论文部分内容阅读
摘要：针对风电机组出力的不确定性，引入鲁棒优化盒式集合方法对不确定因素进行数学量化，并通过对偶理论变换和简化模型，分别把无功优化规划模型中含不确定量的等式约束和不等式约束转化为确定量的形式，使得变换后的模型易于求解。本文先就电力系统发展现状以及含风电场无功优化规划加以阐述，然后对鲁棒优化方法和基于鲁棒优化的含风电电力系统输电网规划应用详细探究。
关键词：鲁棒优化；含风电电力系统；规划
0.引言
电力是以电能作为动力的能源。20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各用户。并且随着各国经济的发展，人们对电力的需求越来越大，没有电能的世界是不可想象的。
1.电力系统发展现状以及含风电场无功优化规划
1.1电力系统发展现状
第一，电力系统稳定性问题凸显。我国电力系统经过多年发展，初步建成了具有大容量、超高压、远距离、重负荷、交直流混合输电的复杂的互联电力系统，电网互联使得电力系统的稳定问题越来越突出，尤其在重载情况下，各种新的振荡现象（低频振荡、次同步振荡）和问题不断出现[1]。这些问题深刻影响了电力系统的正常运行，在严重时甚至可能造成电网解列等严重后果。
第二，能源的日益短缺，社会对资源节约和环境保护呼声日益高涨，越来越多的人意识到对现有资源的节约和研究新型能源的重要性。某些新能源（例如太阳能和风能）的发电受到自然条件的限制，存在分散性和不连续性，还有些新能源（例如核能）存在风险性，而且现有的电能传输介质一般为铜导线，存在着网损。
第三，消费者对供电质量的要求日益提高。电能质量包括电压、频率、波形，以电子计算机为代表的第三次工业革命深刻地改变了人类生活，各种电子产品层出不穷，电子产品对电能质量要求非常高。另外，我国用电负荷中，存在很多一、二级负荷，对这些一、二级负荷中断供电的后果是极为严重的。
1.2电力系统含风电场无功优化规划
应对风电不确定性的措施。发电侧应对措施降低风电接入带来的不确定性给电网带来的冲击，其关键技术包括：①进行大范围风功率预测，统一调度；建立电网运行与数值天气预报网络体系，通过持续评估以完善预报精度；加强超短期预测。②有功/无功远程调节。③与其他电源互补，如风水互补、风光互补等[2]。④大容量储能技术。提高风电场对外部扰动或故障的响应能力与适应性，风电场必须具备基于稳定性量化分析的风险预警、快速调控能力及故障穿越能力。
电网侧应对措施。解决高渗透风电对电网冲击问题，离不开坚强电网。坚强电网为风电开发利用提供接入、调峰、外送等多方面支撑。电网侧优化电网结构、合理调度及增强电网的抗扰动能力，强化电网连接发电侧和需求侧的纽带作用，共同应对风电不确定性。
2.鲁棒优化方法和基于鲁棒优化含风电电力系统输电网规划
2.1鲁棒优化方法
鲁棒优化方法是解决内部结构和外部环境含有不确定因素的条件下的一种新的优化方法。其目的是对所有不确定输入都能寻找到一个良好性能的解。该方法不同于其他不确定优化方法的地方在于，其对不确定参数的概率分布没有要求，认为每个可能值都一样重要，并能忽略不确定因素对最终获得的优化结果的影响，并不失良好性能。鲁棒优化的一般的数学规划形式如下
其中x为决策向量，函数fo（目标函数）和fi（i=1，…m）i是优化问题的结构元素，う代表某一类问题的参量。如果模型中不包含参量う则该问题为一般的非线性规划问题。针对二次规划问题，若约束方程包含不确定系数，该种方法将不确定参数集合分为参数集合与包括原点的凸紧参数扰动集合两部分，并基于参数扰动集合，设计出一个稳定性更好的鲁棒模型来取代原问题的鲁棒对应。针对一般的不确定凸二次规划问题，该规划问题的不确定集合虽然是一个非常简单的几何形式，仍然难以处理计算上产生的严格非线性规划鲁棒对应。对于这种情形，鲁棒二次规划方法给出了用一个近似鲁棒对应方法[3]。对于具有椭球不确定性的参数集合的不确定凸二次规划和锥二次规划问题，仍然可以采用鲁棒二次规划方法将其近似鲁棒对应转化为一个确定的半定规划问题。
2.2基于鲁棒优化的含风电电力系统输电網规划应用
