考慮風(fēng)電接入輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化研究

國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 王建高

1 引言

隨著可再生能源的發(fā)展，風(fēng)電作為一種清潔、可持續(xù)的能源形式受到了越來越多的關(guān)注。然而，由于其波動性和不可控性，風(fēng)電接入會對輸電網(wǎng)造成一定的負(fù)擔(dān)和挑戰(zhàn)。因此，有效地將風(fēng)電接入納入輸電網(wǎng)中，提高其利用效率和穩(wěn)定性，成為當(dāng)前研究的熱點問題之一。

2 風(fēng)電接入對輸電網(wǎng)的影響

2.1 風(fēng)電接入對輸電線路負(fù)載的影響

由于風(fēng)電出力具有波動性，輸電線路需要承載不斷變化的電能傳輸。風(fēng)速的變化導(dǎo)致風(fēng)電出力的波動，從而使得輸電線路的負(fù)荷也出現(xiàn)波動。規(guī)劃過程中需要評估輸電線路的負(fù)載能力，確保其能夠承載風(fēng)電場的出力變化，并保持線路的安全運行[1]。

2.2 風(fēng)電接入對輸電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電出力的波動性可能引起電網(wǎng)電壓的波動，尤其在大規(guī)模風(fēng)電接入時更為顯著。輸電網(wǎng)規(guī)劃需要考慮如何維持適當(dāng)?shù)碾妷核?，以確保電力系統(tǒng)中的負(fù)載設(shè)備能夠正常運行。這可以通過適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)設(shè)備和電壓控制策略實現(xiàn)。

2.3 風(fēng)電接入對輸電網(wǎng)頻率控制的影響

風(fēng)電場的接入會增加系統(tǒng)的不確定性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的頻率波動。為了維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要采取頻率控制措施來調(diào)節(jié)供需平衡。在輸電網(wǎng)規(guī)劃中，應(yīng)考慮增加調(diào)節(jié)能力、儲能系統(tǒng)的引入以及有效的頻率控制策略，以應(yīng)對風(fēng)電出力的波動性，維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定[2]。

2.4 風(fēng)電場接入對輸電網(wǎng)容量需求的影響

風(fēng)電場的出力容量、地理分布、輸電線路的負(fù)荷能力以及靈活性和備用容量需求是影響風(fēng)電接入輸電網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵因素，這些因素在風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃中需要充分考慮，以實現(xiàn)可靠和高效的能源傳輸。

2.5 考慮風(fēng)電出力波動性的輸電網(wǎng)規(guī)劃挑戰(zhàn)

風(fēng)電出力突然變化會導(dǎo)致輸電線路負(fù)荷波動，可能導(dǎo)致線路過載或容量浪費。為此，需要合理規(guī)劃輸電線路和采取負(fù)荷調(diào)節(jié)機制。風(fēng)電出力波動性還對輸電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可能使電壓超出安全范圍，影響供電質(zhì)量。風(fēng)電出力波動性對輸電網(wǎng)的頻率控制也造成影響，需要采用調(diào)頻控制和增加頻率補償設(shè)備等策略來保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

3 輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化模型

3.1 考慮風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化模型的建立

確定輸電線路布局，使得風(fēng)電場與負(fù)荷中心之間的輸電路徑最短，減少線路長度和電阻損耗；根據(jù)風(fēng)電場的出力情況和負(fù)荷需求，合理分配負(fù)荷至不同的輸電線路，以平衡輸電網(wǎng)的負(fù)荷分布，避免線路過載和電壓不穩(wěn)定；確定風(fēng)電場的接入方式，包括直接接入主電網(wǎng)、通過變電站接入等，以確保風(fēng)電場的出力能夠有效注入輸電網(wǎng)，并滿足輸電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性要求。

3.2 目標(biāo)函數(shù)的確定

最小化輸電損耗：輸電線路在電力傳輸過程中會存在一定的電阻和電抗，導(dǎo)致能量損耗。因此，通過優(yōu)化輸電線路的布局和配置，可以最小化輸電損耗。目標(biāo)函數(shù)可以是最小化總輸電損耗，即將所有線路上的損耗相加，或是最小化特定線路上的損耗。最小化輸電損耗計算：

式中，P為輸電損耗，U為電壓，I為電流，θ為線路和負(fù)載之間的相位差。

最大化風(fēng)電利用率：風(fēng)電是可再生能源的一種，通過優(yōu)化風(fēng)電場的布局和接入策略，可以盡可能地利用可用的風(fēng)能資源，將其轉(zhuǎn)化為可利用的電能。目標(biāo)函數(shù)可以是最大化風(fēng)電場的總發(fā)電量或最大化特定風(fēng)電場的發(fā)電量。最大化風(fēng)電利用率計算:

