一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于電力系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域的一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法。主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時(shí)序信息相結(jié)合的光伏電站出力建模以及計(jì)算光伏接入系統(tǒng)對可靠性指標(biāo)的影響限值；包括應(yīng)用模糊C均值聚類、按四種不同天氣類型對光伏電站歷史數(shù)據(jù)做聚類分析，在聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上創(chuàng)建光伏電站發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣，將光伏電站的轉(zhuǎn)移狀態(tài)分為16種基本類型，并對轉(zhuǎn)移狀態(tài)做ARMA時(shí)間序列建模，最終創(chuàng)建完整的考慮光伏電站狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時(shí)序特征的出力模型。此模型能更加真實(shí)的模擬光伏電站的出力情況。利用該出力模型測試光伏接入系統(tǒng)后對系統(tǒng)可靠性的影響，該方法簡單實(shí)用，對評估光伏接入對系統(tǒng)的影響具有積極作用。
【專利說明】
一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性 評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能光伏發(fā)電作為重要的可再生能源發(fā)電方式之一，越來越受到各個(gè)國家的重 視，并得到了快速的開發(fā)和應(yīng)用。我國發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出，到2020 年光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到2000Mffp，計(jì)劃年增長15%以上。
[0003 ]隨著光伏電站在電力系統(tǒng)中裝機(jī)容量所占比例的不斷增大，其隨機(jī)性、間歇性和 周期性的特點(diǎn)對電力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)劃、調(diào)度控制、可靠性等方面帶來極大影響。光伏電站接 入系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)可靠性的影響分析是指導(dǎo)光伏電站接入、制定光伏出力計(jì)劃、制定調(diào) 度方案的重要依據(jù)。
[0004] 現(xiàn)有的含光伏電站系統(tǒng)可靠性評估分為兩個(gè)主要步驟：1)建立能夠反映電站實(shí)際 出力特性的光伏發(fā)電模型。其主要方法有基于太陽跟蹤的基本輻照度模型法、晴空指數(shù)法、 分時(shí)段模型法、隨機(jī)模型法、考慮輻照波動的狀態(tài)轉(zhuǎn)移法、設(shè)備停運(yùn)率方法等。但現(xiàn)有研究 中對光伏電站出力建模中缺少同時(shí)考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型與時(shí)序模型相結(jié)合的建模方法，而 狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息與時(shí)序信息是光伏發(fā)電中不可忽略的兩大要素。2)可靠性計(jì)算。主要有解析 法和模擬法兩種，其中蒙特卡羅方法是計(jì)算系統(tǒng)可靠性的重要方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法，其特征在于， 主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時(shí)序信息相結(jié)合的光伏電站出力建模以及計(jì)算光伏接入系統(tǒng)對可 靠性指標(biāo)的影響限值;包括以下步驟：
[0006] 步驟1:運(yùn)用模糊C均值聚類方法(Fuzzy-c-means，F(xiàn)CM)對所選光伏電站歷史出力 數(shù)據(jù)做聚類分析；
[0007] 步驟2:根據(jù)聚類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息，創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn) 移概率矩陣Pw;
[0008] 步驟3:根據(jù)步驟2中的結(jié)果，將光伏電站的全部狀態(tài)轉(zhuǎn)移可能分為16種，即晴天、 少云、多云、陰雨四種天氣類型之間的互相轉(zhuǎn)移;對每一種轉(zhuǎn)移狀態(tài)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做自回歸 滑動平均(Auto-Regressive and Moving Average，ARMA)時(shí)間序列建模；
[0009] 步驟4:根據(jù)步驟1、2、3的結(jié)果生成全年光伏電站出力序列，模型評價(jià)準(zhǔn)確性指標(biāo) 選取均值、標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度函數(shù)(Probability Density Function，PDF);
