CN104242355A - 考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,属于电网规划技术领域。本发明首先提出考虑电网调峰裕度及电网传输线路传输功率约束的风电场弃风容量计算方法,并在此基础之上,提出基于蒙特卡洛模拟法的风电场弃风概率及风电场期望弃风容量指标计算方法,最终提出考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法。本发明控制方法可充分考虑电网对风电的接纳能力,从电网调峰裕度及电网传输线路传输容量约束两方面分析风电场弃风机理,以风电场最小弃风为目标对风电场接入电网的位置和容量的进行控制,最终得到的风电场接入方案可以使电网更大限度接纳风电,有效提高新能源利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,属于电网规划技术领域。
背景技术
随着能源问题和环境问题的日益严峻,世界各国竞相大力发展可再生能源。风力发电凭借其绿色环保、资源丰富、容易开发、性价比逐步提高等优势得到了世界各国,尤其是发达国家的广泛重视。风能作为典型的清洁可再生的绿色能源,具有无污染、可持续、间歇性的特点。利用风力发电代替部分的常规能源发电参与电力系统的调度安排,可以大量的减少煤炭等化石能源的消耗减少电力生产的成本,同时会大大降低电力行业对于自然环境的污染。
然而,由于风力资源的随机间歇性、电网结构、控制方式以及并网风力发电机在持续运行过程中受到地形地貌、塔影效应的影响,使得风电场的输出功率存在大量的脉动。当风电场的容量较小时,其出力的波动特性对电力系统的正常运行不会产生大的影响,但随着风电场规模和容量的扩大,其出力的波动会给电力系统的运行产生一系列的影响,有时会严重威胁电网的安全运行。随着风电承担负荷比例不断增加,系统内的峰谷差将成倍增加,风电出力的波动性和随机性给电风调度运行带来新的问题,增加了电网调峰、调频的难度。为了尽量的减弱风电和光伏电力给大电网带来的影响,这就需要系统中备有大量的旋转备用。
以往对机组接入位置、接入容量的研究中,通常以最小发电成本或最高可靠性/安全性为优化目标,进行机组与线路的规划建设。随着新能源发电形式的大量接入,由于新能源发电的波动特性,以及由于网络容量约束造成的限电等问题为电网的规划建设带来新的问题。
因此,在对包含新能源接入电网进行规划设计时,为了保证更大限度接入新能源,便需要考虑电网对风电的接纳能力,对风电场接入容量、接入位置进行优化。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,能在满足系统调峰裕度及电网传输线路传输容量约束条件下,更大限度接纳风电,提高新能源利用效率,促进可再生能源在电网中的应用。
本发明提出的考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,包括以下步骤:
(1)根据电网的可靠性要求,设定电网的发电备用为Preserve,设定电网的高峰负荷和低谷负荷分别为PLmax与PLmin,从电网规划数据中获取电网自备电源量Pauxiliary、电网供热机组容量Pthermal、电网联络线的传输功率计划Ptie和电网中抽水蓄能装机容量Ppump,根据上述参数进行以下计算,得到考虑电网调峰裕度的风电场接纳能力:
电网内部机组在负荷高峰时的有功功率PGmax和负荷低谷时的有功功率PGmin为:
PGmax=PLmax-Ptie
PGmin=PLmin+Ppump-λ1Ptie
上式中,λ1为电网联络线的传输功率调整参数,λ1在负荷高峰时的取值为1.0,在负荷低谷时为0.5;
电网内部调峰机组在负荷高峰时的实际有功功率和负荷低谷时的实际有功功率为:
上式中,λ2为电网中供热机组在供热期间的有功功率调整参数,有功功率调整参数在供热期间为0.78,在非供热期间为1;
电网内部调峰机组的最大有功功率和最小有功功率
上式中,λ3为电网调峰机组的调峰深度;
得到考虑电网调峰裕度的风电场接纳能力Pwind为:
考虑电网调峰裕度的风电场弃风容量为:
