CN107292539A - 一种评估可再生能源消纳能力的指标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量评估配电系统可再生能源消纳能力的指标体系和接纳研究方法,用于电力公司调度、设计部门,以解决现有配电系统规划中存在的可再生能源机组定容、建设和接入无依据，可再生能源消纳能力评估指标单一、粗糙和可再生能源机组出力弃率高的问题。将所述模型用于评估消纳能力，包括三个步骤：建立优化可再生能源机组输出功率的消纳模型，利用推导的显示表达式计算消纳能力的评估指标，基于指标结果作经济性、安全性和电网固有特性分析。本发明能够结合待研究系统经济、安全和固有特性三方面的资料和数据，从多个角度对消纳能力进行综合量化评价，丰富可再生能源消纳能力评估的指标体系和研究内容，为可再生能源系统建设的机组定容、网架改造、接入点选择等提供量化参考和实施指导。

Description

一种评估可再生能源消纳能力的指标方法

技术领域

本发明涉及电力公司配电系统侧可再生能源消纳能力指标定量评估与系统可再生能源接纳问题研究领域，主要涉及可再生能源系统现状评估、机组定容和网架规划方法。

背景技术

近几年可再生能源电力系统进入了快速发展阶段，随之也带来了一系列问题，如电网网架建设与新能源发展不匹配、新能源建设缺乏定量研究和统一规划、弃风弃光现象普遍频发，严重制约可再生能源的消纳和发展。

目前国内外关于评估可再生能源消纳能力的评估指标主要包括：可再生能源（风电、光伏）发电总量、可再生能源（风电、光伏）利用小时数、可再生能源（风电、光伏）上网电量、可再生能源弃电比例（弃风率、弃光率）、可再生能源（风电、光伏）出力占比等。

目前国内外关于评估可再生能源消纳能力的方法研究主要分为以下两类。一类是不设置可再生能源机组的出力上限，评估系统去除负荷峰谷差后的调峰裕量，估算系统理论允许的最大可再生能源装机规模，侧重于对系统机组静态裕量和调峰能力的分析。第二类着重处理系统的各类边界和约束条件，对系统允许消纳的装机容量和发电量作较为精确的计算，往往解得一个满足边界约束前提下尽可能大的系统允许消纳结果。

现行的评估可再生能源消纳能力的指标和技术主要存在以下不足：

1. 评估指标单一、简单。现行的评估指标多为对现场实测数据的归纳和整理，缺乏对消纳能力的“强弱”作直观、定量和直接的计算。消纳能力作为可再生能源电力系统的重要研究内容，关系系统合理健康发展，现行的评估指标很少考虑系统经济性、安全性和网架结构等固有特性因素，也就无法对消纳能力作明确、清晰、直观的描述。

2. 缺乏系统、完备的消纳能力评估方法。现行的评估方法或粗糙简单，不计及待评估系统可再生能源的各类约束和边界条件，只对装机容量和能否消纳做定性估计，缺乏实际参考价值。或复杂冗余、步骤繁琐，多为求解多约束条件下的复杂优化问题，计算过程需要借助迭代算法和求解软件或系统，很难对实际系统做简便、快速和实用的分析，在大规模系统中更是如此。消纳能力的评估应在计算的精确性和工程实际的可操作性中折中平衡。

3. 消纳能力的评估结果不具备工程实际的参考意义。可再生能源系统发展迅速，装机容量、接入位置等缺乏统一规划。消纳能力的评估结果应该对接入系统的可再生能源是否适应系统的现状作评估，对未来可再生能源系统的建设、改造和发展规划起到指导作用，提供参考价值。而现有的消纳能力分析多局限于数据处理和理论分析，鲜有贴合工程实际的改造和规划措施。消纳能力的评估结果中应包含系统的消纳好坏情况、理论装机容量和待改造节点、线路等内容。

发明内容

针对上述背景技术中，消纳能力评估指标单一、简单，评估方法不够合理、完善和脱离工程实际的不足，发明一种基于指标计算结果评估配电系统可再生能源消纳能力的方法体系。从经济性、安全性和系统固有特性三个方面，从现状评估、效益分析和电网规划多个角度，对可再生能源的消纳能力做直观、定量描述和评估，可用于分析实际系统改造和提升消纳能力的具体措施，丰富消纳能力评估的科学内涵。