[0010] 步驟5:應(yīng)用序貫蒙特卡羅方法計(jì)算光伏電站介入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo)，指標(biāo)選取失 負(fù)荷概率（Loss of Load Probability，L0LP)，無量綱；電力不足頻率（Loss of Load Frequency L0LF)，單位次/年；電力不足期望（Expected Power Not Supply，EPNS);
[0011] 步驟6:根據(jù)步驟5計(jì)算結(jié)果，計(jì)算光伏接入影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的限值，包括該光 伏電站接入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo)的上、下限。
[0012] 所述光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Pw為 ~P{A\A) P(B | A) P(C\A) P(D\A)~ P(A\B) P(B\B) P(C\B) P(D\B)
[0013] Pw = 、 n P{A\C) P{B\C) P(C\C) P(D\C) ' P(A\D) P(B\D) P(C\D) P(D\D)
[0014] 式中P(A | A)等為光伏電站的16種轉(zhuǎn)移狀態(tài)，如式中P(B | A)表示本日天氣類型為A、 次日天氣類型為B的條件概率，其他項(xiàng)含義類似。
[0015] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：
[0016] 1.在光伏發(fā)電出力建模中同時(shí)考慮了電站的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息和日出力時(shí)序信息，使 建模結(jié)果在統(tǒng)計(jì)特性上與實(shí)際情況更相符；
[0017] 2.提供了光伏電站出力建模與序貫蒙特卡洛仿真詳細(xì)流程與步驟，為光伏接入影 響電力系統(tǒng)可靠性分析方面提供參考，有利于該領(lǐng)域的發(fā)展；
[0018] 3.提出一種光伏接入對電力系統(tǒng)可靠性影響的限值計(jì)算方法，該方法簡單有效， 為制定光伏電站處理計(jì)劃、指導(dǎo)電力調(diào)度提供了重要的參考依據(jù)，保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。
【附圖說明】
[0019] 圖1為含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估流程圖。
[0020] 圖2為電站出力狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷方法圖。
[0021] 圖3為光伏建模方法流程圖。
[0022]圖4為序貫蒙特卡羅仿真流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明的目的是提出一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法，下面結(jié)合附圖 和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0024] 所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時(shí)序信息相 結(jié)合的光伏電站出力建模以及計(jì)算光伏接入系統(tǒng)對可靠性指標(biāo)的影響限值，包括以下步 驟：（如圖1所示）
[0025] 步驟1:運(yùn)用模糊C均值聚類方法(Fuzzy-c-means，F(xiàn)CM)對所選光伏電站歷史出力 數(shù)據(jù)，包括發(fā)電功率信息、天氣狀況做聚類分析；
[0026] 步驟2:根據(jù)聚類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息，創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn) 移概率矩陣PW ^P(A\A) P(B\A) P(C\A) P(D\A)~ P(A\B) P(B\B) P(C\B) P(D\B)
[0027] Pw = ' ' r P{A\C) P{B\C) P(C\C) P(D\C) P{A\D) P(B\D) P(C\D) I\D\D)
[0028]步驟3:根據(jù)步驟2中的結(jié)果，將光伏電站的全部狀態(tài)轉(zhuǎn)移可能分為16種，即晴天、 少云、多云、陰雨四種天氣類型之間的互相轉(zhuǎn)移;對每一種轉(zhuǎn)移狀態(tài)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做自回歸 滑動平均(Auto-Regressive and Moving Average，ARMA)時(shí)間序列建模；
[0029] 步驟4:根據(jù)步驟1、2、3的結(jié)果生成全年光伏電站出力序列，模型評價(jià)準(zhǔn)確性指標(biāo) 選取均值、標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度函數(shù)(Probability Density Function，PDF);
[0030] 步驟5:應(yīng)用序貫蒙特卡羅方法計(jì)算光伏電站接入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo)，指標(biāo)選取失 負(fù)荷概率（Loss of Load Probability，L0LP)，無量綱；電力不足頻率（Loss of Load Frequency L0LF)，單位次/年；電力不足期望（Expected Power Not Supply，EPNS);
