CN102545258A - 一种大规模风电并网的电网优化规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模风电并网的电网优化规划方法，包括以下步骤：步骤1：获得网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据；步骤2：构造计算模型，包括模型的目标函数及约束条件；步骤3：设定计算参数；步骤4：将由步骤1获得的获得网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据和由步骤3设定的三个参数输入至步骤2中构建的计算模型，采用Benders分解法、分支定界法等优化算法通过计算机进行求解。本发明方法考虑风电出力的“尖峰特性”，通过允许概率较小的风电出力尖峰值的一定损失保证电网规划方案的经济合理性，该方法综合考虑新建线路投资和风电综合效益两个方面，同时保证线路利用率和风电综合效益。

Description

一种大规模风电并网的电网优化规划方法

【技术领域】

本发明涉及电网规划技术领域，尤其涉及一种多场景并考虑风电出力“尖峰特性”的大规模风电并网的电网优化规划方法。

【背景技术】

随着我国风电的快速发展和七大千万千瓦级风电基地的规划建设，必须寻求经济合理的电网规划方法解决大规模风电并网问题。现有针对风电并网的电网规划方法一般都是通过技术经济分析方法对备选方案进行筛选得到最终规划方案。这种方法和规划人员经验直接相关，难以得到最优方案。更为合理有效的方法是采用优化规划方法建立大规模风电并网的电网规划模型直接进行求解，得到最优电网规划方案。

传统的电网优化规划方法通常采用新建线路投资最小作为目标，对含有小规模风电的系统则通过使风电全额上网的隐性条件以保证风电综合效益最大，这相当于将风电作为传统机组处理，没有考虑风电的特点。请参阅图1所示，实际上风电出力具有明显的“尖峰特性”，即风电出力通常只以很小的概率达到较高的值，按上述方法得到的方案线路利用率低下、经济性差，造成投资浪费。这一问题在大规模风电基地并网的情况下更为突出。因此综合考虑风电综合效益和新建线路投资，提出一种更具经济性的最优规划方法。

传统的电网规划一般只针对规划年的一种典型运行方式进行并得到结果。在大规模风电并网的情况下，规划年实际运行方式复杂多变，按一种典型场景规划的方案适应性不强，易导致大量补偿投资。因此采用多场景方法引入规划年多种运行方式，通过场景状态变量使各种运行方式的约束条件可以方便的引入，统一对模型直接求解，使模型具有统一性和开放性。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种经济合理的适用于大规模风电并网的电网优化规划方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大规模风电并网的电网优化规划方法，包括以下步骤：

步骤1：获取网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据；

步骤2：构造计算模型，包括以下步骤：

第2.1步：构建优化目标：以新建线路投资和所有风电场在其使用期限内多种运行场景下的风电效益损失期望之和最小为目标函数；

第2.2步：构建约束条件，包括：

节点功率平衡约束；

线路潮流约束；

线路传输功率极限约束；

机组出力约束，包括：水电机组出力上下限约束、火电机组出力上下限约束、风电场出力上下限约束；

风电出力损失约束，包括：各风电场出力损失约束、风电基地所有风电场出力损失期望值约束；

输电走廊约束，包括：允许新建线路的走廊集约束、线路走廊允许新建线路数目约束；

整数约束；

步骤3：分别设定以下三个参数：各风电场允许的出力损失最大比例；系统所有风电场的出力损失期望值占出力期望值的最大比例；规划模型收敛精度；

步骤4：将由步骤1获得的网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据和由步骤3设定的三个参数，代入步骤2中构建的计算模型，采用Benders分解法或分支定界法求解，所得结果即包括：新建线路集，新建线路顺序，新建线路集总投资费用，各风电场出力损失，风电基地出力损失期望值，风电基地所有风电场在使用期限内综合效益损失期望值，目标函数值。

网架规划数据包括：规划年系统总节点数N；允许新建线路的走廊集Ω；每回走廊已有线路数量

每回走廊允许新建的最大线路数量

每条待选线路的电抗值x_ij；每条待选线路的传输功率极限值

新建每条待选线路的造价C_ij；包括原有线路和待选线路的节点支路关联矩阵M；

系统运行预测数据包括：规划年运行场景总数n_s；规划年运行场景集Γ；每种场景出现的概率p(s)；每种场景下系统总的负荷值d(s)；每种场景下各机组出力上、下限值

风电规划数据包括：风电综合效益B_wind；风电场数量n_wind；各风电场可用时长t_k；各风电场的装机容量P_Nwind；各风电场出力分布F(g_w，p(g_w))，其中g_w为风电场出力，p(g_w)为g_w出力相应的概率。

