一種基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法，屬于電力系統自動化技術領域。本發明結合風光發電的可變性和不穩定性對電網的影響，以及外部負荷水平及其變化情況，以電力系統的靜態穩定約束和無功控制為條件，通過概率潮流計算得出風光電站出力公共并網點的電壓的變化范圍，以并網點電壓的規定范圍為指標，對風光電站最大化并入電網的能力進行評估。本發明能夠提高風光電站的安全穩定運行水平，有效保障風光電站發電量，提升節能減排效益。
【專利說明】
一種基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統自動化技術領域，具體地說本發明涉及一種基于概率潮流計 算的新能源穿透率評估方法。
【背景技術】
[0002] 化石能源的緊缺和大氣污染的日益嚴重，使人類意識到能源的可持續發展的重要 性和緊迫性。近年來，風能和太陽能等可再生能源作為清潔能源得到了廣泛的關注和大力 的發展。然而風能和太陽能能源的大規模并網，其波動性和隨機性也給電網的穩定運行帶 來了巨大挑戰。多變性和不確定性是現代電力系統的固有的兩個因素，確定性潮流分析方 法只能分析特定的電網運行情況，如系統出現最嚴重故障時電網的運行情況，其提供的結 果太過保守，已經不能滿足分析含有波動性電源及負荷的電網的需要。作為有效求解隨機 參數潮流方程的一種方法，概率潮流計算是分析這種含有波動性和隨機性的電網的有效工 具。
[0003] 風光電站站內規劃主要是無功補償裝置的配備問題，無功補償裝置不足，會導致 站內電壓跌落，從而影響電能質量;無功補償裝置配備過剩則會造成資源的浪費。另外，新 能源并網點的電壓也會受到電網中負荷波動的影響。因此，站內的無功補償不單單要考慮 電站內光伏電站的出力波動，也要考慮外部電網的負荷水平。
【發明內容】
[0004] 本發明目的是:解決上述背景下波動性電源站內規劃技術上存在的不足，提供一 種基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法。該方法能夠通過概率潮流計算得出風光電 站出力公共并網點的電壓的變化范圍，以并網點電壓的規定范圍為指標，對風光電站最大 化并入電網的能力進行評估。
[0005] 具體地說，本發明是采用以下技術方案實現的，包括以下步驟：
[0006] 1)建立風光電站功率以及負荷功率的概率分布模型；
[0007] 2)基于拉丁超立方抽樣方法對概率潮流計算的各個輸入變量進行抽樣；
[0008] 3)依據各個輸入變量之間的相關性，利用Cholesky分解方法或改進拉丁超立方排 列方法對輸入變量進行排列處理；
[0009 ] 4)初始化概率潮流計算，記錄此時的波動電源的總裝機容量P;
[0010] 5)增加波動電源的總裝機容量ΔΡ，利用蒙特卡洛模擬法把抽樣結果代入潮流計 算，利用牛頓-拉夫遜迭代方法計算潮流；
[0011] 6)以電壓合格率為指標，判斷各個節點電壓的波動范圍是否在該電壓等級規定的 電壓合格率范圍內，如果是，進入步驟5)，否則進入步驟7);
[0012] 7)電壓合格率越限，表明該節點新能源穿透率已達到最大值，此時的總裝機容量P 減去裝機容量增量A P，輸出結果。
[0013] 上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟1)包括：
[0014]假設風速服從兩參數的We ibull分布，其概率模型為：
[0016] 上述式中，X為風速，a、b分別代表Weibull分布的兩個參數，a為尺度參數，b為形狀 參數；
[0017]將風速概率模型代入下式，利用如下式所示的典型的風機輸出功率模型即可得到 風機的輸出功率：
[0019] 上述式中，Pwind為風機的輸出功率，Ws為當時的風速，Vi為切入風速，Vr為額定風 速，Vo為切出風速，Pr為風機的額定功率；
[0020] 以正態分布模型作為負荷的概率模型：
[0023]上述式中，p、q分別為負荷的有功、無功功率，μ為位置參數，0為尺度參數。
