CN111030187A - 一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源接入后的常规机组容量配置计算技术领域，具体为一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，该方法首先从计算补偿容量功率频谱入手，根据多种补偿机组出力特性划分补偿区间，再考虑多种约束以经济性为目标引入波动量罚系数进行优化计算建模以优化分界频率，计算各补偿容量。本发明的有益效果：采用该方法所得结果不仅可以充分挖掘各种类型机组补偿抑制新能源波动能力，同时可以在满足系统多种约束条件下，最优化调度经济性，并且在此基础上计算各机组容量，从而提升新能源消纳。

Description

一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法

技术领域

本发明涉及新能源接入后的常规机组容量配置计算技术领域，具体为一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法。

背景技术

日渐枯竭的化石能源及其污染带来对新能源电力的迫切需求，清洁型、环境友好型能源一直备受关注，然而大规模新能源并网造成电力系统稳定性下降，弃风、弃光限电成为提升稳定性的主要手段。大规模、高比例新能源由于其功率波动的不确定性，在并网时对传统电力系统的重要影响之一表现为电力调度困难，从而到最后大量弃风、弃光限电问题。由于在不同的发电方式下，各类型机组的出力特性有很大的不同，尤其表现在频率上，即使是同类型发电方式的不同机组之间亦有差别。区分这些差别并加以利用有利于充分挖掘各机组平抑新能源波动潜力，基于功率频谱分析的多能源互补优化计算方法一方面能够以适应自身特性划分各机组出力区间；另一方面能够确定所划分区间对应机组容量配置大小。区分频率有利于提高大电网故障应对能力、缩短大电网故障应急处理时间，并有效抑制大规模光伏、风电发电带来的电网波动，从而提升新能源的消纳。

发明内容

本发明的目的是为克服上述技术不足，提供了一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，该方法所得结果不仅可以充分挖掘各种类型机组补偿抑制新能源波动能力，同时可以在满足系统多种约束条件下，最优化调度经济性，并且在此基础上计算各机组容量，从而提升新能源消纳。

为了实现所述目的，本发明采用的具体方案如下：

一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，包括以下步骤：

1)对区域内新能源发电出力，在得到总发电计划的基础上计算非新能源机组出力曲线，利用离散傅里叶变换计算补偿功率功率谱；

2)根据所能调度机组类型划分多种补偿机组补偿区间；

3)对各机组进行优化计算建模；

4)优化分界频率，计算各补偿容量。

进一步的，所述步骤2)中划分的原则是工作在相同频率范围内的机组划分为一类，则补偿机组出力为：

P_b＝P₁+P₂+...+P_N (1)

进一步的，所述步骤3)中机组优化模型为：

式中，L(P)是负荷预测模型输出值，ΔP_d,i和ΔP_u,i分别是发电机i的下行和上行步长最大值，S(f)是功率频谱模型输出曲线，H(P_t,i，P_t,j)≤0是其他安全约束，其中：

进一步的，所述步骤3)中各机组容量的优化计算是基于最小新能源并网波动的经济调度模型，如下式所示：

式中，α是设备的年折旧率；N_i、C_i分别为各频段机组的使用寿命(年)和初始投入成本；P_t,i为各机组t时刻输出功率；K_mi、K_pi是机组i产生每千瓦时功率的维护费用和燃料成本费用；ρ是波动惩罚系数且恒为正值；P_t是t时刻发电机组总的有功发电功率；P_t,D是出力调节t时刻总负荷需求；P_t,C是联络线传输功率；η是网损率。

进一步的，所述步骤4)中，为了得到频率分界点，需要考虑机组和电网多方面的因素，在求解模型最优解时，应考虑以下约束条件：

a.机组平衡约束

电力系统的基本特征要求在调度过程中要保证发电侧与负荷侧的实时供需平衡，故而常规机组出力加上新能源出力应与发电计划保持相等；

式中，P_t,i是t时刻发电机组i有功发电功率；P_t,D是出力调节t时刻总负荷需求；P_t,C是联络线传输功率；

b.机组运行上下限约束

在调度过程中，各频段机组运行阶段出力不得小于所带基础负荷也不得高于容量极限，故有：

P_i ^min≤P_i≤P_i ^max (6)

式中，P_i ^min与P_i ^max分别为机组运行上下边界；

c.机组爬坡率约束

尤为关键的在于机组的爬坡率约束，它决定了所对应机组工作的频率范围，高频率即爬坡速率快的机组理论上可以完成低频率机组的任务，但通常的限制在于频率的高低与容量的高低呈反比，爬坡率约束描述为：

式中，

与

分别为机组i在单位时间步长内机组出力变化上下限值；

d.分界频率约束

为保证各机组运行在各自的频段内，分界频率约束必不可少，它是对划分补偿区间范围的约束，具体描述为：

式中，f_i为机组i与机组i+1的分界频率，S(f)为功率频谱函数，T为采样时间。

本发明的有益效果在于：首先从计算补偿容量功率频谱入手，根据多种补偿机组出力特性划分补偿区间，再考虑多种约束以经济性为目标引入波动量罚系数进行优化计算建模以优化分界频率，计算各补偿容量。采用该方法所得结果不仅可以充分挖掘各种类型机组补偿抑制新能源波动能力，同时可以在满足系统多种约束条件下，最优化调度经济性，并且在此基础上计算各机组容量，从而提升新能源消纳。