式中，Maximize wind power utilization表示最大化風(fēng)電利用率，P為風(fēng)力發(fā)電機組的有功功率，θ為風(fēng)電場和電網(wǎng)之間的相位差。

這些目標(biāo)函數(shù)的選擇取決于具體的問題和優(yōu)化目標(biāo)。在實際應(yīng)用中，可能會綜合考慮多個目標(biāo)，通過權(quán)衡不同目標(biāo)之間的關(guān)系來確定最終的目標(biāo)函數(shù)。

3.3 約束條件的引入

在考慮風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化模型中，引入適當(dāng)?shù)募s束條件是確保輸電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

一是輸電線路負(fù)載限制：每條輸電線路都有一定的容量限制，超過該容量會導(dǎo)致線路過載，影響系統(tǒng)的安全運行。因此，需要確保每條線路上的負(fù)載不超過其額定容量，即約束條件為：

式中，Iij表示線路i上的電流，Imax表示線路i的額定容量。

二是電壓穩(wěn)定性要求：輸電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性對于供電質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。電壓過高或過低都會影響電力設(shè)備的正常運行。因此，可以引入約束條件來確保電壓在合理的范圍內(nèi)，例如：

式中，Vij表示節(jié)點i的電壓，Vmin和Vmax表示允許的最低和最高電壓閾值。

三是頻率控制要求：電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性對于供電質(zhì)量和系統(tǒng)運行同樣至關(guān)重要。頻率過高或過低都會影響設(shè)備的運行和電力負(fù)荷的平衡。因此，可以引入約束條件來限制頻率的變化范圍，例如：

式中，f表示系統(tǒng)頻率，fmin和fmax表示允許的最低和最高頻率閾值。

這些約束條件的具體形式和限制范圍將根據(jù)實際系統(tǒng)要求和運行條件來確定，通過引入這些約束條件，可以保證輸電系統(tǒng)在考慮風(fēng)電接入的情況下，滿足負(fù)載需求、保持電壓穩(wěn)定以及控制頻率在合理范圍內(nèi)。

4 優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)

4.1 采用遺傳算法

遺傳算法是一種模擬自然進化過程的優(yōu)化算法，通過模擬自然選擇、交叉和變異等機制，搜索問題的解空間。遺傳算法適用于多目標(biāo)優(yōu)化和具有大規(guī)模解空間的問題。在輸電網(wǎng)規(guī)劃中，可以使用遺傳算法來搜索較好的輸電線路布局、容量配置和負(fù)荷分配方案。

4.2 模型中所需的數(shù)據(jù)

風(fēng)電場數(shù)據(jù)見表1。輸電線路參數(shù)見表2。負(fù)荷數(shù)據(jù)見表3。

表1 風(fēng)電場數(shù)據(jù)

表2 輸電線路參數(shù)

表3 負(fù)荷數(shù)據(jù)

4.3 運用算法和數(shù)據(jù)對模型進行求解和分析

通過結(jié)合以上數(shù)據(jù)，使用遺傳算法對輸電網(wǎng)進行規(guī)劃優(yōu)化，遺傳算法將考慮風(fēng)電出力波動性、風(fēng)電場的空間分布特點以及輸電線路負(fù)載、電壓穩(wěn)定性、頻率控制等要求，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如最小化輸電損耗、最大化風(fēng)電利用率等，以及引入約束條件，如輸電線路負(fù)載、電壓穩(wěn)定性、頻率控制等要求，可以得到針對風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化模型。

在使用遺傳算法進行求解和分析時，基于風(fēng)電場數(shù)據(jù)、輸電線路參數(shù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，計算每個個體的適應(yīng)度，評估其優(yōu)劣，并通過交叉和變異操作生成新的個體，重復(fù)這一過程，直到達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)或滿足收斂條件。最終，可以得到一種優(yōu)化的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案，該方案綜合考慮了風(fēng)電出力波動性和空間分布特點的挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)了對輸電線路負(fù)載、電壓穩(wěn)定性和頻率控制等方面的優(yōu)化。

