一种基于电网约束的区域新能源开发规模及布局分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电网约束的区域新能源开发规模及布局分析方法，该方法建立基于电力系统生产模拟的区域新能源开发模型，建立新能源消纳水平衡量指标，优化考虑安全约束的常规电源开机组合，开展电力系统生产模拟研究，在连续时间序列上分析新能源开发规模、新能源电量消纳及常规电源运行情况，在此基础上进行基于静态电压稳定的敏感度分析，提出风电开发规模容量分配研究方法，优化区域电网新能源开发布局。该发明完善了新能源并网消纳研究方法体系，为大规模新能源开发规划提供了技术支撑。
【专利说明】一种基于电网约束的区域新能源开发规模及布局分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新能源发电技术中的新能源规划领域的方法，具体讲涉及一种基 于电网约束的区域新能源开发规模及布局分析方法。
【背景技术】
[0002] 目前针对电力系统调度所基于时序的生产模拟广泛用于电力电量平衡和安排发 电生产计划。基于时序的生产模拟是指在给定的负荷条件下，模拟各发电机组的运行状况， 并计算发电系统生产费用的一种时序仿真方法。将系统负荷、新能源发电出力看作随时间 变化的时间序列，能够计及时序变化特性。系统负荷与机组出力之间的平衡关系看作产品 与需求间的供需平衡关系，在这种约束下优化目标函数，得到最优指标。时序生产模拟对发 电系统的运行和决策都起着重要作用，其中短时间尺度的生产模拟一般为几个到几十个小 时不等，可以优化系统运行方式，为调度部门提供合理的发电计划，提高新能源接纳能力， 消纳更多的新能源电量；长时间尺度的生产模拟是数月或数年，模拟不同的装机规模、电网 架构等条件下新能源生产情况，为新能源产业发展规划及电网建设规划提供参考依据。
[0003] 静态电压稳定性计算一般采用实用算法，计算的结果通常表现为P-V曲线形式。 ρ-v分析是一种静态电压稳定分析的工具，它通过建立节点电压和一个地区负荷或输电断 面潮流之间的关系曲线，指示地区负荷或断面功率水平导致整个系统临近电压崩溃的程 度。电压崩溃的特征是，随着传输到一个区域功率的增加，这个区域的电压分布将变得越来 越低，直至达到崩溃点。在常规电力系统应用P-V曲线分析电压稳定性问题时，P通常表示 某区域的总负荷，也可代表系统传输断面或者是区域联络线上的传输功率，V则代表关键节 点的电压。
[0004] 现有的新能源开发规模及布局分析方法没有结合资源特性和场地可用性以及稳 定性校验确定新能源开发布局，因此亟需一种解决上述问题的新能源开发规模及布局分析 方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于电网约束的区域新能源开发 规模及布局分析方法，该方法首先通过建立的含大规模新能源并网的电力系统时序生产模 拟计算模型，开展新能源接纳能力评估，确定新能源发电的开发规模；在此基础上基于静态 电压稳定分析，从网架约束角度开展新能源发电规模接入敏感度分析，结合资源特性和场 地可用性以及稳定性校验确定新能源开发布局。该发明完善了新能源并网消纳研究方法体 系，为大规模新能源开发规划提供了技术支撑。
[0006] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0007] 本发明提供一种基于电网约束的区域新能源开发布局分析方法，其改进之处在 于，所述分析方法包括下述步骤：
[0008] (1)确定区域电网新能源开发规模；
[0009] (2)确定区域电网新能源布局分配。
[0010] 进一步地，所述步骤（1)包括下述子步骤：
[0011] 〈1>建立新能源发电系统运行目标函数；
[0012] 〈2>建立电力系统运行约束条件；
[0013] 〈3>计算电力系统时序生产，评估新能源接纳能力；
[0014] 〈4>校验新能源运行指标是否满足规划要求。
[0015] 进一步地，所述步骤〈1>中，按式1)所示的接纳以风电、光伏新能源发电量消纳最 大化为目标的新能源：
【权利要求】
1. 一种基于电网约束的区域新能源开发布局分析方法，其特征在于，所述分析方法包 括下述步骤： (1) 确定区域电网新能源开发规模； (2) 确定区域电网新能源布局分配。