附图说明

图1为本发明补偿发电功率频谱图。

图2为本发明总成本随f₁值变化曲线。

图3为本发明总成本随f₂值变化曲线。

图4为本发明总成本随ρ值变化曲线。

图5为本发明计算各分频容量流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构及其有益效果进一步说明。

如附图所述的一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，是一类从频域尺度计算的与新能源机组联合调度的常规机组容量计算方法，对区域内新能源发电出力，在得到总发电计划的基础上计算非新能源机组出力曲线，利用离散傅里叶变换计算补偿功率功率谱。进一步地，根据所能调度机组类型划分机组类型1、机组类型2、…、机组类型N。划分的原则是工作在相同频率范围内的机组划分为一类，则补偿机组出力为：

P_b＝P₁+P₂+...+P_N (9)

根据各类机组容量上限与爬坡率上限划分多种补偿区间，更高频段机组也可以切换机组模式辅助更低频段机组，实现互动协调。

以年运行成本为目标函数，将同类机组视为集合为单集合机组，通过引入波动量惩罚系数以保证功率补偿后并网波动在可靠的范围内，将频率分界点作为决策变量，将频率限制作为约束条件放入优化模型中，以最优化成本函数为目标优化频率分界点以达到经济性最优的频率分界点，其优化模型具体描述如下：

式中，L(P)是负荷预测模型输出值，ΔP_d,i和ΔP_u,i分别是发电机i的下行和上行步长最大值，S(f)是功率频谱模型输出曲线，H(P_t,i，P_t,j)≤0是其他安全约束。

其中：

各机组容量的优化计算是基于最小新能源并网波动的经济调度模型，如下式所示：

式中，α是设备的年折旧率；N_i、C_i分别为各频段机组的使用寿命(年)和初始投入成本；P_t,i为各机组t时刻输出功率；K_mi、K_pi是机组i产生每千瓦时功率的维护费用和燃料成本费用；ρ是波动惩罚系数且恒为正值；P_t是t时刻发电机组总的有功发电功率；P_t,D是出力调节t时刻总负荷需求；P_t,C是联络线传输功率；η是网损率。

为了得到频率分界点，需要考虑机组和电网多方面的因素，在求解模型最优解时，应考虑以下约束条件：

a.机组平衡约束

电力系统的基本特征要求在调度过程中要保证发电侧与负荷侧的实时供需平衡，故而常规机组出力加上新能源出力应与发电计划保持相等；

式中，P_t,i是t时刻发电机组i有功发电功率；P_t,D是出力调节t时刻总负荷需求；P_t,C是联络线传输功率。

b.机组运行上下限约束

在调度过程中，各频段机组运行阶段出力不得小于所带基础负荷也不得高于容量极限，故有：

P_i ^min≤P_i≤P_i ^max (14)

式中，P_i ^min与P_i ^max分别为机组运行上下边界。

c.机组爬坡率约束

尤为关键的在于机组的爬坡率约束，它决定了所对应机组工作的频率范围，高频率即爬坡速率快的机组理论上可以完成低频率机组的任务，但通常的限制在于频率的高低与容量的高低呈反比，爬坡率约束描述为：

式中，

与

分别为机组i在单位时间步长内机组出力变化上下限值。

d.分界频率约束

为保证各机组运行在各自的频段内，分界频率约束必不可少，它是对划分补偿区间范围的约束，具体描述为：

式中，f_i为机组i与机组i+1的分界频率，S(f)为功率频谱函数，T为采样时间。

计算所得到的各频段最优分界频率f₁、f₂、…、f_N，在功率谱函数的基础上通过傅里叶反变换得到对应机组类型配置容量，该配置容量是分频调度方法下的经济性最优的容量配置方案。

实施例1

将补偿机组分为3类，分别为机组1、机组2与机组3。分析数据的采样间隔5min，总采样点个数为288，系统运行基准频率50Hz，其额定功率为4000MW，网损率η是5％，罚系数ρ为1.1。通过离散傅里叶变换(Discrete Fourier transform,DFT)计算补偿功率的功率频谱密度及其拟合曲线如图1所示。

由图1拟合曲线可以看出补偿功率与频率呈现线性关系，其中频率越低，功率比例越高。功率频谱幅值在高频时下降速度很快，这是由于电机的惯性起到了低通滤波的作用，利用傅里叶变换的本质在于坐标系选择的不同，不改变能量总大小。

将三类机子分界频率范围在优化计算前需要预先圈定，其范围关乎2点，其一是容量限制，其二是爬坡率限制。具体如下：

1)

