CN108110795A - 风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其包括以下步骤S1：获取规划风电场群中各风电场至少一年的历史时序风速数据；根据各风电场规划装机容量以及风速和出力的关系，获得各风电场出力时序数据，汇聚形成风电场群出力时间序列；步骤S2：综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，构建风电场群风储联合外送优化模型，优化风储联合系统外送输电容量及储能功率配置；步骤S3：求解风电场群风储联合外送优化模型，得到最优外送输电容量和储能系统优化方案。本发明综合考虑经济性和平抑性的风电场群外送输电容量及储能系统配置联合优化的方法，促进风电的消纳和友好并网。

Description

风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法
技术领域
本发明属于电力系统规划领域，特别涉及一种风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法。
背景技术
我国地形条件复杂，风能资源状况参差不齐，其分布特点随地形、地理位置的不同而不同，风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及北部地区，一些大规模的集群风电场已形成，如甘肃酒泉、吉林西部、新疆、内蒙古、福建沿海等，另外一些集群风电正在规划和建设中。这样的集群风电场所处地往往远离负荷中心，自身用电负荷小、网架薄弱，因此，大规模风电的远距离输送成为一项支持风电开发和利用的战略性任务。集群风电外送并入电力系统主要有以下三种方式：纯风电外送、“风火打捆”外送以及风储联合外送。其中，对于风储外送的研究，现有的方法要么仅从经济角度构建风储联合外送优化模型，要么只针对储能对风电场群外送功率的平抑作用。前者未考虑电网对风电场接入功率的波动要求，过大的风电波动对电力系统产生的负面影响将降低电网对风电的接纳水平而造成大量的弃风。后者未考虑储能系统配置对风储联合外送系统经济性的影响，可能造成输电工程过度的投资。针对上述研究存在的不足，本发明综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，对风电场群风储联合外送输电容量和储能系统配置进行优化，减少风电并网对电网运行的负面影响，提高风资源的利用效率。
在优化风电场群外送输电容量和储能系统配置时，未综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，可能导致风储联合外送功率波动过大，其接纳给电网造成较大的负面影响，甚至不得不大量弃风，或者导致投资成本过高，使得风储联合外送系统的社会效益过低。本发明综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，对风电场群风储联合外送输电容量和储能系统配置进行优化，减少风电并网对电网运行的负面影响，提高风资源的利用效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法。
本发明采用以下技术方案：一种风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取规划风电场群中各风电场至少一年的历史时序风速数据；采样频率为T1,根据各风电场规划装机容量以及风速和出力的关系，获得各风电场出力时序数据，汇聚形成风电场群出力时间序列；步骤S2：综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，构建风电场群风储联合外送优化模型，优化风储联合系统外送输电容量及储能功率配置；步骤S3：求解风电场群风储联合外送优化模型，得到最优外送输电容量和储能系统优化方案。
在本发明一实施例中，步骤S2包括以下步骤：步骤S21：综合考虑输电工程输电收益、外送输电线路建设成本、储能功率配置成本和弃风惩罚，构建风储联合外送经济性目标：用公式表述如下：其中，f表示输电工程每年的综合收益；R(Pline,Ce)表示输电工程每年的输电收益；L(Pline,Ce)表示每年的弃风损失；C(Pline)表示输电工程年建设成本；C(Ce)表示储能系统配置年成本；步骤S22：利用储能系统对风电场群外送功率进行平抑，每隔一段时间T2外送功率变化量是否超过风电场群总装机容量的ζ倍作为波动合格的指标，并以此波动合格率最大为目标函数，用公式表述如下：
其中，p表示风电场群外送功率的波动合格率；St表示风电场群t时刻外送功率相对t-1时刻的波动量是否合格，1表示合格，0表示不合格；ζ表示风电功率前后时刻允许的波动率；T表示一年采样的周期数。
进一步的，T1、T2均为10min。
在本发明一实施例中，步骤S21包括以下具体步骤：步骤S211：根据风储联合系统每年送出电量和输送单位风电电量的费用，计算风储联合系统每年的输电收益，用公式表述如下：
R(Pline,Ce)＝KrGsystem
其中，Pline表示输电线路容量；Ce表示储能最大充放电功率；Kr表示输送单位风电电量的费用；Gsystem表示风储联合系统每年送出的电量；Psystem(t)表示t时刻风储联合系统外送功率。
步骤S212：根据每年的弃风电量和弃风惩罚的单价计算每年的弃风损失，用公式表述如下：
L(Pline,Ce)＝KlGlost
