CN108933441A - 新能源消纳能力的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新能源消纳能力的分析方法，涉及供配电技术领域。该方法应用于并网电力系统，该方法包括：确定在调峰约束下新能源发电机组的最大渗透率；依据并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围；依据火电机组的寿命损耗得到新能源发电机组的第三渗透率范围；依据最大渗透率、第一渗透率范围、第二渗透率范围和第三渗透率范围确定新能源发电机组的渗透率。本发明提供的新能源消纳能力的分析方法从影响新能源发电机组消纳能力的多个方面进行综合分析，从而更全面、有效的反映系统的新能源消纳能力，为系统新能源接入容量大小提供依据同时保障电网安全稳定运行。

Description

新能源消纳能力的分析方法
技术领域
本发明涉及供配电技术领域，具体而言，涉及一种新能源消纳能力的分析方法。
背景技术
近年来，我国新能源持续迅猛发展，在电网中渗透率日益增大，但大规模新能源的开发与并网给电力系统规划和运行都带来了极大的挑战。我国许多新能源基地都位于经济不发达地区，此地区往往也是电网薄弱地区，大规模新能源并网对电网产生了严重的影响，其中包括电网调峰能力、调频能力、机组调节能力等多个方面的问题。这些问题都已成为制约新能源发展的主要阻力。
目前，关于新能源消纳能力评估的方法大都是基于单方面某种约束下进行分析的，分析结果过于片面。因此，寻求一种新能源消纳综合评估方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新能源消纳能力的分析方法，以改善上述的问题。
本发明是这样实现的：
一种新能源消纳能力的分析方法，应用于并网电力系统，所述并网电力系统包括新能源发电机组和火电机组，所述新能源消纳能力的分析方法包括：
确定在调峰约束下所述新能源发电机组的最大渗透率；
依据所述并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围；
依据所述火电机组的寿命损耗得到所述新能源发电机组的第三渗透率范围；
依据所述最大渗透率、所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围确定所述新能源发电机组的渗透率。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述最大渗透率为：其中，Ppvp为新能源发电机组的最大渗透率，ρ为新能源发电机组的弃风弃光率，PLmax为火电机组在负荷高峰时的输出功率，PTie联络线外送功率，Pnew为并网电力系统最小负荷时新能源发电机组的最大功率。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述方法还包括：
计算所述火电机组的寿命损耗。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述火电机组的寿命损耗为：dC＝1/NC，其中，为NC火电机组的转子的致裂周次，EY为材料的弹性模量，为材料的断面收缩系数，σω为材料的疲劳强度极限值，σa为计算点的应力。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述依据所述最大渗透率、所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围确定所述新能源发电机组的渗透率，包括：
在所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围的交集范围内选取小于或等于所述最大渗透率的值作为所述新能源发电机组的渗透率。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述依据所述并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围，包括：
依据所述并网电力系统在一般扰动故障下对应的频率波动范围得到所述第一渗透率范围；
依据所述并网电力系统在严重动故障下对应的频率波动范围得到所述第二渗透率范围。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述一般扰动故障下对应的频率波动范围为并网电力系统的额定频率的±0.2Hz之间，所述严重动故障下对应的频率波动范围为并网电力系统的额定频率的±1Hz之间。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述依据所述并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围，包括：
通过PSD-BPA仿真软件以所述并网电力系统的正常频率波动范围为作为输入进行运算，得到所述第一渗透率范围和所述第二渗透率范围。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述新能源发电机组为风力发电机组。