本发明所采用的技术方案为：

1.以待消纳占比为系统可再生能源消纳能力的评估指标，公式如下。

式中，

理论最优电量是基于系统经济性、安全性和网架固有特性因素计算出的结果；

2.以经济性、安全性和网架固有特性三部分构建评估消纳能力技术指标，公式如下。

以经济性、安全性和网架固有特性三部分评估技术指标构建待消纳占比技术指标，公式如下。依据指标结果，从现状评估、效益分析和电网规划等角度研究消纳能力。

式中，

A为成本耗量的二次项矩阵，B为成本耗量一次项矩阵，C为成本耗量常数项矩阵。E为单位向量。P为电价矩阵。PL为系统总负荷，CO是与电价和耗量成本一次项相关的经济耗量，A是耗量二次项系数，Pmax为机组出力上限，PLmax是线路允许通过的最大潮流，H是反映网架结构的矩阵，表示为：

与现有技术相比，本发明的优势主要体现在：

1.不只针对电量研究，紧紧结合与消纳能力相关的经济性、安全性、固有特性三方面因素考虑，评估全面，突破了传统消纳能力评估内容的局限性。

2.现有指标只能对消纳能力相关的某一方面作出评估，待消纳占比是对配电系统消纳能力强弱的定量直观描述。

3.待消纳占比的指标计算式清晰、简单，避免了优化算法和优化软件的使用，适用于处理大规模实际系统，符合工程实际要求的可操作性和实用性。

4.评估结果的参考性和丰富性。结合指标体系可以从现状评估、效益分析和电网规划等多个角度全面、客观地做出消纳能力的评估分析，定量计算的结果可以为可再生能源的机组定容、接入点位置选择等提供依据。

附图说明

图1为基于待消纳占比指标计算的配电系统消纳能力评估体系示意图。

图2为待评估配电系统接线示意图。

具体实施方式

以某省110kV配电系统（包含部分220kV配网线路，共325节点）为例，介绍如何在实际中应用本发明所提出的一种基于待消纳占比评估消纳能力的指标体系。

推导待消纳占比表达式

推导待消纳占比的计算式，使得实际应用中可快速代入数据求解指标结果。（简要给出推导过程，应用时可省略此步）

考虑一个含有N个节点系统。将发电机组所在的节点（包括非可再生能源机组）等效为PV节点，设共有M个，各台机组的出力记为X。各负荷节点等效为PQ节点，共N-M-1个。调频调压厂，为1个平衡节点，出力记为XN。

建立的消纳优化模型目标函数可分为火电和可再生能源两部分：

将可再生能源部分的计算式表达为多项式的形式，则上式可统一用矩阵形式表达（为叙述方便，符号和命名沿用火电机组的格式）

待求的各机组理论可行出力为：。

因此目标函数可写为：

式中，A为成本耗量的二次项矩阵，B为成本耗量一次项矩阵，C为成本耗量常数项矩阵。E为全1的列向量，长度为M。P为电价矩阵。使得满足约束下目标函数最小的解为要求的理论可行解。

为省去复杂的计算流程，得到直观的表达式，异于采用迭代方法计算，而是依据最优性条件列出方程组，再联立求解。方程组与约束条件G(X)密切相关：

约束条件G(X)包括四类：

写出和在允许误差接受范围内的计算式：

表 系统电压、相角的可接受误差计算式

其中各参数的含义如表2所示。

表 2 参数表达式

计算待消纳占比指标

考虑如下电气量：①电网各类发电厂、站、设备（包括传统能源和可再生能源）的发电耗量成本；②地区电价水平；③电网中各类发用电设备的功率上限；④系统满足的潮流约束；⑤系统允许的电压波动范围；⑥地区负荷水平；⑦网架结构参数。

