CN104156886B - 一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，包括以下步骤：1)采集电力系统中各节点的电力数据，并进行潮流计算；2)选取电源灵活性评价参数；3)根据所述电源灵活性评价参数建立电源灵活性评价模型；4)根据潮流计算结果，基于电源灵活性评价模型获得并输出灵活性评价结果。与现有技术相比，本发明具有计算简便、评价结果准确有效等优点。

Description

一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统灵活性评价方法，尤其是涉及一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法。

背景技术

智能化电网不断发展的背景下，大规模可再生能源与分布式电源的接入对传统电力系统带来了巨大影响。可再生能源的发电容量在电力系统中所占比重日益增大，虽然保证了电力系统有充足的功率供应，但可再生能源的出力不确定性将从根本上改变潮流分布的特性，使系统内部潮流流向与分布的随机性与不可预测性更强。电力系统的不确定因素不仅仅体现在电源侧，负荷预测的偏差、间歇性负荷的不确定性均对系统产生了深远影响。因此，为保证电力系统的安全稳定运行，电力系统有必要具有一定应变和响应能力以应对不确定因素带来的负面影响，即电力系统灵活性。

电力系统灵活性是为应对不确定因素带来的负面影响，即在经济约束和运行约束下，某一时间尺度内，电力系统快速而有效地优化调配现有资源，快速响应电网功率变化、控制电网关键运行参数的能力。而电力系统在短时间内能够调用的资源多为调节能力较强的电源，故对电源灵活性是电力系统灵活性评价的重要一环，也是最为基础的部分，对电力系统灵活性的整体评价具有指导意义。

经过对现有技术文献的检索发现，关于电力系统灵活性的内容主要集中于规划层面，应用较为局限，未能从宏观的角度对电力系统灵活性给出定义与评价，如文献《基于联系数模型的电网灵活规划方法》(中国电机工程学报，2006，26(12)：16-20)、《基于蒙特卡罗模拟法的输电网灵活规划》(电网技术，2009，33(4)：99-102)。同时，未找到关于电力系统电源灵活性或电力系统灵活性评价的技术文献，国内在灵活性评价方法的研究依然处于空白阶段。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算简便、评价结果准确有效的含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，包括以下步骤：

1)采集电力系统中各节点的电力数据，并进行潮流计算；

2)选取电源灵活性评价参数；

3)根据所述电源灵活性评价参数建立电源灵活性评价模型；

4)根据潮流计算结果，基于电源灵活性评价模型获得并输出灵活性评价结果。所述的电力数据包括节点电压、电流数据。

所述的电源灵活性评价参数包括灵活性方向、时间尺度、灵活性资源和研究区域。

所述的电源灵活性评价模型包括评价目标函数和约束条件，其中，

所述的评价目标函数为可再生能源出力变化量最大，具体表达式为：

式中，ΔP_wi表示研究区域内可再生能源i的出力变化；N_w表示研究区域内可再生能源的个数；

所述的约束条件包括通用约束和灵活性约束，其中，所述的通用约束包括节点功率平衡约束、电压约束和线路约束，具体表达式为：

节点功率平衡约束：

对于可再生能源节点，节点功率平衡约束表达式为

对于非可再生能源节点，节点功率平衡约束表达式为

式中，P_Gk、Q_Gk分别为节点k的有功功率和无功功率；P_Lk、Q_Lk分别为节点k的有功负荷和无功负荷；ΔP_wk、ΔQ_wk分别为节点k的可再生能源有功变化和无功变化，V_k为节点k的电压；分别为节点k和j之间的电导、电纳和相角差；

