本發(fā)明涉及一種新能源技術(shù)，特別是基于Copula函數(shù)的多風(fēng)電場(chǎng)容量可信度評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電場(chǎng)出力具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，屬于一種不可控的電源形式，其并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的容量貢獻(xiàn)與常

并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的容量貢獻(xiàn)與常規(guī)機(jī)組有較大不同，因此客觀評(píng)價(jià)風(fēng)電場(chǎng)的容量可信度對(duì)接入系統(tǒng)的長(zhǎng)期規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行以及可靠性評(píng)估等相關(guān)問題具有十分重要的意義。

目前主要針對(duì)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的可信容量評(píng)估進(jìn)行了深入研究，隨著風(fēng)力資源的進(jìn)一步開發(fā)，同一風(fēng)區(qū)將存在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)接入系統(tǒng)，空間位置臨近的風(fēng)電場(chǎng)出力存在一定的相關(guān)性，這將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃帶來(lái)較大的影響。因此，為準(zhǔn)確評(píng)估大容量風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)的容量貢獻(xiàn)，有必要考慮位置臨近多風(fēng)電場(chǎng)間出力相關(guān)性對(duì)可信容量的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于Copula函數(shù)的多風(fēng)電場(chǎng)容量可信度評(píng)估方法，包括以下步驟：

步驟1，假定風(fēng)速變量服從Weibull分布，采用最大似然估計(jì)法估計(jì)風(fēng)速Weibull分布中的參數(shù)，確定風(fēng)速邊緣分布參數(shù)，再利用擬牛頓法求解Copula模型中的分步參數(shù)；

步驟2，采用基于經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)和理論Copula函數(shù)的最短距離來(lái)選取Copula函數(shù)作為描述風(fēng)速變量相關(guān)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)函數(shù)；

步驟3，用一種條件抽樣法產(chǎn)生服從N維Copula函數(shù)的隨機(jī)向量，通過(guò)風(fēng)速邊緣分布的逆變換得出風(fēng)速樣本；

步驟4，根據(jù)上述方法建立多風(fēng)電場(chǎng)出力聯(lián)合概率分布，將風(fēng)電場(chǎng)等效為多狀態(tài)機(jī)組并入原始系統(tǒng)，模擬隨機(jī)生產(chǎn)，計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，利用截弦法調(diào)節(jié)新增常規(guī)機(jī)組的容量，使新系統(tǒng)(與風(fēng)電容量等效的傳統(tǒng)機(jī)組加入后的系統(tǒng))與含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)相差在一定的誤差范圍之內(nèi)，由此迭代得到風(fēng)電場(chǎng)可信容量。

現(xiàn)有研究主要針對(duì)對(duì)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的可信容量評(píng)估進(jìn)行了深入研究，隨著風(fēng)力資源的進(jìn)一步開發(fā)，同一風(fēng)區(qū)將存在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)接入系統(tǒng)，空間位置臨近的風(fēng)電場(chǎng)出力存在一定的相關(guān)性，這將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃帶來(lái)較大的影響；而本發(fā)明考慮多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出力相關(guān)性，更為實(shí)際表現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電情況。同時(shí)，運(yùn)用多維Copula函數(shù)，模擬考慮多風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速相關(guān)性，得到更接近實(shí)際情況的風(fēng)速樣本。

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

附圖說(shuō)明

圖1風(fēng)電容量可信度評(píng)估實(shí)施流程圖。

圖2是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速重新分布圖。

圖3是風(fēng)電可信容量搜索中的截弦法示意圖。

圖4兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序出力曲線圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1至圖4，本發(fā)明首先通過(guò)構(gòu)造一種多維Copula函數(shù)，通過(guò)分布參數(shù)估計(jì)法，估計(jì)風(fēng)電場(chǎng)的邊緣分布函數(shù)的參數(shù)和Copula函數(shù)中的參數(shù)，再用最短距離法選取最優(yōu)Copula函數(shù)，用條件抽樣法產(chǎn)生具有相關(guān)性的多維風(fēng)速樣本。在此基礎(chǔ)上提出出力相關(guān)的多風(fēng)電場(chǎng)容量可信度評(píng)估方法，并采用截弦法計(jì)算得到風(fēng)電場(chǎng)的容量可信度。具體優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步，通過(guò)考慮風(fēng)速變量服從Weibull參數(shù)分布模型，可以用最大似然估計(jì)法來(lái)估計(jì)風(fēng)速Weibull分布中的參數(shù)λ_i和k_i其表達(dá)式如下：

