CN110518633B - 考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法 - Google Patents

考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法。在电网中不具有风力发电机的情况下，针对电网分别处于正常运行状态和N‑1事故运行状态下的线路进行潮流计算，进行线路容量需求计算，再线路容量充裕度计算，判断电网能否接入风力发电机；在电网能接入风力发电机情况下，不确定性建模获得风力发电机出力的100％波动区间；针对风力发电机接入电网后进行潮流计算，并获得在风力发电机接入电网后的线路容量需求，根据可用线路传输容量和线路容量需求，迭代求解得到电网节点可接纳风力发电机的最大额定容量。本发明有效解决了新能源出力不确定性背景下，对电网接纳新能源容量的获得问题，为未来电网调度运行工作提供参考。

Description

考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法
技术领域
本发明涉及电网运行和可再生能源领域，尤其电网新能源接纳容量的获得。
背景技术
随着风力发电机以及光伏并网容量的增加，电网中线路容量已成为电网消纳风电和光伏的瓶颈。为了保证电网的安全稳定运行，电网的线路容量不仅需要满足系统的正常运行，而且要满足N-1事故运行状态下的运行情况，此外，仍需考虑负荷预测误差以及未来负荷增长情况预留一定比例的线路容量。现有处理电网接纳新能源的方法没有从节点的角度进行考虑，考虑的结果不能反映电网接纳新能源的真实能力，限制了新能源的规划。为计算电网接纳风力发电机和光伏的能力，指导新能源发展规划以及未来调度运行工作，结合电网运行特性，需要一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，以达到提高电网运行的安全性与经济性的目的，获得电网接纳新能源的能力。
为此，本发明采取以下技术方案。
电网中包含电力节点和线路，线路连接两个电力节点之间，电力节点上具有若干个风力发电机和其他类型发电机。本发明方法包括以下步骤：
电网中包含电力节点和线路，线路连接两个电力节点之间，电力节点为局部电力设备的集群，电力节点上具有若干个风力发电机和其他类型发电机；其他类型的发电机包含有火力、燃气、核电、水力、太阳能。发电机均接入电网，两个电力节点存在电力传递则通过线路连接。
本发明以风力发电机代表新能源进行实施，但不限于此。
电网中有N个组成元件，元件是指电力节点或者线路。当所有元件处于正常运行状态，则电网处于正常运行状态；电网中同时有1个元件故障，则电网处于N-1事故运行状态。本发明方法针对1个元件故障同时故障的情况进行处理获得新能源接纳容量。
1)在电网中不具有风力发电机的情况下，针对电网分别处于正常运行状态和N-1事故运行状态下的线路进行潮流计算，考虑负荷预测误差和未来负荷增长裕度进行线路容量需求计算，然后进行电网的线路容量充裕度计算，定性判断电网能否接入风力发电机；
2)在电网能接入风力发电机情况下，对风力发电机的不确定性建模，获得风力发电机出力的100％波动区间；出力是指功率。
3)针对风力发电机接入电网后进行潮流计算，并计算获得在风力发电机接入电网后的线路容量需求，根据可用线路传输容量和线路容量需求，迭代求解得到电网节点可接纳风力发电机的最大额定容量。
所述步骤1)，具体为：
101)正常运行状态情况下线路潮流的计算：
利用历史的电网电力数据，对未来一段时间段内电网未接入风力发电机下，即电网中所有电力节点均不包含有风力发电机时，且在电网处于正常运行状态情况下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到未接入风力发电机的电网处于正常运行状态情况下每条线路的最大运行功率和可用容量，以线路获得的最大运行功率作为电网处于正常运行状态情况下的该条线路的潮流；
102)N-1事故情况下线路潮流的计算：
对于电网满足N-1事故校核，利用历史的电网电力数据，对未来一段时间段内电网未接入风力发电机下，即电网中所有电力节点均不包含有风力发电机时，且在电网处于N-1事故运行状态情况下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到未接入风力发电机的电网处于N-1事故运行状态情况下每条线路的最大运行功率和可用容量，以线路获得的最大运行功率作为电网处于N-1事故运行状态情况下的该条线路的潮流；