本文采用IEEE30节点系统进行仿真分析，假设新增电容器单组容量 10kVar，费用2000元，每组年运行费用100元/kVar，算例中系统运行时间以一年计，电价为0.6元/kWh。考虑负荷的变化，将系统运行状况分为最大，一般和最小负荷方式，以最大负荷为基准，将负荷分为最大1.0，一般0.7，最小0.5三种负荷水平，对应的运行时间分别 2380h，4000h，2380h。IEEE-30系统中，当风电场接入节点9时，预测单机风电出力Pw=4.8MW，并且其系数波动值取值为う=n%Pw，う=-う，当n=5时，通过初始潮流计算和灵敏度分析，根据电压越限情况综合灵敏度最大的节点，可得到不同负荷水平下的补偿容量配置结果。系统优化结果和方案是在波动程度n=5时得出的，这表示在此波动范围下风电出力的不确定性对系统优化结果没有影响。由于风电的不确定对系统无功优化规划结果具有较大影响，本文使用鲁棒优化避免了其他算法需要模型求解的复杂性，其采用盒式集合形式，将不确定因素的波动值假定在一个封闭范围的集合内，使得结果对不确定因素的变化不敏感。
虽然使用鲁棒优化方法获得的解鲁棒性好，但同时伴随有解的保守性。虽然可以通过调整模型选取的参数改善保守性水平，使得解得到最优，但是会影响模型的抗干扰性，这是鲁棒优化方法的重要特点，即鲁棒性和抗干扰性的相互矛盾，因此决策者可以根据偏好和实际需要选择能获得较好鲁棒性的抗干扰能力强模型或是不计较付出代价多少选择能得到更为“乐观”的最优解的模型。
3.结语
综上所述，传统的确定性的无功优化方法在解决含随机性较强的风电场并网系统无功优化问题的适用性受到限制。在此基础上本文考虑风力发电接入对系统的影响，引入一种解决不确定问题的鲁棒优化方法，为有关风力发电等含有不确定因素的分布式发电接入系统的无功优化规划研究提供了参考依据。
参考文献：
[1]含双馈感应电机的风电场电压协调控制策略[J].杨桦，梁海峰，李庚银.电网技术.2015（02）
[2]计及风电场概率模型的多目标无功优化[J].刘志刚，刘欢，柳杰. 电力系统保护与控制.2016（01）
[3]含风电场电力系统多目标无功优化研究[J].柳杰，柳林，温俊莹. 电工电气.2016（08）
关键词：鲁棒优化；含风电电力系统；规划
0.引言
电力是以电能作为动力的能源。20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各用户。并且随着各国经济的发展，人们对电力的需求越来越大，没有电能的世界是不可想象的。
1.电力系统发展现状以及含风电场无功优化规划
1.1电力系统发展现状
第一，电力系统稳定性问题凸显。我国电力系统经过多年发展，初步建成了具有大容量、超高压、远距离、重负荷、交直流混合输电的复杂的互联电力系统，电网互联使得电力系统的稳定问题越来越突出，尤其在重载情况下，各种新的振荡现象（低频振荡、次同步振荡）和问题不断出现[1]。这些问题深刻影响了电力系统的正常运行，在严重时甚至可能造成电网解列等严重后果。
第二，能源的日益短缺，社会对资源节约和环境保护呼声日益高涨，越来越多的人意识到对现有资源的节约和研究新型能源的重要性。某些新能源（例如太阳能和风能）的发电受到自然条件的限制，存在分散性和不连续性，还有些新能源（例如核能）存在风险性，而且现有的电能传输介质一般为铜导线，存在着网损。
第三，消费者对供电质量的要求日益提高。电能质量包括电压、频率、波形，以电子计算机为代表的第三次工业革命深刻地改变了人类生活，各种电子产品层出不穷，电子产品对电能质量要求非常高。另外，我国用电负荷中，存在很多一、二级负荷，对这些一、二级负荷中断供电的后果是极为严重的。
1.2电力系统含风电场无功优化规划
应对风电不确定性的措施。发电侧应对措施降低风电接入带来的不确定性给电网带来的冲击，其关键技术包括：①进行大范围风功率预测，统一调度；建立电网运行与数值天气预报网络体系，通过持续评估以完善预报精度；加强超短期预测。②有功/无功远程调节。③与其他电源互补，如风水互补、风光互补等[2]。④大容量储能技术。提高风电场对外部扰动或故障的响应能力与适应性，风电场必须具备基于稳定性量化分析的风险预警、快速调控能力及故障穿越能力。
