CN109428343B - 一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法及装置 - Google Patents

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CN109428343B CN201710722155.XA CN201710722155A CN109428343B CN 109428343 B CN109428343 B CN 109428343B CN 201710722155 A CN201710722155 A CN 201710722155A CN 109428343 B CN109428343 B CN 109428343B
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Abstract

本发明提供了一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法及装置，包括：新能源基地出力数据统计；根据所述新能源基地出力数据构建电网时序仿真模型；根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算，得到外送通道容量的最优值。本发明提供的技术方案考虑了新能源基地的风电、太阳能发电出力特性以及新能源受端电网消纳能力，计算结果准确可靠；建立了新能源外送通道输电容量与新能源受限水平之间的量化关系，实现了根据实际运行需求选择所需外送通道的输电容量。

Description

一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法及装置
技术领域
本发明属于电力***自动化领域，具体涉及一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法及装置。
背景技术
新能源发电主要以大规模集中式开发为主，大规模新能源基地等新能源发电集中地区弃风、弃光现象时有发生，且随着新能源装机容量的不断增加，新能源发电受限情况不断恶化。新能源基地外送通道输电能力不足是造成新能源弃风、弃光的重要原因。与常规电源相比，新能源资源能量密度低，设备满负荷利用小时偏低，若按照新能源装机容量规划新能源基地外送通道容量，将导致外送通道设备利用率偏低，经济性较差。如何设计新能源基地外送通道的输电容量，在保障新能源消纳的前提下尽可能提高外送通道的利用率，在当前尚没有有效的设计方法。
根据风电出力和太阳能发电出力统计数据，其中约90％的新能源发电出力集中在40％装机容量以下，而新能源基地外送线路输电容量一般按照区域内新能源装机容量的60％～70％进行规划设计；且当前新能源基地外送通道输电容量设计通常未考虑受端电网的新能源消纳能力，存在外送通道尚有能力但受端消纳能力不足的可能性。
发明内容
针对现有技术的空白与不足，本发明提出了一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法及装置。
一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，包括：
新能源基地出力数据统计；
根据所述新能源基地出力数据构建电网时序仿真模型；
根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算，得到外送通道容量的最优值。
进一步的，所述新能源基地出力数据统计包括：
根据新能源基地历史运行年度出力数据和历史记录的风电和太阳能发电限电数据，对新能源出力数据进行限电还原，分别获取风电和太阳能发电的理论功率；
将风电和太阳能发电的理论功率数据除以对应时刻的装机容量，分别得到风电和太阳能发电的归一化数据。
进一步的，所述构建电网时序仿真模型包括：
根据所述新能源基地出力数据构建新能源基地风电和太阳能发电出力模型；
构建新能源发电受端电网模型；
构建外送通道模型；
根据新能源基地风电和太阳能发电出力模型、新能源发电受端电网模型和外送通道模型，对每个时间断面的新能源发限电情况进行优化。
进一步的，所述新能源基地风电和太阳能发电出力模型包括：风电和太阳能发电功率约束，如下式所示：
Figure BDA0001385182080000021
Figure BDA0001385182080000022
其中，Pw,n(t)为新能源基地n在t时刻的风电功率；
Figure BDA0001385182080000023
为新能源基地n在t时刻的风电理论功率；Ppv,n(t)为新能源基地n在t时刻的太阳能发电功率；
Figure BDA0001385182080000024
为新能源基地n在t时刻的太阳能发电理论功率。
进一步的，所述新能源发电受端电网模型包括：