电压约束：

式中，V_k、分别为节点k的电压及其上、下限；

线路约束：

式中，P_l、分别为线路l的潮流值和限值；

所述的灵活性约束条件包括时间尺度约束、机组出力约束和区域电网交换功率约束，具体表达式为：

时间尺度约束：

Δt≤T

式中，T为步骤2)中所选取的时间尺度，T＝25～35min；

机组出力约束：

max{P_Gi，min，P_Gi，0-r_di·Δt}≤P_Gi≤min{P_Gi，max，P_Gi，0+r_ui·Δt}

式中，P_Gi表示机组i的出力；P_Gi，0、P_Gi，max、P_Gi，min分别表示机组i的当前出力以及其出力的上、下限；r_ui、r_di分别表示机组i的向上和向下的爬坡速率；

区域电网交换功率约束：

|P_c|≤min{P_Line，max-P_Line，0，ΔP_ex，max}

式中，P_c表示联络区域的出力；P_Line，0、P_Line，max分别表示联络区域联络线上的当前传输有功功率和最大传输有功功率；ΔP_ex，max表示联络区域的最大功率交换限制。

所述的评价目标函数中，研究区域内可再生能源i的出力变化有向上、向下两个方向，分别对应可再生能源出力增加和减小两种情况。

所述的可再生能源包括风电场。

电源灵活性评价参数为单一组合时，输出的灵活性评价结果为该组合情况下的灵活性评价；电源灵活性评价参数为多种组合时，输出的灵活性评价结果为各组合情况下的灵活性综合评价表。

与现有技术相比，本发明考虑到可再生能源的出力不确定性，建立了具有两个方向的目标函数，同时考虑到传统优化约束和灵活性特点以及灵活性资源，建立了通用约束和灵活性约束，从而形成了电力系统电源灵活性的评价模型，通过采集电力系统中各节点的电力参数，基于评价模型，评价各种情况下的电力系统电源灵活性，方法简便，评价结果准确有效，对电力系统运行以及调度提供理论依据。

附图说明

图1为灵活性资源出力示意图；

图2为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为某一灵活性资源的出力示意图，理论上，电力系统运行过程中，所有的可调度的资源均可以成为灵活性资源，它们为系统所提供的灵活性是不断变化的。灵活性资源上限及下限的确定可根据灵活性约束条件得到，需要说明的是，确定灵活性下限时，需要考虑到系统中所要求的备用约束的影响，即图1中A部分所示。随着时间的推移，各台机组按照日前的出力计划运行，机组出力上限与当前出力的差值即为机组的向上灵活性容量，即图1中B部分；机组当前出力与机组出力下限的差值则为机组的向下灵活性资源，即图1中C部分。对于整个系统而言，机组的向上灵活性容量即为系统的向上灵活性资源，相应的，机组的向下灵活性容量即为系统的向下灵活性资源。对于不同的时间尺度或运行状态，系统的灵活性资源均不同。

如图2所示，本发明提供的一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，具体步骤如下：

步骤s101，采集电力系统中各节点的电力数据，同时获取所需要的电源参数和网架参数，并进行潮流计算，电力数据包括节点电压、电流数据，通过潮流计算获得功率、电导、电纳、相角差等数据。

步骤s102，选取电源灵活性评价参数，包括灵活性方向、时间尺度、灵活性资源和研究区域。其中，灵活性方向为两个，一个为可再生能源出力突然减小，另一个为可再生能源出力突然增大；时间尺度则依据约束条件；灵活性资源则是选择相应灵活性需求的电源，该部分可以依据电源参数以及运行人员的经验进行选择；研究区域则为所研究的可再生能源电站。

步骤s103，根据所述电源灵活性评价参数建立电源灵活性评价模型。电源灵活性评价模型包括评价目标函数和约束条件。

考虑到电力系统的电源不确定性主要由大规模可再生能源的出力不确定性造成，故以系统能够承受的可再生能源功率变化作为电源灵活性评价的目标函数，而其他能够被快速调用电源则成为灵活性资源，从而保证在可再生能源出力变化的情况下，系统的功率平衡。可再生能源的功率变化有两个方向，分别对应于可再生能源出力增加和减小两种情况，本实施例中，可再生能源为风电场，以向下变化为例，其目标函数的表达式如下：