103)考虑负荷预测误差及未来负荷增长，进行线路容量裕度计算：
结合电网处于正常运行状态与N-1事故运行状态的情况，未接入风力发电机下线路i-j的可用容量
Figure BDA0002163857430000021
计算为，即取为两种状态下的可用容量的最大值：
Figure BDA0002163857430000022
其中，i和j表示电网节点的序号，i-j表示连接电力节点i和电力节点j之间的线路，
Figure BDA0002163857430000023
表示电网处于正常运行状态下线路i-j的可用容量，
Figure BDA0002163857430000024
表示电网处于N-1事故运行状态下线路i-j的可用容量；
电网考虑到未来的负荷增长情况，给线路预留一定的裕度。接着采用以下公式计算获得未接入风电发电机下线路i-j的容量需求
Figure BDA0002163857430000025
Figure BDA0002163857430000026
其中，
Figure BDA0002163857430000031
表示电网中线路i-j现有的可用容量，k表示电网建设的预留增长系数；
满足现有电网安全稳定运行情况下，线路i-j容量充裕度为
Figure BDA0002163857430000032
Figure BDA0002163857430000033
若线路容量充裕度
Figure BDA0002163857430000034
则现在当前的电网具有接纳风电发电机的能力，电网能够接入风电发电机，即电网的电力节点能够包含设置风电发电机；
若线路容量充裕度
Figure BDA0002163857430000035
则现在当前的电网不具有接纳风电发电机的能力，电网不能够接入风电发电机，即电网的电力节点不能够包含设置风电发电机。
在本发明中，线路均满足电网现有负荷需求。
所述的步骤2)包括以下步骤：
201)建立生成一段时间段之内的风力发电机出力时间序列，表示为PW＝{PW,t|t＝1,…,T}，PW，t表示风力发电机在第t个时间段的出力，t表示时间段的序数，T表示时间段的总数，具体实施中，t表示小时的序数，T＝8760小时，且风力发电机出力时间序列中各个时间段的风力发电机出力PW，i满足正态分布；
202)统计风力发电机出力时间序列的均值和方差，根据均值和方差计算获得出风力发电机出力的上限值和下限值，以上限值和下限值之间的范围作为风力发电机出力的100％波动区间；
同时得到一年内风力发电机出力的极限波动序列，包括100％上限波动序列
Figure BDA0002163857430000036
和100％下限波动序列P W＝{P W,t|t＝1,…,T}，其中，
Figure BDA0002163857430000037
表示风力发电机在第t个时间段的出力上限；P w,t表示风力发电机在第t个时间段的出力下限。
所述的步骤3)具体为：
301)在电网节点i加入一个额定容量为
Figure BDA0002163857430000038
的风力发电机，根据电力节点i所接入风力发电机的额定容量
Figure BDA0002163857430000039
计算得到该风力发电机在一段时间段内的出力；
302)风力发电机接入电网后，针对在未来一段时间段内电网分别处于正常运行状态和N-1事故运行状态下的线路根据步骤301)得到的风力发电机的出力进行潮流计算，获得未来一段时间段内所有线路的最大运行功率，进而考虑负荷预测误差以及未来负荷增长情况，计算获得在风力发电机接入电网后的线路容量需求；
303)若接入风力发电机后线路i-j的容量需求
Figure BDA00021638574300000310
不大于线路的原定最大运行功率，则电网节点i能接入额定容量
Figure BDA00021638574300000311
的风力发电机，以固定比例增加接入的风力发电机的额定容量
Figure BDA0002163857430000041
重新回到步骤301)进行计算；否则，转到下一步骤304)；
304)以最后的风力发电机的额定容量
Figure BDA0002163857430000042
作为电网节点i能接纳风力发电机的最大额定容量。
所述的步骤302)具体为：
3021)在电网节点i加入一个额定容量为
