学术简报｜基于概率分布列的风电参与黑启动时电力系统安全裕度分析
华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员刘艳、叶茂等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文指出，近年来风电渗透率的不断提高和风电控制技术的不断成熟，使风电参与系统恢复具有了必要性和可行性。
该文首先基于风电对系统恢复的影响，提出了风电参与黑启动的安全裕度评价指标，以表征黑启动过程中系统接入一定容量风电后在既定时段内的安全程度；然后定义了“连续型随机变量的概率分布列”的概念，用于简化复杂连续型随机变量的概率分析；随后将历史模拟法应用于生成未来风电出力模拟集，得到了基于概率分布列的安全裕度分析方法；最后针对某具体黑启动方案，说明了安全裕度求解的一般步骤，多角度分析了风电对系统恢复安全性的影响，求解了不同风电接入容量下的安全裕度的概率分布列，确定了各时刻的安全风电接入容量，并找出了黑启动过程中提高安全风电接入容量的方法。
化石能源的日益减少和环境污染的日益严重促成了《巴黎协定》的签订，也催生了各国的能源革命。在《巴黎协定》的框架之下，我国提出了“到2030年非化石能源在总的能源当中的比例，要提升到20%左右”的减排目标。《风电发展“十三五”规划》还定下了“到2020年底，风电累计并网装机容量确保达到2.1亿kW以上；风电年发电量确保达到4 200亿kWh，约占全国总发电量的6%”的目标。
在国家政策的驱动下，我国风电行业取得了飞速发展，累计装机规模已跃居全球第一。据中投顾问发布的《2016—2020年中国风力发电行业投资分析及前景预测报告》指出，到2020年我国8个千万kW级风电基地的总装机容量将达1.5亿kW。
随着风电渗透率的逐步提高，风电在系统恢复中的作用变得越来越不容忽视。与此同时，风电相关技术规定、规范的出台，为风电的稳定控制和平稳运行提供了规范指导；风电技术和储能技术的发展，为风电参与黑启动提供了技术支撑。风电具有启动功率小、启动速度快等适用于黑启动的优点，若能合理利用，将有效缩短系统恢复时间。特别是在一些缺乏水电的地区，如果风电能够平稳地参与黑启动，将大大加快黑启动进程。
一些学者对风电参与黑启动的过程进行了验证性仿真。文献[9]提出了适用于风电黑启动的储能配置策略，在PSCAD/EMTDC上搭建了风储模型，通过仿真验证了储能电站能够使风电场安全平稳地参与初期黑启动。风储联合发电系统不仅在运行时能够平滑风电场出力和改善电能质量，同时也能作为电网黑启动时的备用启动电源[10]，当在外界风力、储能充电量等条件具备时，风储联合发电系统具备黑启动能力，这对于解决无水电地区的黑启动问题，提高电网抵御大面积停电都有着积极的现实意义。
文献[12]针对储能型风电场的自启动、变压器和输电线路空载充电、热电机组辅机启动等暂态过程进行了仿真，证明了储能型风电场作为黑启动电源的可行性与价值。文献[13,14]针对配置储能电站的风电场提出了一种大停电后风电场的黑启动策略，利用储能电站适时释放或吸收风电功率，利用自动发电控制和自动电压控制保障风电场电压与频率稳定，为风电场增加了黑启动服务能力，并制定了风电场详细的黑启动步骤。
以上研究初步探索了风电参与黑启动的可行性与注意事项，提出了改善恢复过程中系统安全性的一些措施。而关于风电并网对黑启动过程中系统的安全性有什么具体影响、如何确定黑启动过程中风电的安全接入容量等问题，还鲜有学者进行研究。
为此，本文首先基于风电对系统恢复的影响，建立了评价风电参与黑启动过程中系统安全性的裕度指标体系；然后计及风况的不确定性，提出了基于概率分布列的风电参与黑启动安全裕度分析方法；随后针对某具体黑启动方案，评价了系统在黑启动过程中接入不同量风电后系统的安全性，探索了风电预测误差对安全裕度的影响，找出了系统恢复过程中提高风电接入容量的方法。
图1 含风电场的IEEE 39节点系统
为了评价风电参与黑启动的安全性、确定系统恢复过程中某时段可以安全接入的风电容量，本文首先建立了完备的风电参与黑启动的安全裕度指标体系，然后计及风况的不确定性，首次提出采用概率分布列来表示安全裕度，采用历史模拟法来生成未来风电出力序列的模拟集，进而提出了基于概率分布列的风电参与黑启动安全裕度分析方法。通过算例的求解验证，得到以下结论：
1）本文所建立的8个安全裕度指标中，限制风电接入的主要是调峰裕度、投负荷频率安全裕度和单瞬频率偏移可接受性裕度，这说明要提高黑启动过程中风电的安全接入容量，首要是改善系统的调频调峰能力、挖掘风力发电机的动态频率支持能力。
2）DFIG风力发电机若要在系统恢复初期并网，宜运行于恒压模式，以充分利用其有限的无功支撑能力来减少电压波动。
3）风况对系统的安全裕度影响较为明显，且随着风电接入容量的增大，风况对系统安全裕度的影响作用也被放大，提高风速预测精度可以在保证相同安全裕度的情况下提高风电的接入量、降低风电参与黑启动的操作保守性。
4）采用概率分布列来表示复杂型随机变量的概率分布，既避免了求解概率密度函数的困难，又克服了单纯的确定值信息量少的缺点，还能灵活展现随机变量的概率特征，这是一个值得推广的方法。
本文将历史模拟法应用于生成未来风电出力模拟集，提出了基于概率分布列的风电参与黑启动安全裕度分析方法，确定了各时刻的安全风电接入容量。然而，在实际黑启动过程中，多个风电场如何协调参与黑启动、系统接入风电时宜保持多大的安全裕度等问题有待进一步的研究。