：综合 Step 3 和 Step 4，得出含不确定性 电源以及储能的电力系统总的弃能量。 Step 6：对电力系统进行其他需要特性的分析 和评估。 根据上述步骤，电力系统柔性生产模拟流程以 及对应的输入输出如图 1 所示，其中左边部分为对 应柔性生产模拟每一步所需的输入数据，右边则为 相应的输出数据。根据上述步骤，本文将对电力系 统柔性生产模拟方法各部分进行详细阐述。
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图 1 电力系统柔性生产模拟总体流程 Fig. 1 Flow chart of flexible production simulation for power system
2 柔性生产模拟各部分流程
2.1 柔性随机生产模拟 传统的电力系统随机生产模拟可以分为如下 几类[9]：按研究区域的不同，可分为单系统随机生 产模拟和多区域互联系统生产模拟[10-12]；按采用的 算法不同，可分为累积量法[13-15]、分块法[16]、分段 直线逼近法[17]、等效电量函数法(Equivalent energy function method，EEF)[18]、半不变量法[19-21]等。 上述传统的随机生产模拟算法的核心是将时
0 引言
常规能源的有限性和环境问题日益突出，新能
基金项目： 国家重点基础研究发展计划项目(973 项目) (2009CB219703)；国家自然科学基金项目(51077091)
源大量接入电网，给电力系统带来了很多不确定性 因素。本文所研究的不确定性电源指的是具有随机 性、间歇性和波动性特点的新型电源，主要以大规 模风电和太阳能发电为主[1-2]。 为了使不确定性电源 所发的电安全高效地接入电网，往往加入储能与之 配合。大量不确定性电源加入电力系统，其间歇性
第 41 卷 第 17 期 2013 年 9 月 1 日
Power System Protection and Control
电力系统保护与控制
Vol.41 No.17 Sep.1, 2013
含不确定性电源的电力系统柔性生产模拟
马洲俊 1，程浩忠 1，丁 昊 2，张节潭 3，陈 楷 4，马则良 5
(1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海 200240；2.江苏省电力公司检修分公司， 江苏 南京 211102；3.青海省电力公司，青海 西宁 810008；4.江苏省电力公司南京供电公司， 江苏 南京 210008；5.华东电网有限公司，上海 200002) 摘要：大规模不确定性电源接入电网给电力系统带来了随机性、波动性和间歇性等不确定性因素，现有的随机生产模拟理论 不能很好地解决上述形势下的电源规划和评估。鉴于此，提出了“电力系统柔性生产模拟”的概念并研究了其一般方法和流 程。该方法不仅能得到传统随机生产模拟的可靠性和经济性指标，还给出了考虑不确定性电源和储能接入下的不确定性电源 发电的容量可信度以及可避免费用等。所提方法。在调峰层 面，基于电网调峰需求和调峰能力加以分析给出了该层面的弃能电量；在调频层面，采用多场景分析理论给出了调频层面弃 能电量的评估方法。电力系统柔性生产模拟能为含不确定性电源的电源规划及评估提供理论依据，并能全面评估不确定性电 源的接入对电网造成的影响。对 2020 年西北规划电网的仿真计算验证了所提方法的正确性和有效性。 关键词：电力系统；不确定性电源；储能；柔性生产模拟；调峰调频；弃能电量；多场景；电源规划