CN110991927B - 提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，包括：1)获取区域分地区风电、光伏全年出力特性曲线，得到分地区风电可开发装机上限和光伏可开发装机上限、风电和光伏互补后累计年发电量下限；2)基于步骤1)采用改进粒子群算法生成分地区风电、光伏装机方案；3)计算区域风光互补出力及间歇性电源互补效果指标；4)满足约束条件的前提下进行电源组合方案寻优，重复直到达到收敛条件为止。本发明从两个层面分别给出了风电、光伏之间的配比、以及分地区风电光伏配比，既保证了风电光伏两类典型的间歇性电源配比最优，又实现了其各自的分地区配比最优。

Description

提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法

技术领域

本发明涉及电力系统规划领域，特别涉及一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法。

背景技术

随着风电、光伏等新能源发电大规模并网，由于其间歇性、波动性、不可控的特点，将对电网造成较大的影响。理论上不同地理位置的新能源其特性也有较大不同，在空间、时间等方面具备一定互补性，在区域电网新能源电源规划时需考虑如下问题：(1)在新能源发展总规模确定的前提下，风电、光伏配比如果确定；(2)风电、光伏发展总规模确定的前提下，其各自分地区规模如何确定；(3)分配原则应适应当地电网的实际需求，如何通过合理的电源规划布局，提高不同地区间歇性电源互补能力，使间歇性电源出力对电网更加友好，减轻电网为间歇性电源调峰压力。

发明内容

本发明提出了一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法。互补效果分为两个层面，第一个层面是风电光伏之间的互补、第二个层面是不同地区风电(光伏)之间的互补。互补效果是指基于不同地区新能源的典型出力特性和新能源总规划装机(风电+光伏总装机)，通过合理的方法确定风电、光伏的装机配比，以及风电、光伏的各自分地区配比，使最终互补后的出力特性效果最好，定义对于电网更加友好的等效出力特性互补效果好、反之互补效果差。本发明从两个层面分别给出了风电、光伏之间的配比、以及分地区风电光伏配比，既保证了风电光伏两类典型的间歇性电源配比最优，又实现了其各自的分地区配比最优。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，包括以下步骤：

1)获取区域分地区风电、光伏全年出力特性曲线，以及分地区风电可开发装机上限和光伏可开发装机上限、风电和光伏互补后累计年发电量下限；

2)将分地区风电可开发地区划分为M个：M个风电可开发地区分别对应M个分地区风电出力特性C_Wi，以及每个地区可开发装机上限为P_Wimax，i＝1、2、…、M；

将分地区光伏可开发地区划分为N个：N个光伏可开发地区分别对应N个分地区光伏出力特性C_Sj，以及每个地区可开发装机上限为P_Sjmax，j＝1、2、…、N；

3)在分地区风电可开发装机上限P_Wimax以及分地区光伏可开发装机上限P_Sjmax空间内，生成M个分地区风电装机方案和N个分地区光伏装机方案；

4)计算区域分地区风光互补出力及间歇性电源互补效果指标，并对分地区风电、光伏装机方案进行更新；

5)重复步骤3)～4)在满足约束条件的前提下在风电最大装机和光伏最大装机范围内进行电源组合方案寻优，直到达到收敛条件为止，输出区域分地区风光装机最优配置方案。

优选地，步骤4)中，计算区域分地区风光互补出力具体步骤如下：

区域分地区风电互补后出力为P_W＝C_W1×P_W1+C_W2×P_W2+…+C_WM×P_WM；

区域分地区光伏互补后出力为P_S＝C_S1×P_S1+C_S2×P_S2+…+C_SN×P_SN；

相应的区域d天t时刻风电、光伏出力分别为P_W(d,t)和P_S(d,t)，风电光伏互补后出力为P_G(d,t)＝P_W(d,t)+P_S(d,t)；

计算风电光伏互补后出力P_G(d,t),d＝1、2、…、Day,t＝1、2、…、Hour。

优选地，间歇性电源互补效果指标如下：

式中：α、β为权重系数，α+β＝1；γ为权重系数，R_CV(d)为第d天风光互补后出力的差异系数，其值越小表明风光互补后出力越平稳、且波动范围不远离集中量数(日出力平均值)；P_W(d,t)、P_S(d,t)分别为风电、光伏在d天、t时刻的实际有功功率；为第d天风光互补后出力的日平均值；Day为日期步长，评价周期为年则Day＝365；Hour为时刻步长，每日评价步长为1h则Hour＝24。

