CN110620397A - 一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，包括以下步骤：第一步：获取研究对象未来水平年的电源及电网规划方案，获取拟评估周期的负荷数据；第二步：根据当地风光资源特性随机抽样生成风电和光伏出力日前预测曲线；第三步：采用机组组合模型，开展给定风光出力和负荷曲线下的系统日前运行模拟；第四步：针对运行模拟方案，开展系统调峰需求和供给分析；第五步：判断各指标期望值是否收敛；第六步：输出研究对象在典型日的调峰平衡评估结果。本发明构建了高比例可再生能源电力系统调峰平衡评估指标，建立了基于日前机组组合的调峰平衡评估模型及框架体系，用于开展高比例可再生能源电力系统调峰平衡评估。

Description

一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统规划与运行评估技术领域，具体为一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法。

背景技术

随着低碳、绿色和可持续发展理念的不断被认可并成为共识，世界各国正在不断探索实践由化石能源主导过渡到以可再生能源为主的能源电力供应体系。当前及可预见的未来，以风电、太阳能发电为代表的可再生能源，正在引领并将长期推动能源电力清洁、低碳、绿色转型发展，最终成为新型能源电力系统的主导力量。

截至2017年底，我国风光累积装机规模达到2.9亿kW，占到全国电源装机总量的16.5％，发电量占比达到6.6％。而像甘肃、青海、河北等新能源装机大省，风光装机占比已超过35％。为了实现我国2030年非化石能源占到一次能源消费总量20％的对外承诺，风光还将延续当前的快速大规模发展。众所周知，风电、太阳能发电的高比例大规模并网，对电力系统的规划与运行提出了很大挑战。如何科学合理的引导风光可持续健康发展，避免反复出现当前阶段存在的严峻的新能源消纳困境，是一个值得深入研究的方向。

造成部分省份大量弃风弃光的原因很多，比如新能源发展超预期、外送通道推迟、本地消纳空间有限等，而电源调峰能力不足也是影响新能源消纳的重要因素。目前已有许多学者针对新能源接入后的电力系统调峰问题开展了大量研究：1、在电力系统调峰分析与评估方法方面，针对大规模风电接入，提出了基于非序贯蒙特卡罗模拟方法的调峰不足概率和调峰不足期望指标；2、给出了电力系统灵活性的概念和特征，提出了多时间尺度灵活性供给需求平衡的通用数学方法和灵活性度量指标，并通过非时序生产模拟对方法进行了验证；3、研究了高比例可再生能源受端区域电网调峰的出力网际分配问题，通过在模型中引入价格杠杠和调峰压力系数，以协调各省网的调峰需求；4、提出了广义灵活性电源概念，并在电力系统规划中引入了灵活性量化评价指标。

现有研究中，多数研究基于非时序生产模拟对可再生能源大规模接入的电力系统调峰进行评估，时间有保障，但一定程度上也缺失了高比例可再生能源电力系统运行相关信息，尤其是机组运行状态信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，包括以下步骤：

第一步：获取研究对象未来水平年的电源及电网规划方案，获取拟评估周期的负荷数据；初始化模拟计数k＝0，并设置收敛阈值ε；

第二步：根据当地风光资源特性随机抽样生成风电和光伏出力日前预测曲线；

第三步：采用机组组合模型，开展给定风光出力和负荷曲线下的系统日前运行模拟；

第四步：针对运行模拟方案，开展系统调峰需求和供给分析，计算k次模拟的调峰平衡评估指标期望值；

第五步：判断各指标期望值是否收敛；若评估指标的标准差系数低于收敛阈值ε，则停止蒙特卡洛模拟并转至第六步；否则令k＝k+1并返回第二步重新开始抽样模拟；

第六步：输出研究对象在典型日的调峰平衡评估结果。

优选的，模型具体为：

1、目标函数

以系统日前运行总成本最小为目标，主要包括机组启停成本、机组燃料成本、机组固定运维成本、机组可变运维成本、区外购电成本、需求侧响应成本；除最后一项外，其他子项的表达式与传统的机组组合目标函数形式一致。

2、主要约束

除考虑常规机组组合问题的平衡约束、机组出力限制约束、机组最小运行及停运时间约束、机组爬坡能力限制约束、基于直流潮流的网络安全约束等约束条件外，引入如下的备用约束：

A、上备用约束；

B、下备用约束。

优选的，系统调峰需求和供给分析模型及评估指标计算如下：

1、调峰需求；

2、调峰供给；

3、调峰平衡评估指标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明构建了高比例可再生能源电力系统调峰平衡评估指标，包含调峰不足概率、调峰盈余期望和调峰不足期望三个层面；

