本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中新能源消納技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法。由于新能源發(fā)電的反調(diào)峰特性，電力系統(tǒng)運行在負荷低谷時出現(xiàn)因消納困難而棄風等現(xiàn)象，新能源消納方法的實用性與創(chuàng)新性成為提升新能源開發(fā)效率的關(guān)鍵技術(shù)方向。本發(fā)明利用電力系統(tǒng)頻率運行特性，解放原有的全時段固定頻率運行約束，以電網(wǎng)峰谷差為調(diào)節(jié)杠桿，將頻率響應(yīng)量求解應(yīng)用至新能源消納方法中，進一步提升新能源的消納能力，即本發(fā)明涉及的一種基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法。

背景技術(shù)：

隨著大規(guī)模風電、光伏等新能源上網(wǎng)發(fā)電，新能源出力的隨機性和波動性為電力系統(tǒng)運行帶來巨大挑戰(zhàn)。當新能源出力超過電網(wǎng)承載能力，為滿足系統(tǒng)發(fā)電與負荷的實時平衡，棄風、棄光將難以避免。然而，2013年我國風電棄風總量仍然超過200億千瓦時。人們已經(jīng)意識到，僅僅依靠技術(shù)手段，而不利用市場機制，難以解決大規(guī)模新能源消納的難題。因此，迫切需要引入靈活的市場機制，引導需求側(cè)資源互動，以促進新能源消納。風電等新能源發(fā)電在國內(nèi)外的快速發(fā)展，已顯示出顯著的社會效益和環(huán)境效益。然而，隨著風電等新能源發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展，其出力的不確定性與隨機性對電網(wǎng)規(guī)劃工作帶來了新的挑戰(zhàn)，亟需建立面向新能源消納的電網(wǎng)規(guī)劃方法，使電網(wǎng)規(guī)劃方案能夠適應(yīng)新能源的大規(guī)模發(fā)展。

隨著新能源發(fā)電需求的日益增長，環(huán)境問題的不斷突出，世界清潔能源開發(fā)利用已成為人類社會發(fā)展的必然選擇。世界各國都在積極探索消納新能源的措施。政策方面，美國設(shè)立多項法案，加大對新能源技術(shù)資助力度，減輕對化石能源依賴程度，引入電動汽車以消納新能源；市場機制方面，丹麥通過與北歐的挪威、瑞典以及歐洲大陸的德國開展跨國電力市場交易，實現(xiàn)風電消納；技術(shù)方面，為促進新能源電力消納，中國主要改進風電、光伏發(fā)電機組性能，如改善風機接入電力系統(tǒng)的低壓穿越能力、建設(shè)雙饋風機風電場、增強光伏發(fā)電穩(wěn)定性等。

目前，考慮新能源的電網(wǎng)規(guī)劃已得到了一定的研究。白建華等[1]從宏觀角度提出了風電與其他電源和電網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃面臨的問題。高賜威等[2]提出了以滿足風電利用指標為約束的含風電電源電網(wǎng)規(guī)劃模型。高賜威等[3]提出了電源電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，著重考慮了調(diào)節(jié)型電源的裝機規(guī)劃與輸電線路選址問題。周金輝^[4]提出了風電接入下的輸電網(wǎng)有功和無功擴展規(guī)劃方法，關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資決策與方案的控制措施成本。lund等^[5]基于兩種電網(wǎng)規(guī)劃方案，著重比較了兩種方案的電力平衡情況、線路輸電能力。上述文獻對面向新能源消納的電網(wǎng)規(guī)劃問題進行了初步的分析研究，但建立的模型大多較為簡單，一般只關(guān)注影響新能源消納的某一因素，沒有能夠在電網(wǎng)規(guī)劃過程中從峰谷差、電網(wǎng)頻率運行特性、調(diào)峰能力、調(diào)頻能力、網(wǎng)絡(luò)約束、潮流分布、系統(tǒng)運行成本等多個角度綜合考慮新能源的消納問題。

在新能源消納關(guān)鍵技術(shù)中，目前國內(nèi)外已逐步產(chǎn)生出多種技術(shù)方法，包括：基于風電供熱的低谷風電消納技術(shù)、基于燃氣/水電/抽水蓄能等快速啟停機組的風電消納技術(shù)、基于價格或激勵機制的需求響應(yīng)的風電消納技術(shù)、基于跨區(qū)能源互補的風電消納技術(shù)等，然而，在約束范圍內(nèi)解放出電力系統(tǒng)基礎(chǔ)頻率特征量，提出虛擬頻率概念，進行建模以及應(yīng)用至新能源峰谷消納方面，仍屬技術(shù)空白領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)峰谷差等電網(wǎng)運行指標均需從新定義，并提出一種全新的提取電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法。