优选地，考虑的约束条件为：

①分地区风电可开发装机上限、分地区光伏可开发装机上限结合各地区条件计算求得；

②区域分地区风光互补后年可发电量约束，互补后间歇性电源年可发电量应不低于某个数值。

优选地，收敛条件为连续X次最优方案无变化或达到改进粒子群算法最大迭代次数。

优选地，电源组合方案寻优是利用改进粒子群算法寻优功能在分地区风电可开发装机上限和光伏可开发装机上限空间内向更优目标函数方向进化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法。通过采用改进粒子群算法生成分地区风电、光伏装机方案，计算区域风光互补出力及间歇性电源互补效果指标；互补效果是指基于不同地区新能源的典型出力特性和新能源总规划装机(风电+光伏总装机)，通过合理的方法确定风电、光伏的装机配比，以及风电、光伏的各自分地区配比，使最终互补后的出力特性效果最好，定义对于电网更加友好的等效出力特性互补效果好、反之互补效果差。本发明从两个层面分别给出了风电、光伏之间的配比、以及分地区风电光伏配比，既保证了风电光伏两类典型的间歇性电源配比最优，又实现了其各自的分地区配比最优。

附图说明

图1为本发明计算流程图。

具体实施方式

一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，包括以下步骤：

1)已知该区域电网根据资源、土地等条件制定的新能源发展规划中风电最大装机为P_Wmax、光伏最大装机为P_Smax。

2)根据该区域分地区资源、土地等条件，将风电可开发地区进一步划分为M个：M个风电可开发地区分别对应M个分地区风电出力特性C_Wi(C_W1、C_W2、……、C_WM，i＝1、2、…、M)，以及每个地区可开发装机上限为P_Wimax(P_W1max、P_W2max、……、P_WMmax，P_W1max+P_W2max+…+P_WMmax≤P_Wmax)，区域分地区风电互补后出力为P_W＝C_W1×P_W1+C_W2×P_W2+…+C_WM×P_WM；

3)根据该区域分地区资源、土地等条件，将光伏可开发地区进一步划分为N个：N个光伏可开发地区分别对应N个分地区光伏出力特性C_Sj(C_S1、C_S2、……、C_SM，j＝1、2、…、N)，以及每个地区可开发装机上限为P_Sjmax(P_S1max、P_S2max、……、P_SNmax，P_S1max+P_S2max+…+P_SNmax≤P_Smax)、区域分地区光伏互补后出力为P_S＝C_S1×P_S1+C_S2×P_S2+…+C_SN×P_SN；

4)由于风电、光伏均为不可控、随机间歇性电源，因此其发电功率的数学模型可以看作是随机分布的时间序列，相应的区域d天t时刻风电、光伏出力为P_W(d,t)和P_S(d,t)，风电光伏互补后出力为P_G(d,t)＝P_W(d,t)+p_S(d,t)；

5)利用改进粒子群算法进行装机方案生成，在分地区风电可开发装机上限P_Wimax(P_W1max、P_W2max、……、P_WMmax，P_W1max+P_W2max+…+P_WMmax≤P_Wmax)、以及分地区光伏可开发装机上限P_Sjmax(P_S1max、P_S2max、……、P_SNmax，P_S1max+P_S2max+…+P_SNmax≤P_Smax)空间内，生成M个分地区风电装机方案和N个分地区光伏装机方案，利用步骤2)～4)计算风电光伏互补后出力P_G(d,t),d＝1、2、…、Day,t＝1、2、…、Hour，结合公式(1)～(2)计算指标F；

6)重复步骤5)，在满足约束条件(如风电光伏互补后年可发电量约束、区域和分地区装机上限约束)的前提下在P_Wmax和P_Smax范围内进行电源组合方案寻优(利用改进粒子群算法寻优功能使P_Wi和P_Sj向更优目标函数方向进化)，重复直到满足收敛条件为止(收敛条件为连续X次最优方案无变化或达到改进粒子群算法最大迭代次数)。

考虑的计算和约束条件为：

①分地区风电可开发装机上限P_Wi、分地区光伏可开发装机上限P_Sj结合各地区资源、土地等条件计算求得；

②区域分地区风光互补后年可发电量约束，互补后间歇性电源年可发电量应不低于某个数值。

本发明评价互补效果的指标采用日差异系数指标，用以评价风光互补后出力的平稳程度，认为互补出力越平稳则越有利于常规电源调峰，即风光互补效果越好。

互补效果评价指标计算方法如下：

式中：α、β为权重系数，α+β＝1；γ为权重系数，R_CV(d)为第d天风光互补后出力的差异系数，其值越小表明风光互补后出力越平稳、且波动范围不远离集中量数(日出力平均值)；P_W(d,t)、P_S(d,t)分别为风电、光伏在d天、t时刻的实际有功功率；为第d天风光互补后出力的日平均值；Day为日期步长，评价周期为年则Day＝365；Hour为时刻步长，每日评价步长为1h，则Hour＝24。