电力平衡约束：
Pall.n(t)+Pw,n(t)+Ppv,n(t)+Ln,m(t)＝Pl(t)
其中，Pall.n(t)为t时刻所有常规机组发电出力的总功率；Ln,m(t)为新能源基地n向受端电网m的传输功率；Pl(t)为t时刻的总电力负荷；
常规电源机组启停约束：
Figure BDA0001385182080000025
其中，Xj(t)为机组j在t时刻的运行状态；Yj(t)为机组j在t时刻的启动状态；Zj(t)为机组j在t时刻的停机状态；
常规电源出力约束：
Xj(t)·Pj,min≤Pj(t)≤Pj,max·Xj(t)
Pj(t+1)-Pj(t)≤ΔPj,up
Pj(t)-Pj(t+1)≤ΔPj,down
其中，Pj,min和Pj,max分别为机组j的出力下限和出力上限；ΔPj,up和ΔPj,down分别为机组j上爬坡率最大值和下爬坡率的最大值；
火电机组供热出力约束：
Figure BDA0001385182080000031
Figure BDA0001385182080000032
其中，Pj,BY(t)为t时刻背压型火电机组出力；
Figure BDA0001385182080000033
为供热机组热电耦合系数；Hj (t)为t时刻热需求；Pj,CQ(t)为t时刻抽汽型火电机组出力；
电网旋转备用容量约束：
Figure BDA0001385182080000034
Figure BDA0001385182080000035
其中，J为运行机组总台数；PPre和PNre分别为电网的上旋转备用和下旋转备用。
进一步的，所述外送通道模型包括：
Figure BDA0001385182080000036
Ln,m(t)＝-Lm,n(t)
Ln,n(t)＝0
其中，
Figure BDA0001385182080000037
和
Figure BDA0001385182080000038
分别为新能源基地外送通道输电容量的下限值和上限值，Ln,m(t)为新能源基地n向受端电网m的传输功率。
进一步的，所述根据新能源基地风电和太阳能发电出力模型、新能源发电受端电网模型和外送通道模型，对每个时间断面的新能源发限电情况进行优化包括：新能源消纳为优化目标，如下式所示：
Figure BDA0001385182080000039
其中，T为优化总时段；N为新能源外送基地数量。
进一步的，所述根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算，得到外送通道容量的最优值包括：
设置计算参数，所述计算参数包括预先设定的外送通道容量和预期限电率；
基于所述电网时序仿真模型，对所述设置的参数进行优化计算得到外送通道容量的最优值。
进一步的，所述对所述设置的参数进行优化计算得到外送通道容量的最优值包括：
当新能源消纳低于预期限电率，则减少所述预先设定的外送通道容量；新能源消纳高于预期限电率，则增加所述预先设定的外送通道容量；
直至得出可接受的新能源限电率时外送通道容量的最小值，所述最小值为外送通道容量的最优值。
一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划装置，所述装置包括：
数据采集模块，用于新能源基地出力数据统计；
模型建立模块，用于根据所述新能源基地出力数据构建电网时序仿真模型；
优化模块，用于根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算。
进一步的，所述数据采集模块，用于，
根据新能源基地历史运行年度出力数据和历史记录的风电和太阳能发电限电数据，对新能源出力数据进行限电还原，分别获取风电和太阳能发电的理论功率；
将风电和太阳能发电的理论功率数据除以对应时刻的装机容量，分别得到风电和太阳能发电的归一化数据。
进一步的，所述模型建立模块包括：
新能源出力模型子模块，用于根据所述新能源基地出力数据构建新能源基地风电和太阳能发电出力模型；
受端电网模型子模块，用于构建新能源发电受端电网模型；
外送通道模型子模块，用于构建外送通道模型；
优化子模块，用于根据新能源基地风电和太阳能发电出力模型、新能源发电受端电网模型和外送通道模型，对每个时间断面的新能源发限电情况进行优化。
进一步的，所述优化模块包括：
设置子模块，用于设置计算参数，所述计算参数包括预先设定的外送通道容量和预期限电率；
计算子模块，用于基于所述电网时序仿真模型，对所述设置的参数进行优化计算得到外送通道容量的最优值。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的技术方案考虑了新能源基地的风电、太阳能发电出力特性以及新能源受端电网消纳能力，计算结果准确可靠。