式中，ΔP_wi表示研究区域内风电场i的出力变化，风电场功率向下的变化为正，ΔP_wi不小于零，N_w表示研究区域内风电场的个数。

所述的约束条件包括通用约束和灵活性约束，其中，所述的通用约束包括节点功率平衡约束、电压约束和线路约束，具体表达式为：

1)节点功率平衡约束

由于目标函数的影响，节点功率平衡方程应分别考虑风电节点和非风电节点，对于风电节点，节点功率平衡约束表达式为

对于非风电节点，节点功率平衡约束表达式为

式中，P_Gk、Q_Gk分别为节点k的有功功率和无功功率；P_Lk、Q_Lk分别为节点k的有功负荷和无功负荷；ΔP_wk、ΔQ_wk分别为节点k的风电有功变化和无功变化，V_k为节点k的电压；G_kj、B_kj、θ_kj分别为节点k和j之间的电导、电纳和相角差；

2)电压约束

式中，V_k、分别为节点k的电压及其上、下限；

3)线路约束

式中，P_l、分别为线路l的潮流值和限值；

所述的灵活性约束条件灵活性资源约束则从灵活性资源的角度反映了灵活性自身的特点及其对灵活性资源的特殊要求，包括时间尺度约束、机组出力约束和区域电网交换功率约束，具体表达式为：

1)时间尺度约束

Δt≤T

式中，T为步骤s102中所选取的时间尺度，T＝25～35min，考虑到不确定因素持续时间通常较短，该时间尺度不宜过大，故T通常取为30分钟；

2)机组出力约束

机组出力约束受到时间尺度和爬坡速率以及机组本身的出力上下限约束的影响，其表达式为：

max{P_Gi，min，P_Gi，0-r_di·Δt}≤P_Gi≤min{P_Gi，max，P_Gi，0+r_ui·Δt}

式中，P_Gi表示机组i的出力；P_Gi，0、P_Gi，max、P_Gi，min分别表示机组i的当前出力以及其出力的上、下限；r_ui、r_di分别表示机组i的向上和向下的爬坡速率；

3)区域电网交换功率约束

电网互联时，外部电网可以被视为可调度的灵活性资源，对研究区域内的电力系统灵活性有着重要影响，考虑联络线的最大传输功率限制以及最大交换功率限制，其表达式如下：

|P_c|≤min{P_Line，max-P_Line，0，ΔP_ex，max}

式中，P_c表示联络区域的出力；P_Line，0、P_Line，max分别表示联络区域联络线上的当前传输有功功率和最大传输有功功率；ΔP_ex，max表示联络区域的最大功率交换限制。

电力系统灵活性评价模型可表示为如下形式：

max f

s.t.g(u，x)＝0

g_FLEX(u，x)＝0 (9)

h(u，x)≤0

h_FLEX(u，x)≤0

式中，g(u，x)和h(u，x)分别表示通用约束中的等式约束和不等式约束；g_FLEX(u，x)＝0和h_FLEX(u，x)≤0分别表示灵活性约束中的等式约束和不等式约束。

步骤s104，根据潮流计算结果，基于电源灵活性评价模型获得并输出灵活性评价结果。电源灵活性评价参数可选择单一组合，此时，输出的灵活性评价结果为该组合情况下的灵活性评价，也可选择多种组合，此时，输出的灵活性评价结果为各组合情况下的灵活性综合评价表。

Claims (5)

1.一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集电力系统中各节点的电力数据，并进行潮流计算；

2)选取电源灵活性评价参数，包括灵活性方向、时间尺度、灵活性资源和研究区域；

3)根据所述电源灵活性评价参数建立电源灵活性评价模型；

4)根据潮流计算结果，基于电源灵活性评价模型获得并输出灵活性评价结果；

所述的电源灵活性评价模型包括评价目标函数和约束条件，其中，

所述的评价目标函数为可再生能源出力变化量最大，具体表达式为：

$f=max\underset{i=1}{\overset{N_w}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{wi}$