2. 如权利要求1所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 (1)包括下述子步骤： 〈1>建立新能源发电系统运行目标函数； 〈2>建立电力系统运行约束条件； 〈3>计算电力系统时序生产，评估新能源接纳能力； 〈4>校验新能源运行指标是否满足规划要求。
3. 如权利要求2所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 〈1>中，按式1)所示的接纳以风电、光伏新能源发电量消纳最大化为目标的新能源：
1); 其中，N表示系统所有分区总数，T表示调度时间的总长度，如式2)所示的第η个分区 t时段的新能源出力PN(t，n): PN(t, n) = Pw(t, n)+Pv(t, η) 2)； 其中，Pw(t，n)和匕⑴n)分别为第n个分区t时段的风电和光伏发电出力。
4. 如权利要求2所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 〈2>中，约束条件包括爬坡特性与出力限值约束、机组启停特性约束、联络线送电能力约和 系统备用各量约束； ①所述爬坡特性与出力限值约束包括： 常规机组包括的凝气式火电机组NQ、背压式火电机组BY、抽气式火电机组CQ及水库式 水电机组SK，其发电总功率用TP(t，j)表示，其中j表示机组的编号；发电总功率的上下限 及其爬坡特性的约束如式3)?式5)所示，式6)则给出四类发电机组总功率的表达式：
其中，TPmax(j)和TPmin(j)分别为第j台机组的出力上限和出力下限，AP j uJ^P APj d_ 分别为第j台机组的向上和向下爬坡率；x(t，j)表示t时段时第j台机组的运行状态，0表 示机组已停机，1则表示机组正在运行；P」(t+1)表示第j台机组t+Ι时段的发电出力；Pj(t) 表示第j台机组t时段的发电出力； 水库式水电机组的特征是库存容量大，根据电力系统负荷水平自由调节；水库式水电 厂按库容的大小进行日、周、年或多年调节，在调节周期内，除了受机组容量限制外，也考虑 库存水量的限制，按下式7)约束调节周期内的总发电量： TPj (t) +TPj (t+1) +. . . TPj (t+k) ^ Hydj,^ 7)； -TPj (t) -TPj (t+1) -. . . TPj (t+k) ^ Hydj^^ 式中，办訂_和分别为调节周期内水电机组发电量上限和下限，k由水电机组 发电量约束周期参数决定；TPj(t)和TPj(t+k)分别为第j台水电机组第t时段和第t+k时 段的出力； ② 机组启停特性约束包括： 下式8)示出了机组状态变量X，y，z的机组启停机运行状态逻辑约束：
8)， 式8)表示：当X由0变为1时，y = l，z = 0;当X由1变为0时，y = 0, z = 1 ;该表 达式8)首先表示：任意机组从t-Ι到t时的状态发生变化时，X之差为1，则必然出现启机 或停机动作，y或z等于1, X之差减去y或z必等于0,同理，X之差为0也满足条件，式子 左边也取0 ;其次表示：启机参数y的值取决与t-Ι到t时，机组运行状态的改变，状态不变 时，y取〇,状态改变时，y取〇停机，或取1启机；因此，y的值必定小于t-Ι和t时X值之 和；再者表示：y的值与t-Ι和t时X值之和必定小于2 ;再一表示：z作为停机参数，其取值 的规律和y类似，用第二个式子中的解释；第五个式子与第三个式子的规律相同； 下式9)和10)分别示出了机组的最小启机时间及最小停机时间：
9) 10)； 式中，k由机组最小启机或停机时间参数决定，其反映最小启机或停机的时间步长； y(t)和z(t)分别为第j台机组t时段的启动状态和停机状态，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；y(t)和z (t)均表示一 次停机或启机持续时间步长的动作状态，不表示启机或停机的过程；式8)和式9)示出了 ： 当机组在t时刻开始启机或停机后的t?t+k个时间段内，不允许机组再出现停机或启机 的动作； ③ 联络线送电能力约束包括： 下式11)表示区域间的传输容量约束：
11); 式11)中，Li为第i条传输线的输电功率，Li;max和-Li;max分别为第i条传输线传输容 量上限和下限；考虑区域间传输功率，电力负荷平衡以区域为单位分区平衡，该平衡方程由 下式表示：
12)； 式中，TPall，n(t)和PN，n(t)分别表示第t时段η区域的所有发电机组的总功率之和与所 有新能源发电功率；L(t)为该区域与外区域净功率交换值，Plin(t)表示第t时段η区域的 电力负荷； ④ 系统备用容量约束包括：定义电力系统的正负备用两个常量ΡΜ和，并按下式13) 备用约束发电机组的出力：