[0031]步驟6:根據(jù)步驟5計(jì)算結(jié)果，計(jì)算光伏接入影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響限值。
[0032]圖2所示為電站出力狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷方法圖，包含以下步驟：
[0033] 步驟1、將光伏電站狀態(tài)轉(zhuǎn)移的所有可能按條件概率大小依次累加在數(shù)軸[0，1]之 間；
[0034] 步驟2、生成0~1之間服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)R，并判斷R在數(shù)軸上的位置；
[0035] 步驟3、若R在數(shù)軸上的位置為Pij = P(j|i)，則表示光伏電站在下一日運(yùn)行于狀態(tài) jo
[0036] 圖3所示為光伏建模方法流程圖，包含以下步驟：
[0037] 步驟1.根據(jù)光伏電站歷史數(shù)據(jù)的發(fā)電功率信息、天氣狀況，應(yīng)用模糊C聚類均值方 法對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，模糊C均值聚類方法是無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)的主要技術(shù)之一，具體 過程如下：
[0038] 1)將天氣情況分為4種基本類型：晴天、少云、多云、陰雨，即取聚類中心數(shù)為4。聚 類特征選擇輻照度波動量VI、最大輻照比例Kr、溫度T。其中最大輻照比例是太陽能電池板 接受到的實(shí)際太陽輻照度與同時(shí)段地外水平面最大輻照度的比值，計(jì)算公式為
(1)
[0040]每日輻照度波動量能夠體現(xiàn)太陽能電池板實(shí)際接受輻照度的波動情況，計(jì)算公式 為
(2)
[0042] Ik為第k日地表水平面實(shí)際輻照度；
[0043] 裰為第k日地外水平面最大輻照度；
[0044] A t為數(shù)據(jù)點(diǎn)輻照度時(shí)間間隔；
[0045] VI為日輻照度波動量。
[0046] 2)初始化各數(shù)據(jù)點(diǎn)隸屬度矩陣
[0047] U(k) = [yc(i)(k)]GRCXN ⑶
[0048] k為迭代次數(shù)，初始化為k = 0。
[0049] 3)計(jì)算第k+1次迭代的聚類中心位置向量Vc
[0051] 其中，1彡c彡C。
[0052] 4)在3)中得到的中心位置向量的基礎(chǔ)上，更新各數(shù)據(jù)點(diǎn)Xi的隸屬度
[0054] 5)判斷迭代終止條件
[0055]
[0056]其中e>0為給定聚類終止條件。
[0057]步驟2.根據(jù)步驟1中得到的光伏電站歷史數(shù)據(jù)的聚類分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)光伏電站在 四中天氣狀況下的持續(xù)時(shí)間與狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況，創(chuàng)建光伏電站出力的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Pw，具體 過程為：
[0059]式中，為狀態(tài)i到j(luò)的轉(zhuǎn)移率；
[0060] nij為狀態(tài)i到j(luò)的轉(zhuǎn)移次數(shù)；
[0061] Ni為處于狀態(tài)i的總次數(shù).
[0063]式中，P( j | i)為狀態(tài)i到j(luò)的條件概率；
[0064]狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Pw為 ^P{A\A) P{B\A) P{C\A) P{D\A) 〇 _ P{A\B) P(B\B) P{C\B) P{D\B) w~ P(A\C) P(B\C) P(C\C) P(D\C) ( ^ P(A\D) P(B\D) P(C：\D) P(D\D)
[0066] 根據(jù)公式(9)中的轉(zhuǎn)移概率矩陣和說明書附圖2中所示的電站出力狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷 方法，可以由當(dāng)前日電站工作狀態(tài)預(yù)測下一日工作狀態(tài)。
[0067] 步驟3 .光伏發(fā)電的ARMA時(shí)間序列建模，選擇AIC(Akaike information criterion)準(zhǔn)則確定ARMA模型階數(shù)，消除模型定階中的人為因素干擾；
[0068] 步驟4,根據(jù)步驟1-3中的建模結(jié)果，創(chuàng)建考慮天氣因素影響的光伏發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)移時(shí)序模型，生成光伏電站全年出力數(shù)據(jù)，（如圖3所示）。
[0069] 圖4所示為序貫蒙特卡羅仿真流程圖，包含以下步驟：
[0070] 步驟1、創(chuàng)建可靠性測試系統(tǒng)IEEE-RTS79;
[0071] 步驟2選擇可靠性指標(biāo)失負(fù)荷概率(Loss of Load Probability，L0LP)，無量綱； 電力不足頻率（Loss of Load Frequency L0LF)，單位次/年；電力不足期望（Expected Power Not Supply,EPNS)；