式中，ΔP_wi表示研究区域内可再生能源i的出力变化；N_w表示研究区域内可再生能源的个数；

所述的约束条件包括通用约束和灵活性约束，其中，所述的通用约束包括节点功率平衡约束、电压约束和线路约束，具体表达式为：

节点功率平衡约束：

对于可再生能源节点，节点功率平衡约束表达式为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{Gk}-P_{Lk}-{\mathrm{\ΔP}}_{wk}-V_k\underset{j\∈k}{\Σ}{V}_j(G_{kj}{\mathrm{cos\θ}}_{kj}+B_{kj}{\mathrm{sin\θ}}_{kj})=0\\ Q_{Gk}-Q_{Lk}-{\mathrm{\ΔQ}}_{wk}-V_k\underset{j\∈k}{\Σ}{V}_j(G_{kj}{\mathrm{cos\θ}}_{kj}-B_{kj}{\mathrm{sin\θ}}_{kj})=0\end{array}\right.$

对于非可再生能源节点，节点功率平衡约束表达式为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{Gk}-P_{Lk}-V_k\underset{j\∈k}{\Σ}{V}_j(G_{kj}{\mathrm{cos\θ}}_{kj}+B_{kj}{\mathrm{sin\θ}}_{kj})=0\\ Q_{Gk}-Q_{Lk}-V_k\underset{j\∈k}{\Σ}{V}_j(G_{kj}{\mathrm{cos\θ}}_{kj}-B_{kj}{\mathrm{sin\θ}}_{kj})=0\end{array}\right.$

式中，P_Gk、Q_Gk分别为节点k的有功功率和无功功率；P_Lk、Q_Lk分别为节点k的有功负荷和无功负荷；ΔP_wk、ΔQ_wk分别为节点k的可再生能源有功变化和无功变化，V_k为节点k的电压；G_kj、B_kj、θ_kj分别为节点k和j之间的电导、电纳和相角差；

电压约束：

$V_k^{min}\≤V_k\≤V_k^{max}$

式中，V_k、分别为节点k的电压及其上、下限；

线路约束：

P_l≤P_l ^max

式中，P_l、P_l ^max分别为线路l的潮流值和限值；

所述的灵活性约束条件包括时间尺度约束、机组出力约束和区域电网交换功率约束，具体表达式为：

时间尺度约束：

Δt≤T

式中，T为步骤2)中所选取的时间尺度，T＝25～35min；

机组出力约束：

max{P_Gi,min,P_Gi,0-r_di·Δt}≤P_Gi≤min{P_Gi,max,P_Gi,0+r_ui·Δt}

式中，P_Gi表示机组i的出力；P_Gi,0、P_Gi,max、P_Gi,min分别表示机组i的当前出力以及其出力的上、下限；r_ui、r_di分别表示机组i的向上和向下的爬坡速率；

区域电网交换功率约束：

|P_c|≤min{P_Line，_max-P_Line,0,ΔP_ex,max}

式中，P_c表示联络区域的出力；P_Line,0、P_Line，_max分别表示联络区域联络线上的当前传输有功功率和最大传输有功功率；ΔP_ex,max表示联络区域的最大功率交换限制。

2.根据权利要求1所述的一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，其特征在于，所述的电力数据包括节点电压、电流数据。

3.根据权利要求1所述的一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，其特征在于，所述的评价目标函数中，研究区域内可再生能源i的出力变化有向上、向下两个方向，分别对应可再生能源出力增加和减小两种情况。

4.根据权利要求1所述的一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，其特征在于，所述的可再生能源包括风电场。

5.根据权利要求1所述的一种含可再生能源电力系统的电源灵活性评价方法，其特征在于，电源灵活性评价参数为单一组合时，输出的灵活性评价结果为该组合情况下的灵活性评价；电源灵活性评价参数为多种组合时，输出的灵活性评价结果为各组合情况下的灵活性综合评价表。