一种直流跟随风电功率波动的范围分析方法与流程

本发明涉及一种电力系统规划分析方法，具体涉及一种考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围分析方法。
背景技术：
：大规模风电接入，由于其出力的随机性和间歇性，将导致电网有功功率发生波动。为保证风电并网后系统可靠运行，需在原来运行方式的基础上，安排一定容量的旋转备用以响应风电出力的随机波动，维持电力系统频率稳定，这使得含有大量风电的送端电网面临较大的调峰压力。采用直流跟随风电功率波动进行功率的自动调节，结合直流送、受端电网电源结构及调节能力，充分利用直流送、受端电网各自的调节优势及互补调节特性，提高风电的消纳能力。直流功率跟随送端电网风电功率波动将对受端电网的备用容量、调峰、线路潮流、电压波动等带来新的问题。目前互联电力系统备用容量配置的研究还处于探索阶段。需要将互联电力系统作为一个整体来考虑，综合考虑送、受端电网备用成本、风电预测值及偏差、负荷预测、直流联络线输电功率、输电线路安全约束等条件，最终得到电网旋转备用容量与直流波动功率范围之间的关系。技术实现要素：为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围分析方法。本发明的目的是采用下述技术方案实现的：本发明提供一种考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围分析方法，其改进之处在于，包括下述步骤：步骤1：设定电网目标函数；步骤2：设定电网运行约束条件；步骤3：根据电网实际运行的经济数据，确定风电弃风的成本和火电旋转备用的成本，以及在汛期中水电弃水成本；步骤4：根据风电短期预测值安排下一个24小时的风电出力计划值；步骤5：建立多个场景来模拟电网负荷和风电预测值之间的对应关系以及24小时内的对应持续时间；步骤6：针对不同时期的电网特性，对约束条件设定不同的约束条件参数，通过CPLEX的寻优计算，得到电网中水电和火电机组的最优开机方式，最优开机方式是满足目标函数和约束条件的机组组合方式；步骤7：根据电网中水力和火力发电机组的最优开机方式计算出最优旋转备用容量和电网的最大的正负备用容量，即保证风电消纳条件下，确定直流传输的风电允许的最大波动范围。进一步地，所述步骤1中，电网目标函数为：式中：ωa为场景a的比重系数；Ωa为所有场景的集合；c为场景集合的某一场景；ΩD为所有发电机组的集合；为在场景a下风电w的弃风成本；为在场景a下风电w的弃风功率值；为在场景a下火电机组h旋转备用成本；为在场景a下火电机组h旋转备用的容量；ω为发电机组集合中的一台风电机组；h为发电机组集合中一台火电机组；a为场景；其中，把火电机组开机方式表示0-1的矩阵，开机为1，不开机为0。进一步地，所述步骤2中，电网运行约束条件包括：3.1功率平衡约束：约束条件(2)为电力系统中每个节点的功率平衡约束，保证每个节点都不能存在负荷损失值；S0为原网络分支节点的关联矩阵；f0a为在场景a下的向量和；ga为在场景a下节点上火电机组出力；da为在场景a下节点的负荷值；Ωa为所有场景的集合；约束条件(3)为直流潮流模型中潮流计算式；为在场景a下通道i-j中线路通过的潮流；γij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；为在场景a下节点i的电压角度；为在场景a下节点j的电压角度；f0a和为实数；表示原有网络线路通道的集合；i和j为网络中任意两个节点。3.2线路潮流约束：约束条件(4)为每条通道通过的潮流热稳约束；为原有网络线路的集合；为通道i-j中一条线路的最大容量；3.3水力发电机组出力约束：约束条件(5)为表示水力发电机组的出力范围；为在场景a下节点上水力发电机组的出力；为水力发电机组的最小功率；为水力发电机组的最大功率；3.4火力发电机组出力约束：约束条件(6)为表示火力发电机组一旦开机后，其出力范围为最低技术出力和最大容量之间；为火力发电机组的最大功率；nt为电网中火力发电机组的开机方式，nt为0-1整数；为火力发电机组最小技术出力；为火力发电机组的实际出力；t为一个火力发电机组；α为火力发电机组的集合；0≤nt≤1(7)t∈α(8)约束条件(7)(8)为表示电网中火力发电机组开机方式的0-1矩阵；nt为电网中火力发电机组开机方式；α为火力发电机组的集合；3.5电源N-1约束，即网络可靠性约束：其中：其中：dpeak为电网的最大负荷；为电网中运行的发电机组中最大发电机组的容量；约束条件(9)为按照运行导则，电网必须满足的事故备用，为全网最高用电负荷的5％，最小不得小于运行的最大容量机组的容量；ΩD为所有发电机组的集合；为火力发电机组的最大功率；3.6直流功率约束；功率上下限约束：其中，为直流通过的最小潮流，为矢量；fd为直流通过的实际潮流；为直流通过的最大潮流；该约束条件要求直流潮流方向为单方面，即从送端电网到受端电网。