Figure BDA0002163857430000043
的风力发电机，对于接入风力发电机后的电网，在未来一段时间段的电网处于正常运行状态下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到接入风力发电机后的电网处于正常运行状态情况下每条线路的最大运行功率
Figure BDA0002163857430000044
和可用容量；
3022)在未来一段时间段的电网处于N-1事故运行状态下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到接入风力发电机后的电网处于N-1事故运行状态情况下每条线路的最大运行功率
Figure BDA0002163857430000045
和可用容量；
3023)结合电网处于正常运行状态与N-1事故运行状态的情况，接入风力发电机后的线路i-j的可用容量
Figure BDA0002163857430000046
计算为，即取为两种状态下的可用容量的最大值：
Figure BDA0002163857430000047
其中，i和j表示电网节点的序号，i-j表示连接电力节点i和电力节点j之间的线路，
Figure BDA0002163857430000048
表示接入风力发电机后的电网处于正常运行状态下线路i-j的可用容量，
Figure BDA0002163857430000049
表示接入风力发电机后的电网处于N-1事故运行状态下线路i-j的可用容量；
304)考虑负荷预测误差以及未来规划，接着采用以下公式计算获得接入风力发电机后线路i-j的容量需求
Figure BDA00021638574300000410
Figure BDA00021638574300000411
其中，
Figure BDA00021638574300000412
表示电网中线路i-j现有的可用容量，k表示电网建设的预留增长系数。
所述101)、102)中的潮流模型具体均为：
包括如下目标函数：
Figure BDA00021638574300000413
并且包括以下约束：
功率平衡约束：
PGi-PDi＝0
发电机有功、无功约束：
PGimin≤PGi≤PGimax
节点电压幅值约束：
Uimin≤Ui≤Uimax
支路有功功率约束：
|Pl|＝|Pi-j|≤Plmax
其中，F为电网运行消耗功率；i和j表示电力节点的序号；PGi,PGimax和PGimin分别为电力节点i上其他类型发电机的出力(输出功率)以及最大最小出力(输出功率)限值；a2i,a1i和a0i分别为电力节点i上其他类型发电机的消耗功率系数；PDi为电力节点i的负荷值；Ui表示电力节点i的电压幅值，Uimax和Uimin分别为电力节点i的电压幅值上下限；|Pl|和|Plmax|表示第l条线路的输送容量和最大输送容量，|Pi-j|表示线路i-j(线路l)的潮流。
所述301)和302)中的潮流模型具体均为：
包括如下目标函数：
Figure BDA0002163857430000051
并且包括以下约束：
功率平衡约束：
PGi-PWi-PDi＝0
发电机有功、无功约束：
PGimin≤PGi≤PGimax
Figure BDA0002163857430000052
节点电压幅值约束：
Uimin≤Ui≤Uimax
支路有功功率约束：
|Pl|＝|Pi-j|≤Plmax
其中，F为电网运行消耗功率；i和j表示电力节点的序号；PGi,PGimax和PGimin分别为电力节点i上其他类型发电机的出力(输出功率)以及最大最小出力(输出功率)限值；a2i,a1i和a0i分别为电力节点i上其他类型发电机的消耗功率系数；PWi为电力节点i上风力发电机出力(输出功率)功率，
Figure BDA0002163857430000061
表示风力发电机在第t个时间段的出力上限；P w,t表示风力发电机在第t个时间段的出力下限；PDi为电力节点i的负荷值；Ui表示电力节点i的电压幅值，Uimax和Uimin分别为电力节点i的电压幅值上下限；|Pl|和|Plmax|表示第l条线路的输送容量和最大输送容量，|Pi-j|表示线路i-j(线路l)的潮流。
本发明具有的有益效果是：
本发明考虑现有电网中线路容量的充裕度，并对风力发电机出力的不确定性进行了100％波动区间建模，同时考虑了电网正常运行状态、N-1事故运行状态、考虑负荷预测误差以及未来负荷增长的规划裕度等，在此基础之上进行定量计算。