2、本发明提供的技术方案建立了新能源外送通道输电容量与新能源受限水平之间的量化关系，实现了根据实际运行需求选择所需外送通道的输电容量。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明的具体实施例流程图；
图3为本发明实施例中风电出力样本示意图；
图4为本发明实施例中光伏发电出力样本示意图；
图5为本发明实施例中负荷出力样本示意图；
图6为本发明实施例中新能源弃电率与外送通道输电容量关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种应用于新能源基地外送通道输电容量的优化方法(如图1所示)，该方法综合考虑新能源出力特性、外送通道容量及新能源消纳能力的综合关系。具体包括以下步骤：
步骤1：新能源基地出力数据统计；
步骤2：电网时序仿真模型构建；
步骤3：新能源基地外送通道容量优化计算。
下面结合新能源基地外送通道输电容量计算流程图，如图2所示，对本发明的具体实施流程进行描述。
步骤1-1：新能源基地历史数据统计。根据新能源基地历史运行年度出力数据，分别获取风电、太阳能发电出力数据，时间分辨率为5min或1h。
步骤1-2：新能源受限功率还原。根据历史记录的风电、太阳能发电限电数据，对新能源出力数据进行限电还原，得到新能源发电的理论功率。
步骤1-3：新能源出力数据归一化。将风电、太阳能发电理论功率数据除以对应时刻的装机容量，分别得到风电、太阳能发电的归一化数据。新能源出力归一化数据可准确表征该地区新能源出力特性。
步骤2-1：新能源基地风电、太阳能发电出力建模。包括风电、太阳能发电功率约束，见式(1)和(2)。式中，Pw,n(t)为新能源基地n在t时刻的风电功率，
Figure BDA0001385182080000061
为新能源基地n在t时刻的风电理论功率；Ppv,n(t)为新能源基地n在t时刻的太阳能发电功率，
Figure BDA0001385182080000062
为新能源基地n在t时刻的太阳能发电理论功率。
Figure BDA0001385182080000063
Figure BDA0001385182080000064
步骤2-2：新能源发电受端电网建模。受端电网需要综合考虑电力平衡、常规电源(火电、水电)出力、常规电源机组启停、火电机组供热、电网旋转备用容量等约束条件。具体建模方法如下：
(1)电力平衡
Pall.n(t)+Pw,n(t)+Ppv,n(t)+Ln,m(t)＝Pl(t) (3)
式中，Pall.n(t)为t时刻所有常规机组发电出力的总功率，Ln,m(t)为新能源基地n向受端电网m的传输功率，Pl(t)为t时刻的总电力负荷。
(2)常规电源机组启停
Figure BDA0001385182080000065
式中，Xj(t)为机组j在t时刻的运行状态，“1”表示处于运行状态，“0”表示未处于运行状态；Yj(t)为机组j在t时刻的启动状态，“1”表示处于启动状态，“0”表示未处于启动状态；Zj(t)为机组j在t时刻的停机状态，“1”表示处于停机状态，“0”表示未处于停机状态。
(3)常规电源出力
Xj(t)·Pj,min≤Pj(t)≤Pj,max·Xj(t) (5)
Pj(t+1)-Pj(t)≤ΔPj,up (6)
Pj(t)-Pj(t+1)≤ΔPj,down (7)
式中，Pj,min、Pj,max分别为机组j的出力下限和出力上限，ΔPj,up、ΔPj,down分别为机组j上爬坡率最大值和下爬坡率的最大值。
(4)火电机组供热
Figure BDA0001385182080000071
Figure BDA0001385182080000072
式中，Pj,BY(t)为t时刻背压型火电机组出力，
Figure BDA0001385182080000073
为供热机组热电耦合系数，Hj(t)为t时刻热需求；Pj,CQ(t)为t时刻抽汽型火电机组出力。
(5)电网旋转备用容量
Figure BDA0001385182080000074
式中，J为运行机组总台数，PPre和PNre分别为电网的上旋转备用和下旋转备用。
步骤2-3：外送通道建模
Figure BDA0001385182080000075
式中，
Figure BDA0001385182080000076
分别为新能源基地外送通道输电容量的下限值和上限值。设定输电功率参考方向为：流入区域为正方向，流出区域为负方向。
步骤2-4：优化求解。对步骤2-1至2-3建立的电网时序仿真模型进行优化求解，优化每个时间断面的新能源发限电情况。优化目标为新能源消纳，见式(12)。
Figure BDA0001385182080000077
式中，T为优化总时段，通常为全年，N为新能源外送基地数量。
步骤3-1：设置计算参数。计算参数包括外送通道容量、可接受的新能源限电率(预期水平)。
步骤3-2：新能源基地消纳能力计算。通过步骤2建立的电网时序仿真模型，对步骤3-1设置的参数值进行优化计算。