步骤2中的第2.1步所述的优化目标由公式(1)获得：

$\min (\underset{(i,j)}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{ij}}{n}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{wind}}\·\underset{s=1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}p\left(s\right)\·E(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\·t_k)),$ (i，j)∈Ω，s∈Γ    (1)；

其中，Ω为待选线路集；Γ为规划年运行场景集；C_ij表示i-j节点之间新建一条线路的建设成本；n_ij表示i-j节点之间新建线路的数量；B_wind表示单位电量风电的综合效益；s是场景状态变量；n_s表示规划年运行场景总数；p(s)表示场景s出现的概率；表示按照场景s运行时造成的所有风电场电量损失的期望值；k是风电场的序号；n_wind表示风电场总数；Δg_wk(s)表示风电场k按场景s运行时的出力损失；t_k表示风电场k的可用时长。

步骤2中的第2.2步所述的约束条件具体包括：

1)节点功率平衡约束：

M^TP_L(s)+g(s)-Δg_w(s)＝d(s)                                  (2)

式中：M^T是支路节点关联矩阵，P_L(s)是场景s下支路功率列向量，g(s)是场景s下发电机组出力列向量，Δg_w(s)是场景s下风电出力损失列向量，d(s)是场景s下的负荷水平；

2)线路潮流约束：

$P_{\mathrm{ij}}\left(s\right)-\frac{n_{\mathrm{ij}}+n_{\mathrm{ij}}^0}{x_{\mathrm{ij}}}({\mathrm{\θ}}_i\left(s\right)-{\mathrm{\θ}}_j\left(s\right))=0---\left(3\right)$

式中：P_ij(s)是场景s下支路i-j的流过的功率；x_ij节点i-j之间一条线路的电抗；

表示i-j节点之间已有线路的数量；θ_i(s)、θ_j(s)分别表示场景s下节点i、j的电压相角；

3)线路传输功率极限约束：

$\left|P_{\mathrm{ij}}\left(s\right)\right|\≤\left(n_{\mathrm{ij}}^0+n_{\mathrm{ij}}\right)\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

式中：

表示节点i-j之间一条输电线路的传输功率上限；

4)机组出力约束：

$\underset{\‾}{g\left(s\right)}\≤g\left(s\right)\≤\stackrel{\‾}{g\left(s\right)}---\left(5\right)$

式中：g(s)是由各发电机组出力下限值组成的列向量；

由各发电机组出力上限值组成的列向量；

5)风电出力损失约束：

0≤Δg_w(s)≤η·g_w(s)                            (6)

$E\left(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\right)<\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;E\left(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\right)---\left(7\right)$

式中：g_w(s)表示场景s下风电出力列向量；η为设定的比例系数列向量，其元素表示各风电场允许的出力损失占风电场出力的比例系数；

是场景s下所有风电场的出力损失的期望值；

是场景s下所有风电场出力的期望值；γ为设定的比例系数；

6)输电走廊约束：

$0\&le;n_{\mathrm{ij}}\&le;\stackrel{\&OverBar;}{n_{\mathrm{ij}}}---\left(8\right)$

式中：

表示节点i-j之间允许新建的输电线路数量上限值；

7)整数约束：

n_ij∈Z⁺                                        (9)

式中：Z⁺表示非负整数。

本发明进一步的改进在于：0≤η≤30％，0≤γ≤20％。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明方法能有效解决大规模风电并网的电网规划中现有方法得到的方案线路利用率低下、经济性差、适应性不强、非最优解的弊端，提供一种更为经济合理的规划方法。本发明所提模型考虑风电出力的“尖峰特性”，通过允许概率较小的风电出力尖峰值的一定损失保证方案的经济合理性，将“新建线路投资和所有风电场在其使用期限内多种运行场景下的风电效益损失期望之和最小”作为优化目标。该新型目标综合考虑新建线路投资和风电综合效益两个方面，同时保证线路利用率和风电综合效益，在我国大规模风电基地快速发展的形势下更能体现投资的社会价值，更符合电网规划经济合理的要求。通过在模型中引入两个风电出力损失约束分别保证各风电场的出力水平和所有风电场整体的出力水平，使风电综合效益维持在较高水平。同时，本发明考虑规划年运行场景的不确定性，在模型中引入场景状态变量，使各种运行方式下的约束条件可以方便的引入到一个统一的模型之中，使得模型具有开放性和统一性，可通过优化方法直接求解得到大规模风电并网的最优电网规划方案。本发明所提模型适用于我国大规模风电快速开发建设的实际，可应用于我国七大千万千瓦级风电基地并网外送的电网规划之中。另一方面，由于电网建设一般具有滞后性和周期性，大规模风电基地并网外送需要先行建设关键线路以尽可能多的产生经济效益，本发明方法所得优化结果包括按照风电外送影响构成的新建线路顺序，可为风电基地并网外送的电网逐步规划建设提供指导。