如上所述的新能源消纳能力的分析方法，可选地，所述新能源发电机组为太阳能发电机组
对于现有技术，本发明提供的新能源消纳能力的分析方法具有如下的有益效果：
本发明提供的新能源消纳能力的分析方法从影响新能源发电机组消纳能力的多个方面进行综合分析，从而更全面、有效的反映系统的新能源消纳能力，为系统新能源接入容量大小提供依据同时保障电网安全稳定运行。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的新能源发电机组和火电机组在并网电力系统中的分布示意图。
图2为本发明第一实施例提供的新能源消纳能力的分析方法的流程图。
图标：100-新能源发电机组；200-火电机组。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参阅图1，是本发明较佳实施例提供的新能源发电机组100和火电机组200在并网电力系统中的分布示意图，新能源发电机组100和火电机组200接公共配电网络形成并网电力系统，所述新能源发电机组100为风力发电机组和/或太阳能发电机组。
请参阅图2，是本发明较佳实施例提供的新能源消纳能力的分析方法的流程图，下面将对图1所示的具体流程详细阐述。
步骤S101，确定在调峰约束下新能源发电机组100的最大渗透率。
本发明实施例中，所述新能源消纳能力是指所述新能源发电机组100的渗透率，即新能源发电机组100的发电量占系统中总发电电量的比例。
在对新能源消纳能力进行分析时，可先在考虑调峰约束下确定新能源发电机组100的最大渗透率，该最大渗透率为其中，Ppvp为新能源发电机组100的最大渗透率，ρ为新能源发电机组100的弃风弃光率，PLmax为火电机组200在负荷高峰时的输出功率，PTie联络线外送功率，Pnew为并网电力系统最小负荷时新能源发电机组100的最大功率。
具体的，首先设定新能源发电机组100在负荷高峰时刻的出力(即输出功率)为零，在已知负荷高峰、联络线传输功率(发电机组通过联络线向外送电)以及考虑备用容量的条件下通过有功功率平衡求解出火电机组200的开机容量。此时再假定新能源发电机组100在负荷低谷时刻出力满发，根据火电机组200出力范围确定常规机组的最小出力值，并结合低谷负荷求解新能源发电机组100出力，最后确定新能源最大渗透率。
设火电机组200在负荷高峰时的输出功率为PLmax，此时需满足：
PLmax＝PGmax-PTie (1)
依此可计算出火电机组200最大出力PGmax，其中PTie为联络线传输功率。
则火电机组200保留一定的备用容量的开机容量为：
PGM＝PGmax+Pres (2)
其中，Pres为备用容量。
设在低谷负荷时，火电机组200和新能源发电机组100总出力为PGmin，此时需满足：
PGmin-γPTie＝PLmin (3)
其中，PLmin为并网电力系统最小负荷，γ为联络线功率调整系数。则并网电力系统最小负荷时新能源发电机组100最大出力为：
Pnew＝PGmin-βPGM (4)
其中，β为最小出力率，βPGM表示火电机组200最小出力，从而可以确定调峰约束下新能源发电机组100的最大渗透率为：
其中，Ppvp为新能源发电机组100的最大渗透率，ρ为新能源发电机组100的弃风弃光率(当新能源发电机组100为风力发电机组时为弃风率，当新能源发电机组100为太阳能发电机组时为弃光率)。
步骤S102，依据并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组100的第一渗透率范围和第二渗透率范围。
与此同时，依据并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组100的第一渗透率范围和第二渗透率范围。
具体的，分析频率稳定问题应考虑火电机组200调速器的动态作用。根据发电机转子运动方程可推得含调速器作用的系统方程为：
ΔPD＝kDΔf (8)
式中，ΔP为功率不平衡量，ΔPG为火电机组200由于频率变化引起的功率变化；ΔPD为负荷功率变化量；TG为火电机组200的调速器的时间常数；KG为火电机组200的调节效应系数；TJ为火电机组200的惯性时间常数；KD为负荷频率调节效应系数，△f为频率变化量。
根据上面的分析，新能源发电机组100的大量接入势必会减小整个火电机组200的TJ，根据式(6)、(7)、(8)可推断出频率变化幅度变大，在相应时间内产生的频率偏差越大，这会对系统的频率安全构成隐患，同时也加大了频率控制的难度，因此需要通过频率稳定限制新能源出力占比以保证系统的安全稳定运行。
在网电力系统受到一般扰动时，例如发生任一电机跳闸、直流单极故障、大型新能源基地功率波动等，网电力系统需要考虑的频率稳定整定值要求为频率偏差应当满足网电力系统运行要求，一般不超过±0.2Hz，即一般扰动故障下对应的频率波动范围为并网电力系统的额定频率的±0.2Hz之间。在考虑一般扰动对新能源发电机组100的影响时，通过PSD-BPA仿真软件以一般扰动故障下对应的频率波动范围的两个边界值分别作为输入进行运算，得到一般扰动故障下新能源发电机组100的第一渗透率范围。