首先，通过对未接入风力发电机情况下电网的线路容量充裕度进行计算，可以实现电网接纳风力发电机的可行性的评价。本方法依次计算电网正常运行状态、N-1事故运行状态下的线路潮流计算以及考虑负荷预测误差和未来负荷增长的裕度的线路容量需求，最后得到现有电网的线路裕度。
然后，本方法有效兼顾了电网运行的可靠性，本技术方案对可接纳风力发电机的额定容量进行定量计算，有效解决了现有方法没有从节点的角度进行评估电网接纳新能源能力的缺点和问题。本方法考虑了线路容量的充裕度，可以判断现有电网的特定节点是否可接入风力发电机，可以计算获得的电网中每个节点的新能源接纳容量。本发明有效解决了新能源出力不确定背景下，对电网消纳新能源的能力获得的问题，为未来电网调度运行工作以及风力发电机的规划提供参考。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是实施例电网线路容量充裕度计算结果图。
图3是在接入不同容量风力发电机的情况下线路潮流情况示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，按照本发明发明内容完整方法实施的实施例及其实施过程如下(以下实施例过程的描述进行了简化)：
1)在电网中不具有风力发电机的情况下，针对电网分别处于正常运行状态和N-1事故运行状态下的线路进行潮流计算，考虑负荷预测误差和未来负荷增长裕度进行线路容量需求计算，然后进行电网的线路容量充裕度计算，定性判断电网能否接入风力发电机；
2)在电网能接入风力发电机情况下，对风力发电机的不确定性建模，获得风力发电机出力的100％波动区间；出力是指功率。
3)针对风力发电机接入电网后进行潮流计算，并计算获得在风力发电机接入电网后的线路容量需求，根据可用线路传输容量和线路容量需求，迭代求解得到电网节点可接纳风力发电机的最大额定容量。
采用IEEE-9节点系统对本发明进行验证，本测试系统为标准系统，相关参数均为公开数据，本发明中不在此介绍。在电网中不具有风力发电机的情况下，对电网考虑负荷预测误差和未来负荷增长裕度进行线路容量需求计算，然后进行电网的线路容量充裕度计算，计算结果如图2所示。在电网中不具有风力发电机的情况下，各线路容量未达到线路的最大传输容量，有一定的线路容量裕度，因此，此电网可以接纳风力发电机。
在接入不同容量风力发电机的情况下，线路潮流如图3所示。在接入80MW风力发电机情况下，达到线路最大传输容量，由此可得电网中节点5的最大接入风力发电机容量为80MW。为了保证电网的安全运行，电网接入风力发电机容量需低于此最大风力发电机容量。同样可得到该电网其他节点下的最大风力发电机接纳容量。
由此可见，本发明能有效解决了新能源出力不确定性背景下，对电网接纳新能源容量的获得问题，为未来电网调度运行工作提供参考。
以下图1所示本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，电网中包含电力节点和线路，线路连接两个电力节点之间，电力节点上具有若干个风力发电机和其他类型发电机；其特征在于方法包括以下步骤：
1)在电网中不具有风力发电机的情况下，针对电网分别处于正常运行状态和N-1事故运行状态下的线路进行潮流计算，进行线路容量需求计算，然后进行电网的线路容量充裕度计算，定性判断电网能否接入风力发电机；
2)在电网能接入风力发电机情况下，对风力发电机的不确定性建模，获得风力发电机出力的100％波动区间；
3)针对风力发电机接入电网后进行潮流计算，并计算获得在风力发电机接入电网后的线路容量需求，根据可用线路传输容量和线路容量需求，迭代求解得到电网节点可接纳风力发电机的最大额定容量；
所述步骤1)，具体为：
101)正常运行状态情况下线路潮流的计算：
对未来一段时间段内电网未接入风力发电机下，且在电网处于正常运行状态情况下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到未接入风力发电机的电网处于正常运行状态情况下每条线路的最大运行功率和可用容量，以线路获得的最大运行功率作为电网处于正常运行状态情况下的该条线路的潮流；
102)N-1事故情况下线路潮流的计算：对未来一段时间段内电网未接入风力发电机下，且在电网处于N-1事故运行状态情况下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到未接入风力发电机的电网处于N-1事故运行状态情况下每条线路的最大运行功率和可用容量，以线路获得的最大运行功率作为电网处于N-1事故运行状态情况下的该条线路的潮流；