風(fēng)速v的Weibull概率密度函數(shù)為

風(fēng)速v的Weibull累積分布函數(shù)為

其中k>0為形狀參數(shù)，λ＞0為尺度參數(shù)。在得出邊緣分布的參數(shù)后，將λ_i和k_i代入下式

用擬牛頓法求解上式，得到相關(guān)性參數(shù)矩陣ρ或相關(guān)性參數(shù)α的估計(jì)值；

其中u_i＝F_i(v_i,t,λ_i,k_i)為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速v_i的邊緣分布函數(shù)，i＝1,2,...,N，t＝1,2,...,n，N為Copula函數(shù)的元數(shù)，n為風(fēng)速樣本數(shù)，c為Copula密度函數(shù)，式中argmax表示上式達(dá)到最大值時(shí)的ρ或α的取值。

第二步，確定多維Copula函數(shù)的分步參數(shù)后，根據(jù)風(fēng)速之間的相關(guān)性選用最適當(dāng)?shù)腃opula函數(shù)。Copula函數(shù)主要有多元正態(tài)Copula函數(shù)，多元t-Copula數(shù)和阿基米德Copula函數(shù)。

N元正態(tài)Copula分布函數(shù)可表示為

C(u₁,u₂,...,u_N；ρ)＝Φ_ρ(Φ^-1(u₁),...,Φ^-1(u_N))

式中ρ是相關(guān)性參數(shù)矩陣；Φ_ρ(·,...,·)是以ρ為相關(guān)性參數(shù)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)多元正態(tài)分布元函數(shù)；Φ^-1(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的逆函數(shù)。需要指出的是，二元正態(tài)Copula分布函數(shù)中的相關(guān)系數(shù)用α來(lái)表示。

N元t-Copula分布函數(shù)可表示為：

C(u₁,u₂,...,u_N；ρ,k)＝t_ρ,k(t_k^-1(u₁),...,t_k^-1(u_N))

式中ρ是相關(guān)性參數(shù)矩陣；t_ρ,k(·,...,·)是以ρ為相關(guān)性參數(shù)矩陣、自由度為k的標(biāo)準(zhǔn)N元t分布函數(shù)，t_k^-1是自由度為k的一元t分布函數(shù)的逆函數(shù)。需要指出的是，二元t-Copula分布函數(shù)中的相關(guān)系數(shù)用α來(lái)表示。

N元阿基米德Copula函數(shù)可表示為

式中α是相關(guān)性參數(shù)，為阿基米德函數(shù)的生成元。

計(jì)算Kendall秩相關(guān)系數(shù)，反映多元Copula函數(shù)的相依性。一般形式：

τ＝P[(X₁-X₂)(Y₁-Y₂)＞0]-P[(X₁-X₂)(Y₁-Y₂)＜0]

式中，(X₁,Y₁)(X₂,Y₂)是獨(dú)立且與(X,Y)具有同分布的隨機(jī)向量。

二元Copula函數(shù)C(u₁,u₂)[0,1]的Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ：

本發(fā)明提出采用基于經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)和理論Copula函數(shù)的最短距離來(lái)選取最適當(dāng)?shù)腃opula函數(shù)。經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)可采用下式表示：

式中I(·)為示性函數(shù)，若括號(hào)內(nèi)條件滿足，則I＝1；反之為0；是容量為n的風(fēng)速樣本的秩統(tǒng)計(jì)量；N為Copula函數(shù)的元數(shù)，且1≤t₁,...,t_N≤n。

經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)與理論Copula函數(shù)之間的歐式距離可通過(guò)下式計(jì)算：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇距離最小的理論Copula函數(shù)作為描述風(fēng)速變量相關(guān)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)函數(shù)。

第三步，當(dāng)描述風(fēng)速的相關(guān)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)Copula函數(shù)確定后，用一種條件抽樣法產(chǎn)生具有相關(guān)性的多維風(fēng)速樣本，包括下面三步：

(1)生成包含N個(gè)獨(dú)立的服從(0,1)均勻分布的隨機(jī)數(shù)向量(Y1,...,Yn)；

(2)按如下遞歸算法，產(chǎn)生服從N維Copula函數(shù)C的隨機(jī)數(shù)向量(u1,...,uN)：

u_k＝C^-1(u_k,...u_k-1)(Y_k),k＝1,2,...,N

其中，

其中

(3)通過(guò)風(fēng)速邊緣分布的逆變換得出風(fēng)速樣本

第四步，根據(jù)上述方法建立多風(fēng)電場(chǎng)出力聯(lián)合概率分布，將風(fēng)電場(chǎng)等效為多狀態(tài)機(jī)組并入原始系統(tǒng)，依照隨機(jī)生產(chǎn)模擬的思路，首先計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，如電力不足概率(LOLP)、電力不足期望值(LOLE)和電量不足期望值(EENS)等；然后計(jì)算原始系統(tǒng)增加一定步長(zhǎng)容量的常規(guī)機(jī)組后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，利用截弦法調(diào)節(jié)新增常規(guī)機(jī)組的容量，使新系統(tǒng)與含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)相差在一定的誤差范圍之內(nèi)，由此迭代得到的新增常規(guī)機(jī)組的容量即可定義為風(fēng)電場(chǎng)可信容量。