当网电力系统出现较严重故障例如N-2故障时，包括网电力系统中直流双极闭锁、发电机组切除、联络线断开，会出现较大的功率不平衡量，此时考虑安控措施(例如切机，切负荷)动作后，不能引起高频保护或低频减载动作，频率偏差不超过允许值，一般为±1.0Hz即严重故障下对应的频率波动范围为并网电力系统的额定频率的±1.0Hz之间。在考虑严重故障对新能源发电机组100的影响时，通过PSD-BPA仿真软件以严重故障下对应的频率波动范围的两个边界值分别作为输入进行运算，得到严重故障下新能源发电机组100的第二渗透率范围。
步骤S103，计算火电机组200的寿命损耗。
新能源发电机组100出力的快速波动势必会引起常规机组特别是火电机组200的频繁调节。实际运行中，火电机组200在调节过程中转子承受交变热应力的作用，经过一定周次的循环，就会在金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂，此时循环的周次称为致裂周次。产生的应力越大，致裂周次越少，寿命损耗也就越严重。
计算机组寿命损耗的方法如下：通过应力的计算可以求解出致裂周次，两者关系可用下面的Langer公式表示：
其中，为NC火电机组200的转子的致裂周次，EY为材料的弹性模量，为材料的断面收缩系数，σω为材料的疲劳强度极限值，σa为计算点的应力。σa可以用下式表示：
其中，α为转子材料膨胀系数，μ为泊松比，Δtm为温度差，其与温升率η有如下的关系：
其中，a为材料导温系数，R为转子半径上的金属厚度。
根据负荷变动率与温变率之间的关系，再结合式(6)、(7)、(8)可以计算出转子的致裂周次NC，从而估算出调节一次的寿命损耗dC＝1/NC。之后根据线性损伤累计法则，将每次调节造成的寿命损耗相加可得机组频繁多次调节后的寿命损耗。
步骤S104，依据火电机组200的寿命损耗得到新能源发电机组100的第三渗透率范围。
为了使火电机组200在服役年限内安全经济地运行，需以火电机组200的寿命损耗作为约束条件作对新能源发电机组100的接纳规模进行运算，得到新能源发电机组100的第三渗透率范围。
步骤S105，依据最大渗透率、第一渗透率范围、第二渗透率范围和第三渗透率范围确定新能源发电机组100的渗透率。
得到最大渗透率、第一渗透率范围、第二渗透率范围和第三渗透率范围后，在所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围的交集范围内选取小于或等于所述最大渗透率的值，即得到新能源发电机组100的渗透率，即新能源的消纳能力。
例如，默认电网为送电型电网，联络线外送功率模式为恒功率外送(即联络线功率调整系数为1.0)，并设置联络线传输功率为定值0.3，火电机组200的最大技术出力标幺值为1.0，高峰负荷时火电机组200出力按照最大出力计算，根据公式(1)可得高峰负荷为0.7，此时根据典型日负荷曲线估算出低谷负荷约为0.5，得到低谷负荷后，认定火电机组200最小技术出力为0.4且备用容量为总容量的5％，并在设置5％弃风弃光的条件下根据公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出新能源发电机组100的最大渗透率为40％。
一般情况下火电机组200的寿命损耗有10％左右分配给机组负荷波动。本文做了如下仿真：火电机组200跟随新能源波动从初始状态以-2.5％机组负荷变化率减少24min，再以2.5％的负荷变动率增长21min，紧接着以3.5％变化率增长16min，最后以5％负荷变化率减少10min。根据公式(9)、(10)、(11)可求得每个阶段寿命损耗如下表。
负荷变动率 -2.5％ +2.5％ +3.5％ -5％
寿命损耗/％ 6.9*10-5 6*10-5 6.3*10-5 7.5*10-5
表1不同变负荷过程的寿命损耗
以火电机组200服役年限20年，年运行310天，并且一天内相同的火电机组200调节过程以6次计，根据前述提到的线性累积原则计算可估算得总寿命损耗：(6.9×10-5+6×10-5+6.3×10-5+7.5×10-5)×310×20×6＝9.93％，已较为接近分配的寿命极限。
根据上面分析可以做出大致的估计：新能源发电机组100占比(渗透率)过高会导致机组调节幅度越大，此时寿命损耗越严重，且当火电机组200负荷变动率不超过5％/min时，寿命损耗均在可接受范围内。依此限制新能源发电机组100的渗透率：当时间尺度较小时，例如在10min内波动6次，此时新能源发电机组100功率波动幅度较小，设为2％/min，以火电机组200调节负荷率不超过5％为标准可估算得新能源发电机组100的渗透率为71.4％。当选取的时间尺度较大时，例如在1h内波动6次，此时新能源发电机组100功率波动幅度随之增大，设为10％，并同样以上述标准可估算得新能源发电机组100的渗透率为33.3％。根据上述可得新能源发电机组100的第三渗透率范围为33.3％-71.4％。
采用PSD-BPA仿真软件发生一般扰动故障以及严重故障时的频率变化过程，以此分析频率稳定问题对新能源发电机组100消纳能力的限制。在这里发电机备用容量取为5％，惯性时间常数TJ取为8.0秒，负荷频率调节效应系数KD取为1.8。