[0072]步驟3、利用序貫蒙特卡洛仿真方法計(jì)算步驟2中的IEEE-RTS79系統(tǒng)可靠性指標(biāo)； [0073]步驟4、選擇光伏電站接入系統(tǒng)方案，即光伏電站額定功率及接入系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置；
[0074] 步驟5、計(jì)算光伏電站按步驟4接入系統(tǒng)后的步驟2中的可靠性指標(biāo)，并記錄結(jié)果；
[0075] 步驟6、選擇不同類型天氣下光伏典型出力曲線，并利用序貫蒙特卡羅方法計(jì)算其 影響系統(tǒng)可靠性上限、下限值。具體過程為：
[0076] 1)在對光伏電站出力準(zhǔn)確建模的基礎(chǔ)上，提取四種天氣類型下的典型出力曲線；
[0077] 2)考慮極限狀況，用四種典型天氣出力數(shù)據(jù)替代全年電站出力；
[0078] 3)將四種典型電站出力狀態(tài)分別接入測試系統(tǒng)中，應(yīng)用序貫蒙特卡羅法計(jì)算系統(tǒng) 可靠性指標(biāo)；
[0079] 4)記晴天出力情況下對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響為上限值，陰雨條件下出力為下限 值。此上下限值即為該光伏接入方案下對系統(tǒng)影響程度區(qū)間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法，其特征在于，主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與 時(shí)序信息相結(jié)合的光伏電站出力建模以及計(jì)算光伏接入系統(tǒng)對可靠性指標(biāo)的影響限值;包 括以下步驟： 步驟1:運(yùn)用模糊C均值聚類方法FCM(Fuzzy-c-means，F(xiàn)CM)對所選光伏電站歷史出力數(shù) 據(jù)，包括發(fā)電功率信息、天氣狀況做聚類分析； 步驟2:根據(jù)聚類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息，創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移概 率矩陣Pw 步驟3:根據(jù)步驟2中的結(jié)果，將光伏電站的全部狀態(tài)轉(zhuǎn)移分為16種，即晴天、少云、多 云、陰雨四種天氣類型之間的互相轉(zhuǎn)移；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移狀態(tài)做自回歸滑動平均ARMA (Auto-Regressive and Moving Average，ARMA)時(shí)間序列建模； 步驟4:根據(jù)步驟1、2、3的結(jié)果生成全年光伏電站出力序列，模型評價(jià)準(zhǔn)確性指標(biāo)選取 均值、標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度函數(shù)FOFWrobability Density Function，PDF); 步驟5:應(yīng)用序貫蒙特卡羅方法計(jì)算光伏電站介入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo)，指標(biāo)選取失負(fù)荷 概率L0LP(Loss of Load Probability，L0LP)，無量綱；電力不足頻率（Loss of Load Frequency LOLF)，單位次/年；電力不足期望EPNS(Expected Power Not Supply，EPNS); 步驟6:根據(jù)步驟5計(jì)算結(jié)果，計(jì)算光伏接入影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的限值，包括光伏電站 可靠性指標(biāo)LOLP，LOLF，EPNS的上、下限。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法，其特征在于，所述步驟 1中模糊C均值聚類的聚類特征選取輻照度波動量、日最大輻照比例、日平均氣溫。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法，其特征在于，根據(jù)所述 光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Pw為式中P(A|A)……P(D I D)為光伏電站的16種轉(zhuǎn)移狀態(tài);每種轉(zhuǎn)移狀態(tài)"P(B IA)"表示本日 天氣類型為A、次日天氣類型為B的條件概率，其他項(xiàng)含義類似。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法，其特征在于，所述步驟 6的光伏接入提高電力系統(tǒng)可靠性限值計(jì)算，具體過程為： 1) 在對光伏電站出力準(zhǔn)確建模的基礎(chǔ)上，提取四種天氣類型下的典型出力曲線； 2) 考慮極限狀況，用四種典型天氣出力數(shù)據(jù)替代全年電站出力； 3) 將四種典型電站出力狀態(tài)分別接入測試系統(tǒng)中，應(yīng)用序貫蒙特卡羅法計(jì)算系統(tǒng)可靠 性指標(biāo) LOLP，L0LF ,EPNS; 4) 記晴天出力情況下對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響為上限值，陰雨條件下出力為下限值;此 上下限值即為該光伏接入方案下對系統(tǒng)影響程度區(qū)間。
【文檔編號】G06Q50/06GK105931134SQ201610262718
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】楊錫運(yùn), 劉玉奇, 李建林, 張揚(yáng), 董德華, 張璜
【申請人】華北電力大學(xué)