專利cn201610105893.5中提出了一種用于提升新能源消納能力的動態(tài)峰谷分時電價方法，動態(tài)引導用戶理性用電，建立了考慮動態(tài)峰谷電價的需求響應(yīng)評估模型，模擬用戶根據(jù)新能源預(yù)測出力的變化而動態(tài)響應(yīng)，從而促進新能源消納。該專利通過需求側(cè)峰谷電價激勵政策來實現(xiàn)新能源消納方法，與本發(fā)明專利的區(qū)別之處在于，本發(fā)明專利提出了基于虛擬頻率的峰谷幅值調(diào)節(jié)消納模型，該模型揭示了系統(tǒng)安全穩(wěn)定性頻率變量與充裕性消納變量的映射原理刻畫過程，依據(jù)該模型實施控制，指導調(diào)頻裝置的調(diào)節(jié)，進而促進新能源消納，形成一種新的消納理論和方法。從物理原理、安全穩(wěn)定性、充裕性三個層面給出了一種基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法，解決了新能源消納充裕性的同時，兼顧了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行特性。

參考文獻：

[1]白建華，辛頌旭，賈德香，等.我國風電大規(guī)模開發(fā)面臨的規(guī)劃和運行問題分析[j].電力技術(shù)經(jīng)濟，2009，21(2)：7-11.

[2]高賜威，何葉.考慮風力發(fā)電接入的電網(wǎng)規(guī)劃[j].電力科學與技術(shù)學報，2009，24(4)：19-24.

[3]高賜威，吳天嬰，何葉，等.考慮風電接入的電源電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃[j].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(22)：30-35.

[4]周金輝，余貽鑫，曾沅，等.大規(guī)模風電接入下輸電網(wǎng)擴展規(guī)劃的啟發(fā)式優(yōu)化算法[j].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(22)：66-70.

[5]lundh，pa.electricgridandheatplanningscenarioswithcentralisedanddistributedsourcesofconventional，chpandwindgeneration[j].energy，2000，25(4)：299-312.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

電力系統(tǒng)在尖峰時段與低谷時段的電源機組組合方式與負荷波動量將直接影響新能源消納過程，即電網(wǎng)峰谷差幅值的時間特性與頻率特性是新能源消納過程的關(guān)鍵因素。如何科學合理的挖掘電網(wǎng)峰谷差的幅頻特性，建立其與新能源消納量的關(guān)系，是本發(fā)明的主要目標。在本發(fā)明中提出一個概念為虛擬頻率，以下說明書中所闡述的頻率均指虛擬頻率，虛擬頻率是指在計算求解中等效于運行頻率量，即頻率響應(yīng)需求量，該概念既可以是真實頻率也可以是頻率計算當量。在電網(wǎng)實施中，依據(jù)本發(fā)明模型所計算得出的虛擬頻率值作為指標，采用調(diào)頻措施(儲能、負荷轉(zhuǎn)移等)等效出模型計算所得的虛擬頻率響應(yīng)量，實現(xiàn)新能源消納的同時兼顧了系統(tǒng)頻率安全穩(wěn)定性。

本發(fā)明提出了一種提取電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法，針對電網(wǎng)峰谷差的幅頻特性的重新定義，首先，計及電網(wǎng)中多源機組開機方式，建立電源組合調(diào)峰模型，其次，構(gòu)建負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，為計及電網(wǎng)負荷的頻率特性與時序特性，提出一種負荷頻率特性與負荷結(jié)構(gòu)時序概率分布的結(jié)合模型。最終，聯(lián)合電源組合與負荷響應(yīng)的調(diào)峰模型，形成一種基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型。通過本發(fā)明的實施，能夠得出電網(wǎng)峰谷差幅頻特性與新能源消納的關(guān)系，可以靈活利用電網(wǎng)峰谷差的頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)特性，有效提升電網(wǎng)對新能源發(fā)電的消納能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種提取電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法，其特征在于包括：通過計及電網(wǎng)中多源機組開機方式，建立電源組合調(diào)峰模型。構(gòu)建負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，為計及電網(wǎng)負荷的頻率特性與時序特性，提出一種負荷頻率特性與負荷結(jié)構(gòu)時序概率分布的結(jié)合模型。聯(lián)合電源組合與負荷響應(yīng)的調(diào)峰模型，形成一種基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法。具體如下步驟：

