考虑电力系统适应性和经济性的风电优化规划建模方法

摘要

本发明涉及一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化规划建模方法，所述方法包括以下步骤：获取电力系统基本信息；构建计算模型；设定风电场的装机容量、装机区域、输电线路负载率上限和根据目标的偏向度选取弃风费用系数；求解所述模型。本发明在目标函数中将系统发电成本、输电投资及弃风费用进行统一考虑，同时计及调峰和输电能力等因素的影响，使得规划模型在风电的并网消纳和系统投资运行经济性之间达到均衡。通过模型的求解可以实现对风电规划方案经济性、适应性的多维度评估，得出风电的合理建设区域、建设规模及输电线路的最佳建设方案与时序，为风电规划人员提供决策依据。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种风电优化规划建模方法，更具体涉及一种考虑电力系统 适应性和经济性的风电优化规划建模方法。

背景技术：

随着风电的大力发展，其出力的不确定性与随机性对电力系统运行和规 划工作带来了新的挑战，风电并网问题不仅体现在对系统调峰、调频能力的 需求方面，还体现在电网输电能力需求上，特别是相对薄弱的电网基础往往 会使得风电难以在大规模范围内消纳。因此风电规划要与电网和电源相适 应，也就是大规模风电并网要与电源的调峰能力相匹配，不破坏系统安全稳 定运行，同时要与电网传输能力相匹配，不因风电场的位置及装机容量选择 不合理，造成风电送出通道受限，电网建设及运行成本增加，限制风电的发 展。

制约系统接纳风电的因素可能是多方面的，但最主要的因素是电源调峰 能力和电网传输能力，规划当中应将这两种因素与风电场接入方案综合考 虑，也就将输电线路的扩展、常规机组的运行状况、风电场的接入在统一范 畴内进行协调优化，以达到系统可靠性与投资运行经济性的整体最优。

风电规划的目标是一方面要大规模消纳风电，充分发挥风电低碳、节能与 减排的效益，另一方面要系统消纳风电并不造成系统投资与运行费用的明显 上升。目前风电规划主要关注风电消纳能力和风电效益问题，而对风电接入 电网对已有常规电源的影响却考虑不多，以至于出现常规机组运行效率降低 及频繁启停而增加的燃料消耗量大于由于使用风电而节省的燃料量，造成由 于风电的大规模接纳降低系统规划的经济性。在中国发明专利申请文件(公 开号CN102545258A和CN103793612A)中公开了考虑风电大规模并网的电 网规划方法中，其建模方法主要关注风电综合效益与输电线路投资之间的关 系，难以考虑系统调峰能力及常规电源运行状态对规划方案的影响，利用模 型得出的方案在适应性和经济性上难以满足要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化规 划建模方法，该方法有效解决风电规划模型中电网适应性不强、经济性差的 弊端。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种考虑电力系统适应性 和经济性的风电优化规划建模方法，所述方法包括以下步骤：

(1)获取电力系统基本信息；

(2)构建计算模型；

(3)设定风电场的装机容量、装机区域、输电线路负载率上限和根据目 标的偏向度选取弃风费用系数；

(4)求解所述模型。

本发明提供的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化规划建模 方法，所述步骤(1)中的基本信息包括电力系统规划水平年的负荷预测信 息、水平年常规电源区域规划信息、机组技术参数、电网关键断面信息、风 能资源信息和已有的电网规划信息。

本发明提供的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化规划建模方 法，所述电力系统规划水平年的负荷预测信息包括电负荷和热负荷信息；所 述电网关键断面信息由电网拓扑的特点、电力系统中负荷与电源分布情况确 定；所述水平年常规电源区域规划信息由该电力系统的电源规划获得；所述 风能资源信息，从往年的风电统计数据进行确定。

本发明提供的另一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优 化规划建模方法，所述步骤(2)中的构建模型过程为：