103)进行线路容量裕度计算：结合电网处于正常运行状态与N-1事故运行状态的情况，未接入风力发电机下线路i-j的可用容量
Figure FDA0003935639540000011
计算为：
Figure FDA0003935639540000012
其中，i和j表示电网节点的序号，i-j表示连接电力节点i和电力节点j之间的线路，
Figure FDA0003935639540000013
表示电网处于正常运行状态下线路i-j的可用容量，
Figure FDA0003935639540000014
表示电网处于N-1事故运行状态下线路i-j的可用容量；
接着采用以下公式计算获得未接入风力发电机下线路i-j的容量需求
Figure FDA0003935639540000015
Figure FDA0003935639540000016
其中，
Figure FDA0003935639540000021
表示电网中线路i-j现有的可用容量，k表示电网建设的预留增长系数；
满足现有电网安全稳定运行情况下，线路i-j容量充裕度为
Figure FDA0003935639540000022
Figure FDA0003935639540000023
若线路容量充裕度
Figure FDA0003935639540000024
则电网具有接纳风力发电机的能力，电网能够接入风力发电机；
若线路容量充裕度
Figure FDA0003935639540000025
则电网不具有接纳风力发电机的能力，电网不能够接入风力发电机。
2.根据权利要求1所述的一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，其特征在于：所述的步骤2)包括以下步骤：
201)建立生成一段时间段之内的风力发电机出力时间序列，表示为PW＝{PW,t|t＝1,…,T}，PW，t表示风力发电机在第t个时间段的出力，t表示时间段的序数，T表示时间段的总数，且风力发电机出力时间序列中各个时间段的风力发电机出力PW，i满足正态分布；
202)统计风力发电机出力时间序列的均值和方差，根据均值和方差计算获得出风力发电机出力的上限值和下限值，以上限值和下限值之间的范围作为风力发电机出力的100％波动区间；
同时得到一年内风力发电机出力的极限波动序列，包括100％上限波动序列
Figure FDA0003935639540000026
和100％下限波动序列P W＝{P W,t|t＝1,…,T}，其中，
Figure FDA0003935639540000027
表示风力发电机在第t个时间段的出力上限；P W,t表示风力发电机在第t个时间段的出力下限。
3.根据权利要求1所述的一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，其特征在于：
所述的步骤3)具体为：
301)在电网节点i加入一个额定容量为
Figure FDA0003935639540000028
的风力发电机，根据电力节点i所接入风力发电机的额定容量
Figure FDA0003935639540000029
计算得到该风力发电机在一段时间段内的出力；
302)风力发电机接入电网后，针对在未来一段时间段内电网分别处于正常运行状态和N-1事故运行状态下的线路根据步骤301)得到的风力发电机的出力进行潮流计算，获得未来一段时间段内所有线路的最大运行功率，进而计算获得在风力发电机接入电网后的线路容量需求；
303)若接入风力发电机后线路i-j的容量需求
Figure FDA00039356395400000210
不大于线路的原定最大运行功率，则电网节点i能接入额定容量
Figure FDA00039356395400000211
的风力发电机，以固定比例增加接入的风力发电机的额定容量
Figure FDA0003935639540000031
重新回到步骤301)进行计算；否则，转到下一步骤304)；
304)以最后的风力发电机的额定容量
Figure FDA0003935639540000032
作为电网节点i能接纳风力发电机的最大额定容量。
4.根据权利要求3所述的一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，其特征在于：