2、本发明针对各指标，引入了上调峰、下调峰和全调峰，用于计及高比例可再生能源出力预测误差；

3、本发明建立了基于日前机组组合的调峰平衡评估模型及框架体系，用于开展高比例可再生能源电力系统调峰平衡评估。

附图说明

图1为本发明的算法流程图；

图2为本发明的非供暖季调峰需求图；

图3为本发明的供暖季调峰需求图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明提供一种技术方案：一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，包括以下步骤：

第一步：获取研究对象未来水平年的电源及电网规划方案，获取拟评估周期的负荷数据；初始化模拟计数k＝0，并设置收敛阈值ε；

第二步：根据当地风光资源特性随机抽样生成风电和光伏出力日前预测曲线；

第三步：采用机组组合模型，开展给定风光出力和负荷曲线下的系统日前运行模拟；

第四步：针对运行模拟方案，开展系统调峰需求和供给分析，计算k次模拟的调峰平衡评估指标期望值；

第五步：判断各指标期望值是否收敛；若评估指标的标准差系数低于收敛阈值ε，则停止蒙特卡洛模拟并转至第六步；否则令k＝k+1并返回第二步重新开始抽样模拟；

第六步：输出研究对象在典型日的调峰平衡评估结果。

优选的，模型具体为：

1、目标函数：

以系统日前运行总成本最小为目标，主要包括机组启停成本、机组燃料成本、机组固定运维成本、机组可变运维成本、区外购电成本、需求侧响应成本；除最后一项外，其他子项的表达式与传统的机组组合目标函数形式一致。本发明所引入的需求侧响应成本C^DR如下所示：

其中，和分别表示时段t时的需求侧响应负荷下调和上调水平；和分别表示需求侧响应负荷下调和上调的单位成本。

2、主要约束：

除考虑常规机组组合问题的平衡约束、机组出力限制约束、机组最小运行及停运时间约束、机组爬坡能力限制约束、基于直流潮流的网络安全约束等约束条件外，引入如下的备用约束：

A、上备用约束：

其中，和分别表示参与调节的火电、水电、抽水蓄能、跨省跨区线路和需求侧响应资源的时段t的上调节能力； 和分别表示负荷备用系数、风电预测误差系数和光伏预测误差系数；U_j,t和分别表示系统中各类电源的运行状态和额定运行水平。在具体模拟中可以根据机组组合方案的运行保守偏好设置不同的风电和光伏出力预测误差系数；若选取较大系数，则意味着所制定的机组组合方案相对保守。

B、下备用约束：

其中，和分别表示参与调节的火电、水电、抽水蓄能、跨省跨区线路和需求侧响应资源的时段t的下调节能力。

优选的，系统调峰需求和供给分析模型及评估指标计算如下：

1、调峰需求：

净负荷净负荷峰谷差净负荷上包络线净负荷下包络线上调峰需求增量下调峰需求增量等概念的具体定义如下：

其中，L_t、P_t ^FW和P_t ^FS分别表示日前预测的t时段的负荷需求、风电出力和光伏出力；P_t ^TL表示跨省输电线路t时段协议输送电力；各时段风光出力预测波动按正态分布考虑，和分别为风光出力预测的标准差。

在此基础上，计及可再生能源出力预测误差，定义系统全调峰需求上调峰需求和下调峰需求即：

2、调峰供给：

电力系统调峰供给重点分析净负荷包络线峰谷对应时段中，调峰资源的向上及向下调节能力。时段t，系统向上调节能力P_t ^U和向下调节能力P_t ^D可用下式评估：

上式中，Ω^T、Ω^H、Ω^PH、Ω^TL和Ω^DR分别表示参与调峰的火电机组集、水电机组集、抽水蓄能集、跨省跨区线路集和需求响应资源集；和分别表示火电机组时段t的启停状态和出力水平；r_i ^U和r_i ^D分别表示火电机组最大出力、最小出力、上爬坡率和下爬坡率；和分别表示水电机组水电转换系数、最大库容、最小库容、最大出力、最小出力；和分别表示水电机组时段t的实际库容和出力水平；和分别表示抽水蓄能额定出力和时段t出力水平；和分别表示跨省跨区线路时段t运行水平上限、下限和即时出力；和分别表示需求侧响应资源上调节水平和下调节水平；Δt₁₀和Δt₆₀分别表示10min和1h的时间尺度。

