一种新能源消纳合理利用率的规划方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种新能源消纳合理利用率的规划方法及系统。


背景技术：

2.在“双碳”目标下，以风电、光伏为代表的新能源仍将继续保持快速发展。风电、光伏发电具有随机性和波动性，局部时段内系统运行灵活性不足将引起弃风弃光，电力系统的消纳能力是决定新能源新增装机规模的关键因素。新能源利用率是衡量消纳水平的关键指标，与电源调节能力、电网输送能力密切相关。当前风电、光伏发电利用率均达到95％以上，但利用率水平进一步提升将需要投入资金大幅提高。合理利用率应在满足新能源场站经济效益的前提下，兼顾不同地区的装机规模、负荷水平和电源调节能力，实现系统整体的经济成本最优。


技术实现要素：

3.针对现有新能源利用率不合理的问题，本发明提供了一种新能源的合理利用率规划方法，包括：将获取的目标电网运行数据输入到预先构建的优化计算模型，得到所述目标电网的煤消耗量；
4.基于所述最小煤消耗量对应的新能源发电量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量；
5.将满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量对应的火电和新能源装机容量对所述目标电网进行规划；
6.其中，所述优化计算模型是以煤消耗量最小为目标结合实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件构建的。
7.优选的，所述基于所述最小煤消耗量对应的新能源发电量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，包括：
8.判断所述最小煤消耗量对应的新能源利用小时数是否大于盈亏小时数，若大于所述盈亏小时数时，则所述最小煤消耗量合理，否则不合理。
9.优选的，所述当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量，包括：
10.当所述最小煤消耗量不合理时设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量，利用最速下降法继续寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的最小煤消耗量。
11.优选的，所述盈亏小时数按下式计算：
12.13.式中，hn为新能源场站第n年的盈亏小时数；yi为第i年的上网电价；ai为第i年考虑新能源参与市场化交易后的降价系数；ri为第i年当年的并网容量；为新能源场站第n年的运营成本。
14.优选的，所述新能源场站第n年的运营成本按下式计算：
[0015][0016]
式中，ii为第i年的初始投资成本；n为场站运营寿命；an为第n年的运维成本；pn为第n年的贷款成本。
[0017]
优选的，所述优化计算模型的构建包括：
[0018]
基于污染物排放量、新能源弃风弃电带来的损失量、灵活性改造量折算至煤消耗量以及火电机组煤消耗量构建的以煤消耗量最小为目标的目标函数；
[0019]
为所述目标函数设置实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件；
[0020]
基于所述实时电力平衡约束、电力系统约束、机组运行约束结合所述目标函数，构建优化计算模型。
[0021]
优选的，所述目标函数如下式所示：
[0022]
minf0＝f1+(f2+f3+f4)/bc；
[0023]
式中，f0为煤消耗量；bc为单位煤产生的电能；f1为火电机组的煤消耗量；f2为污染物排放量；f3为火电机组灵活性改造量；f4为弃风弃光带来的损失量。
[0024]
优选的，所述火电机组灵活性改造量f3按下式计算：
[0025][0026]
式中，为火电机组i的额定容量；ir为利率；n为摊销年限；nf为火电机组改造数量。
[0027]
优选的，还包括：当最小煤消耗量满足所述新能源发电平衡条件时计算新能源的合理利用率。
[0028]
基于同一发明构思本发明还提供了一种新能源合理利用率的规划系统，包括：
[0029]
成本计算模块，用于将获取的目标电网运行数据输入到预先构建的优化计算模型，得到所述目标电网的煤消耗量；
[0030]
校验模块，用于基于所述煤消耗量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量；
[0031]
方案规划模块，用于将满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量对应的火电和新能源装机容量作为所述新能源合理利用率的规划方案；
[0032]
其中，所述优化计算模型是以煤消耗量最小为目标结合实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件构建的。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0034]
本发明提供了一种新能源消纳合理利用率的规划方法，包括：将获取的目标电网运行数据输入到预先构建的优化计算模型，得到所述目标电网的煤消耗量；基于所述最小
煤消耗量对应的新能源发电量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量；将满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量对应的火电和新能源装机容量对所述目标电网进行规划；其中，所述优化计算模型是以煤消耗量最小为目标结合实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件构建的。本发明最终得到满足新能源发电平衡条件的煤消耗量，实现了新能源的合理利用率。
附图说明
[0035]
图1为本发明的一种新能源消纳合理利用率的规划方法流程图：
[0036]
图2为本发明的一种新能源消纳合理利用率的规划方法算法流程图。