不同规模的电网在发生一般扰动时可能会产生不同的功率不平衡量，本实施例选取3种功率缺额量，分别是1％、1.5％和2％来模拟一般扰动，以达到频率偏差允许值0.2Hz为极限条件，得到相应的新能源发电机组100的渗透率如下表：
扰动量 1％ 1.5％ 2％
新能源渗透率 73.8％ 55.2％ 34％
表2不同扰动量下的新能源发电机组100的渗透率(一般扰动)
根据表2可得，新能源发电机组100的第一渗透率范围为34％-73.8％。
发生严重故障时，需要考虑由于电网规模不同导致功率缺额的差异。严重故障一般会配置安控装置，并保证动作后留有2％～3％的不平衡量，在这里选取较大值3％。本实施例设置三种功率缺额量15％、20％和25％来模拟严重故障，并经过300ms延时后相应切12％、17％及22％的负荷量。为了使得低频减载不动作，此时最低频率门槛标准设为49.0Hz，以1.0Hz作为频率偏差允许值极限得到相应的新能源发电机组100渗透率如下表：
扰动量 15％ 20％ 25％
新能源渗透率 63％ 49.8％ 36.6％
表3不同扰动量下的新能源发电机组100的渗透率(严重故障)
根据表3可得，新能源发电机组100的第二渗透率范围为36.6％-63％。
将不同约束下确定的新能源发电机组100渗透率汇总如下表：
表4不同约束下新能源渗透率范围
根据表4，在第一渗透率范围、第二渗透率范围和第三渗透率范围的交集范围内选取小于或等于最大渗透率的值作为新能源发电机组100的渗透率。即36.6％-40％之间的其中一个值作为新能源发电机组100的渗透率，即新能源的消纳能力。
综上所述，本发明提供的新能源消纳能力的分析方法从影响新能源发电机组100消纳能力的多个方面进行综合分析，从而更全面、有效的反映系统的新能源消纳能力，为系统新能源接入容量大小提供依据同时保障电网安全稳定运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种新能源消纳能力的分析方法，应用于并网电力系统，所述并网电力系统包括新能源发电机组和火电机组，其特征在于，包括：
确定在调峰约束下所述新能源发电机组的最大渗透率；
依据所述并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围；
依据所述火电机组的寿命损耗得到所述新能源发电机组的第三渗透率范围；
依据所述最大渗透率、所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围确定所述新能源发电机组的渗透率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大渗透率为：其中，Ppvp为新能源发电机组的最大渗透率，ρ为新能源发电机组的弃风弃光率，PLmax为火电机组在负荷高峰时的输出功率，PTie联络线外送功率，Pnew为并网电力系统最小负荷时新能源发电机组的最大功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
计算所述火电机组的寿命损耗。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述火电机组的寿命损耗为：dC＝1/NC，其中，为NC火电机组的转子的致裂周次，EY为材料的弹性模量，为材料的断面收缩系数，σω为材料的疲劳强度极限值，σa为计算点的应力。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述最大渗透率、所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围确定所述新能源发电机组的渗透率，包括：
在所述第一渗透率范围、所述第二渗透率范围和所述第三渗透率范围的交集范围内选取小于或等于所述最大渗透率的值作为所述新能源发电机组的渗透率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围，包括：
依据所述并网电力系统在一般扰动故障下对应的频率波动范围得到所述第一渗透率范围；
依据所述并网电力系统在严重动故障下对应的频率波动范围得到所述第二渗透率范围。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述一般扰动故障下对应的频率波动范围为并网电力系统的额定频率的±0.2Hz之间，所述严重动故障下对应的频率波动范围为并网电力系统的额定频率的±1Hz之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述并网电力系统的正常频率波动范围得到新能源发电机组的第一渗透率范围和第二渗透率范围，包括：
通过PSD-BPA仿真软件以所述并网电力系统的正常频率波动范围为作为输入进行运算，得到所述第一渗透率范围和所述第二渗透率范围。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新能源发电机组为风力发电机组。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新能源发电机组为太阳能发电机组。
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