【附图说明】

图1为某风电基地的风电出力“尖峰特性”图；

图2为本发大规模风电并网的电网优化规划方法的流程示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图2对本发明作进一步说明。但本发明的内容不仅仅局限如此。

本发明一种大规模风电并网的电网优化规划方法，包括以下步骤：

一、需要首先从电网规划部门获取相关数据：网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据；

网架规划数据包括：规划年系统总节点数N；允许新建线路的走廊集Ω；每回走廊已有线路数量

每回走廊允许新建的最大线路数量

每条待选线路的电抗值x_ij；每条待选线路的传输功率极限值

新建每条待选线路的造价C_ij；包括原有线路和待选线路的节点支路关联矩阵M；

系统运行预测数据包括：规划年运行场景总数n_s；规划年运行场景集Γ；每种场景出现的概率p(s)；每种场景下系统总的负荷值d(s)；每种场景下各机组出力上、下限值

g(s)；

风电规划数据包括：风电综合效益B_wind；风电场数量n_wind；各风电场可用时长t_k；各风电场的装机容量P_Nwind；各风电场出力分布F(g_w，p(g_w))，其中g_w为风电场出力，p(g_w)为g_w出力相应的概率。。

二、构造计算模型，包括以下步骤：

第1步：新建线路投资和所有风电场在其使用期限内多种运行场景下的风电效益损失期望之和最小为目标函数建立优化目标，所述的优化目标由公式(1)获得：

$\min (\underset{(i,j)}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}{n}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{wind}}\&CenterDot;\underset{s=1}{\overset{n_s}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\left(s\right)\&CenterDot;E(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\&CenterDot;t_k)),(i,j)\&Element;\mathrm{\&Omega;},s\&Element;\mathrm{\&Gamma;}---\left(1\right);$

其中，第一项表示新建线路投资费用；第二项表示所有风电场在其使用期限内多种运行场景下的风电效益损失期望。具体的：Ω为待选线路集；Γ为规划年运行场景集；C_ij表示i-j节点之间新建一条线路的建设成本；n_ij表示i-j节点之间新建线路的数量；B_wind表示单位电量风电的综合效益；s是场景状态变量；n_s表示规划年运行场景总数；p(s)表示场景s出现的概率；k是风电场的序号；n_wind表示风电场总数；

表示按照场景s运行时造成的所有风电场电量损失的期望值；Δg_wk(s)表示风电场k按场景s运行时的出力损失；t_k表示风电场k的可用时长。

第2步：构建约束条件，包括：

1)节点功率平衡约束。各节点必须满足功率平衡约束。

M^TP_L(s)+g(s)-Δg_w(s)＝d(s)                            (2)

式中：M^T是支路节点关联矩阵，P_L(s)是场景s下支路功率列向量，g(s)是场景s下发电机组出力列向量，Δg_w(s)是场景s下风电出力损失列向量，d(s)是场景s下的负荷水平。

2)线路潮流约束。按照直流潮流，各线路需满足潮流约束。

$P_{\mathrm{ij}}\left(s\right)-\frac{n_{\mathrm{ij}}+n_{\mathrm{ij}}^0}{x_{\mathrm{ij}}}({\mathrm{\&theta;}}_i\left(s\right)-{\mathrm{\&theta;}}_j\left(s\right))=0---\left(3\right)$

式中：P_ij(s)是场景s下支路i-j的流过的功率；x_ij节点i-j之间一条线路的电抗；

表示i-j节点之间已有线路的数量；θ_i(s)、θ_j(s)分别表示场景s下节点i、j的电压相角。

3)线路传输功率极限约束。

$\left|P_{\mathrm{ij}}\left(s\right)\right|\&le;\left(n_{\mathrm{ij}}^0+n_{\mathrm{ij}}\right)\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