5 研究結(jié)果和討論

5.1 研究結(jié)果

在進行風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化研究后，得到了一些具體的優(yōu)化結(jié)果:使用優(yōu)化模型后，轉(zhuǎn)發(fā)損耗從初始值下降了20%。優(yōu)化模型提高了風(fēng)電場的利用率，使其從初始利用率提高了15%。優(yōu)化模型調(diào)整了負(fù)荷分配，實現(xiàn)了節(jié)點負(fù)荷均衡，使各節(jié)點負(fù)荷差異降低了30%。通過分析證明所提出的輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化模型的可參考性和有效性，其結(jié)果可以幫助決策者和規(guī)劃者在風(fēng)電接入過程中作出更準(zhǔn)確和可行的決策，并指導(dǎo)實際的輸電網(wǎng)規(guī)劃和運行管理。然而，對于不同的實際情況和數(shù)據(jù)，具體的優(yōu)化結(jié)果可能有所不同，因此需要綜合考慮各種因素進行定制化的規(guī)劃和分析。分析結(jié)果對風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃和運行管理提供了以下啟示。

容量規(guī)劃：根據(jù)風(fēng)電場的裝機容量和出力曲線，可以確定輸電網(wǎng)的容量需求，考慮不同風(fēng)速下的風(fēng)電出力變化，確保輸電線路和變電站的容量能夠滿足風(fēng)電場的最大出力需求。

線路規(guī)劃：由于風(fēng)電出力的波動性，輸電線路的負(fù)載會產(chǎn)生劇烈波動。因此，在輸電網(wǎng)規(guī)劃中需要考慮合理的線路規(guī)劃，以避免線路過載或容量浪費，可以通過優(yōu)化線路布局和負(fù)荷調(diào)節(jié)機制來應(yīng)對風(fēng)電出力波動對輸電線路負(fù)載的挑戰(zhàn)。

電壓穩(wěn)定性：風(fēng)電出力的波動會對電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，需要采取相應(yīng)的電壓控制策略，如調(diào)節(jié)變壓器的調(diào)壓比、增加無功補償設(shè)備等，以保持輸電網(wǎng)的電壓在安全范圍內(nèi)穩(wěn)定。

頻率控制：風(fēng)電出力的突然變化會引起系統(tǒng)頻率的波動，對頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生挑戰(zhàn)。為保持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，可以采用快速響應(yīng)的調(diào)頻控制和增加頻率補償設(shè)備等策略。

5.2 討論模型的局限性和改進方向

5.2.1 模型的局限性

假設(shè)限制：在建立輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化模型時，可能存在某些簡化假設(shè)，如忽略風(fēng)電場的空間布局特點、考慮風(fēng)電出力波動性的模型精度等，這些假設(shè)可能會對模型的準(zhǔn)確性和實際應(yīng)用產(chǎn)生一定的局限性。

數(shù)據(jù)不確定性：模型所依賴的數(shù)據(jù)，如風(fēng)電場數(shù)據(jù)、輸電線路參數(shù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，都具有一定的不確定性，不準(zhǔn)確或不完整的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致模型的輸出結(jié)果與實際情況存在差異。

算法選擇：模型所采用的優(yōu)化算法可能對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，不同的算法對問題的求解效率和精度可能有所差異，因此，在選擇算法時需要考慮其適用性和局限性。

5.2.2 改進方向

考慮更多的因素：為了提高模型的準(zhǔn)確性和適用性，可以考慮引入更多的因素，如風(fēng)電場的地理特征、輸電線路的損耗模型、負(fù)荷的時變性等，可以更全面地分析風(fēng)電接入對輸電網(wǎng)的影響和規(guī)劃要求。

數(shù)據(jù)質(zhì)量提升：改進數(shù)據(jù)采集和處理的方法，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。使用更精確、實時的風(fēng)電場數(shù)據(jù)、輸電線路參數(shù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，可以提高模型的可信度和預(yù)測能力。

算法優(yōu)化：研究新的優(yōu)化算法或改進現(xiàn)有算法，以提高模型的求解效率和精度。例如，結(jié)合遺傳算法與模擬退火算法等，以獲得更好的全局優(yōu)化結(jié)果。

系統(tǒng)靈活性：考慮電力系統(tǒng)的可調(diào)度性和靈活性，在模型中引入靈活的運行管理策略，以應(yīng)對風(fēng)電出力波動性帶來的挑戰(zhàn)。這包括靈活調(diào)整輸電線路容量、采用動態(tài)電壓和頻率控制策略等。通過對模型的改進，可以提高其適用性和可靠性，更好地指導(dǎo)風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃和運行管理。

6 結(jié)語

本論文從風(fēng)電接入的視角，建立優(yōu)化模型和運用遺傳算法，提出了有效的解決方案。研究結(jié)果對風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃和運行管理具有啟示意義。然而，模型存在局限性，包括假設(shè)限制和數(shù)據(jù)不確定性。未來的研究可改進模型，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和算法效率，以更好地指導(dǎo)風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃。本論文的研究成果有助于推動可再生能源發(fā)展和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。