設(shè)常規(guī)機(jī)組g容量為C_g，d_t為風(fēng)電場(chǎng)組成的風(fēng)電系統(tǒng)下t時(shí)刻負(fù)荷水平，P_w,t為風(fēng)電場(chǎng)W在t時(shí)刻的出力，G與W分別表示常規(guī)機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組的集合,可信容量評(píng)估時(shí)間范圍為T(一般取1年)，含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)計(jì)算如下：

其中，P_w,t是風(fēng)電場(chǎng)基于實(shí)時(shí)風(fēng)速計(jì)算的風(fēng)機(jī)輸出功率，ρ為空氣密度，R為風(fēng)機(jī)半徑，f_N是電網(wǎng)額定頻率，β、w分別是相應(yīng)風(fēng)機(jī)的槳距角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，G為齒輪箱變比，p為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，C_p為風(fēng)力機(jī)特性函數(shù)；

電力不足頻率是指一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)由電力充裕狀態(tài)變?yōu)殡娏Σ蛔銧顟B(tài)的平均次數(shù)，單位為次/年，電力不足持續(xù)時(shí)間為每次系統(tǒng)處于停電狀態(tài)平均持續(xù)時(shí)間，單位為小時(shí)。

截弦法計(jì)算包括以下步驟：

步驟4.1，獲取R₀＝P(d_t＞P_w,t)或或

步驟4.2，獲取R₁＝LOLP_t或R₁＝LOLE_t或R₁＝EENS_t；

步驟4.3，建立虛擬機(jī)組(風(fēng)電等效的傳統(tǒng)機(jī)組)容量P_v和可靠性指標(biāo)R間的坐標(biāo)系，其中橫坐標(biāo)為虛擬機(jī)組容量、縱坐標(biāo)為可靠性；容量的上下限對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，虛擬機(jī)組容量下限設(shè)為0，上限P_max可設(shè)為風(fēng)電場(chǎng)容量；

步驟4.4，計(jì)算虛擬機(jī)組容量的上下限對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，虛擬機(jī)組容量下限設(shè)為0，上限P_max設(shè)為風(fēng)電場(chǎng)容量；

步驟4.5，連接坐標(biāo)系中(0,R_max)和(P_max,R_min)且計(jì)算該連線L₁與R₀的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)P₁，其中R_max和R_min分別為可靠性指標(biāo)R的對(duì)應(yīng)值；

步驟4.6，獲取虛擬機(jī)組容量為P₁時(shí)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；

步驟4.7，連接坐標(biāo)系中(0,R_max)和(P₁,R₁)且計(jì)算該連線L₂與R₀的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)P₂；

步驟4.8，按照步驟4.3至步驟4.7獲取的規(guī)律分別得到P₃、P₄...直至收斂獲取虛擬機(jī)組可靠性指標(biāo)P_v；

步驟4.9，調(diào)節(jié)新系統(tǒng)裝機(jī)容量，當(dāng)裝機(jī)容量C_E＝P_v時(shí)，獲得該容量對(duì)應(yīng)的可靠性指標(biāo)R(c_k)與R₁滿足e為給定精度；若不滿足重復(fù)步驟4.8。

若接入電力系統(tǒng)的多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為C_wind，則多風(fēng)電場(chǎng)容量可信度為：

C_credit＝C_E/C_wind。

以IEEE RTS-96系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用本發(fā)明所提方法，進(jìn)行了出力相關(guān)多風(fēng)電場(chǎng)的容量可信度研究。該系統(tǒng)總裝機(jī)容量為10250MW，系統(tǒng)峰荷為8550MW。在該系統(tǒng)中接入2個(gè)處于同一風(fēng)區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，額定裝機(jī)容量均為512MW。

表1中描述的風(fēng)電場(chǎng)基本信息，根據(jù)本發(fā)明所述多風(fēng)電場(chǎng)容量可信度評(píng)估方法，分別計(jì)算考慮相關(guān)性和不考慮相關(guān)性時(shí)兩風(fēng)電場(chǎng)的可信容量，計(jì)算得到的各方案可靠性指標(biāo)及可信容量如表2所示。由表2可以看出，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)的可靠性水平得到了明顯提高。對(duì)于地理位置相近的2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，考慮其出力相關(guān)性后對(duì)系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)的容量可信度比不考慮相關(guān)性時(shí)降低了22.8％。因此，風(fēng)電場(chǎng)出力相關(guān)程度將是影響評(píng)估同一風(fēng)區(qū)內(nèi)多風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的風(fēng)電容量可信度水平的關(guān)鍵因素。

表1風(fēng)電場(chǎng)基本信息

表2系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)及風(fēng)電容量可信度