具体实施方式
[0037]
针对现有技术对新能源不能进行合理利用的问题，本发明提出了一种新能源消纳合理利用率的规划方法，首先建立火电出力、新能源弃电以及灵活性改造规模与煤耗量之间的映射关系，构造以系统经济成本最小为目标的优化计算模型；然后对输出仿真结果进行经济性校验，判定是否满足新能源发电平衡条件；最后提取经济成本最优目标下的新能源新增装机和火电灵活性改造容量的最优路径，计算新能源合理利用率。综合考虑环境成本、火电灵活性改造成本和弃风弃光成本，通过经济性校验，可以得到不同地区运行阶段经济成本最小场景下的新能源新增装机规模以及对应的合理利用率指标，实现新能源高质量发展。
[0038]
本发明专利能够综合考虑新能源消纳与经济性目标，以经济成本最小为目标的优化计算模型可以对不同区域的新能源合理利用率进行优化，得到兼顾新能源消纳与经济性最优的新能源装机规划和火电灵活性改造方案，为能源发展规划部门确定各地新能源合理利用率提供理论依据，进而引导新能源电站合理运行和布局，助力实现“双碳”目标。
[0039]
实施例1：
[0040]
本发明提供了一种新能源消纳合理利用率的规划方法，如图1所示，包括：
[0041]
s1将获取的目标电网运行数据输入到预先构建的优化计算模型，得到所述目标电网的煤消耗量；
[0042]
s2基于所述最小煤消耗量对应的新能源发电量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量；
[0043]
s3将满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量对应的火电和新能源装机容量对所述目标电网进行规划；
[0044]
其中，所述优化计算模型是以煤消耗量最小为目标结合实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件构建的。
[0045]
在步骤s1之前还包括：
[0046]
步骤1：建立火电出力、新能源弃电以及灵活性改造规模与煤耗量之间的映射关系，同时，考虑实时电力平衡、电力系统及机组运行约束条件，构造以煤消耗量最小为目标的优化计算模型；
[0047]
s1中的将获取的目标电网运行数据输入到预先构建的优化计算模型，得到所述目标电网的煤消耗量，具体包括：
[0048]
步骤2：输入目标电网的实际运行数据，包括各类电源装机容量、备用容量、断面约束和风光资源小时数等，进行模型求解；
[0049]
s2中的基于所述煤消耗量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量，具体包括：
[0050]
步骤3：对输出仿真结果进行经济性校验，判定是否满足新能源发电平衡条件，若不满足，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量，利用最速下降法继续寻优；若满足，则继续计算新能源合理利用率。
[0051]
下面结合图2对本发明的具体实施流程进行描述。
[0052]
步骤1：建立火电出力、新能源弃电以及灵活性改造规模与煤耗量之间的映射关系，同时，考虑实时电力平衡、电力系统及机组运行约束条件，构造以煤消耗量最小为目标的优化计算模型。考虑新能源煤消耗量的新能源合理利用率优化模型如下：
[0053]
目标函数：
[0054]
1)环境成本
[0055]
火电机组的煤耗量计算方法为：
[0056][0057]
式中，f1为火电机组的煤耗量；bi为第i台火电机组的煤耗系数；为t时段第i台火电机组发电功率；为火电机组i的额定容量；nm为火电机组台数；t为计算时间长度。
[0058]
进一步，根据火电机组煤耗量计算so2、no
x
和co2的排放量f2，计算方法为：
[0059]
f2＝c
sp
f1δs+c
np
f1δn+c
cp
f1δcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0060]
式中：c
sp
、c
np
、c
cp
分别为单位质量so2、no
x
和co2的对应经济成本的环境成本系数；δs、δn、δc分别为单位质量燃煤所产生的so2、no
x
和co2。
[0061]
2)灵活性改造量
[0062]
灵活性改造量这里是指火电灵活性改造年化量，为便于同年度仿真运行结果相比较，此处采用等额年金法，火电灵活性改造年化量为：
[0063][0064]
式中，f3为火电机组灵活性改造量；ir为利率；n为摊销年限；nf为火电机组改造数量。
[0065]
3)弃风弃光产生的损失量
[0066]
新能源弃风弃光成本，即弃风弃光带来的损失量，计算方法为：
[0067][0068]
式中，p
tro
为t时段新能源理论发电出力；p
trg
为t时段新能源实际发电出力。
[0069]
通过标煤价格将污染物排放量、灵活性改造量和弃风弃光产生的损失量折算至煤
耗量，目标函数为：
[0070]
minf0＝f1+(f2+f3+f4)/bcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0071]
式中，f0为煤消耗量；bc为单位煤产生的电能。
[0072]
约束条件：
[0073]
1)系统运行约束。包含实时电力平衡、备用容量约束和机组启停约束，分别见式(6)—(8)。
[0074][0075][0076][0077]
式中,p
tl
为t时段用电负荷；和p
to
分别为水电、风电、光伏和其他电源t时段的发电出力；nh、nw和nv分别为水电、风电、光伏发电场站数量；分别为水电、风电、光伏发电场站数量；分别为火电、水电和其他电源出力最大值；分别为火电、水电和其他电源出力最小值；分别为火电、水电机组开机状态，为二进制变量，开机为“1”、停机为“0”；分别为负荷预测最大、最小值；p
re
、p
ne
分别为系统的正、负备用容量；为第i台火电机组t时段的启动状态和停机状态，均为二进制变量，对于y，“0”表示不在启动状态，“1”表示正在启动，对于z，“0”表示不在停机状态，“1”表示正在停机；k由机组最小启机或停机时间参数决定，其反映了最小启机或停机的时间步长。