(2-1)在电力系统电源规划已定的情况下，在若干区域互联电网中构建 优化目标；

(2-2)构建约束条件。

本发明提供的再一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化 规划建模方法，所述步骤(2-1)的优化目标以水平年的弃风费用、新建输 电线路投资和系统运行成本之和最小为目标函数；所述优化目标中包含整数 变量和连续变量，将所述优化目标中的二次函数进行线性化，所述模型为混 合整数线性规划模型。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优 化规划建模方法，所述步骤(2-2)的约束条件包括电力系统约束、火电机 组约束和风电场约束。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优 化规划建模方法，所述优化目标通过下式(1)确定：

minF＝F_g+F_w+Σm_j·C_j(1)

其中，$F_g=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}(U_{n,i,k}f\left(P_{g,n,i,k}\right)+U_{n,i,k}\left({1-U}_{n,i,k-1}\right)S_{n.i})---\left(2\right)$

$F_w=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{\beta }_{n,i}({P^{*}}_{w,n,i,k}-P_{w,n,i,k})---\left(3\right)$

i为机组编号，i＝1,2...I，I为火电机组和风电场的总数；k＝1,2...K,K为 时段总数；n＝1,2...N，N为依据电网关键断面信息划分的电网分区总数；F_g为 火电机组的发电成本、P_g,n,i,k为区域n内的火电机组i在数段k的发电功率， U_n,i,k为区域n内的火电机组i在k时段的启停状态，S_n,i为火电机组i的启机费 用，f(P_g,n,i,k)为火电机组运行成本；F_w为风电场的弃风费用，P_w,n,i,k为k时段 风电场i实际被调用的风电功率总量，P^*_w,n,i,k为k时段风电场i预测的风电功率 总量，β_n,i为弃风惩罚因子；m_j为在分区x,n之间新建线路数量，C_j为新建线 路在规划水平年的投资建设成本。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化 规划建模方法，所述优化目标包括：

若在规划中以全额接纳风电为主，则保证弃风量最小为首要目标兼顾经 济性，将弃风费用系数设置为数倍于常规电源运行费用的最大值；若在规划 中以经济性为主，则保证系统成本最小为首要目标，进行适当弃风，将弃风 费用系数设置为0.1；若折衷考虑，则将弃风费用系数设置在两者之间。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化 规划建模方法，所述电力系统约束包括区域电力平衡约束、区域热力平衡约 束、区域间线路传输功率极限约束、负荷备用约束和输电线路约束；所述输 电新路约束包括区域间允许新建输电线路集约束和区域间允许新建线路数 目约束；

所述火电机组约束包括火电机组发电上下限约束、最小启停时间约束、 爬坡速率约束、背压式火电机组发电特性约束和抽气式火电机组发电特性约 束；

风电场约束包括风电机组出力约束。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优 化规划建模方法，所述电力约束通过下式(4)-(9)确定：

所述区域电力平衡约束通过下式(4)确定：

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}(P_{g,n,i,k}+P_{w,n,i,k})+\underset{x\in N}{\Sigma }{P}_{x,n,k}=P_{d,n,k}+\underset{z\in N}{\Sigma }{P}_{z,n,k}---\left(4\right)$

所述区域热力平衡约束通过下式(5)确定：

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{H}_{g,n,i,k}=H_{d,n,k}---\left(5\right)$

所述负荷备用约束通过下式(6)确定：

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{U}_{n,i,k}(P_{g,n,i,\max }-P_{g,n,i,k})\ge R_{w,n,k}+R_{d,n,k}---\left(6\right)$

所述区域间线路传输功率极限约束通过下式(7)确定：

$P_{x,n,k}\le P_{x,n,\max }+m_j{P}_{x,n,\max }^j---\left(7\right)$

所述新建输电线路条数约束通过下式(8)确定：

0≤m_j≤m_j,max(8)

