CN104037790B - 一种基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法。本发明提出了接纳能力分析模型，可分析新能源接纳能力的限制因素，如调峰调频，线路潮流约束等，根据不同限制因素导致的新能源弃电量，可识别系统的薄弱环节。本发明建立了基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估框架，考虑了运行方式变化，负荷波动，新能源波动，水电出力安排，元件故障，机组检修等系统中随时间变化的因素，可为规划人员提供新能源弃电量，新能源发电量，新能源接纳能力值等评价指标，本发明按照充分利用水电水量的原则对水电出力进行安排，充分发挥水电的调峰作用，相比之前的评估方法更加全面。

Description

一种基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法

技术领域

本发明属于新能源接纳能力评估领域，尤其是一种从规划角度评估主网对大规模新能源的接纳能力的基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法。

背景技术

发展清洁的可再生新源是解决环境问题和能源制约问题的有效解决方法之一，也是人类社会实现可持续发展的必经之路。近几年，新能源发电发展迅速，装机容量快速上升。因为新能源发电绿色环保且可再生，所以电网应尽可能的消纳新能源的功率和电量。

新能源普遍具有能量密度低、分布广、间歇性和波动性强等特点，这给电网的规划运行了带来巨大挑战。对主网来说，大规模的风、光电厂接入系统会引起调频问题、调峰问题、电力电量消纳问题和系统潮流大幅变化等问题。因此有必要研究如何评估电网对新能源的接纳能力。

目前对新能源接纳能力的评估方法主要包括基于电力系统调峰能力的接纳能力评估、基于经济调度的接纳评估、基于稳定的系统接纳能力评估等。但这些方法只考虑了部分影响因素，对系统运行方式时序变化没有计及，因而有待进一步完善。

发明内容

针对现有评估方法的不足，本发明的目的在于提出一种基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法。本发明是一种考虑系统运行方式时序变化的新能源接纳能力评估方法，可分析设备检修，元件故障，负荷波动，新能源出力的随机性，网架结构及调峰调频约束对新能源接纳能力的影响，可分析不同约束对系统接纳新能源的约束作用，识别系统接纳新能源的薄弱环节，并提出新能源接纳能力的评估指标，为电力系统规划提供指导。

本发明的基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，包括以下步骤：

1)输入负荷、线路、发电机组信息等原始数据，定义最大模拟年份N_max与收敛标准；

2)模拟年次数K＝1；

3)根据等备用原则安排机组检修，抽样得到以下元件的时序状态，包括时序负荷、火电机组和线路的状态持续时间、新能源时序出力，按照充分利用水电水量的原则安排水电的时序出力；

4)模拟小时数T＝0；

5)对时刻T的系统状态进行评估，求解接纳能力分析模型，如果模型存在最优解，则统计可接纳的新能源出力与对应成本，进入步骤7)，否则进入步骤6)；

6)判断限制新能源接纳的因素；

7)如果T＜8760，T＝T+1，进入步骤5)，否则K＝K+1；

8)如果K等于最大模拟年份N_max，而且每月的新能源接纳能力已满足收敛条件，进入步骤9)，否则继续进入下一年的状态评估并进入步骤3)；

9)统计并输出所有新能源接纳能力的计算指标。

本发明建立了基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估框架，考虑了运行方式变化，负荷波动，新能源波动，水电出力安排，元件故障，机组检修等系统中随时间变化的因素，可为规划人员提供新能源弃电量，新能源发电量，新能源接纳能力值等评价指标，相比之前的评估方法更加全面。本发明按照充分利用水电水量的原则对水电出力进行安排，充分发挥水电的调峰作用。本发明提出了接纳能力分析模型，可分析新能源接纳能力的限制因素，如调峰调频，线路潮流约束等，根据不同限制因素导致的新能源弃电量，可识别系统的薄弱环节。

附图说明

图1基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估框架。

图2水电位置安排示意图。

图3水电出力安排过程。

图4系统状态图。

图5新能源接纳能力分布柱状图。

图6新能源接纳能力累积概率分布。

具体实施方式

本发明是一种基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，包括状态选择，状态评估，结果统计三部分，具体分为以下步骤：

