一种新能源消纳保障方案优化方法及系统与流程

1.本发明涉及新能源消纳技术领域，尤其是涉及一种新能源消纳保障方 案优化方法及系统。


背景技术：

2.经过近十年的努力，我国新能源发展走在了世界前列。在我国新能源 发展取得“量”上绝对优势的同时，新能源发展的“质”并不尽如人意， 开发规模不断扩大的同时，却引发了新能源消纳能力受限问题，导致弃风、 弃光现象十分严重，新能源消纳问题成为社会广泛关注的焦点。
3.近年来，关于新能源消纳的学术研究集中在消纳模型、促进消纳的影 响因素优化及消纳影响因素贡献度分析等方面，然而，新能源消纳是一项 系统性工程，提升消纳能力需要“源、网、荷、储”各个环节协同发力， 从“源、网、荷、储”各个环节出发，新能源消纳保障方案可以有多种组 合，然而不同消纳保障方案的难度和效果不尽相同，电力系统整体为消纳 新能源付出的系统成本也在逐渐增加，因此，亟需开展新能源消纳保障措 施优化研究，重视成本在制定消纳保障方案中的决定性作用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种新能源消纳保障方案优化方法及系统，旨 在解决上述消纳新能源的系统成本高的问题。
5.本发明提供一种新能源消纳保障方案优化方法，包括：
6.步骤s1，基于原始消纳结果，从源网荷储四个环节多种消纳保障措施 中按优先级次序选择并构建消纳保障措施组合方案；
7.步骤s2，计算所述消纳保障措施组合方案的改造成本和运行成本，以 电力系统年综合费用增量最小为目标构建包含目标函数和约束条件的优化 模型；
8.步骤s3，根据所述优化模型，得到使电力系统年综合费用增量最小的 新能源消纳保障措施组合方法。
9.本发明提供一种新能源消纳保障措施优化系统，包括：
10.方案选择模块：基于原始消纳结果，从源网荷储四个环节多种消纳保 障措施中按优先级次序选择并构建消纳保障措施组合方案；
11.模型建立模块：计算所述消纳保障措施组合方案的改造成本和运行成 本，以电力系统年综合费用增量最小为目标构建包含目标函数和约束条件 的优化模型；
12.方案优化模块：根据所述优化模型，得到使电力系统年综合费用增量 最小的新能源消纳保障措施组合方案。
13.采用本发明实施例，能够快速在众多消纳保障手段中锁定有作用、起 效果的消纳保障措施组合，并最终得到经济性最优的保障措施组合方案。
14.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的 技术手段，
而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和 其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
16.图1是本发明实施例的新能源消纳保障方案优化方法的流程图；
17.图2是本发明实施例的新能源消纳保障措施的选择流程图；
18.图3是本发明实施例的新能源消纳保障方案优化系统示意图。
具体实施方式
19.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例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。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横 向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、
ꢀ“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、
ꢀ“
顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位 或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不 能理解为对本发明的限制。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有
ꢀ“
第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述 特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有 明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理 解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以 是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间 接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.方法实施例