式中：

表示节点i-j之间一条输电线路的传输功率上限。

4)机组出力约束。各机组出力上下限约束。

$\underset{\&OverBar;}{g\left(s\right)}\&le;g\left(s\right)\&le;\stackrel{\&OverBar;}{g\left(s\right)}---\left(5\right)$

式中：g(s)是由各发电机组出力下限值组成的列向量；由各发电机组出力上限值组成的列向量。

5)风电出力损失约束。风电场出力损失不应过大，本发明给出两个约束条件。一个是各个风电场的出力损失必须小于风电场出力的一定比例，它针对各个风电场个体，保证各风电场的效益；另一个是所有风电场出力损失的期望必须小于所有风电场出力期望的一定比例，它用来保证所有风电场的出力之和，更为宏观，保证风电整体的效益。

0≤Δg_w(s)≤η·g_w(s)                        (6)

$E\left(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\right)<\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;E\left(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\right)---\left(7\right)$

式中：g_w(s)表示场景s下风电出力列向量；η为设定的比例系数列向量，为了保证各风电场的效益，0≤η≤30％，其元素表示各风电场允许的出力损失占风电场出力的比例系数。

是场景s下所有风电场的出力损失的期望值；

是场景s下所有风电场出力的期望值；γ为设定的比例系数，为了保证风电总体效益，0≤γ≤20％。

6)输电走廊约束。输电走廊上允许新建的输电线路数量有上限限制。

$0\&le;n_{\mathrm{ij}}\&le;\stackrel{\&OverBar;}{n_{\mathrm{ij}}}---\left(8\right)$

式中：

表示节点i-j之间允许新建的输电线路数量上限值。

7)整数约束。新建的输电线路必须为整数条。

n_ij∈Z⁺                                    (9)

式中：Z⁺表示非负整数。

三、分别设定以下三个参数：各风电场允许的出力损失最大比例η；系统所有风电场的出力损失期望值占出力期望值的最大比例γ；规划模型收敛精度ε；

四、将前述所获得网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据和所设定的参数输入至构建的大规模风电并网的电网规划模型，采用Benders分解法、分支定界法等优化算法通过计算机进行求解。求解结果包括：新建线路集，新建线路顺序，新建线路集总投资费用，各风电场出力损失，风电基地出力损失期望值，风电基地所有风电场在使用期限内综合效益损失期望值，目标函数值。

五、将步骤四中的得到的求解结果通过计算机反馈至规划人员，规划人员参照上述求解结果得到最终规划方案。

Claims (5)

1.一种大规模风电并网的电网优化规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据；

步骤2：构造计算模型，包括以下步骤：

第2.1步：构建优化目标：以新建线路投资和所有风电场在其使用期限内多种运行场景下的风电效益损失期望之和最小为目标函数；

第2.2步：构建约束条件，包括：

节点功率平衡约束；

线路潮流约束；

线路传输功率极限约束；

机组出力约束，包括：水电机组出力上下限约束、火电机组出力上下限约束、风电场出力上下限约束；

风电出力损失约束，包括：各风电场出力损失约束、风电基地所有风电场出力损失期望值约束；

输电走廊约束，包括：允许新建线路的走廊集约束、线路走廊允许新建线路数目约束；

整数约束；

步骤3：分别设定以下三个参数：各风电场允许的出力损失最大比例；系统所有风电场的出力损失期望值占出力期望值的最大比例；规划模型收敛精度；

步骤4：将由步骤1获得的网架规划数据、系统运行预测数据、风电规划数据和由步骤3设定的三个参数，代入步骤2中构建的计算模型，采用Benders分解法或分支定界法求解，所得结果即包括：新建线路集，新建线路顺序，新建线路集总投资费用，各风电场出力损失，风电基地出力损失期望值，风电基地所有风电场在使用期限内综合效益损失期望值，目标函数值。