根据风电场接纳能力Pwind,得到考虑电网调峰裕度的风电场弃风容量为:
(2)当电网传输线路的传输功率大于电网传输线路的额定传输功率时,根据传输线路的实际与额定传输功率的差值,设定传输线路的传输功率调整量ΔPij;对电网中的风电容量进行判断,若电网中无风电,则进行步骤(3),若电网中有风电,则计算风电有功功率 利用电网的潮流灵敏度矩阵,调整风电的有功功率,得到考虑电网传输线路容量约束的弃风容量,具体过程如下:
(2-1)利用电网直流潮流公式:
P=B0θ,
B0为以1/xij为电网支路导纳建立的导纳矩阵,xij为电网中节点i到节点j之间的支路电抗,θ为电网功角,
若电网中的节点k的有功功率的变化值为ΔPk,电网的其它节点的有功功率不变,则有:
Δθ=B0 -1ΔP
其中,ΔP为一个单位向量,向量中的第k个元素为ΔPk,向量中的其他元素为0,B0 -1是常数矩阵,并设:
B0 -1=[aij]n×n
aij为常数矩阵B0 -1中第i行第j列个元素,n为电网中的总节点数;
(2-2)利用电网直流潮流支路功率计算公式:
Pij=(θi-θj)/xij
其中xij是电网传输线路电抗,i和j是传输线路L的起始节点和终止节点序号,
得到传输线路有功功率对节点k的有功功率灵敏度SLk为传输线路有功功率增量ΔPij与节点k的有功功率增量ΔPk的比值:
式中L是传输线路序号,k是注入功率变化的节点序号,潮流灵敏度矩阵S是常数矩阵;
(2-3)根据电网传输线路有功功率对节点注入功率的灵敏度定义,得到注入节点k的有功功率调整量大小为:
得到考虑线路传输容量约束的风电场弃风容量为:
其中l为电网传输线路中传输功率大于额定传输功率的越限线路;
(3)采用非时序蒙特卡罗模拟方法,计算风电场弃风指标,具体过程如下:
(3-1)从风电场历史运行数据中获取风电场有功功率概率分布,从电网历史运行数据中获取电网内部所有机组的停运概率、电网传输线路的停运概率和电网负荷的时序曲线,采用非时序蒙特卡罗模拟方法,对电网内部所有机组的有功功率、风电场的有功功率以及电网传输线路的传输功率进行状态抽样,计算每一状态下风电弃风容量
(3-2)根据上述每一状态下风电弃风容量计算风电场弃风指标如下:
风电场弃风概率指标为:
式中Ii的含义为:
风电场期望弃风容量指标为:
(4)考虑风电场最小弃风,对风电场接入电网的位置和容量进行控制,具体过程如下:
(4-1)设定风电场的接入容量为Pw,建立一个风电场接入电网位置的目标函数如下:
求解上述目标函数,得到风电场装机容量为Pw时,风电场接入电网的位置r,使得期望弃风容量Ecurtail最小;
(4-2)在上述确定风电场接入电网的位置r后,建立一个风电场的接入容量目标函数如下:
式中,LOLP为电网的电力不足概率指标,
式中tm为电网有功功率不能满足负荷状态m的时间,pm为该状态的概率,
求解上述目标函数,得到风电场的接入电网的位置r处的接入容量p。
本发明提出的考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,其特点和优点是:
1、本发明控制方法从电网调峰裕度分析电网对风电的接纳能力,该方法可以结合电网时序负荷曲线,获得每日电网峰谷负荷,计算调峰机组最小有功功率,通过比较电网时序负荷与电网调峰机组最小有功功率,得到电网对风电的接纳能力,最后通过风电实际有功功率与电网风电接纳能力的比较,得到每一系统状态下风电场的弃风容量大小。
2、本发明控制方法在考虑电网调峰裕度对风电接纳能力影响基础之上,从传输线路传输功率越限情况分析电网对风电的接纳能力,为了保证电网的安全稳定运行,传输线路传输功率越限时,需要调整发电机有功功率,本发明控制方法提出基于灵敏度的风电有功功率调整策略,并计算由于传输线路越限造成的风电场弃风容量大小。
3、本发明控制方法从电网调峰裕度及电网传输线路传输功率约束两个方面分析电网对风电接纳能力,计算得到风电场弃风容量大小,提出基于蒙特卡洛模拟法的风电场的弃风概率及风电场期望弃风容量指标计算方法。