进一步地，所述步骤3中，风电弃风成本包括：风电本身的利润+风场的各种费用+增加的环境排放费用；火电旋转备用成本包括：火电本身的燃料成本+火电厂的各种费用+增加的环境排放费用。进一步地，所述步骤5中，模型中的场景设置是在已知电网典型日负荷曲线和风场典型出力曲线的基础上，通过时间轴的对应关系得到的，即电网负荷下对应的风电出力；场景设置中，考虑极端情况，以保证电网安全，极端情况包括：电网负荷的低谷对应着风电出力的高峰；电网负荷的高峰对应着风电出力的低谷；根据风电出力的波动范围，调整场景的设置，使发电机组组合方案更合理，通过目标函数中弃风成本的设置，使风电会出现弃风情况，用以保证电网的安全。进一步地，所述步骤7中，确定直流传输的风电允许的最大波动范围包括：①寻优计算得到电网中机组的最优的机组组合；②通过机组组合得到电网的最大发电容量；③通过最大发电容量和电网的预计的负荷得到电网的最大正负备用容量，即风电允许的波动范围。本发明提供的技术方案具有的优异效果是：本发明提供的考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围分析方法，针对连接两个交流电网的直流在跟随风电功率波动的情况下，综合考虑送、受端电网备用成本与风电预测及预测误差造成直流功率波动的关系。目标函数为以综合考虑弃风成本和电网机组旋转备用成本等费用最小化，同时通过定义多个场景来模拟电力系统的负荷水平和风电通过直流传输潮流的水平，将开机组合问题转为混合整数线性问题，实现合理地、经济地安排一天(24小时)内旋转备用容量，以此实现了考虑电网旋转备用容量约束条件下计算直流跟随风电功率波动范围的目的，可以为考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围提供评估新的目标函数、更加合理全面的可靠性和经济性约束条件，该方法具有简单、实用、全面、操作性强的特点。附图说明图1是本发明提供的考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围分析方法的流程图；图2是本发明提供的具体实施例的仿真电网的拓扑图；图3是本发明提供的为湖南电网24小时的负荷曲线图；图4是本发明提供的为西北风电出力的统计曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本发明提供一种考虑电网旋转备用容量约束的直流跟随风电功率波动的范围分析方法，其流程图如图1所示，包括下述步骤：步骤1：设定合理的目标函数，真实反映电网建设的要求：目标函数考虑弃风成本和电网机组旋转备用成本等费用最小化；全网电源N-1约束(事故备用或考虑)和全网N-1约束(网络安全约束)等约束条件保证了输电网的基本的可靠性，满足电力系统规划导则；合理的风电预测值及预测偏差所需备用条件，更加准确合理地保证了模型的有效性；定义多个场景来模拟电力系统的负荷水平，并考虑风电的预测值，使得到的最优旋转备用容量范围更有灵活性、针对性和经济性。目标函数如下：式中：ωa为场景a的比重系数；Ωa为所有场景的集合；c为场景集合的某一场景；ΩD为所有发电机组的集合；为在场景a下风电w的弃风成本；为在场景a下风电w的弃风功率值；为在场景a下火电机组h旋转备用成本；为在场景a下火电机组h旋转备用的容量；ω为发电机组集合中的一台风电机组；h为发电机组集合中一台火电机组；a为场景。其中，把火电机组开机方式表示0-1的矩阵，开机为1，不开机为0.通过目标函数和以下约束条件，利用最优潮流和直流潮流模型，获得火电机组的最优开机方式，从而获得了电网应对直流跟随风电波动的最优旋转备用的容量。弃风成本包括：风电本身的利润+风场的各种费用+增加的环境排放费用火电旋转备用成本包括：火电本身的燃料成本+火电厂的各种费用+增加的环境排放费用步骤2：设定电网运行约束条件：2.1功率平衡约束：约束条件(2)为电力系统中每个节点的功率平衡约束，保证每个节点都不能存在负荷损失值；S0为原网络分支节点的关联矩阵；f0a为在场景a下的向量和；ga为在场景a下节点上火电机组出力；da为在场景a下节点的负荷值；Ωa为所有场景的集合；约束条件(3)为直流潮流模型中潮流计算式；为在场景a下通道i-j中线路通过的潮流；γij为通道i-j中一条线路的导纳；为通道i-j中原有的线路数量；为在场景a下节点i的电压角度；为在场景a下节点j的电压角度；f0a和为实数；表示原有网络线路的集合，i、j分别为电网中的任意两个节点。2.2线路潮流约束：约束条件(4)为每条通道可通过的潮流的热稳约束；为原有网络线路的集合；为通道i-j中一条线路的最大容量；2.3水电机组出力约束：约束条件(5)为表示水电机组的出力范围；为在场景a下节点上水力发电机的出力；为水力发电机组的最小功率(在没有特殊要求是，该值为0)；为水力发电机组的最大功率；2.4火电机组出力约束：约束条件(6)为表示火电机组一旦开机后，其出力范围为最低技术出力和最大容量之间；为火力发电机组的最大功率；nt为电网中火电机组的开机方式，nt为0-1整数；为机组最小技术出力；为机组的实际出力；t为一个发电机组；α为火电发电机组的集合。