●状态选择：对机组检修进行安排，形成系统不同元件的时序出力模型，包括时序负荷出力，线路运行/故障状态序列，新能源时序出力，水电机组时序出力，火电机组开机状态。其中水电出力按照充分利用水电水量的原则进行安排。

●状态评估：在不同元件时序出力的基础上组合而成系统状态序列，对不同的系统时序状态执行新能源接纳能力分析模型进行评估，目标为运行成本最小，变量为火电机组出力，约束包括调峰约束、调频约束、线路潮流约束、功率平衡约束。如果评估的结果是系统不能接纳现有新能源出力，则依次去除不同的约束以判断系统限制新能源接纳的因素。

●结果统计：统计新能源接纳能力的评估指标，包括不同限制因素导致的新能源弃电量，新能源发电量，新能源接纳能力值等。

本发明新能源接纳能力的评估流程如图1所示，具体步骤如下：

1)输入负荷、线路、发电机组信息等原始数据，定义最大模拟年份N_max与收敛标准；

2)模拟年次数K＝1；

3)根据等备用原则安排机组检修，抽样得到以下元件的时序状态，包括时序负荷、火电机组和线路的状态持续时间、新能源时序出力，按照充分利用水电水量的原则安排水电的时序出力。水电出力的安排过程如下：

本发明中将水电机组的出力分为两部分，一部分为强迫出力，即水电站为保证下游供水，所要求的一定水流量下水电机组的出力，另一部分为水电站的可调出力，第一部分出力可承担系统的基荷，对第二部分出力采用二分搜索法寻找其在系统时序负荷曲线上的工作位置和工作容量，为体现水电对新能源接纳的作用，此处使用的时序负荷曲线为实际时序负荷曲线与新能源的时序出力曲线的差值，并将其定义为等效时序负荷曲线。每次安排完一台水电机组出力后，则对等效时序负荷曲线进行修正，从系统时序负荷曲线上扣除上一台水电机组的工作出力。每台机组详细的安排过程介绍如下。

假设我们已经按一定的顺序在系统等效时序负荷曲线图上安排了前i-1个水电机组的工作位置，并且从系统时序负荷曲线上扣除了前i-1个水电机组工作出力后系统的修正时序负荷曲线如图2所示，其中：P_L-系统修正时序负荷，P_Lmx-负荷的最大值，P_Loca-水电机组在系统修正时序负荷曲线上的工作位置，P_Out-水电机组实际最大出力。

若已知第i个水电机组的可调出力和一段时期内的可调电量分别为P_H，i，E_H，i，则采用二分法确定水电机组i在系统修正时序负荷曲线上的工作位置的步骤如下：

a)令水电机组i在系统修正时序负荷曲线上的工作位置P_Loca，上限X_i2及下限X_i1的初值为

P_Loca＝P_Lmax，X_i2＝P_Lmax，X_i1＝0(11)

其中P_Lmax为系统某段时间内的最大负荷。

其工作出力的初值P_Out，上限P_i2及下限P_i1为

P_Out＝P_H，i，P_i2＝P_H，i，P_i1＝0(12)

b)计算修正时序负荷曲线图上P_Loca到P_Loca-P_Out之间的面积E_i，即水电机组i工作于修正时序负荷曲线上X_i1到X_i2位置时的发电量，若E_i＞E_H，i时转到步骤c)，若E_i＜E_H，i，则转到步骤d)；

c)若E_i与E_H，i之间的差值小于一定范围，则认为结果收敛，转到步骤e)，否则若E_i＞E_H，i，则令P_i2＝P_Out，P_Out＝(P_i1+P_i2)/2，若E_i＜E_H，i，则P_i1＝P_Out，P_Out＝(P_i1+P_i2)/2，计算修正时序负荷曲线图上P_Loca到P_Loca-P_Out之间的面积E_i，回到步骤c)；