[0024] 上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟2)包括：
[0025] 列出各個節點的負荷、風機或太陽能電站，其有功作為各個節點的隨機變量，設各 個節點為恒功率因素方式，得到各個變量對應的無功功率；
[0026] 假設上述隨機變量共為Μ個，分別為XI，Χ2···ΧΜ，Χιη為其中任意一個變量，其累積概 率分布函數為：
[0027] Ym = Fm(Xm)
[0028] 把函數Ym分成N個等距區間，選擇每個等距區間的中點作為采樣點，通過累計概率 分布的反函數求得變量x m的采樣值;將各隨機變量的采樣值按照行為采樣值，列為變量名 排成一個MX N的矩陣C:
[0030]上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟5)利用牛頓-拉夫遜迭代方法計算潮 流，其等式約束為：
[0032]其中，N為節點總數，Ui為i節點的電壓幅值，U j為j節點的電壓幅值，Θ i j為節點i和 j之間的相角差，Gi j為節點i和j之間的電導，Bi j為節點i和j之間的電納，Pi和Qi分別為節 點i輸入的有功功率和無功功率；
[0033] 其不等式約束有：
[0035] Pg、Qg為發電機的有功、無功出力，PGmin、PGmax為發電機有功出力的上下限，Q Gmin、 QCmax為發電機無功出力的上下限，Pk為線路承載的功率，P^at(3d為線路額定功率，P Tr為變 壓器承載的功率，PTr_rated為變壓器額定功率。
[0036]上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟6)判斷各個節點電壓的波動范圍是否 在該電壓等級規定的電壓合格率范圍內的方法如下：依據節點電壓等級的門限值為標準， 判斷概率潮流的各個迭代結果是否越限，計算每個節點的電壓合格率：
[0038]式中，ru為第i個節點的電壓合格率，Ni為第i個節點概率潮流采樣的總個數，Nithre 為第i個節點電壓越限的采樣點個數。
[0039] 本發明的有益效果如下:本發明通過概率潮流計算得出風光電站出力公共并網點 的電壓的變化范圍，以并網點電壓的規定范圍為指標，對風光電站最大化并入電網的能力 進行評估，能夠提高風光電站的安全穩定運行水平，有效保障風、光電站發電量，提升節能 減排效益。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發明的流程圖。
[0041] 圖2為實施例中整體電網的主要拓撲結構圖。
[0042]圖3為概率潮流迭代中電壓波動的幅值。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合實施例并參照附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0044] 實施例1:
[0045] 本發明的一個實施例，其步驟如圖1所示。
[0046]步驟1是建立風光電站功率以及負荷功率的概率分布模型，具體包括以下內容： [0047]假設風速服從兩參數的We ibull分布，其概率模型為：
[0049] 上述式中，X為風速，a、b分別代表Weibull分布的兩個參數，a為尺度參數，b為形狀 參數；
[0050]將風速概率模型代入下式，利用如下式所示的典型的風機輸出功率模型即可得到 風機的輸出功率：
[0052] 上述式中，Pwind為風機的輸出功率，Ws為當時的風速，Vi為切入風速，Vr為額定風 速，Vo為切出風速，Pr為風機的額定功率；
[0053]以正態分布模型作為負荷的概率模型：
[0050]上述式中，p、q分別為負荷的有功、無功功率，μ為位置參數，〇為尺度參數。
[0057]步驟2是基于拉丁超立方抽樣方法對概率潮流計算的各個輸入變量進行抽樣，具 體包括以下內容：
[0058] 列出各個節點的負荷、風機或太陽能電站，其有功作為各個節點的隨機變量，為計 算簡便，設各個節點為恒功率因素方式，可以得到各個變量對應的無功功率。