步驟1：基礎(chǔ)參數(shù)匯集與已知給定。其中包括：電網(wǎng)運行頻率、負荷尖峰時段、負荷低谷時段、區(qū)域電源的發(fā)電計劃曲線、區(qū)域電源技術(shù)最小出力等已知參數(shù)；

步驟2：定義含幅頻調(diào)節(jié)特性的電網(wǎng)峰谷差，作為電網(wǎng)運行中新狀態(tài)變量，表達式如下：

其中：f為系統(tǒng)頻率限額、ti為負荷尖峰時刻、tj為負荷低谷時刻、d(f,tij)為具有時間頻率特性的峰谷差變量、為尖峰負荷值、pl(f,tj)為低谷負荷值。

步驟3：構(gòu)建電源組合調(diào)峰模型，定義調(diào)峰過程中電源組合變量的數(shù)學關(guān)系；

其中：pgmax(ti)為系統(tǒng)電源側(cè)在負荷尖峰時刻的最大可調(diào)出力，pgmin(tj)為系統(tǒng)電源側(cè)在負荷低谷時刻的最小可調(diào)出力，尖峰時刻ti的負荷值，pl(tj)低谷時刻tj的負荷值，為系統(tǒng)上調(diào)備用，rg為系統(tǒng)下調(diào)備用；

本發(fā)明電源組合調(diào)峰模型中pgmax(ti)與pgmin(tj)的組合關(guān)系如下：

步驟3.1：定義電源組合變量pgmax(ti)與pgmin(tj)，表達式如下：

其中：ptmax(ti)/ptmin(tj)為燃煤電源最高/最低可調(diào)出力，ph(ti)/ph(tj)分別為水力電源峰谷出力，pn(ti)/pn(tj)為核電源峰谷出力，pc(ti)/pc(tj)為區(qū)域互聯(lián)輸電的峰谷潮流，pl(ti)/pl(tj)為低電壓等級機組出力，pw(ti)/pw(tj)為新能源風電出力，βt/βh/βn/βl分別為燃煤機組、水電機組、核電機組、低電壓等級機組的廠用電率，a為系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線運行的網(wǎng)損率。

步驟3.2：電源組合變量pgmax(ti)與pgmin(tj)的頻率調(diào)節(jié)特性，表達式如下：

δpg(t)＝-kgδf

其中：kg為發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率，δp(t)發(fā)電功率調(diào)節(jié)量，δf為系統(tǒng)頻率變化量；

步驟3.3：定義燃煤機組組合變量ptmax(ti)、ptmin(tj)，表達式如下：

其中：pht(t)為熱電機組，pnt(t)為非熱電機組，k為熱電機組開機臺數(shù)，m為非熱電機組開機臺數(shù)，δh為電網(wǎng)初始模式下熱電機組的調(diào)峰率，δn為電網(wǎng)初始模式下非熱電機組的調(diào)峰率。

步驟4：構(gòu)建負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，定義負荷頻率特性與負荷結(jié)構(gòu)時序特性的求解方程；

步驟4.1：定義負荷頻率特性

其中：pl0額定頻率時的總負荷，pl(f,t)頻率為f值時的總負荷，αn(t)為負荷結(jié)構(gòu)t時刻占比，α0(t)+α1(t)+α2(t)+...+αn(t)＝1。

步驟4.2：定義負荷結(jié)構(gòu)時序概率模型，通過蒙特卡洛法模擬出步驟4.1中負荷結(jié)構(gòu)αn(t)的時序數(shù)值解，表達式如下：

式中tk代表第k個時段，k＝1,2,3,…,24。采用蒙特卡洛法模擬出負荷結(jié)構(gòu)αn(t)的數(shù)值曲線。

步驟5：推導步驟2至步驟4中模型，得出電網(wǎng)峰谷差幅頻特性與新能源消納量的映射關(guān)系，構(gòu)建基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型，表達式如下：

式中pw(d,tj)為峰谷差為d時的低谷消納的風電電力值，d(fij,tij)為峰谷頻率響應(yīng)分別為fi與fj時的峰谷差值。為上調(diào)備用初始值，為上調(diào)備用初始值，為尖峰時刻ti的風電出力，η為廠用電率與線損的系數(shù)向量，為多元電源尖峰可調(diào)出力的組合向量，為多元電源低谷可調(diào)出力的組合向量，為熱電機組開機臺數(shù)變化量為δk時，機組組合最大可調(diào)出力的變化值，為非熱電機組開機臺數(shù)變化量為δm時，機組組合最大可調(diào)出力的變化值，δd(fij,tij)為峰谷差隨峰谷頻率響應(yīng)值fij的變化量，δh為電網(wǎng)初始模式下熱電機組的調(diào)峰率，δn為電網(wǎng)初始模式下非熱電機組調(diào)峰率。