改进粒子群算法描述如下：

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是一种人工智能算法，求解过程从随机解出发，各粒子(可能解)依靠种群之间的信息传递和粒子自身的历史经验不断调整位置和速度，朝种群最优的粒子和个体最优的粒子靠近，通过多次迭代来逼近最优解。该算法以原理简单、易于实现、精度高等特点表现出较强的优越性，已被广泛应用于各类优化问题的求解中。

粒子群算法中每个粒子在迭代过程中最终目的是寻找两个极值，即个体极值P_best、代表该粒子在飞行过程中所能找到的最好位置，另一个是群体极值G_best、代表所有粒子在飞行过程中所能找到的最好位置。假设一个有N个粒子组成的群体在D维的搜索空间内飞行寻优。

粒子i在t时刻的位置、速度、个体极值、群体极值分别为：

其中的速度和位置更新公式为：

式中：c₁、c₂为学习因子，它反映了每个粒子对两个极值的学习能力；r₁、r₂取值为[0，1]之间任意的随机数。

可见，粒子的搜优能力与速度有很大关系，当速度过快时，粒子的搜索范围将扩大，虽然增强了全局搜索能力但有可能使优良解被遗漏；当速度过慢时，粒子的搜索范围将缩小，虽然提高了局部搜索能力使优良解的获取概率大大增加，但将使算法的计算效率明显降低。

引入惯性权重ω，式(9)改为：

式中：ω_max为权重上限；ω_min为权重下限；t_max为最大的迭代次数；t为当前的迭代次数。ω可平衡了粒子的全局搜优能力和局部搜优能力，粒子起初寻找最优解时ω值较大，粒子的飞行速度较快，使粒子的搜索范围变得更广(全局搜索能力得到增强)；随着粒子逐步逼近最优解，ω值减小，使粒子在靠近最优解的地方以较小步长展开密集搜优。

改进粒子群算法(Improved Particle Swarm Optimization，IPSO)的步骤如下：

①随机初始化种群中所有粒子的位置和速度；

②计算所有粒子的适应值，将各粒子的当前位置和适应值记录为P_best、将所有P_best中最优值记录为G_best；

③利用式(10)～式(12)更新所有粒子的速度和位置；

④对每个粒子的适应值与其经历过的最优适应值作比较，如果当前适应值优于最优适应值，则将当前适应值设为最优适应值；

⑤比较当前所有P_best和G_best、更新G_best；

⑥若满足终止条件(预设的运算精度或迭代次数)、则搜索停止输出结果，否则返回步骤③继续搜索。

下面以我国青海海西地区间歇性能源规划为例，作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是实例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施算例：

海西地区风光资源丰富、地域辽阔、戈壁多，适用于大规模发展新能源，青海省政府与国网青海省电力公司规划建成青海省第二条直流外送通道，该输电通道配套电源以可再生能源为主，主力电源为风电、光伏、光热、水电，同时配有少量火电。

其中，光热、水电、储能、火电由于具有可调节性，除提供电量外，还需作为风电和光伏的调峰电源，此外与主网的功率交换则为主网为直流运行的调峰过程。因此，海西地区风电和光伏互补效果越好，互补出力越平稳，相应的光热、水电、储能、火电和主网为海西直流的调峰压力就越小。

本算例以青海海西直流拟配套电源中的风电和光伏进行装机优化计算，海西直流拟配套水电2600MW、光热3000MW、储能2000MW、火电1000MW，间歇性电源为光伏和风电、拟建总规模为11000MW；水电、光热、火电一方面为间歇性电源调峰、一方面提供电量补充；储能专门为间歇性电源调峰，此外主网也承担部分调峰任务；直流年外送电量406亿kWh，要求间歇性电源提供电量至少达到210亿kWh。因此，海西地区风电和光伏互补效果越好、互补出力越平稳，相应的光热、水电、储能、火电、主网为海西直流的调峰压力就越小。基于海西不同地区的风电、光伏出力特性，通过合理规划海西分地区风电和光伏建设规模，确定风电光伏互补效果最好的分地区建设方案，减轻水电、光热、火电、储能、主网的调峰压力，即该问题的实质是：按照海西直流拟配套的风光总规模11000MW，进行风光规模优化分配及其各自分地区优化分配问题。

具体步骤如下：

1)读入海西区域分地区风电、光伏全年8760h出力特性曲线，分地区风电可开发装机上限P_Wi和光伏可开发装机上限P_Sj、直流拟配套区域风电装机上限P_Wmax和光伏装机上限P_Smax、风电和光伏承担电量下限E_Imin；