所述输电线路负荷率约束通过下式(9)确定：

$P_{x,n,k}/(P_{x,n,\max }+m_j{P}_{x,n,\max }^j)\le \gamma ---\left(9\right)$

其中，P_x,n,k为x分区和n分区之间现有线路在k时段的传输电力；P_x,n,max为 x分区和n分区之间现有线路的传输极限；P_z,n,k是分区n在k时段的外受或外 送电力；R_w,n,k、R_d,n,k分别是分区n在时段k的负荷备用和风电备用；H_g,n,i,k是 分区n内机组i在时段k的供热量，H_d,n,k是分区n在时段k的热力需求，是x分区和n分区之间新增输电线路j的传输极限，m_j,max是x分区和n分区之 间允许新建的输电线路数量上限，γ为输电线路负荷率上限，P_g,n,i,max分别为 火电机组出力上限。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化 规划建模方法，所述火电机组约束通过下式(9)-(17)确定：

所述机组发电上下限约束通过下式(10)确定：

U_n,i,kP_g,n,i,min≤P_g,n,i,k≤U_n,i,kP_g,n,i,max(10)

所述最小启停时间约束通过下式(11)和(12)确定：

(U_n,i,k-1-U_n,i,k)(T_n,i,k-1-T_n,i,on)≥0(11)

(U_n,i,k-U_n,i,k-1)(-T_n,i,k-1-T_n,i,off)≥0(12)

所述机组爬坡速度约束通过下式(13)和(14)确定：

$P_{g,n,i,k}-P_{g,n,i,k-1}\le g_{g,n,i}^{\mathrm{up}}---\left(13\right)$

$P_{g,n,i,k-1}-P_{g,n,i,k}\ge P_{g,n,i}^{\mathrm{down}}---\left(14\right)$

所述背压式供热机组发电特性约束通过下式(15)确定：

P_g,n,i,k＝H_g,n,i,k·d(15)

所述抽气式供热机组发电特性约束通过下式(16)和(17)确定：

P_g,n,i,k＞H_g,n,i,k·d(16)

P_g,n,i,max-P_g,n,i,k≥H_g,n,i,k·e(17)

其中，P_g,n,i,max，P_g,n,i,min分别为火电机组出力上下限，T_n,i,on、T_n,i,off分别为火 电机组i最小连续开机时间和最小连续停机时间，分别为机组i的 爬坡速度上下限，d和e分别为背压式和抽气式供热机组的电热转化参数；

所述风电场出力约束通过下式(18)确定：

0≤P_{w，n，i，k}≤P^*_{w，n，i，k}(18)。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化 规划建模方法，所述步骤(4)根据所述步骤(1)和步骤(3)求解所述步 骤(2)的模型。

本发明提供的又一优选的一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优化 规划建模方法，若在规划中分析评估电网的适应性，比较新建输电线路前后、 关键断面输电线路的负载率变化以及输电能力的增加对风电并网消纳的影 响；

若在规划中分析评估电源的适应性，比较风电大规模接入后，常规机组 负载率、单位发电成本的变化以及常规机组调峰需求能力的变化；

若在规划中分析评估方案的经济性，比较不同风电接入容量和接入位置 下的系统运行成本、新建线路投资费用以及风电年利用小时数的变化。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明够有效解决风电规划模型中电网适应性不强、经济性差的弊 端，提供一种更为经济合理的规划建模方法；

2、本发明在系统电源规划已确定的情况下，模型将多种因素统一考虑， 同时计及系统调峰和输电能力约束，将规划方案在风电并网消纳最大化和系 统投资运行成本最小化之间进行合理的折衷；

3、本发明构建的风电优化规划模型是一个混合整数线性规划模型，其 整数变量包括火电机组运行状态和输电线路建设状态，模型既可评估火电机 组的调峰能力对输电线路投资建设的影响，也可评估电网传输能力对系统调 峰的影响，具有较强的耦合性；