d)若E_i与E_H，i之间的差值小于一定范围，则认为结果收敛，转到步骤e)，若E_i＞E_H，i，则X_i1＝P_Loca，P_Loca＝(X_i1+X_i2)/2，若E_i＜E_H，i，则X_i2＝P_Loca，P_Loca＝(X_i1+X_i2)/2，计算修正时序负荷曲线图上P_Loca到P_Loca-P_Out之间的面积E_i，回到步骤d)；

e)得到水电机组相应的工作位置及时序水电机组出力。

按照此流程可逐个安排水电机组的出力，考虑到水电电量的预测准确性问题，水电的出力过程安排是以月或周为单位。

4)模拟小时数T＝0；

5)进行状态评估，求解接纳能力分析模型，如果模型存在最优解，则统计可接纳的新能源出力与对应成本，进入步骤7)，否则进入步骤6)。

接纳能力分析模型的目标函数为系统运行成本和新能源弃电量最小，即

$\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{p,i}\left(P_{i,t}\right)---\left(13\right)$

式中：

N-火电机组数；

P_i，t-火电机组i在t时段的出力；

C_p，i(P_i，t)-火电机组i的运行费用；一般机组运行费用取为功率的二次函数形式，如下式所示：

$C_{p,i}\left(P_{i,t}\right)=a_i{P}_{i,t}^2+b_i{P}_{i,t}+c_i---\left(14\right)$

a_i，b_i，c_i为机组的运行费用参数；

约束包括：

a)节点功率平衡约束

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,t}=P_{L,t}-{P_{H,t}-P}_{R,t}+P_{R,t}^A+\mathrm{B\θ}---\left(15\right)$

P_L，t-负荷在t时段的值；

P_H，t-水电机组在t时段的出力；

P_R，t-新能源机组在t时段的出力；

B——节点导纳矩阵的虚部；

θ——节点电压相角向量。

-新能源机组的功率切除量；

状态评估中需要进行大量的线路潮流计算，目前大都采用直流潮流法，该方法计算速度快且可满足工程精度要求。直流潮流方程可以由下式来描述：

P_g-P_d＝Bθ(16)

式中：

P_g——系统发电机出力向量；

P_d——系统负荷向量；

b)调峰约束

P_Gmin，i＜P_i，t＜P_Gmax，i(17)

其中，P_Gmin，i，P_Gmax，i分别表示火电机组的有功最大、最小出力，若此约束越界，则表明新能源的接纳受调峰能力限制。

c)调频约束

P_i，t-P_i，t-1＞-R_down，iΔt(18)

P_i，t-P_i，t-1＜R_up，iΔt(19)

其中：

R_down，i，R_up，i-发电机i的向上爬坡率与向下爬坡率；

若此约束越界，则表明新能源的接纳受调频能力的限制。

d)线路潮流约束的形式为：

P_l＜P_l，max(20)

其中：

P_l-线路上流过的有功功率

P_l，max-线路上允许流过的最大功率：

支路有功潮流P_ij的计算公式为(潮流的方向由节点i到节点j为正)：

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j}{x_{\mathrm{ij}}}---\left(21\right)$

式中：

x_ij-支路i-j的电抗；

i——该支路的首端节点；

j——该支路的末端节点。

e)新能源机组切除功率的约束

$0\≤P_{R,t}^A\≤P_{R,t}---\left(22\right)$

求解以上模型，根据目标函数值和新能源机组切除功率可以评估该时段新能源的接纳能力：

需要说明的是，虽然模型目标函数中并不包含新能源切除功率此模型可保证同时取得成本与新能源切除功率最小，如果切除功率为0，模型的最优解即为系统最小的运行成本；如果切除功率大于0，假设存在一个更大的运行成本与更小的切除功率。在切除功率更小时，火电承担的负荷更小，将导致运行成本的降低，因此与假设矛盾，所以接纳能力分析模型的最优解可同时保证取得成本与新能源切除功率最小。

6)判断限制新能源接纳的因素，包括线路潮流约束，爬坡率约束，调峰能力约束等。判定的方法是依次消除对应的约束方程，然后对接纳能力分析模型求解，若在去除某项约束后，模型存在最优解，则可判定这项约束为当前系统状态下新能源接纳能力的主要约束原因；