电网侧应对措施。解决高渗透风电对电网冲击问题，离不开坚强电网。坚强电网为风电开发利用提供接入、调峰、外送等多方面支撑。电网侧优化电网结构、合理调度及增强电网的抗扰动能力，强化电网连接发电侧和需求侧的纽带作用，共同应对风电不确定性。
2.鲁棒优化方法和基于鲁棒优化含风电电力系统输电网规划
2.1鲁棒优化方法
鲁棒优化方法是解决内部结构和外部环境含有不确定因素的条件下的一种新的优化方法。其目的是对所有不确定输入都能寻找到一个良好性能的解。该方法不同于其他不确定优化方法的地方在于，其对不确定参数的概率分布没有要求，认为每个可能值都一样重要，并能忽略不确定因素对最终获得的优化结果的影响，并不失良好性能。鲁棒优化的一般的数学规划形式如下
其中x为决策向量，函数fo（目标函数）和fi（i=1，…m）i是优化问题的结构元素，う代表某一类问题的参量。如果模型中不包含参量う则该问题为一般的非线性规划问题。针对二次规划问题，若约束方程包含不确定系数，该种方法将不确定参数集合分为参数集合与包括原点的凸紧参数扰动集合两部分，并基于参数扰动集合，设计出一个稳定性更好的鲁棒模型来取代原问题的鲁棒对应。针对一般的不确定凸二次规划问题，该规划问题的不确定集合虽然是一个非常简单的几何形式，仍然难以处理计算上产生的严格非线性规划鲁棒对应。对于这种情形，鲁棒二次规划方法给出了用一个近似鲁棒对应方法[3]。对于具有椭球不确定性的参数集合的不确定凸二次规划和锥二次规划问题，仍然可以采用鲁棒二次规划方法将其近似鲁棒对应转化为一个确定的半定规划问题。
2.2基于鲁棒优化的含风电电力系统输电網规划应用
本文采用IEEE30节点系统进行仿真分析，假设新增电容器单组容量 10kVar，费用2000元，每组年运行费用100元/kVar，算例中系统运行时间以一年计，电价为0.6元/kWh。考虑负荷的变化，将系统运行状况分为最大，一般和最小负荷方式，以最大负荷为基准，将负荷分为最大1.0，一般0.7，最小0.5三种负荷水平，对应的运行时间分别 2380h，4000h，2380h。IEEE-30系统中，当风电场接入节点9时，预测单机风电出力Pw=4.8MW，并且其系数波动值取值为う=n%Pw，う=-う，当n=5时，通过初始潮流计算和灵敏度分析，根据电压越限情况综合灵敏度最大的节点，可得到不同负荷水平下的补偿容量配置结果。系统优化结果和方案是在波动程度n=5时得出的，这表示在此波动范围下风电出力的不确定性对系统优化结果没有影响。由于风电的不确定对系统无功优化规划结果具有较大影响，本文使用鲁棒优化避免了其他算法需要模型求解的复杂性，其采用盒式集合形式，将不确定因素的波动值假定在一个封闭范围的集合内，使得结果对不确定因素的变化不敏感。
虽然使用鲁棒优化方法获得的解鲁棒性好，但同时伴随有解的保守性。虽然可以通过调整模型选取的参数改善保守性水平，使得解得到最优，但是会影响模型的抗干扰性，这是鲁棒优化方法的重要特点，即鲁棒性和抗干扰性的相互矛盾，因此决策者可以根据偏好和实际需要选择能获得较好鲁棒性的抗干扰能力强模型或是不计较付出代价多少选择能得到更为“乐观”的最优解的模型。
3.结语
综上所述，传统的确定性的无功优化方法在解决含随机性较强的风电场并网系统无功优化问题的适用性受到限制。在此基础上本文考虑风力发电接入对系统的影响，引入一种解决不确定问题的鲁棒优化方法，为有关风力发电等含有不确定因素的分布式发电接入系统的无功优化规划研究提供了参考依据。
参考文献：
[1]含双馈感应电机的风电场电压协调控制策略[J].杨桦，梁海峰，李庚银.电网技术.2015（02）
[2]计及风电场概率模型的多目标无功优化[J].刘志刚，刘欢，柳杰. 电力系统保护与控制.2016（01）
[3]含风电场电力系统多目标无功优化研究[J].柳杰，柳林，温俊莹. 电工电气.2016（08）