[0078]
在确定全网机组组合的方式下，定义全网电源调节系数η为除新能源发电以外各类电源灵活调节能力与最大技术出力的比值，反映了全网电源的综合调节性能。计算方法如下：
[0079][0080]
式中，分别为全网除新能源发电以外的电源最大、最小技术出力。
[0081]
2)机组运行约束。包括机组调节能力和爬坡约束，见式(10)和(11)。
[0082]
[0083][0084]
式中，sf为灵活性改造状态，二进制变量，“1”表示改造、“0”表示不改造；β为灵活性改造后增加的调峰空间；分别为火电机组上、下爬坡率；分别为水电机组上、下爬坡率。
[0085]
3)新能源消纳约束。为实现新能源利用率达到设定目标值以上，需要满足以下约束：
[0086][0087]
式中，p
ta
为新能源消纳空间；n
j,w
、n
j,v
分别为输电断面j下的风电、光伏发电场站数量；为输电断面j在t时段可用于输送新能源发电的功率上限。
[0088]
步骤2：输入目标电网的实际运行数据，包括各类电源装机容量、备用容量、断面约束和风光资源小时数等，进行模型求解。
[0089]
步骤3：对输出仿真结果进行经济性校验，判定是否满足新能源发电平衡条件，若不满足，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量，利用最速下降法继续寻优；若满足，则继续计算新能源合理利用率。
[0090]
1)测算新能源场站运营成本。
[0091][0092]
式中，为新能源场站第n年的运营成本；ii、ri分别为第i年的初始投资成本及当年的并网容量；n为场站运营寿命，这部分为初始投资成本折算到运行期的等年值；an为第n年的运维成本；pn为第n年的贷款成本。
[0093]
2)测算新能源场站盈亏小时数。
[0094][0095]
式中，hn为新能源场站第n年的盈亏小时数；yi为第i年的上网电价；ai为第i年考虑新能源参与市场化交易后的降价系数。
[0096]
3)经济性校验，判定新能源利用小时数是否大于发电盈亏小时数，若不满足，则设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量，利用最速下降法继续寻优；若满足，则继续计算新能源合理利用率。
[0097]
实施例2：
[0098]
基于同一发明构思本发明还提供了一种新能源合理利用率的规划系统，包括：
[0099]
成本计算模块，用于将获取的目标电网运行数据输入到预先构建的优化计算模型，得到所述目标电网的煤消耗量；
[0100]
校验模块，用于基于所述煤消耗量和新能源发电平衡条件进行合理性校验，当不合理时，设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量进行寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量；
[0101]
方案规划模块，用于将满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量对应的火电和新能源装机容量作为所述新能源合理利用率的规划方案；
[0102]
其中，所述优化计算模型是以煤消耗量最小为目标结合实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件构建的。
[0103]
校验模块具体用于：当所述煤消耗量不满足所述新能源发电平衡条件时，判定新能源利用小时数是否大于盈亏小时数，若不大于，则设置火电灵活性改造容量和新能源装机容量为迭代变量，利用最速下降法继续寻优，直至得到满足所述新能源发电平衡条件的煤消耗量。
[0104]
盈亏小时数按下式计算：
[0105][0106]
式中，hn为新能源场站第n年的盈亏小时数；yi为第i年的上网电价；ai为第i年考虑新能源参与市场化交易后的降价系数；ri为第i年当年的并网容量；为新能源场站第n年的运营成本。
[0107]
优选的，所述新能源场站第n年的运营成本按下式计算：
[0108][0109]
式中，ii为第i年的初始投资成本；n为场站运营寿命；an为第n年的运维成本；pn为第n年的贷款成本。
[0110]
优选的，所述优化计算模型的构建包括：
[0111]
基于火电出力产生的污染物排放量、新能源弃风弃电带来的损失量以及灵活性改造成量转化为煤消耗量结合火电机组煤消耗量构建的以煤消耗量最小为目标的目标函数；
[0112]
为所述目标函数设置实时电力平衡约束、电力系统约束及机组运行约束条件；
[0113]
基于所述实时电力平衡约束、电力系统约束、机组运行约束结合所述目标函数，构建优化计算模型。
[0114]
优选的，所述目标函数如下式所示：
[0115]
minf0＝f1+(f2+f3+f4)/bc；
[0116]
式中，f0为目标函数总成本；bc为标煤价格；f1为火电机组的煤耗量；f2为火电出力产生的污染物排放量，这里指so2、no
x
和co2的排放量；f3为火电机组灵活性改造量；f4为弃风弃光带来的损失量。
[0117]
优选的，所述火电机组灵活性改造量f3按下式计算：
[0118][0119]
式中，为火电机组i的额定容量；ir为利率；n为摊销年限；nf为火电机组改造数量。
[0120]
优选的，还包括：合理利用率计算模块，用于当最小煤消耗量满足所述新能源发电平衡条件时计算新能源的合理利用率。
[0121]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0122]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0123]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0124]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0125]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。