将上述的各节点数据代入待消纳占比的计算式，计算待消纳占比的指标结果：（列举部分节点）

系统可再生能源接纳分析

本例中，选取经济性、安全性和固有特性三部分的指标权值相同，得到如上的计算结果。据此可进一步分析系统的消纳现状和提升措施。包括：

a.现状评估。一是分析消纳情况。评估现有负荷水平、网架结构和可再生能源接入的情形下，可再生能源的消纳能力强弱。理论上，某处某机组待消纳占比绝对值越小，表示该机组实际出力越接近理想的最优值，该处的可再生能源出力消纳情况越优，可结合指标结果逐一分析系统节点。二是分析电量。若占比为正，表示在现有的负荷需求、利润水平和网架结构下，尚有进一步增加可再生能源装机容量和输出功率的空间；若占比为负，表示在现有的负荷需求、利润水平和网架结构下，可再生能源机组的输出过裕或过剩，易造成弃风、弃光的现象。三是制定发电计划。依据计算结果调整具体机组的中长期发电计划，待消纳占比偏大的适度调高发电计划，反之亦然。指导改造机组装机容量。

b.电网规划。结合待消纳占比的计算结果，寻找电网中迫切需要改造、完善的节点位置。对于系统中待消纳占比过大的节点，要参考指标计算结果扩建、新建发电设备和厂站，加增装机容量，使得增容后待消纳占比减小；对于系统中待消纳占比过小的节点，考虑节点附近网络的联络率，要加装联络线，更换线路，考虑发电量经升压变、网络外送外调至上级传输网等。据此可提出改造系统网架结构、提升系统消纳能力的定量依据。同时考虑地区的规划方案和建设实际，新增变电站、换流站、牵引站、开关站等，规划后的远景系统可再次计算待消纳占比评估，各节点的指标计算结果以接近0、相差不大为宜。

c.效益分析。涉及用电需求分析、电价和用电政策调整等。作为影响系统消纳的因素之一，效益分析应当与当地的发输和供求实际相结合。对于待消纳占比较低的地区，应当适当降低电价，“刺激”消费，优化和提升地区可再生能源的消纳情况。令经济性部分指标等于后两项指标值，反解电价的结果，为地区电价的调整、政策的制定策略提供参考依据。对待消纳占比中经济性部分计算结果作高低排序，可为地区调整电价的优先级和方向提供参考。而对于电力需求少、可再生能源弃率高的地区、节点应适当调整用电政策提高用电量，促进可再生能源就地就近消纳，以提升系统的消纳能力。

Claims (8)

1.一种定量评估配电系统可再生能源消纳能力的指标体系和接纳分析方法，其特征在于综合考虑了经济、安全和电网固有特性因素，建立起可再生能源机组出力的优化模型，计算一个量化消纳能力的评估指标，分析可再生能源系统规划和建设的各个方面，克服现行可再生能源评估指标内容单一简单、关于可再生能源的系统规划缺乏量化依据以及普遍存在的发电弃率高的问题；所述方法包括建立消纳优化模型、量化评估指标计算与推导以及基于指标的可再生能源消纳能力多角度分析和评估。

2.根据权利要求1所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，所述的消纳优化模型目标函数要求出力尽量足、耗量尽量低、利润尽量高，通过变换使得可再生能源机组部分的目标函数与传统机组部分形式一致。

3.根据权利要求1所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，所述的量化评估指标为：待消纳占比，待消纳占比是系统消纳优化模型计算结果（最优出力）下的发电量与其实际消纳电量的差和实际消纳电量的比值。

4.根据权利要求1所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，所述的可再生能源消纳能力多角度分析和评估体系应用于配网侧，涉及经济性、安全性和固有特性三方面，包括现状评估、效益分析和电网规划。

5.根据权利要求3所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，所述的待消纳占比的计算式推导（消纳优化模型的求解）不涉及传统优化迭代算法，而是利用最优性条件导出。

6.根据权利要求3所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，所述的待消纳占比的显示表达式为经济性、安全性和电网固有特性三部分评估指标的和。

7.根据权利要求4所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，所述的现状评估包括消纳情况、电量分析和发电计划；效益分析包括用电需求、电价调整和用电政策；电网规划包括联络情况、机组增容和节点建设。

8.根据权利要求4任意一项所述的消纳能力指标体系和接纳分析方法，其特征在于，量化评估指标的计算基于消纳优化模型的结果，消纳能力的多角度评估和分析基于量化指标的计算结果。