4、本发明控制方法提出以最小风电场弃风容量为目标函数的风电场接入位置和接入容量控制方法,该方法通过两步优化,首先对风电场接入电网位置进行优化,在确定接入电网位置后,再综合考虑风电场最小弃风指标与电网可靠性水平指标,对风电场接入容量大小进行优化,最终得到的风电场接入方案可以使电网更大限度接纳风电,促进新能源利用效率。
附图说明
图1本发明方法涉及的考虑容量约束的风电接纳能力示意图。
图2本发明方法中考虑系统调峰及线路传输容量约束的风电场弃风指标计算流程框图。
图3本发明方法中风电场最优接入容量计算示意图。
图4本发明方法中考虑弃风大小的风电场接入位置和接入容量控制流程框图。
具体实施方式
本发明提出的考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,包括以下步骤:
(1)电网对风电的接纳能力受到电网负荷水平及负荷特性、电源结构、调峰能力影响。就负荷水平而言,电网的负荷水平和峰谷差率直接影响了风电允许的接入容量;就电网调峰而言,电网的调峰能力和最小开机出力约束了并网风电的规模。具体来讲,考虑到系统调峰能力的风电接纳能力分析如下,如图1所示。
电力系统中常规发电机级一般分为水电机组、火电机组和核电机组。水电机组由于启停迅速,有调节水电机组是理想的调峰机组。火电机组一般分为常规火电机组、燃汽轮机组和供热机组。供热机组占很高比例,供热机组在供热期及非供热期,具有不同的调峰能力。系统调峰主要依靠燃汽轮机组与常规机组为主。核电厂按其技术和经济性要求,不适合作为调峰机组。
根据电网的可靠性要求,设定电网的发电备用为Preserve,设定电网的高峰负荷和低谷负荷分别为PLmax与PLmin,从电网规划数据中获取电网自备电源量Pauxiliary、电网供热机组容量Pthermal、电网联络线的传输功率计划Ptie和电网中抽水蓄能装机容量Ppump,根据上述参数进行以下计算,得到考虑电网调峰裕度的风电场接纳能力:
电网内部机组在负荷高峰时的有功功率PGmax和负荷低谷时的有功功率PGmin为:
PGmax=PLmax-Ptie
PGmin=PLmin+Ppump-λ1Ptie
上式中,λ1为电网联络线的传输功率调整参数,λ1在负荷高峰时的取值为1.0,在负荷低谷时为0.5;
电网内部调峰机组在负荷高峰时的实际有功功率和负荷低谷时的实际有功功率为:
上式中,λ2为电网中供热机组在供热期间的有功功率调整参数,有功功率调整参数在供热期间为0.78,在非供热期间为1;
电网内部调峰机组的最大有功功率和最小有功功率
上式中,λ3为电网调峰机组的调峰深度,例如,若λ3取为0.4,则表示调峰机组最小有功功率为最大有功功率的40%,60%的容量可用于调峰;
得到考虑电网调峰裕度的风电场接纳能力Pwind为:
可见,风电的接纳能力为电网中调峰机组的实际出力与最小出力之差。
考虑电网调峰裕度的风电场弃风容量为:
根据风电场接纳能力Pwind,得到考虑电网调峰裕度的风电场弃风容量为:
(2)考虑到线路传输容量约束,在线路越限时,需要切除部分负荷并调整发电机出力,以保证系统的安全可靠运行。当电网传输线路的传输功率大于电网传输线路的额定传输功率时,根据传输线路的实际与额定传输功率的差值,设定传输线路的传输功率调整量ΔPij;对电网中的风电容量进行判断,若电网中无风电,则进行步骤(3),若电网中有风电,则计算风电有功功率 利用电网的潮流灵敏度矩阵,调整风电的有功功率,得到考虑电网传输线路容量约束的弃风容量,具体过程如下:
(2-1)利用电网直流潮流公式:
P=B0θ,
B0为以1/xij为电网支路导纳建立的导纳矩阵,xij为电网中节点i到节点j之间的支路电抗,θ为电网功角,
若电网中的节点k的有功功率的变化值为ΔPk,电网的其它节点的有功功率不变,则有:
Δθ=B0 -1ΔP
其中,ΔP为一个单位向量,向量中的第k个元素为ΔPk,向量中的其他元素为0,B0 -1是常数矩阵,并设:
B0 -1=[aij]n×n
aij为常数矩阵B0 -1中第i行第j列个元素,n为电网中的总节点数;
(2-2)利用电网直流潮流支路功率计算公式:
Pij=(θi-θj)/xij
其中xij是电网传输线路电抗,i和j是传输线路L的起始节点和终止节点序号,