2)采用改进粒子群算法生成分地区风电、光伏装机方案；

3)计算区域风光互补出力及间歇性电源互补效果指标；

4)在满足约束条件(如风电光伏互补后年可发电量约束、区域和分地区装机上限约束)的前提下在P_Wmax和P_Smax范围内进行电源组合方案寻优(利用改进粒子群算法寻优功能使P_Wi和P_Sj向更优目标函数方向进化)，重复直到达到收敛条件为止(收敛条件为连续X次最优方案无变化或达到改进粒子群算法最大迭代次数)。

具体输入条件如下：

1)海西风电可供开发地区分为7个，分别为德令哈、乌兰、大柴旦、格尔木、诺木洪、冷湖、乌图；

2)海西光伏可供开发地区分为4个，分别为德令哈、乌兰、大柴旦、乌图；

3)分地区风电可开发装机上限暂按德令哈500MW、乌兰500MW、大柴旦1000MW、格尔木500MW、诺木洪1000MW、冷湖2500MW、乌图100MW；

4)分地区光伏可开发装机上限为德令哈2500MW、乌兰2000MW、大柴旦2000MW、乌图3000MW；

5)优化方案风光互补后年可发电量应不低于规划方案风光互补后年可发电量217.86亿kWh；

6)考虑到开发的实际情况，如果优化结果中某地区拟开发风电或光伏装机小于50MW，则按照不开发考虑；优化结果中某地区拟开发风电或光伏装机原则上在50MW范围内进行取整。

计算结果如下：

海西直流配套风电、光伏电源分地区优化规划计算结果详见表3。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取区域分地区风电、光伏全年出力特性曲线，以及分地区风电可开发装机上限和光伏可开发装机上限、风电和光伏互补后累计年发电量下限；

2)将分地区风电可开发地区划分为M个：M个风电可开发地区分别对应M个分地区风电出力特性C_Wi，以及每个地区可开发装机上限为P_Wimax，i＝1、2、…、M；

将分地区光伏可开发地区划分为N个：N个光伏可开发地区分别对应N个分地区光伏出力特性C_Sj，以及每个地区可开发装机上限为P_Sjmax，j＝1、2、…、N；

3)在分地区风电可开发装机上限P_Wimax以及分地区光伏可开发装机上限P_Sjmax空间内，生成M个分地区风电装机方案和N个分地区光伏装机方案；

4)计算区域分地区风光互补出力及间歇性电源互补效果指标，并对分地区风电、光伏装机方案进行更新；

5)重复步骤3)～4)在满足约束条件的前提下在风电最大装机和光伏最大装机范围内进行电源组合方案寻优，直到达到收敛条件为止，输出区域分地区风光装机最优配置方案。

2.根据权利要求1所述的一种提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，其特征在于，步骤4)中，计算区域分地区风光互补出力具体步骤如下：

区域分地区风电互补后出力为P_W＝C_W1×P_W1+C_W2×P_W2+…+C_WM×P_WM；

区域分地区光伏互补后出力为P_S＝C_S1×P_S1+C_S2×P_S2+…+C_SN×P_SN；

相应的区域d天t时刻风电、光伏出力分别为P_W(d,t)和P_S(d,t)，风电光伏互补后出力为P_G(d,t)＝P_W(d,t)+P_S(d,t)；

计算风电光伏互补后出力P_G(d,t),d＝1、2、…、Day,t＝1、2、…、Hour。

3.根据权利要求2所述的提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，其特征在于，间歇性电源互补效果指标如下：

式中：γ为权重系数，R_CV(d)为第d天风光互补后出力的差异系数，其值越小表明风光互补后出力越平稳、且波动范围不远离集中量数；P_W(d,t)、P_S(d,t)分别为风电、光伏在d天、t时刻的实际有功功率；/>为第d天风光互补后出力的日平均值；Day为日期步长，评价周期为年则Day＝365；Hour为时刻步长，每日评价步长为1h则Hour＝24，F为间歇性电源互补效果指标。

4.根据权利要求1所述的提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，其特征在于，考虑的约束条件为：

①分地区风电可开发装机上限、分地区光伏可开发装机上限结合各地区条件计算求得；

②区域分地区风光互补后年可发电量约束，互补后间歇性电源年可发电量应不低于某个数值。

5.根据权利要求1所述的提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，其特征在于，收敛条件为连续X次最优方案无变化或达到改进粒子群算法最大迭代次数。

6.根据权利要求1所述的提高区域电网不同地区间歇性电源互补效果的电源规划方法，其特征在于，电源组合方案寻优是利用改进粒子群算法寻优功能在分地区风电可开发装机上限和光伏可开发装机上限空间内向更优目标函数方向进化。