步驟6：依據(jù)步驟5的模型，求解電網(wǎng)尖峰時段頻率降低調(diào)節(jié)與電網(wǎng)低谷時段頻率提升調(diào)節(jié)對峰谷差d(fij,tij)的改變，采用峰谷聯(lián)合調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)新能源消納變量pw(dij,tj)的大幅提升。

有益效果：

為電網(wǎng)新能源發(fā)電消納技術(shù)提供了電網(wǎng)峰谷差幅頻特性模型、電源組合調(diào)峰模型與負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，為電網(wǎng)新能源消納以及系統(tǒng)調(diào)峰決策提出了新的方法，同時在合理時段通過等效調(diào)整頻率，以峰谷差值為杠桿，有效提升了新能源發(fā)電的消納空間。本發(fā)明所提出的一種基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型中，既包含了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的頻率變量，又包含了電力系統(tǒng)充裕性的新能源消納變量，其映射原理與數(shù)學關(guān)系都已明確揭示，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定性與充裕性的有機統(tǒng)一，提供了一種嶄新的新能源消納視角，即通過1、2次調(diào)頻控制可以促進新能源消納，形成創(chuàng)新的思路與觀點，本發(fā)明探索出了一種電網(wǎng)峰谷幅頻響應(yīng)特性改變消納能力的新方案，拓寬了新能源消納技術(shù)領(lǐng)域，促進了新能源消納量的提升，從而產(chǎn)生了巨大的綠色能源發(fā)展效益與經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的一種基于提取電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法的構(gòu)建流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施做進一步說明。

實施例1：

對上述一種提取電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納方法，包括如下步驟：

步驟1：基礎(chǔ)參數(shù)匯集與已知給定。如下表所示：(以下所有涉及功率的單位為萬千瓦)

表1運行參數(shù)給定表

電網(wǎng)運行頻率、負荷尖峰時段、負荷低谷時段、區(qū)域電源的發(fā)電計劃曲線、區(qū)域電源技術(shù)最小出力等已知參數(shù)；

步驟2：定義含幅頻調(diào)節(jié)特性的電網(wǎng)峰谷差，作為電網(wǎng)運行中新狀態(tài)變量，表達式如下：

步驟3：構(gòu)建電源組合調(diào)峰模型，定義調(diào)峰過程中電源組合變量的數(shù)學關(guān)系；

其中：pgmax(ti)為系統(tǒng)電源側(cè)在負荷尖峰時刻的最大可調(diào)出力，pgmin(tj)為系統(tǒng)電源側(cè)在負荷低谷時刻的最小可調(diào)出力，為系統(tǒng)上調(diào)備用，rg為系統(tǒng)下調(diào)備用；

本發(fā)明電源組合調(diào)峰模型中pgmax(ti)與pgmin(tj)的組合關(guān)系如下：

步驟3.1：定義電源組合變量pgmax(ti)與pgmin(tj)，表達式如下：

步驟3.2：電源組合變量pgmax(ti)與pgmin(tj)的頻率調(diào)節(jié)特性，表達式如下：

δpg(t)＝-kgδf

其中：整體系統(tǒng)的kg取為6000mw/hz

步驟3.3：定義燃煤機組組合變量ptmax(ti)、ptmin(tj)，表達式如下：

步驟4：構(gòu)建負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，定義負荷頻率特性與負荷結(jié)構(gòu)時序特性的求解方程；

步驟4.1：定義負荷頻率特性

pl(50hz,tj)＝1915萬千瓦

步驟4.2：定義負荷結(jié)構(gòu)時序概率模型，通過蒙特卡洛法模擬出步驟4.1中負荷結(jié)構(gòu)αn(t)的時序數(shù)值解，表達式如下：

負荷低谷時段，各負荷結(jié)構(gòu)時序概率負荷正態(tài)分布，經(jīng)蒙特卡洛模擬得出，低谷時段負荷結(jié)構(gòu)占比分別為α0(tj)＝0.1,α1(tj)＝0.136,α2(tj)＝0.06,α3(tj)＝0.704,與系統(tǒng)頻率變化的三次方以上成比例的負荷在系統(tǒng)中所占的比重較小，本算例中暫不考慮。