4、本发明构建线性化模型，有益于提高大规模风电接入的风电优化规 划问题求解速度；

5、本发明通过设置不同的参数和考虑不同的约束可以得到不同情景下的 风电优化规划方案；

6、本发明既可以风电全额接纳为目标进行规划，也可以以系统运行投资 成本最小化为目标进行规划；

7、本发明既可评估风电接入对常规火电机组运行状态的影响，继而确定 风电是否被合理消纳；也可以得到风电场装机容量、风电场位置与输电线路 建设的综合最优方案；

8、本发明还可以评估风电场不同容量和位置与输电线路投资之间的经济 性关系，从而可使风电规划人员从多个角度着手分析风电规划方案利弊，决 策出综合最优的风电规划方案。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明的IEEE30节点系统拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，本例的发明一种考虑电力系统适应性和经济性的风电优 化规划建模方法，包括以下步骤：

步骤1：获取系统规划水平年的负荷预测信息，水平年常规电源区域规 划信息，机组技术参数，电网关键断面信息；风能资源信息，已有的电网规 划信息。

步骤2：构造计算模型，包括以下步骤：

第2.1步:在系统电源规划已定的情况下，在多区域互联电网中构建优化 目标：以水平年的弃风费用、新建输电线路投资和系统运行成本之和最小为 目标函数。所述优化目标中包含整数变量和连续变量，将其中的二次函数进 行线性化，模型为混合整数线性规划模型。

第2.2步：构建约束条件，包括：

区域电力平衡约束；

区域热力平衡约束；

区域间线路传输功率极限约束；

负荷备用约束；

火电机组约束，包括：火电机组发电上下限约束、最小启停时间约束、 爬坡速率约束，背压式火电机组发电特性约束，抽气式火电机组发电特性约 束；

风电场约束，包括：风电机组出力约束；

输电线路约束，包括：区域间允许新建输电线路集约束、区域间允许新 建线路数目约束；

步骤3：设定风电场的装机容量和装机区域，输电线路负载率上限，根据 目标的偏向度选取弃风费用系数。

步骤4：将步骤1获得的规划水平年负荷预测信息，已确定的水平年常规 电源区域规划信息，机组技术参数，区域关键断面信息，风电资源信息，已 有的电网规划信息及步骤3设定的参数，带入步骤2中构建的计算模型，进 行求解。

进一步的，步骤1中系统规划水平年的负荷预测信息，包括电负荷和热 负荷信息；电网关键断面信息可由电网拓扑的特点及系统中负荷与电源分布 情况确定；水平年常规电源区域规划信息可由该系统的电源规划获得；风能 资源信息，可从往年的风电统计数据进行估算。

进一步的，步骤2中的第2.1步所述的优化目标由公式(1)获得：

minF＝F_g+F_w+Σm_j·C_j(1)

$F_g=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}(U_{n,i,k}f\left(P_{g,n,i,k}\right)+U_{n,i,k}\left({1-U}_{n,i,k-1}\right)S_{n.i})---\left(2\right)$

$F_w=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{\beta }_{n,i}({P^{*}}_{w,n,i,k}-P_{w,n,i,k})---\left(3\right)$

其中，i为机组编号，i＝1,2...I，I为火电机组和风电场的总数；k＝1,2...K,K为 时段总数；n＝1,2...N，N为依据电网关键断面信息划分的电网分区总数。F_g为 火电机组的发电成本、P_g,n,i,k为区域n内的火电机组i在数段k的发电功率， U_n,i,k为区域n内的火电机组i在k时段的启停状态，S_n,i为火电机组i的启机费 用，f(P_g,n,i,k)为火电机组运行成本，即燃料成本，如下表示： f(P_g,n,i,k)＝a_n,i+b_n,iP_g,n,i,k；F_w为风电场的弃风费用，P_w,n,i,k为k时段风电场i实际 被调用的风电功率总量，P^*_w,n,i,k为k时段风电场i预测的风电功率总量，β_n,i为 弃风惩罚因子；m_j为在分区x,n之间新建线路数量，C_j为新建线路在规划水 平年的投资建设成本。

进一步的，所述优化目标包括以下几种情况：若在规划中以全额接纳风 电为主，则保证弃风量最小为首要目标兼顾经济性，可将弃风费用系数设置 为数倍于常规电源运行费用的最大值；若在规划中以经济性为主，则保证系 统成本最小为首要目标，可进行适当弃风，将弃风费用系数设置为0.1；若 折衷考虑，则将弃风费用系数设置在两者之间。