0≤nt≤1(7)t∈α(8)约束条件(7)(8)为表示电网中火力发电机组开机方式的0-1矩阵；nt为电网中火力发电机组开机方式；α为火力发电机组的集合。2.5电源N-1约束，即网络可靠性约束：其中：其中：dpeak为电网的最大负荷；为电网中运行的发电机组中最大发电机组的容量；约束条件(9)为按照运行导则，电网必须满足的事故备用，为全网最高用电负荷的5％，最小不得小于运行的最大容量机组的容量；ΩD为所有发电机组的集合；为火力发电机组的最大功率。2.6直流功率约束；功率上下限约束：其中，为直流可通过的最小潮流(矢量)；fd为潮流通过的实际潮流；为潮流可通过的最大潮流。该约束条件要求直流潮流方向为单方面，即从送端电网到受端电网。步骤3：根据电网实际运行的经济数据，计算出风电弃风的成本和火电旋转备用的成本，以及在汛期中水电可能的弃水成本；步骤4：根据风电短期预测值安排下一个24小时的风电出力计划值，电网负荷采用典型日负荷曲线。步骤5：建立多个场景来模拟电网负荷和风电预测值之间的对应关系和一天(24小时)内的对应持续时间；步骤6：针对不同时期的电网特性，对约束条件设定不同的约束条件参数，通过CPLEX的寻优计算，得到电网中水电和火电机组的最优开机方式；电网约束条件主要有：(1)功率平衡约束；(2)常规火电机组出力约束；(3)常规水电机组的出力约束；(4)直流传输功率约束；(5)全网电源N-1约束(事故备用)；(6)全网N-1约束(网络可靠性约束)；(7)参与调节的电网的范围；步骤7：根据电网最优开机方式计算出最优旋转备用容量和电网的最大的正负备用容量，即保证风电消纳条件下，直流传输的风电可以允许的最大波动范围。实施例本发明以交流500kV湖南电网、湖北南部电网，750kV甘肃、青海交流电网和±800kV酒泉至衡阳双回直流网架系统，将其转化为31节点系统进行了仿真计算，解决西北电网风电通过酒泉至衡阳直流送至华中电网，华中电网、尤其是湖南电网合理的旋转备用容量的计算问题。其仿真电网拓扑图如图2所示。计算的前提条件是系统满足功率平衡约束，因此电网中有足够的正备用容量，通过直流潮流模型和最优潮流模型，衡量电网中的负备用容量与弃风成本的关系，获得电网在一天(24小时)中各个负荷水平与风电出力情况下的最优旋转备用容量、火水机组组合开机方式，以及保证风电消纳条件下，直流传输至华中电网的风电可以允许的最大波动范围。在实施例中，模型将湖南电网一天的负荷曲线和甘肃风电典型波动曲线相对应，将其分割为四个场景，以模拟电网的对应的实际负荷和风电的实际出力，如表1所示。表1各个场景参数场景持续时间负荷系数风电出力系数180.640.92610.1360.80.7440.70.7首先对四个场景进行分析可知，在电网负荷最低时，风电可出的出力最大；电网负荷最高时，风电的可出的出力最小。这样，模型的寻优结果实际上解决了两种最严重的情况，因此，仿真得到的开机方式可以满足各种负荷与风电出力的各个情况。仿真结果一：假设：弃风成本和火电旋转备用成本相等，水电可以全功率参与调峰，湖北电网不参与调峰，西北电网也不参与调峰时，电网的正旋转备用不得小于电网中运行的最大机组的容量。结果见表2。表2仿真结果一分析：首先，电网在四个场景中都有正负备用，保证在风电在预计值出力时，没有出现弃风的情况。其次：在弃风成本和火电旋转备用成本相等条件下，风电仍能全部消纳的原因在于：风电通过直流接入受端电网的位置(受端电网的中间位置)对电网最优潮流的分布有促进作用。最后，通过计算各个场景的正负备用容量，可以发现，该条件下的受端电网可以承受风电的全功率波动。仿真结果二：假设：弃风成本和火电旋转备用成本相等，汛期水电不能全功率参与调峰(功率调节范围：0.4-1)，湖北电网不参与调峰，西北电网也不参与调峰，电网的正旋转备用不得小于电网中运行的最大机组的容量。结果见表3。表3仿真结果二分析：该条件下的受端电网为汛期时的电网情形，水电为了不弃水或少弃水或满足其它水利防汛要求，水电机组有最小出力限制，常规水电出力可调范围为其装机容量：0.4-1.因此，受端电网的负备用与仿真结果一明显减少，电网的开机方式发生了变化，在电网负荷最低时(场景1)出现了弃风的情况。场景4也不能满足风电的全功率波动。本发明提供的方法在考虑风电预测误差的条件下，综合考虑送、受端电网备用成本与风电预测及预测误差造成直流功率波动的关系。目标函数为以弃风成本和电网机组旋转备用成本等费用最小化，同时通过定义多个场景来模拟电力系统的负荷水平和风电通过直流传输潮流的水平，将开机组合问题转为混合整数线性问题，实现合理地、经济地安排一天(24小时)内旋转备用容量的目标。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 2 3