步驟5：推導步驟2至步驟4中模型，得出電網(wǎng)峰谷差幅頻特性與新能源消納量的映射關(guān)系，進而構(gòu)建基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型，表達式如下：

(1)當系統(tǒng)運行頻率為50hz時，基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型求解如下：

pw(50hz,tj)＝-d(50hz,tij)+561＝79萬千瓦

在系統(tǒng)50hz運行時，無頻率調(diào)節(jié)措施前，低谷時刻新新能源消納空間為79萬千瓦。

(2)尖峰時段ti頻率f限值運行在49.9hz時,調(diào)用步驟3電源組合調(diào)峰模型可得：

基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型求解如下：

pw(tj)＝-(d(fi,tij)-60)+438＝-d(49.9hz,tij)+498＝80萬千瓦

(3)低谷時段tj頻率f限值運行在50.1hz時,調(diào)用步驟4負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型求解如下：

pl0(50hz,tj)＝1915萬千瓦

步驟6：依據(jù)步驟5的模型，求解電網(wǎng)尖峰時段頻率降低調(diào)節(jié)與電網(wǎng)低谷時段頻率提升調(diào)節(jié)對峰谷差d(fij,tij)的改變，采用峰谷聯(lián)合調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)新能源消納變量pw(dij,tj)的大幅提升。

采用尖峰與低谷的頻率的聯(lián)合調(diào)節(jié)，基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型求解如下：

pw(dij,tj)＝-[d⁰+δd(fij,tj)]+561＝-[d⁰-39]+561＝118萬千瓦

δpw(ti)＝39萬千瓦

綜上得出，應(yīng)用本發(fā)明模型方法，可求解出：在電網(wǎng)尖峰時，頻率運行在49.9hz，系統(tǒng)低谷消納新能源風電量為109萬千瓦，相比原固有50hz時提升了30萬千瓦消納量；在電網(wǎng)低谷時，頻率運行在50.1hz，系統(tǒng)低谷消納新能源風電量為88萬千瓦，相比原固有50hz時提升了9萬千瓦消納量；聯(lián)合電網(wǎng)峰谷頻率一同調(diào)節(jié)，系統(tǒng)低谷消納新能源風電量為118萬千瓦，相比原固有50hz時提升了39萬千瓦消納量。

實施例2：

本發(fā)明模型表征的是頻率響應(yīng)量與新能源消納量間的數(shù)學推理關(guān)系，當具體實施場景2中頻率變量被作為是虛擬頻率時，那么該頻率響應(yīng)值需憑借具有1、2次調(diào)頻能力的單元進行等效調(diào)節(jié)，結(jié)合模型計算結(jié)果，具體實施步驟如下：

(1)電網(wǎng)尖峰時段ti頻率f限值運行在49.9hz時,調(diào)用步驟3電源組合調(diào)峰模型可得：

求解得出開機方式為減少一臺60萬機組，對應(yīng)的頻率響應(yīng)量為49.9hz，然而由于系統(tǒng)中存在一定容量的上調(diào)備用，因此全網(wǎng)機組調(diào)頻動作，占用向上備用將系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)維持在50hz正常運行方式，此時向上備用裕度被減小，當發(fā)生大容量電源脫故障，系統(tǒng)恢復頻率將是模型所計算得出的49.9hz。

(2)低谷時段tj頻率f限值運行在50.1hz時,調(diào)用步驟4負荷響應(yīng)調(diào)峰模型，基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型求解如下：

在低谷時刻如消納88萬千瓦風電，頻率響應(yīng)值為50.1hz，如果電力系統(tǒng)維持50hz正常運行方式，通過模型計算得出，需提供調(diào)節(jié)0.1hz的調(diào)頻單元。

(3)采用尖峰與低谷的頻率的聯(lián)合調(diào)節(jié)，基于電網(wǎng)峰谷幅頻特性的新能源消納模型求解如下：

pw(dij,tj)＝-[d⁰+δd(fij,tj)]+561＝-[d⁰-39]+561＝118萬千瓦

δpw(ti)＝39萬千瓦

綜上，采用本發(fā)明中模型求解得出的指導性結(jié)論為：電網(wǎng)在尖峰時段發(fā)生大容量電源損失故障時，故障恢復頻率允許運行在49.9hz。在低谷時段能夠提供0.1hz的調(diào)頻單元，那么可提升新能源消納容量為39萬千瓦。同時該模型也使得安全穩(wěn)定性指標f與充裕性δpw(ti)間實現(xiàn)了有機的結(jié)合。