进一步的，步骤2中的第2.2步所述的约束条件包括：

(1)系统约束：

1)区域电力平衡约束：

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}(P_{g,n,i,k}+P_{w,n,i,k})+\underset{x\in N}{\Sigma }{P}_{x,n,k}=P_{d,n,k}+\underset{z\in N}{\Sigma }{P}_{z,n,k}---\left(4\right)$

2)区域热力平衡约束

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{H}_{g,n,i,k}=H_{d,n,k}---\left(5\right)$

3)负荷备用约束

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{U}_{n,i,k}(P_{g,n,i,\max }-P_{g,n,i,k})\ge R_{w,n,k}+R_{d,n,k}---\left(6\right)$

4)区域间线路传输功率极限约束

$P_{x,n,k}\le P_{x,n,\max }+m_j{P}_{x,n,\max }^j---\left(7\right)$

5)新建输电线路条数约束

0≤m_j≤m_j,max(8)

6)输电线路负荷率约束

$P_{x,n,k}/(P_{x,n,\max }+m_j{P}_{x,n,\max }^j)\le \gamma ---\left(9\right)$

其中P_x,n,k为x分区和n分区之间现有线路在k时段的传输电力；P_x,n,max为x 分区和n分区之间现有线路的传输极限；P_z,n,k是分区n在k时段的外受或外送 电力；R_w,n,k、R_d,n,k分别是分区n在时段k的负荷备用和风电备用；H_g,n,i,k是分 区n内机组i在时段k的供热量，H_d,n,k是分区n在时段k的热力需求，是 x分区和n分区之间新增输电线路j的传输极限，m_j,max是x分区和n分区之间 允许新建的输电线路数量上限，γ为输电线路负荷率上限。

(2)火电机组约束

1)机组发电上下限约束

U_n,i,kP_g,n,i,min≤P_g,n,i,k≤U_n,i,kP_g,n,i,max(10)

2)最小启停时间约束

(u_n,i,k-1-u_n,i,k)(T_n,i,k-1-T_n,i,on)≥0(11)

(u_n,i,k-u_n,i,k-1)(-T_n,i,k-1-T_n,i,off)≥0(12)

3)机组爬坡速度约束

$P_{g,n,i,k}-P_{g,n,i,k-1}\le g_{g,n,i}^{\mathrm{up}}---\left(13\right)$

$P_{g,n,i,k-1}-P_{g,n,i,k}\ge P_{g,n,i}^{\mathrm{down}}---\left(14\right)$

4)背压式供热机组发电特性约束

P_g,n,i,k＝H_g,n,i,k·d(15)

5)抽气式供热机组发电特性约束

P_g,n,i,k＞H_g,n,i,k·d(16)

P_g,n,i,max-P_g,n,i,k≥H_g,n,i,k·e(17)

其中，P_g,n,i,max，P_g,n,i,min分别为火电机组出力上下限，T_n,i,on、T_n,i,off分别为火电机 组i最小连续开机时间和最小连续停机时间，分别为机组i的爬坡 速度上下限，d和e分别为背压式和抽气式供热机组的电热转化参数。

(3)风电场出力约束

0≤P_{w，n，i，k}≤P^*_{w，n，i，k}(18)

进一步的，若在规划中分析评估电网的适应性，可比较新建输电线路前 后，关键断面输电线路的负载率变化，以及输电能力的增加对风电并网消纳 的影响。

进一步的，若在规划中分析评估电源的适应性，可比较风电大规模接入 后，常规机组负载率及单位发电成本的变化，以及常规机组调峰需求能力的 变化。

进一步的，若在规划中分析评估方案的经济性，可比较不同风电接入容 量和接入位置下，系统运行成本、新建线路投资费用以及风电年利用小时数 的变化。

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，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：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，这些未脱离本发明精神和范 围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之 内。