[0059] 假設上述隨機變量共為Μ個，分別為XI，Χ2···ΧΜ，Χιη為其中任意一個變量，其累積概 率分布函數為：
[0060] Ym=Fm(Xm)
[0061] 把函數Ym分成N個等距區間，選擇每個等距區間的中點作為采樣點，通過累計概率 分布的反函數求得變量x m的采樣值;將各隨機變量的采樣值按照行為采樣值，列為變量名 排成一個MX N的矩陣C:
[0063] 步驟3是依據各個輸入變量之間的相關性，利用Cholesky分解方法或改進拉丁超 立方排列方法對輸入變量進行排列處理，以減少變量間的相關性對概率潮流算出的結果的 影響。
[0064] 步驟4是初始化概率潮流計算，記錄此時的波動電源的總裝機容量P。
[0065] 步驟5是增加波動電源的總裝機容量ΔΡ，利用蒙特卡洛模擬法把抽樣結果代入潮 流計算，利用牛頓-拉夫遜迭代方法計算潮流，其等式約束為：
[0067]其中，N為節點總數，Ui為i節點的電壓幅值，U j為j節點的電壓幅值，Θ i j為節點i和 j之間的相角差，Gi j為節點i和j之間的電導，Bi j為節點i和j之間的電納，Pi和Qi分別為節 點i輸入的有功功率和無功功率；
[0068] 其不等式約束有：
[0070] Pg、Qg為發電機的有功、無功出力，PGmin、PGMS發電機有功出力的上下限，Qcmin、 QCmax為發電機無功出力的上下限，Pk為線路承載的功率，P^at(3d為線路額定功率，P Tr為變 壓器承載的功率，PTr_rated為變壓器額定功率。
[0071] 步驟6是以電壓合格率為指標，判斷各個節點電壓的波動范圍是否在該電壓等級 規定的電壓合格率范圍內，如果是，進入步驟5)，否則進入步驟7)。判斷各個節點電壓的波 動范圍是否在該電壓等級規定的電壓合格率范圍內的方法如下：：依據節點電壓等級的門 限值為標準，判斷概率潮流的各個迭代結果是否越限，計算每個節點的電壓合格率：
[0073]式中，Hi為第i個節點的電壓合格率，Ni為第i個節點概率潮流采樣的總個數，Nithre 為第i個節點電壓越限的采樣點個數。。
[0074] 步驟7是此時的總裝機容量P減去裝機容量增量ΔΡ，輸出結果。電壓合格率越限， 表面該節點新能源穿透率已達到最大值。
[0075] 以下給出本實施例的仿真數據。該數據來自IEEE-14節點網絡，風機的位置位于母 線8號節點上，替換了原有的同步發電機SG3,如圖2所示。本實施例以母線8號節點的電壓的 波動為例說明了本發明的實用性和有效性，風機隨著裝機容量的逐步增加，其并網點上的 電壓呈下降趨勢。
[0076]首先，要對風電接入點的電壓合格率進行設定，本項案例中設定風電接入點的電 壓合格率為不少于95 %。
[0077]將負荷變量與風機變量利用拉丁超立方抽樣方法進行抽樣排列，利用蒙特卡洛法 對抽取的樣本進行迭代，得出的電壓波動的幅值如圖3所示。設該節點電壓水平的允許波動 范圍是(0.95,1.05)，統計出電壓越限的樣品個數，計算出電壓合格率為98.6%。
[0078] 在此基礎上，設定風電的裝機容量以5MW的增長率增加，與此同時，同步電機的裝 機容量做相應的減少，將此時的風電值代入蒙特卡洛方法進行迭代，統計出電壓越限的樣 品個數，計算出電壓合格率為97.8 %。
[0079] 當風電裝機容量再次增加，直到電壓合格率降到95%以下。記錄上一次迭代時風 機的裝機容量，即為并網點處可容納新能源發電的最大值。
[0080] 雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發明的。在不 脫離本發明之精神和范圍內，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發明之保護范圍。因 此本發明的保護范圍應當以本申請的權利要求所界定的內容為標準。
【主權項】