步骤3-3：优化结果对比。当新能源消纳情况低于预期限电率，减小外送通道容量，新能源消纳情况高于预期限电率，增加外送通道容量，直至优化出可接受的新能源限电率时外送通道容量的最小值，作为新能源基地外送通道的设计容量。
采用本专利提出的新能源基地外送通道输电容量规划方法，基于某电网开展案例分析，优化计算新能源基地外送通道输电容量。案例相关参数包括新能源基地数据和受端电网数据，详细参数如下：
(1)新能源基地数据
新能源基地数据包括风电、光伏发电出力特性数据以及新能源装机容量数据，风电、光伏发电出力样本数据为全年15分钟一点的时间序列。以一周出力样本为例，风电、光伏发电出力样本分别如图3和图4所示。
新能源装机容量为数据考虑到逐月新能源装机的增长，新能源装机容量按月准备。本案例风电、光伏发电装机容量在年底分别达到620MW和3300MW，分月装机容量如表1所示。
表1新能源分月装机容量(单位：MW)
月份 风电 光伏
1月 470 2650
2月 470 2750
3月 470 2750
4月 470 2900
5月 520 2900
6月 520 2900
7月 520 3000
8月 520 3100
9月 520 3100
10月 520 3200
11月 620 3200
12月 620 3300
(2)受端电网数据
本案例新能源发电受端电网以水电机组为主，水电机组装机容量为5400MW，其中单机300MW水电机组5台、单机320MW水电机组4台、单机340MW水电机组3台、单机400MW水电机组4台，水电机组灵活调节能力强，最小技术出力为0。火电机组装机容量为3785MW，其中单机125MW火电机组5台、单机135MW火电机组4台、单机300MW火电机组2台、单机350MW火电机组2台、单机660MW火电机组2台，火电机组最小技术出力为50％。本案例受端电网负荷年电量为59.81TWh，负荷最大值为777MW，以一周出力样本为例，负荷出力样本如图5所示。
(3)案例分析
基于以上数据，采用本发明提出方法计算了新能源基地外送通道输电容量分别为900MW、1100MW、1300MW、1500MW和1700MW时，新能源弃电率与外送通道输电容量关系，如图6所示。利用本发明所提方法测算结果显示，在上述断面输电容量下新能源弃电量分别为1285GWh、874GWh、524GWh、249GWh和85GWh，新能源弃电率分别为20.9％、14.2％、8.5％、4.0％和1.4％。若新能源基地允许弃电率不超过5％，则外送通道输电容量需要达到1450MW。
最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，包括：
新能源基地出力数据统计；
根据所述新能源基地出力数据构建电网时序仿真模型；
根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算，得到外送通道容量的最优值；
所述根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算，得到外送通道容量的最优值包括：
设置计算参数，所述计算参数包括预先设定的外送通道容量和预期限电率；
基于所述电网时序仿真模型，对所述设置的参数进行优化计算得到外送通道容量的最优值；
所述对所述设置的参数进行优化计算得到外送通道容量的最优值包括：
当新能源消纳低于预期限电率，则减少所述预先设定的外送通道容量；新能源消纳高于预期限电率，则增加所述预先设定的外送通道容量；
直至得出可接受的新能源限电率时外送通道容量的最小值，所述最小值为外送通道容量的最优值。
2.如权利要求1所述的一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，所述新能源基地出力数据统计包括：
根据新能源基地历史运行年度出力数据和历史记录的风电和太阳能发电限电数据，对新能源出力数据进行限电还原，分别获取风电和太阳能发电的理论功率；
将风电和太阳能发电的理论功率数据除以对应时刻的装机容量，分别得到风电和太阳能发电的归一化数据。
3.如权利要求1所述的一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，所述构建电网时序仿真模型包括：
根据所述新能源基地出力数据构建新能源基地风电和太阳能发电出力模型；
构建新能源发电受端电网模型；
构建外送通道模型；
根据新能源基地风电和太阳能发电出力模型、新能源发电受端电网模型和外送通道模型，对每个时间断面的新能源发限电情况进行优化。
4.如权利要求3所述的一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，所述新能源基地风电和太阳能发电出力模型包括：风电和太阳能发电功率约束，如下式所示：