7)如果T＜8760，T＝T+1，进入步骤5)，否则K＝K+1；

8)如果K等于N_max，而且每月的新能源接纳能力指标已满足收敛条件，进入步骤9)，否则继续进入下一年的状态评估并进入步骤3)。

9)统计并输出所有新能源接纳能力的计算指标。这些指标包括：新能源接纳能力值的分布，不同原因导致的新能源弃电量，系统接纳新能源的发电量。

以某实际系统为例，最终得到的接纳能力平均值，不同原因的新能源弃电量及系统接纳新能源的发电量如表1所示，新能源接纳能力分布如图5和图6所示。结果显示，本方法可评估不同因素对新能源的限制作用，并可给出新能源接纳能力的分布。

表1新能源接纳能力指标计算结果

Claims (6)

1.一种基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，其特征在于包括以下步骤：

1)输入负荷、线路、发电机组信息原始数据，定义最大模拟年份N _max 与收敛标准；

2)模拟年次数K=1；

3)根据等备用原则安排机组检修，抽样得到以下元件的时序状态，包括时序负荷、火电机组和线路的状态持续时间、新能源时序出力，按照充分利用水电水量的原则安排水电的时序出力；

4)模拟小时数T=0；

5)对时刻T的系统状态进行评估，求解接纳能力分析模型，如果模型存在最优解，则统计可接纳的新能源出力与对应成本，进入步骤7)，否则进入步骤6)；

6)判断限制新能源接纳的因素；

7)如果T<8760，T=T+1，进入步骤5)，否则K=K+1；

8)如果K等于最大模拟年份N _max ，而且每月的新能源接纳能力已满足收敛条件，进入步骤9)，否则继续进入下一年的状态评估并进入步骤3)；

9)统计并输出所有新能源接纳能力的计算指标；

将水电机组的出力分为两部分，一部分为强迫出力，用来承担系统的基荷；另一部分为水电站的可调出力，采用二分搜索法寻找其在系统时序负荷曲线上的工作位置和工作容量，为体现水电对新能源接纳的作用，此处使用的时序负荷曲线为实际时序负荷曲线与新能源的时序出力曲线的差值，并将其定义为等效时序负荷曲线，每次安排完一台水电机组出力后，则对等效时序负荷曲线进行修正，从系统时序负荷曲线上扣除上一台水电机组的工作出力。

2.根据权利要求1所述基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，其特征在于考虑电力系统运行方式的时序变化，能分析设备检修，元件故障，负荷波动，新能源出力的随机性，网架结构及调峰调频约束对新能源接纳能力的影响。

3.根据权利要求1所述基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，其特征在于对系统进行状态评估时，求解接纳能力分析模型，接纳能力分析模型的目标函数为系统运行成本最小和新能源弃电量最小，约束包括：节点功率平衡约束，调峰约束，调频约束，线路潮流约束，新能源弃电量的约束。

4.根据权利要求1所述基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，其特征在于接纳能力分析模型的最优解保证同时取得成本最小与新能源出力切除功率最小，如果切除功率为0，模型的最优解即为系统最小的运行成本；如果切除功率大于0，假设存在一个更大的运行成本与更小的切除功率；在切除功率更小时，火电承担的负荷更小，将导致运行成本的降低，因此与假设矛盾，所以接纳能力分析模型的最优解能同时保证取得成本与新能源切除功率最小。

5.根据权利要求1所述基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，其特征在于：判断限制新能源接纳的因素，包括线路潮流约束，爬坡率约束，调峰能力约束；判定的方法是依次消除对应的约束方程，然后对接纳能力分析模型求解，若在去除某项约束后，模型存在最优解，则可判定这项约束为当前系统状态下新能源接纳能力的主要约束原因。

6.根据权利要求1所述基于时序蒙特卡罗模拟的新能源接纳能力评估方法，其特征在于提出评估新能源接纳能力的指标，包括新能源接纳能力值的分布，不同原因导致的新能源弃电量，系统接纳新能源的发电量。