得到传输线路有功功率对节点k的有功功率灵敏度SLk为传输线路有功功率增量ΔPij与节点k的有功功率增量ΔPk的比值:
式中L是传输线路序号,k是注入功率变化的节点序号,潮流灵敏度矩阵S是常数矩阵;
(2-3)根据电网传输线路有功功率对节点注入功率的灵敏度定义,得到注入节点k的有功功率调整量大小为:
得到考虑线路传输容量约束的风电场弃风容量为:
其中l为电网传输线路中传输功率大于额定传输功率的越限线路;
(3)采用非时序蒙特卡罗模拟方法,计算风电场弃风指标,具体过程如下:
(3-1)从风电场历史运行数据中获取风电场有功功率概率分布,从电网历史运行数据中获取电网内部所有机组的停运概率、电网传输线路的停运概率和电网负荷的时序曲线,采用非时序蒙特卡罗模拟方法,对电网内部所有机组的有功功率、风电场的有功功率以及电网传输线路的传输功率进行状态抽样,计算每一状态下风电弃风容量
(3-2)根据上述每一状态下风电弃风容量计算风电场弃风指标如下:
风电场弃风概率指标为:
式中Ii的含义为:
风电场期望弃风容量指标为:
考虑系统调峰及线路传输容量约束的风电场弃风指标计算流程如图2所示。
(4)考虑风电场最小弃风,对风电场接入电网的位置和容量进行控制,具体过程如下:
(4-1)设定风电场的接入容量为Pw,建立一个风电场接入电网位置的目标函数如下:
求解上述目标函数,得到风电场装机容量为Pw时,风电场接入电网的位置r,使得期望弃风容量Ecurtail最小;
(4-2)在上述确定风电场接入电网的位置r后,建立一个风电场的接入容量目标函数如下:
式中,LOLP为电网的电力不足概率指标,可通过蒙特卡洛模拟法计算获得:
式中tm为电网有功功率不能满足负荷状态m的时间,pm为该状态的概率。
求解上述目标函数,得到风电场的接入电网的位置r处的接入容量p。
使得期望弃风容量Ecurtail最小同时保证系统具有较高的可靠性水平。期望弃风容量指标与电力不足概率指标的综合最优值为风电场期望弃风容量指标与电网电力不足概率指标的交点,如图3所示。整体流程如图4所示。
本发明提出的考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,充分考虑了电网对风电的接纳能力,从调峰裕度及网络传输容量约束两方面分析风电场弃风机理,最终提出考虑最小弃风的风电场接入位置、容量优化方法,可以有效提高新能源利用效率。
本发明方法中,步骤1从电网容量约束分析电网对风电的接纳能力。电网对风电的接纳能力受到电网负荷水平及负荷特性、电源结构、调峰能力影响。就负荷水平而言,电网的负荷水平和峰谷差率直接影响了风电允许的接入容量;就电网调峰而言,电网的调峰能力和最小开机出力约束了并网风电的规模。步骤1可以结合时序负荷曲线,获得每日峰谷负荷,计算调峰机组最小开机,从而计算得到电网对风电的接纳能力,最后通过风电实际出力与电网风电接纳能力的比较,得到每一系统状态下风电场的弃风容量大小。
本发明方法的步骤2,在步骤1的调峰裕度分析基础之上,计算电网潮流,分析线路传输容量越限情况。为了保证电网的安全稳定运行,线路传输容量越限时,需要切除部分负荷并调整发电机组出力,步骤2提出基于灵敏度的风力发电机调整策略,并计算由于线路越限造成的风电场弃风容量大小。
本发明方法的步骤3,提出考虑系统调峰裕度及线路传输容量约束的风电场弃风指标计算方法。该方法针对现有电力系统,输入系统原始数据,包括常规机组容量及停运概率,风电场历史出力概率分布,负荷时序曲线等,并采蒙特卡洛模拟法对常规机组出力状态、风电场出力、负荷水平进行状态抽样,计算风电场的弃风概率及期望弃风容量大小。
本发明方法的步骤4,提出以最小弃风容量为目标的风电场接入位置、接入容量优化方法。优化方法通过两步优化,首先进行风电场接入位置优化,在获取接入位置后,再综合最小弃风指标与最高可靠性水平指标,对接入容量大小进行优化,最终得到的风电场接入方案可以更大限度接纳风电,促进新能源利用效率。
Claims (1)
1.一种考虑最小弃风的风电场接入电网的位置和容量的控制方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