23.根据本发明实施例，提供了一种新能源消纳保障方案优化方法，图1 是本发明实施例的新能源消纳保障方案优化方法的流程图，如图1所示， 根据本发明实施例的新能源消纳保障方案优化方法具体包括：
24.s1.基于原始消纳结果，从源网荷储四个环节多种消纳保障措施中按优 先级次序选择并构建消纳保障措施组合方案。
25.多种消纳保障措施的选择优先级次序由前到后为：消纳能力在空间上 的支援互济、挖掘存量消纳能力、创造增量消纳能力。
26.图2为本发明实施例的新能源消纳保障措施的选择流程图，如图2所 示，对于多区域系统，首先应根据不同分区的接纳能力安排新能源布局， 先比较不同分区的利用率水
平，若满足分区a利用率＜95％＜分区b利用率， 则调整新能源在分区间布局或提高分区间通道容量，若不满足，则应挖掘 系统内存量灵活性资源的调节潜力；若火电最小技术出力还未满足灵活性 改造要求，则可以进行火电灵活性改造，降低最小技术出力；若已满足， 则调用用户侧需求响应资源进行填谷，建立需求响应填谷机制，挖掘填谷 潜力；若火电最小技术出力已满足灵活性改造要求，并且已调用需求响应， 则说明系统存量灵活性资源可释放的消纳能力已经用尽，需要创造新的消 纳能力，包括新增储能、增大外送、降低新能源规模和增大负荷规模等。
27.s2.计算所述消纳保障措施组合方案的改造成本和运行成本，以电力系 统年综合费用增量最小为目标构建包含目标函数和约束条件的优化模型。
28.在保障措施类型选定的情况下，为满足利用率目标，可能存在各类保 障措施不同运用程度的多种组合方案，例如多配储能+火电灵活性适当改造 与少配储能+火电灵活性深度改造，不同方案需要付出的投资改造成本有所 不同，上措施后的实际运行中的运行成本增量也不同。
29.付出的投资改造成本包括：火电灵活性改造成本kf、新增储能投资成 本ks和需求响应改造成本kd；
30.计算消纳保障措施组合方案的改造成本具体包括：
31.根据公式1、公式2和公式3计算火电灵活性改造成本kf、新增储能 投资成本ks和需求响应改造成本kd的投资等年值：
[0032][0033][0034][0035]
其中，if、is、id为0、1变量，分别表示是否选择火电灵活性改造措 施、新增储能措施和需求响应改造措施，0代表不选择，1代表选择；af、 as、ad分别为单位火电灵活性改造成本、单位储能投资成本和单位需求侧 响应改造成本；of、os、od分别为火电灵活性改造容量、储能投资容量和 需求侧响应改造容量；γ为基准收益率；nf、ns、nd分别为火电灵活性改造、 投资储能和需求响应改造的资本回收计算年限。
[0036]
实际运行中的运行成本包括：火电运行成本、储能运行成本和需求响 应运行成本；所述火电运行成本包括：燃料费用和启停费用，所述储能运 行成本包括：充放电费用，所述需求响应运行成本主要为补贴费用；
[0037]
计算所述消纳保障措施组合方案的运行成本具体包括：
[0038]
根据公式4、公式5和公式6计算所述火电运行成本储能运行成 本和需求响应运行成本
[0039]
[0040][0041][0042]
其中，δ|p
ts
|、δp
td
分别为措施后t时段火电出力、储能功率绝对 值和需求响应功率相较于措施前的增量值；为措施后t时段火电机组i启 动成本相较于措施前的增量值；ai、bi为火电机组i的成本系数；nf为火电 机组数量；αs、αd分别为储能和需求响应成本系数。
[0043]
构建目标函数具体包括：
[0044]
根据公式7构建包括改造成本和运行成本的以电力系统年综合费用增 量最小为目标的目标函数：
[0045][0046]
其中，δf为电力系统年综合费用增量；kf为火电灵活性改造成本；ks为新增储能改造成本；kd为需求响应改造成本；为措施后t时段火电运 行成本相较于措施前的增量值；为措施后t时段储能运行成本相较于措 施前的增量值；为措施后t时段需求响应运行成本相较于措施前的增量 值；t为运行模拟时段总数。
[0047]
约束条件包括：新能源布局调整约束、新能源利用率目标约束、运行 模拟周期内各时段电力平衡约束、系统备用约束、火电出力约束与爬坡约 束、火电备用约束、火电启动费用约束、火电最小开停机时间约束、电池 储能电量平衡约束、电池储能出力与备用约束和需求响应容量约束。
[0048]
具体的：
[0049]
新能源布局调整需要满足发电资源上限约束，如公式8所示：
[0050][0051]
其中，和分别为新能源布局调整后区域j的风电和太阳能发电 装机；和分别为区域的风电和太阳能发电装机资源上限。