其中，Kl表示弃风惩罚的单价；Glost表示每年的弃风电量；Plost(t)表示t时刻风储联合系统的弃风功率；步骤S213：用年值法计算输电工程年建设成本，用公式表述如下：
其中，Kc表示单位容量、单位长度的输电工程造价；L表示输电距离；Ts表示输电投资静态回收周期；r表示贴现率；步骤S214：用等年值法计算储能系统年配置成本，用公式表述如下：
其中，C1表示储能系统功率价格；Ce表示储能系统配置的功率；Tc表示储能寿命周期；
步骤S215：综合考虑输电工程输电收益、外送输电线路建设成本、储能功率配置成本和弃风惩罚，构建风储联合外送经济性目标函数，用公式表述如下：
其中，f表示输电工程每年的综合收益；R(Pline,Ce)表示输电工程每年的输电收益；L(Pline,Ce)表示每年的弃风损失；C(Pline)表示输电工程年建设成本；C(Ce)表示储能系统配置年成本；
在本发明一实施例中，步骤S2中的约束条件有：功率平衡约束、外送输电线路容量约束、储能充放电功率约束、储能存储能量约束和储能放电周期能量守恒约束；其中：(a)每个时段功率平衡约束，用公式表述如下：
Psystem(t)-Pe(t)+Plost(t)＝Pw(t)
其中Pe(t)表示储能系统的出力，当Pe(t)大于0时，表示储能系统放电，当Pe(t)小于0时，储能系统充电；
(b)风储联合系统外送风电功率不高于外送输电线容量，用公式表述如下：
Psystem(t)≤Pline
(c)储能系统运行过程中不能超过额定充放电功率的约束，以及荷电状态不能超过额定容量的约束，用公式表述如下：
|Pe(t)|≤Ce，
SOC(t)＝SOC(t-1)+Pe(t)，
SOC(t)<SOCmax；
(d)为使储能系统能够循环利用，在一个充放电周期24h中满足能量守恒，即等式约束，用公式表述如下：
与现有技术相比，本发明综合考虑经济性和平抑性的风电场群外送输电容量及储能系统配置联合优化的方法，以最大化风电场群外送输电工程的综合收益和风电场群外送功率的波动合格率为目标，建立风储联合外送优化模型，优化外送输电容量和储能配置，以促进风电的消纳和友好并网。
附图说明
图1为风储联合系统容量优化多目标帕累托前沿图。
图2为不同外送输电容量和储能功率下的收益。
图3为不同外送输电容量和储能功率下的平抑合格率。
图4为风电场群外送功率平抑前后的时序功率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明采用以下技术方案：一种风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，包括以下步骤：步骤S1：获取规划风电场群中各风电场至少一年的历史时序风速数据；采样频率为T1,根据各风电场规划装机容量以及风速和出力的关系，获得各风电场出力时序数据，汇聚形成风电场群出力时间序列；步骤S2：综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，构建风电场群风储联合外送优化模型，优化风储联合系统外送输电容量及储能功率配置；步骤S3：求解风电场群风储联合外送优化模型，得到最优外送输电容量和储能系统优化方案。
在本发明一实施例中，步骤S2包括以下步骤：步骤S21：综合考虑输电工程输电收益、外送输电线路建设成本、储能功率配置成本和弃风惩罚，构建风储联合外送经济性目标：用公式表述如下：其中，f表示输电工程每年的综合收益；R(Pline,Ce)表示输电工程每年的输电收益；L(Pline,Ce)表示每年的弃风损失；C(Pline)表示输电工程年建设成本；C(Ce)表示储能系统配置年成本；步骤S22：为了减少风电波动对电力系统的负面影响，利用储能系统对风电场群外送功率进行平抑，每隔一段时间T2外送功率变化量是否超过风电场群总装机容量的ζ倍作为波动合格的指标，并以此波动合格率最大为目标函数，用公式表述如下：
其中，p表示风电场群外送功率的波动合格率；St表示风电场群t时刻外送功率相对t-1时刻的波动量是否合格，1表示合格，0表示不合格；ζ表示风电功率前后时刻允许的波动率；T表示一年采样的周期数。
进一步的，T1、T2均为10min。
在本发明一实施例中，步骤S21包括以下具体步骤：步骤S211：根据风储联合系统每年送出电量和输送单位风电电量的费用，计算风储联合系统每年的输电收益，用公式表述如下：
R(Pline,Ce)＝KrGsystem
其中，Pline表示输电线路容量；Ce表示储能最大充放电功率；Kr表示输送单位风电电量的费用；Gsystem表示风储联合系统每年送出的电量；Psystem(t)表示t时刻风储联合系统外送功率。
步骤S212：根据每年的弃风电量和弃风惩罚的单价计算每年的弃风损失，用公式表述如下：
L(Pline,Ce)＝KlGlost
其中，Kl表示弃风惩罚的单价；Glost表示每年的弃风电量；Plost(t)表示t时刻风储联合系统的弃风功率；
步骤S213：用年值法计算输电工程年建设成本，用公式表述如下：
其中，Kc表示单位容量、单位长度的输电工程造价；L表示输电距离；Ts表示输电投资静态回收周期；r表示贴现率；步骤S214：用等年值法计算储能系统年配置成本，可以用公式表述如下：
其中，C1表示储能系统功率价格；Ce表示储能系统配置的功率；Tc表示储能寿命周期；
步骤S215：综合考虑输电工程输电收益、外送输电线路建设成本、储能功率配置成本和弃风惩罚，构建风储联合外送经济性目标函数，可以用公式表述如下：