1、2类机组分界频率f₁范围限制：上限f_1max为1类机组频率上限与装机容量最大值所对应频率两者最小值；2、3类机组的最大容量决定了f₁的下限f_1min；

2)

2、3类机组分界频率f₂范围限制：上限f_2min为2类机组频率上限与装机容量最大值所对应频率两者最小值；下限f_2min由3机组的最大可配备容量将决定；

优化模型参数如下表1：

表1模型参数

可以计算出分界频率f₁为0.0024Hz，f₂为0.0726Hz。

1)分界频率f₁，f₂对发电总成本的影响

如图2、图3所示，点(0.0024，1.0)与(0.0726，1.0)为极小值点。分界频率f₁和f₂的变化对总成本的控制起到直接影响，即在设定条件下两者分别在0.0024Hz与0.0726Hz处使得总成本达到最优。

2)罚系数ρ对发电总成本及系统安全性的影响。

从图4可以看出罚系数ρ的改变代表着设计者可接受波动风险程度的不同，ρ的增加会增加成本，但是同样也会增加系统的安全可靠性。当罚系数过高时，成本增加更为平缓，此时微小的波动就能造成大量的成本损失，且在ρ在超过1.0后对系统可靠性提升效果不明显，所以将成本投入各机组建设从而使波动减小成为更好的选择。

专利计算流程图总结如图5所示，具体步骤如下：

(1)对新能源补偿容量计算其功率频谱；

(2)划分多种补偿机组补偿区间；

(3)对各机组进行优化计算建模，其中包括多种约束条件；

(4)优化分界频率，计算各补偿容量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.不拘泥于某种发电方式，仅以频率作为唯一区分指标，分析需补偿或调节的频率范围，从而有针对性的提供调度；

2.更高频段机组在富有裕度的情况下可以在更低频段机组容量不足时切换机组模式，实现互动协调，能够提升大电网故障应对能力；

3.针对区域内新能源并网，能有效计算出个频段机组容量优化配置，在有效抑制新能源并网波动的基础上提高经济性。

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。

Claims (5)

1.一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对区域内新能源发电出力，在得到总发电计划的基础上计算非新能源机组出力曲线，利用离散傅里叶变换计算补偿功率功率谱；

2)根据所能调度机组类型划分多种补偿机组补偿区间；

3)对各机组进行优化计算建模；

4)优化分界频率，计算各补偿容量。

2.根据权利要求1所述的一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，其特征在于：所述步骤2)中划分的原则是工作在相同频率范围内的机组划分为一类，则补偿机组出力为：

P_b＝P₁+P₂+...+P_N (1)。

3.根据权利要求1所述的一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，其特征在于：所述步骤3)中机组优化模型为：

式中，L(P)是负荷预测模型输出值，ΔP_d,i和ΔP_u,i分别是发电机i的下行和上行步长最大值，S(f)是功率频谱模型输出曲线，H(P_t,i，P_t,j)≤0是其他安全约束，其中：

4.根据权利要求1所述的一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，其特征在于：所述步骤3)中各机组容量的优化计算是基于最小新能源并网波动的经济调度模型，如下式所示：

式中，α是设备的年折旧率；N_i、C_i分别为各频段机组的使用寿命和初始投入成本；P_t,i为各机组t时刻输出功率；K_mi、K_pi是机组i产生每千瓦时功率的维护费用和燃料成本费用；ρ是波动惩罚系数且恒为正值；P_t是t时刻发电机组总的有功发电功率；P_t,D是出力调节t时刻总负荷需求；P_t,C是联络线传输功率；η是网损率。

5.根据权利要求1所述的一种多能源分频互补新能源的补偿容量优化计算方法，其特征在于：所述步骤4)中，为了得到频率分界点，需要考虑机组和电网多方面的因素，在求解模型最优解时，应考虑以下约束条件：

a.机组平衡约束

电力系统的基本特征要求在调度过程中要保证发电侧与负荷侧的实时供需平衡，故而常规机组出力加上新能源出力应与发电计划保持相等；

式中，P_t,i是t时刻发电机组i有功发电功率；P_t,D是出力调节t时刻总负荷需求；P_t,C是联络线传输功率；

b.机组运行上下限约束

在调度过程中，各频段机组运行阶段出力不得小于所带基础负荷也不得高于容量极限，故有：

P_i ^min≤P_i≤P_i ^max (6)

式中，P_i ^min与P_i ^max分别为机组运行上下边界；

c.机组爬坡率约束

机组的爬坡率约束，它决定了所对应机组工作的频率范围，高频率即爬坡速率快的机组理论上可以完成低频率机组的任务，但通常的限制在于频率的高低与容量的高低呈反比，爬坡率约束描述为：

式中，

与

分别为机组i在单位时间步长内机组出力变化上下限值；

d.分界频率约束

为保证各机组运行在各自的频段内，分界频率约束必不可少，它是对划分补偿区间范围的约束，具体描述为：

式中，f_i为机组i与机组i+1的分界频率，S(f)为功率频谱函数，T为采样时间。

Images