[0052]
新能源利用率目标约束如公式9所示：
[0053][0054]
其中，ew、e
so
分别为运行模拟周期内风电和太阳能发电的理论电量； 分别为t时段风电和太阳能发电的实际上网功率；nw、n
so
分别为 风电和太阳能发电场个数。
[0055]
运行模拟周期内各时段电力平衡约束如公式10所示：
[0056][0057]
其中，p
ts,0
、p
td,0
分别为原始运行模拟方案中t时段火电机组i出力、 储能出
力和需求响应功率，p
ts,0
正值代表充电，负值代表放电；l
t
为t时段本 地负荷与外送负荷之和。
[0058]
系统备用约束如公式11所示：
[0059][0060]
其中，为t时段火电机组i能够提供的备用容量；为t时段储能可以 提供的备用容量；s为系统所需的备用容量，包括事故备用、负荷备用和新 能源备用等。
[0061]
火电出力约束与爬坡约束如公式12(a)和公式12(b)所示：
[0062][0063][0064]
其中，u
i,t
为t时段机组i的开停机状态，1表示开机，0表示停机；和 pi分别为机组i的有功输出上、下限；r
i+
和r
i-分别为每小时机组i的上、下爬 坡速率。
[0065]
火电备用约束如公式13所示：
[0066][0067]
其中，τ为火电备用响应时间，本实施例取10min。
[0068]
火电启动费用约束如公式14(a)和公式14(b)所示：
[0069][0070][0071]
其中，为t时段火电机组i启动成本，为t时段火电机组i启动成本，为机组i的开机启 动费用。
[0072]
火电最小开停机时间约束如公式15(a)和公式15(b)所示：
[0073][0074][0075]
其中，t
ion
和t
ioff
分别为机组i的最小开、停机持续时间。
[0076]
电池储能电量平衡约束如公式16(a)、公式16(b)和公式16(c) 所示：
[0077][0078]et
＝e0公式16(b)；
[0079][0080]
其中，e
t
为电池储能在t时段存储电量值；和为0-1变量，满足 为充电标志，值为1时充电，为放电标志，值为1时放电； ηc和ηd分别为电池储能的充电和放电效率；δt为时段的步长；和e分别为 电池储能的额定能量容量与存储电量的下限值；和分别为调度周期始、末 电池储能的存储电量值。
[0081]
电池储能出力与备用约束如公式17(a)和公式17(b)所示，本实施 例假定电池储能提供备用不改变其充放电状态：
[0082][0083][0084]
其中，为电池储能的额定功率容量。
[0085]
需求响应容量约束如公式18所示：
[0086][0087]
其中，p
td,0
为原始运行模拟方案中t时段需求响应容量；为需求响应 填谷容量上限值。
[0088]
s3.根据所述优化模型，得到使电力系统年综合费用增量最小的新能源 消纳保障措施组合方法。
[0089]
本实施例构建以2025年为水平年的算例系统并进行计算分析，目前该 电网划分为区域a、b、c三个分区，存在区域a与区域b之间、区域b与 区域c之间两个输电断面，断面间输送能力分别为660万和330万千瓦， 电力供需总量和结构方面，该电网最大负荷为4800万千瓦，煤电、气电、 生物质发电、常规水电、抽水蓄能装机容量共计8100万千瓦，风电和太阳 能发电装机容量共计5900万千瓦，外送电力容量为3100万千瓦。布局方 面，负荷中心位于区域c，新能源资源富集地区为区域a和b，该电网负荷 与风光资源呈逆向分布，基准收益率取8％，煤电灵活性改造和新增储能的 计算年限分别取15年、10年。
[0090]
将未上措施的消纳方案命名为方案一，将采取按照本文所提方法得到 消纳措施的方案命名为方案二，同时设置其他消纳措施组合并构建方案三 和方案四。
[0091]
方案一消纳结果与煤电最小技术出力如表1所示。
[0092]
表1
[0093][0094]
由表1可知，区域a新能源利用率＜95％＜区域b＜区域c，并且区域b 新能源规模未达资源上限；各区域煤电最小技术出力为0.5，尚未达到火电 灵活性改造的要求。根据步骤s1提出的消纳保障措施选择方法，该方案应 选择的消纳措施组合按照优先级排序应为将布局在区域a的部分新能源转 移至区域b、降低煤电最小技术出力与增加储能，将该组合输入b步骤s2 所提的消纳措施量化模型，可得到方案二；同时，方案三的消纳措施组合 设
置为煤电灵活性改造加配置储能；方案四设置为仅配置储能。
[0095]
三种方案的措施量化结果如表2所示，容量单位：万千瓦：
[0096]
表2
[0097][0098]