其中，f表示输电工程每年的综合收益；R(Pline,Ce)表示输电工程每年的输电收益；L(Pline,Ce)表示每年的弃风损失；C(Pline)表示输电工程年建设成本；C(Ce)表示储能系统配置年成本；
所述步骤S2包括的约束条件有：功率平衡约束、外送输电线路容量约束、储能充放电功率约束、储能存储能量约束和储能放电周期能量守恒约束。
(a)每个时段功率平衡约束。用数学函数表述如下：
Psystem(t)-Pe(t)+Plost(t)＝Pw(t)
Pe(t)表示储能系统的出力，当Pe(t)大于0时，表示储能系统放电，当Pe(t)小于0时，储能系统充电。
(b)风储联合系统外送风电功率不高于外送输电线容量。用数学函数表述如下：
Psystem(t)≤Pline
(c)储能系统运行过程中不能超过额定充放电功率的约束，以及荷电状态(SOC)不能超过额定容量的约束。用数学函数表述如下：
|Pe(t)|≤Ce
SOC(t)＝SOC(t-1)+Pe(t)
SOC(t)<SOCmax
(d)为使储能系统能够循环利用，在一个充放电周期24h中满足能量守恒，即等式约束。用数学函数表述如下：
图1为风储联合优化模型的帕累托前沿图。该图表明风储联合系统外送电综合收益越大，平抑合格率越低；风电场群外送功率的平抑合格率越高，综合收益越低。两个目标相互制约，最优解集可以为决策者提供借鉴和参考。
图2为不同外送输电容量和储能功率下的风储联合外送的综合收益。当外送输电容量配置较低时，风储联合系统的综合收益将会因为大量弃风而出现收益为负的情况；当储能配置功率较大时，由于储能价格昂贵，导致综合收益随着储能功率配置的增加而大幅度下降，甚至出现收益为负的情况。图2更进一步地从经济性角度说明了风电场群外送风储联合优化的必要性
图3为不同外送输电容量和储能功率下的平抑合格率。当外送输电容量较低时，较低的外送输电容量削减了某些风电出力较大的时段，减少了风电大幅度波动的可能性，有助于平滑风电功率的波动，有利于风储联合外送功率的平抑；当外送输电容量较高时，虽然减少了弃风，但不利于风电功率的平抑，特别是风电出力较大时。储能充放电功率越大，在平抑风电出力波动时裕量越大，风电输出就越平稳；储能充放电功率越小，风电输出功率波动越大，平抑合格率下降。图3更进一步地从平抑性角度说明了风电场群外送风储联合优化的必要性。
图4为风电场群外送功率平抑前后的时序功率曲线，平抑后的风电功率波动明显低于平抑前的风电功率，并且平抑后的风电功率最大值低于平抑前的风电功率，从而可以减少外送输电线路的投资。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：汇聚形成风电场群出力时间序列，采样频率为T1；
步骤S2：综合考虑风电场群风储联合外送的经济性和平抑性，构建风电场群风储联合外送优化模型，优化风储联合系统外送输电容量及储能功率配置；
步骤S3：求解风电场群风储联合外送优化模型，得到最优外送输电容量和储能系统优化方案。
2.根据权利要求1所述的风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其特征在于：步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：综合考虑输电工程输电收益、外送输电线路建设成本、储能功率配置成本和弃风惩罚，构建风储联合外送经济性目标：用公式表述如下：
其中，f表示输电工程每年的综合收益；R(Pline,Ce)表示输电工程每年的输电收益；L(Pline,Ce)表示每年的弃风损失；C(Pline)表示输电工程年建设成本；C(Ce)表示储能系统配置年成本；
步骤S22：利用储能系统对风电场群外送功率进行平抑，每隔一段时间T2外送功率变化量是否超过风电场群总装机容量的ζ倍作为波动合格的指标，并以此波动合格率最大为目标函数，用公式表述如下：
其中，p表示风电场群外送功率的波动合格率；St表示风电场群t时刻外送功率相对t-1时刻的波动量是否合格，1表示合格，0表示不合格；ζ表示风电功率前后时刻允许的波动率；T表示一年采样的周期数。
3.根据权利要求2所述的风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其特征在于：T1、T2均为10min。
4.根据权利要求2所述的风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其特征在于：步骤S21包括以下具体步骤：
步骤S211：计算风储联合系统每年的输电收益
步骤S212：计算每年的弃风损失
步骤S213：用年值法计算输电工程年建设成本和储能系统年配置成本
步骤S215：综合考虑输电工程输电收益、外送输电线路建设成本、储能功率配置成本和弃风惩罚，构建风储联合外送经济性目标函数，用公式表述如下：
其中，f表示输电工程每年的综合收益；R(Pline,Ce)表示输电工程每年的输电收益；L(Pline,Ce)表示每年的弃风损失；C(Pline)表示输电工程年建设成本；C(Ce)表示储能系统配置年成本。
5.根据权利要求1所述的风电场群外送输电容量及储能配置联合优化方法，其特征在于：步骤S2中的约束条件有：功率平衡约束、外送输电线路容量约束、储能充放电功率约束、储能存储能量约束和储能放电周期能量守恒约束。
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