(1)根据电网的可靠性要求,设定电网的发电备用为Preserve,设定电网的高峰负荷和低谷负荷分别为PLmax与PLmin,从电网规划数据中获取电网自备电源量Pauxiliary、电网供热机组容量Pthermal、电网联络线的传输功率计划Ptie和电网中抽水蓄能装机容量Ppump,根据上述参数进行以下计算,得到考虑电网调峰裕度的风电场接纳能力:
电网内部机组在负荷高峰时的有功功率PGmax和负荷低谷时的有功功率PGmin为:
PGmax=PLmax-Ptie
PGmin=PLmin+Ppump-λ1Ptie
上式中,λ1为电网联络线的传输功率调整参数,λ1在负荷高峰时的取值为1.0,在负荷低谷时为0.5;
电网内部调峰机组在负荷高峰时的实际有功功率和负荷低谷时的实际有功功率为:
上式中,λ2为电网中供热机组在供热期间的有功功率调整参数,有功功率调整参数在供热期间为0.78,在非供热期间为1;
电网内部调峰机组的最大有功功率和最小有功功率
上式中,λ3为电网调峰机组的调峰深度;
得到考虑电网调峰裕度的风电场接纳能力Pwind为:
考虑电网调峰裕度的风电场弃风容量为:
根据风电场接纳能力Pwind,得到考虑电网调峰裕度的风电场弃风容量为:
(2)当电网传输线路的传输功率大于电网传输线路的额定传输功率时,根据传输线路的实际与额定传输功率的差值,设定传输线路的传输功率调整量ΔPij;对电网中的风电容量进行判断,若电网中无风电,则进行步骤(3),若电网中有风电,则计算风电有功功率 利用电网的潮流灵敏度矩阵,调整风电的有功功率,得到考虑电网传输线路容量约束的弃风容量,具体过程如下:
(2-1)利用电网直流潮流公式:
P=B0θ,
B0为以1/xij为电网支路导纳建立的导纳矩阵,xij为电网中节点i到节点j之间的支路电抗,θ为电网功角,
若电网中的节点k的有功功率的变化值为ΔPk,电网的其它节点的有功功率不变,则有:
Δθ=B0 -1ΔP
其中,ΔP为一个单位向量,向量中的第k个元素为ΔPk,向量中的其他元素为0,B0 -1是常数矩阵,并设:
B0 -1=[aij]n×n
aij为常数矩阵B0 -1中第i行第j列个元素,n为电网中的总节点数;
(2-2)利用电网直流潮流支路功率计算公式:
Pij=(θi-θj)/xij
其中xij是电网传输线路电抗,i和j是传输线路L的起始节点和终止节点序号,
得到传输线路有功功率对节点k的有功功率灵敏度SLk为传输线路有功功率增量ΔPij与节点k的有功功率增量ΔPk的比值:
式中L是传输线路序号,k是注入功率变化的节点序号,潮流灵敏度矩阵S是常数矩阵;
(2-3)根据电网传输线路有功功率对节点注入功率的灵敏度定义,得到注入节点k的有功功率调整量大小为:
得到考虑线路传输容量约束的风电场弃风容量为:
其中l为电网传输线路中传输功率大于额定传输功率的越限线路;
(3)采用非时序蒙特卡罗模拟方法,计算风电场弃风指标,具体过程如下:
(3-1)从风电场历史运行数据中获取风电场有功功率概率分布,从电网历史运行数据中获取电网内部所有机组的停运概率、电网传输线路的停运概率和电网负荷的时序曲线,采用非时序蒙特卡罗模拟方法,对电网内部所有机组的有功功率、风电场的有功功率以及电网传输线路的传输功率进行状态抽样,计算每一状态下风电弃风容量
(3-2)根据上述每一状态下风电弃风容量计算风电场弃风指标如下:
风电场弃风概率指标为:
式中Ii的含义为:
风电场期望弃风容量指标为:
(4)考虑风电场最小弃风,对风电场接入电网的位置和容量进行控制,具体过程如下:
(4-1)设定风电场的接入容量为Pw,建立一个风电场接入电网位置的目标函数如下:
求解上述目标函数,得到风电场装机容量为Pw时,风电场接入电网的位置r,使得期望弃风容量Ecurtail最小;
(4-2)在上述确定风电场接入电网的位置r后,建立一个风电场的接入容量目标函数如下:
式中,LOLP为电网的电力不足概率指标,
式中tm为电网有功功率不能满足负荷状态m的时间,pm为该状态的概率,
求解上述目标函数,得到风电场的接入电网的位置r处的接入容量p。
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