Figure FDA0003051941640000021
Figure FDA0003051941640000022
其中，Pw,n(t)为新能源基地n在t时刻的风电功率；
Figure FDA0003051941640000023
为新能源基地n在t时刻的风电理论功率；Ppv,n(t)为新能源基地n在t时刻的太阳能发电功率；
Figure FDA0003051941640000024
为新能源基地n在t时刻的太阳能发电理论功率。
5.如权利要求3所述的一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，所述新能源发电受端电网模型包括：
电力平衡约束：
Pall.n(t)+Pw,n(t)+Ppv,n(t)+Ln,m(t)＝Pl(t)
其中，Pall.n(t)为t时刻所有常规机组发电出力的总功率；Ln,m(t)为新能源基地n向受端电网m的传输功率；Pl(t)为t时刻的总电力负荷；
常规电源机组启停约束：
Figure FDA0003051941640000025
其中，Xj(t)为机组j在t时刻的运行状态；Yj(t)为机组j在t时刻的启动状态；Zj(t)为机组j在t时刻的停机状态；
常规电源出力约束：
Xj(t)·Pj,min≤Pj(t)≤Pj,max·Xj(t)
Pj(t+1)-Pj(t)≤ΔPj,up
Pj(t)-Pj(t+1)≤ΔPj,down
其中，Pj,min和Pj,max分别为机组j的出力下限和出力上限；ΔPj,up和ΔPj,down分别为机组j上爬坡率最大值和下爬坡率的最大值；
火电机组供热出力约束：
Figure FDA0003051941640000031
Figure FDA0003051941640000039
其中，Pj,BY(t)为t时刻背压型火电机组出力；
Figure FDA0003051941640000032
为供热机组热电耦合系数；Hj(t)为t时刻热需求；Pj,CQ(t)为t时刻抽汽型火电机组出力；
电网旋转备用容量约束：
Figure FDA0003051941640000033
Figure FDA0003051941640000034
其中，J为运行机组总台数；PPre和PNre分别为电网的上旋转备用和下旋转备用。
6.如权利要求3所述的一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，所述外送通道模型包括：
Figure FDA0003051941640000035
Ln,m(t)＝-Lm,n(t)
Ln,n(t)＝0
其中，
Figure FDA0003051941640000036
和
Figure FDA0003051941640000037
分别为新能源基地外送通道输电容量的下限值和上限值，Ln,m(t)为新能源基地n向受端电网m的传输功率。
7.如权利要求3所述的一种新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法，其特征在于，所述根据新能源基地风电和太阳能发电出力模型、新能源发电受端电网模型和外送通道模型，对每个时间断面的新能源发限电情况进行优化包括：新能源消纳为优化目标，如下式所示：
Figure FDA0003051941640000038
其中，T为优化总时段；N为新能源外送基地数量。
8.用于如权利要求1-7任一项所述新能源基地外送通道输电容量的优化规划方法的优化规划装置，其特征在于，所述装置包括：
数据采集模块，用于新能源基地出力数据统计；
模型建立模块，用于根据所述新能源基地出力数据构建电网时序仿真模型；
优化模块，用于根据所述电网时序仿真模型进行新能源基地外送通道容量的优化计算；
所述数据采集模块，用于，
根据新能源基地历史运行年度出力数据和历史记录的风电和太阳能发电限电数据，对新能源出力数据进行限电还原，分别获取风电和太阳能发电的理论功率；
将风电和太阳能发电的理论功率数据除以对应时刻的装机容量，分别得到风电和太阳能发电的归一化数据；
所述模型建立模块包括：
新能源出力模型子模块，用于根据所述新能源基地出力数据构建新能源基地风电和太阳能发电出力模型；
受端电网模型子模块，用于构建新能源发电受端电网模型；
外送通道模型子模块，用于构建外送通道模型；
优化子模块，用于根据新能源基地风电和太阳能发电出力模型、新能源发电受端电网模型和外送通道模型，对每个时间断面的新能源发限电情况进行优化；
所述优化模块包括：
设置子模块，用于设置计算参数，所述计算参数包括预先设定的外送通道容量和预期限电率；
计算子模块，用于基于所述电网时序仿真模型，对所述设置的参数进行优化计算得到外送通道容量的最优值。
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