1. 一種基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 建立風光電站功率以及負荷功率的概率分布模型； 2) 基于拉丁超立方抽樣方法對概率潮流計算的各個輸入變量進行抽樣； 3) 依據各個輸入變量之間的相關性，利用Cholesky分解方法或改進拉丁超立方排列方 法對輸入變量進行排列處理； 4) 初始化概率潮流計算，記錄此時的波動電源的總裝機容量P; 5) 增加波動電源的總裝機容量ΔΡ，利用蒙特卡洛模擬法把抽樣結果代入潮流計算，利 用牛頓-拉夫遜迭代方法計算潮流； 6) 以電壓合格率為指標，判斷各個節點電壓的波動范圍是否在該電壓等級規定的電壓 合格率范圍內，如果是，進入步驟5)，否則進入步驟7); 7) 電壓合格率越限，表明該節點新能源穿透率已達到最大值，此時的總裝機容量P減去 裝機容量增量AP，輸出結果。2. 根據權利要求1所述的基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法，其特征在于，所 述步驟1)包括： 廂沿ra迪日13 u而余:撒的W。,· u 1分布，其櫚;率模型為：上述式中，X為風速，a、b分別代表Weibull分布的兩個參數，a為尺度參數，b為形狀參 數； 將風速概率模型代入下式，利用如下式所示的典型的風機輸出功率模型即可得到風機 的輸出功率：上述式中，Pwind為風機的輸出功率，Ws為當時的風速，Vi為切入風速，Vr為額定風速， Vo為切出風速，Pr為風機的額定功率； 以正態分布模型作為負荷的概率模型：上述式中，P、q分別為負荷的有功、無功功率，μ為位置參數，σ為尺度參數。3. 根據權利要求1所述的基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法，其特征在于，所 述步驟2)包括： 列出各個節點的負荷、風機或太陽能電站，其有功作為各個節點的隨機變量，設各個節 點為恒功率因素方式，得到各個變量對應的無功功率； 假設上述隨機變量共為M個，分別為Xl，X2··· XM，Xm為其中任意一個變量，其累積概率分布 函數為： Ym = Fm(Xm) 把函數Ym分成N個等距區間，選擇每個等距區間的中點作為采樣點，通過累計概率分布 的反函數求得變量Xm的采樣值;將各隨機變量的采樣值按照行為采樣值，列為變量名排成 一個M X N的矩陣C:4. 根據權利要求1所述的基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法，其特征在于，所 述步驟5)利用牛頓-拉夫遜迭代方法計算潮流，其等式約束為：其中，N為節點總數，Ui為i節點的電壓幅值，Uj為j節點的電壓幅值，Θi j為節點i和j之 間的相角差，G i j為節點i和j之間的電導，B i j為節點i和j之間的電納，P i和Q i分別為節點i 輸入的有功功率和無功功率； 其不等式約束有：PC、QG為發電機的有功、無功出力，PGmin、PGmaxS發電機有功出力的上下限，QGmin、QGmaxS 發電機無功出力的上下限，Pune為線路承載的功率，PL_rated為線路額定功率，P Tr為變壓器承 載的功率，PTrrated為變壓器額定功率。5. 根據權利要求1所述的基于概率潮流計算的新能源穿透率評估方法，其特征在于，所 述步驟6)判斷各個節點電壓的波動范圍是否在該電壓等級規定的電壓合格率范圍內的方 法如下:依據節點電壓等級的門限值為標準，判斷概率潮流的各個迭代結果是否越限，計算 #木書占的由莊吞炊茲.式中，ni為第i個節點的電壓合格率，Ni為第i個節點概率潮流采樣的總個數，Nittm3為第i 個節點電壓越限的采樣點個數。
【文檔編號】H02J3/38GK106026111SQ201510999574
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年12月25日
【發明人】陳振寰, 張柏林, 傅錚, 張昊天, 張東良, 常康, 李全茂, 王昊昊, 侯銳杰, 宋建光, 汪馬翔, 韓杰, 吳峰, 張偉, 楊力, 張彥凱, 梁福波, 智勇, 拜潤卿, 陳仕彬, 李養俊, 郝如海, 高磊, 乾維江, 鄭小江, 李曉龍, 孫辰軍, 魏明磊, 高巖
【申請人】國網甘肅省電力公司電力科學研究院, 國網甘肅省電力公司, 國家電網公司, 國電南瑞科技股份有限公司, 國網河北省電力公司