进一步地，定义t₁、t₂、t₃、t₄分别为净负荷峰值、谷值、净负荷上包络线峰值和下包络线谷值对应的时段，则计及可再生能源出力预测误差的调峰资源供给能力P^PR、上调峰能力P^PRU、下调峰能力P^PRD可依次按下式计算：

式中，Ω^A为系统中所有可运行的常规电源、可再生能源发电和跨省跨区线路集，P_i.t表示机组或线路i时段t的即时出力。

3、调峰平衡评估指标：

上面式子中，LOPRP、EPRS和EPRNS的上标U和D分别用于区分上调峰和下调峰评估指标；d表示系统第d个评估周期，T^D则表示总评估周期数。函数f表达式如下：

系统上调峰相关指标用于评估净负荷高峰时段调峰资源的顶峰能力；下调峰相关指标用于评估净负荷低谷时段调峰资源的压负荷能力。

实施例一

规划水平年电源结构及调峰特性、电网互联如表1所示：

表1：系统规划水平年电源结构及调峰特性与电网互联

全社会最大用电负荷83000MW，日峰谷差率在17％-38％之间。计及区外来电中的可再生能源电力，含水可再生能源电源装机38000MW，占到最大负荷的42％；在水电装机规模较少且基本不外送的情形下，风光接入比例相对较高。

根据图1和图2，结合本发明调峰需求的定义，经统计分析，系统非供暖季与供暖季典型日的调峰需求，分别选取算例系统非供暖季和供暖季的典型日负荷曲线作为调峰平衡分析的预测负荷；基于对应两个时期的可再生能源出力统计特性，利用蒙特卡洛抽样形成若干可再生能源出力预测曲线，并按照各时段出力的10％设置预测误差。

在本算例中，供暖季各类调峰需求整体低于非供暖季的需求。两个时期，上调峰需求、下调峰需求概率密度分布与全调峰需求的基本相似，只是各需求区间出现的概率有一定差异；这主要是因为按照定义，上下调峰需求都是全调峰需求的子集。

针对图1和图2中的系统调峰需求，利用本发明调峰平衡评估方法对其进行调峰分析，两个时期典型日调峰平衡评估结果如表2中所示。可以看出，非供暖季调峰平衡情况明显优于供暖季，一方面是热电机组非供暖季平均调峰深度高于供暖季；另一方面是在非供暖季，包括部分热电机组在内的小火电机组可以临时调停来缓解系统调峰压力。非供暖季，系统调峰盈余整体水平较高，尤其是上调峰需求，表明系统在此期间仍可继续接纳新能源尤其是光伏发电。供暖季，因热电机组运行限制，系统面临严峻的调峰压力，超过97％的模拟情景都出现了调峰不足情形，需要引入其他调峰手段加以缓解。

表2：算例系统典型日调峰平衡评估结果

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，包括以下步骤：

第一步：获取研究对象未来水平年的电源及电网规划方案，获取拟评估周期的负荷数据；初始化模拟计数k＝0，并设置收敛阈值ε；

第二步：根据当地风光资源特性随机抽样生成风电和光伏出力日前预测曲线；

第三步：采用机组组合模型，开展给定风光出力和负荷曲线下的系统日前运行模拟；

第四步：针对运行模拟方案，开展系统调峰需求和供给分析，计算k次模拟的调峰平衡评估指标期望值；

第五步：判断各指标期望值是否收敛；若评估指标的标准差系数低于收敛阈值ε，则停止蒙特卡洛模拟并转至第六步；否则令k＝k+1并返回第二步重新开始抽样模拟；

第六步：输出研究对象在典型日的调峰平衡评估结果。

2.根据权利要求3所述的一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，其特征在于：模型具体为：

1、目标函数

以系统日前运行总成本最小为目标，主要包括机组启停成本、机组燃料成本、机组固定运维成本、机组可变运维成本、区外购电成本、需求侧响应成本；除最后一项外，其他子项的表达式与传统的机组组合目标函数形式一致。

2、主要约束

除考虑常规机组组合问题的平衡约束、机组出力限制约束、机组最小运行及停运时间约束、机组爬坡能力限制约束、基于直流潮流的网络安全约束等约束条件外，引入如下的备用约束：

A、上备用约束；

B、下备用约束。

3.根据权利要求4所述的一种高比例可再生能源电力系统的调峰平衡评估方法，其特征在于：系统调峰需求和供给分析模型及评估指标计算如下：

1、调峰需求；

2、调峰供给；

3、调峰平衡评估指标。