由表2可知，三种方案新能源利用率均满足95％考核目标。与方案二相 比，方案三由于没有采取调整布局的措施，需要再新增60万储能；方案四 由于没有采取调整布局和灵活性改造，需要额外再新增300万储能。
[0099]
三种方案的经济性比较如表3所示，单位：亿元：
[0100]
表3
[0101][0102]
由表3可知，方案四相比于方案二、三不存在煤电灵活性改造成本。 但随新增储能规模增加，方案三和方案四储能投资成本分别达到方案二的 1.6倍、4倍，方案四储能投资成本更是高过方案二、三的煤电灵活性改造 成本；相应的，方案三和方案四的储能运行成本增量也大于方案二。受煤 电最小技术出力降低以及新增储能减少煤电开机影响，三种方案的煤电发 电量相比方案一下降，因此煤电运行成本增量均为负值；并且，由于方案 二储能规模最小，煤电需要让出更多的发电空间给新能源，故方案二煤电 发电量最少，煤电运行成本增量随之减小。
[0103]
由于三种方案下储能投资成本的变化在总成本中起主导作用，故方案 二总成本最低，方案三和方案四总成本相比于方案二分别高出24.9％、 25.8％。
[0104]
采用本发明实施例，将优化新能源消纳保障措施分为保障措施的组合 选择与量化分析两步，基于原始消纳结果，按照优先级选择保障措施，能 够快速在众多消纳保障手段中锁定有作用、起效果的消纳保障措施组合； 量化分析保障措施组合方案的改造成本和运行成本，能够得到经济性最优 的保障措施组合方案。
[0105]
系统实施例
[0106]
根据本发明实施例，提供了一种新能源消纳保障措施优化系统，图3 是本发明实施例的新能源消纳保障措施优化系统的示意图，如图3所示， 根据本发明实施例的新能源消纳保障措施优化系统具体包括：
[0107]
方案选择模块30：基于原始消纳结果，从源网荷储四个环节多种消纳 保障措施中按优先级次序选择并构建消纳保障措施组合方案；
[0108]
方案选择模块30具体用于，根据消纳能力在空间上的支援互济、挖掘 存量消纳能力、创造增量消纳能力优先级由前到后的顺序，依次选择消纳 保障措施进行组合，得到消纳保障措施组合方案。
[0109]
模型建立模块32：计算所述消纳保障措施组合方案的改造成本和运行 成本，以电力系统年综合费用增量最小为目标构建包含目标函数和约束条 件的优化模型；
[0110]
模型建立模块32具体用于：根据方案选择模块30选择的消纳保障措 施组合方案计算改造成本和运行成本，并以使电力系统年综合费用增量最 小为目标函数，以新能源布局调整约束、新能源利用率目标约束、运行模 拟周期内各时段电力平衡约束、系统备用约束、火电出力约束与爬坡约束、 火电备用约束、火电启动费用约束、火电最小开停机时间约束、电池储能 电量平衡约束、电池储能出力与备用约束和需求响应容量约束为约束条件， 构建优化模型。
[0111]
方案优化模块34：根据所述优化模型，得到使电力系统年综合费用增 量最小的新能源消纳保障措施组合方案。
[0112]
本发明实施例是与上述方法实施例对应的系统实施例，各个模块的具 体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。
[0113]
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤 可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者 分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执 行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来 执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的 步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模 块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特 定的硬件和软件结合。
[0114]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非 对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的 普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进 行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或 者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。