所述的步骤302)具体为：
3021)在电网节点i加入一个额定容量为
Figure FDA0003935639540000033
的风力发电机，在未来一段时间段的电网处于正常运行状态下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到接入风力发电机后的电网处于正常运行状态情况下每条线路的最大运行功率和可用容量
Figure FDA0003935639540000034
3022)在未来一段时间段的电网处于N-1事故运行状态下，对所有线路采用潮流模型进行潮流计算，得到接入风力发电机后的电网处于N-1事故运行状态情况下每条线路的最大运行功率和可用容量
Figure FDA0003935639540000035
3023)接入风力发电机后的线路i-j的可用容量
Figure FDA0003935639540000036
计算为：
Figure FDA0003935639540000037
其中，i和j表示电网节点的序号，i-j表示连接电力节点i和电力节点j之间的线路，
Figure FDA0003935639540000038
表示接入风力发电机后的电网处于正常运行状态下线路i-j的可用容量，
Figure FDA0003935639540000039
表示接入风力发电机后的电网处于N-1事故运行状态下线路i-j的可用容量；
304)接着采用以下公式计算获得接入风力发电机后线路i-j的容量需求
Figure FDA00039356395400000310
Figure FDA00039356395400000311
其中，
Figure FDA00039356395400000312
表示电网中线路i-j现有的可用容量，k表示电网建设的预留增长系数。
5.根据权利要求1所述的一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，其特征在于：
所述101)、102)中的潮流模型具体均为：
包括如下目标函数：
Figure FDA00039356395400000313
并且包括以下约束：
功率平衡约束：
PGi-PDi＝0
发电机有功、无功约束：
PGimin≤PGi≤PGimax
节点电压幅值约束：
Uimin≤Ui≤Uimax
支路有功功率约束：
|Pl|＝|Pi-j|≤Plmax
其中，F为电网运行消耗功率；i和j表示电力节点的序号；NG表示电力节点的总数；PGi,PGimax和PGimin分别为电力节点i上其他类型发电机的出力以及最大最小出力限值；a2i,a1i和a0i分别为电力节点i上其他类型发电机的消耗功率系数；PDi为电力节点i的负荷值；Ui表示电力节点i的电压幅值，Uimax和Uimin分别为电力节点i的电压幅值上下限；|Pl|和|Plmax|表示第l条线路的输送容量和最大输送容量，|Pi-j|表示线路i-j的潮流。
6.根据权利要求4所述的一种考虑线路容量充裕度的电网节点新能源接纳容量获得方法，其特征在于：
所述301)和302)中的潮流模型具体均为：
包括如下目标函数：
Figure FDA0003935639540000041
并且包括以下约束：
功率平衡约束：
PGi-PWi-PDi＝0
发电机有功、无功约束：
PGimin≤PGi≤PGimax
Figure FDA0003935639540000042
节点电压幅值约束：
Uimin≤Ui≤Uimax
支路有功功率约束：
|Pl|＝|Pi-j|≤Plmax
其中，F为电网运行消耗功率；i和j表示电力节点的序号；PGi,PGimax和PGimin分别为电力节点i上其他类型发电机的出力以及最大最小出力限值；a2i,a1i和a0i分别为电力节点i上其他类型发电机的消耗功率系数；PWi为电力节点i上风力发电机出力功率，
Figure FDA0003935639540000051
表示风力发电机在第t个时间段的出力上限；P W,t表示风力发电机在第t个时间段的出力下限；PDi为电力节点i的负荷值；Ui表示电力节点i的电压幅值，Uimax和Uimin分别为电力节点i的电压幅值上下限；|Pl|和|Plmax|表示第l条线路的输送容量和最大输送容量，|Pi-j|表示线路i-j的潮流。
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