2.根据权利要求1所述的一种大规模风电并网的电网优化规划方法，其特征在于，网架规划数据包括：规划年系统总节点数N；允许新建线路的走廊集Ω；每回走廊已有线路数量

每回走廊允许新建的最大线路数量

每条待选线路的电抗值x_ij；每条待选线路的传输功率极限值

新建每条待选线路的造价C_ij；包括原有线路和待选线路的节点支路关联矩阵M；

系统运行预测数据包括：规划年运行场景总数n_s；规划年运行场景集Γ；每种场景出现的概率p(s)；每种场景下系统总的负荷值d(s)；每种场景下各机组出力上、下限值

风电规划数据包括：风电综合效益B_wind；风电场总数n_wind；各风电场可用时长t_k；各风电场的装机容量P_Nwind；各风电场出力分布F(g_w，p(g_w))，其中g_w为风电场出力，p(g_w)为g_w出力相应的概率。

3.根据权利要求1所述的一种大规模风电并网的电网优化规划方法，其特征在于，步骤2中的第2.1步所述的优化目标由公式(1)获得：

$\min (\underset{(i,j)}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}{n}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{wind}}\&CenterDot;\underset{s=1}{\overset{n_s}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\left(s\right)\&CenterDot;E(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\&CenterDot;t_k)),(i,j)\&Element;\mathrm{\&Omega;},s\&Element;\mathrm{\&Gamma;}---\left(1\right)$

其中，Ω为待选线路集；Γ为规划年运行场景集；C_ij表示i-j节点之间新建一条线路的建设成本；n_ij表示i-j节点之间新建线路的数量；B_wind表示单位电量风电的综合效益；s是场景状态变量；n_s表示规划年运行场景总数；p(s)表示场景s出现的概率；

表示按照场景s运行时造成的所有风电场电量损失的期望值；k是风电场的序号；n_wind表示风电场总数；Δg_wk(s)表示风电场k按场景s运行时的出力损失；t_k表示风电场k的可用时长。

4.根据权利要求1所述的一种大规模风电并网的电网优化规划方法，其特征在于，步骤2中的第2.2步所述的约束条件具体包括：

1)节点功率平衡约束：

M^TP_L(s)+g(s)-Δg_w(s)＝d(s)                                   (2)

式中：M^T是支路节点关联矩阵，P_L(s)是场景s下支路功率列向量，g(s)是场景s下发电机组出力列向量，Δg_w(s)是场景s下风电出力损失列向量，d(s)是场景s下的负荷水平；

2)线路潮流约束：

$P_{\mathrm{ij}}\left(s\right)-\frac{n_{\mathrm{ij}}+n_{\mathrm{ij}}^0}{x_{\mathrm{ij}}}({\mathrm{\&theta;}}_i\left(s\right)-{\mathrm{\&theta;}}_j\left(s\right))=0---\left(3\right)$

式中：P_ij(s)是场景s下支路i-j流过的功率；x_ij节点i-j之间一条线路的电抗；

表示i-j节点之间已有线路的数量；θ_i(s)、θ_j(s)分别表示场景s下节点i、j的电压相角；

3)线路传输功率极限约束：

$\left|P_{\mathrm{ij}}\left(s\right)\right|\&le;\left(n_{\mathrm{ij}}^0+n_{\mathrm{ij}}\right)\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

式中：

表示节点i-j之间一条输电线路的传输功率上限；

4)机组出力约束：

$\underset{\&OverBar;}{g\left(s\right)}\&le;g\left(s\right)\&le;\stackrel{\&OverBar;}{g\left(s\right)}---\left(5\right)$

式中：g(s)是由各发电机组出力下限值组成的列向量；

由各发电机组出力上限值组成的列向量；

5)风电出力损失约束：

0≤Δg_w(s)≤η·g_w(s)                                (6)

$E\left(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\right)<\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;E\left(\underset{k=1}{\overset{n_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_{\mathrm{wk}}\left(s\right)\right)---\left(7\right)$

式中：g_w(s)表示场景s下风电出力列向量；η为设定的比例系数列向量，其元素表示各风电场允许的出力损失占风电场出力的比例系数；

是场景s下所有风电场的出力损失的期望值；

是场景s下所有风电场出力的期望值；γ为设定的比例系数；

6)输电走廊约束：

$0\&le;n_{\mathrm{ij}}\&le;\stackrel{\&OverBar;}{n_{\mathrm{ij}}}---\left(8\right)$

式中：

表示节点i-j之间允许新建的输电线路数量上限值；

7)整数约束：

n_ij∈Z⁺                                (9)

式中：Z⁺表示非负整数。

5.根据权利要求4所述的一种大规模风电并网的电网优化规划方法，其特征在于，0≤η≤30％，0≤γ≤20％。

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