13)； 式中，和分别为正负旋转备用，h⑴为电力系统负荷，cpw为新能源发电可信容 量。
5. 如权利要求2所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 〈3>中，模拟计算含大规模新能源的电力系统时序生产，得到常规电源运行指标、新能源运 行指标并予以分析，新能源接纳能力的评估包括： 常规电源运行指标包括利用小时数、启停次数、启停费用、平均负荷率和备用率；新能 源运行指标包括利用小时数、发电量和弃风/弃光率；校验各项指标是否满足电力规划的 目标要求中的经济性、可靠性和安全性要求。
6. 如权利要求2所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 〈4>中，根据区域能源利用规划，判断各项运行指标是否合理，是否满足规划要求；若已满 足，计算结束，否则，调整新能源规划后重新进行电力系统时序生产模拟计算；最后确定新 能源接入位置。
7. 如权利要求1所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 (2)包括下述步骤： A、 确定新能源接入变电站的P-V曲线，进而确定电压变化率； B、 绘制电压灵敏度P-L曲线，确定新能源接入能量增幅； C、 确定区域电网新能源可接入变电站的接纳能力比例； D、 按照接纳能力比例分配区域电网新能源接入总量。
8. 如权利要求1所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 A中，在新能源接入处计算功率电压P-V，绘制P-V曲线，得到随着新能源出力变化而变化的 电压尚散值（V。，Vi，......)。
9. 如权利要求1所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤B 中，根据电压离散值（VyVi，％……），确定电压变化率……），电压变化率的大小， 反映新能源接入对区域电网电压变化的影响，通过功率P值和电压变化率L值绘制新能源 出力-电压变化率P-L曲线； 按下式14)计算电压变化率（U，L2, L3……）：，
14)； 当新能源接入引起节点电压呈单调递减，且选取电压变化率LN，计算区域电网中节点 可接入新能源容量的增幅；P-L曲线上LN对应的功率PN和曲线过零点对应的功率P。之差定 义为新能源出力增幅，新能源出力增幅反映新能源出力与节点电压之间的变化联系；N = 1、2、3、......； 第i个地区的第j个节点处可接入新能源容量的增幅如下式所示： Pz(i，j) = PN(i，j)-P〇(i，j) 15)； 第i个区域电网可接入新能源容量增幅累计值为：
16) 得出区域电网I个地区子电网的可接入新能源容量增幅累计值：
17)。
10. 如权利要求1所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 C中，区域电网内多个节点可接纳新能源容量的增幅比值为节点的新能源可接入变电站的 接纳能力比例； 第i个地区子电网及其第j个节点的接纳能力比例为：
18)； 19)〇
11. 如权利要求1所述的区域新能源开发规模及布局分析方法，其特征在于，所述步骤 D中，按照区域电网新能源接入总量接纳能力比例进行分配，即得出区域电网内各节点新能 源接入容量； 区域电网新能源接入规划总量为Pw，则得到区域电网内各地区子电网的新能源布局， 即第i个子电网及其第j个节点的新能源接入量分别为：
其中：KIT(i，j)表示第i个地区子电网第j个节点的接纳能力比例； 对各节点接入新能源后的暂态稳定性进行校验，若稳定，计算结束；若不稳定，按照 0. 1 %的步长下调电压变化率LN，如果电压变化率LN = 2. 5 %时仍不满足稳定性校验，则判 定节点无法接入新能源，节点所分配的新能源容量按照比例分配给其它节点。
【文档编号】G06Q50/06GK104156887SQ201410398349
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】李琰, 迟永宁, 魏林君, 苏媛媛, 王真, 王志冰 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 江苏省电力公司