基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可再生能源电力并网技术，具体涉及一种基于多目标优化的电网日前 风电接纳能力评估方法及风电单位接纳成本指标。
【背景技术】
[0002] 近十年来，随着化石燃料的逐渐枯竭以及环境污染的日益加剧，全世界对发展以 风电为代表的可再生能源均给予了足够的重视。截止2012年底，经过数年的高速开发，我 国风资源丰富区的部分区域电网的风电渗透率达到了较高的水平，如蒙西电网风电装机占 发电总装机的比例高达22. 2%。大规模风电并网增加了调度决策的难度、恶化了局部电网 的电能质量，更为严重的是，当电网调度资源无法平衡风功率的随机变动时，可能出现严重 的"弃风"。2013年，我国电网"弃风"电量高达162亿千瓦，约占当年风力发电总量的10%。
[0003] 随着"弃风"现象日益严重，学术界对电网弃风原因进行了深层次分析，并从多个 时间角度对电网的风电接纳能力进行了评估，从而为调度决策提供参考。文献一《基于电力 平衡的辽宁电网接纳风电能力分析》（电力系统自动化，2010年，第34卷，第3期，第86页 至90页）通过分析认为，现阶段导致"弃风"的主要原因是输送能力与调峰能力的制约，至 于风电并网引起的系统潮流、电压稳定、电能质量等问题在局部电网内部即可解决，尚不至 于制约整个电网对风电的消纳。文献二《大规模风电接入电网的相关问题及措施》（中国电 机工程学报，2010年，第30卷，第25期，第1页至9页）对比了中德两国的电源结构，认为 电源结构不合理是导致大规模"弃风"的主要原因之一。文献三《考虑网络安全约束的实时 风电消纳能力评估》（中国电机工程学报，2013年，第33卷，第16期，第23至29页）在考 虑网络安全约束的基础上，从实时运行角度对电网风电接纳能力进行了评估，并着重分析 了各节点的风电接纳能力。文献四《基于日前风功率预测的风电消纳能力评估方法》（电网 技术，2012年，第36卷，第8期，第69至75页）从日前时间角度分析了电网风电接纳能力， 提出了风电可消纳"包络带"的概念，给调度人员提供了有益的参考。
[0004] 文献三、四提出的风电接纳能力评估方法仅给出单一评估结果，侧重于展示电网 的最大理论风电接纳能力。此外，现有风电接纳能力评估模型在评估中完全忽略了风电的 接纳成本，因而也没有提出相应的风电接纳成本指标。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种评估更为全面、简便的基于多目标优化的电网日前风 电接纳能力评估方法。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] -种基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法，其特征是：电网日前风 电接纳能力评估模型有风电接纳能力最大与常规系统发电成本最小两个优化目标，如下所 示：
【主权项】
1. 一种基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法，其特征是：电网日前风电 接纳能力评估模型有风电接纳能力最大与常规系统发电成本最小两个优化目标，如下所 示： 优化目标1:
优化目标2:
上式中，Aw为调度日内的风电接纳电量，为调度日内的风电预测电量减去弃风电量期 望；Pi;t为机组i在时段t的输出功率；u凑示机组i在调度日内的运行状态，"0"表示停 机，"1"表示开机；T为调度时段数；Fw，t为时段t的风电最大理论出力，即风功率预测值；Cw，t 为时段t的"弃风"电量期望，与ui有关；C为常规系统在调度日内的发电成本；N为 常规机组的数目；fJPu)为机组i在时段t的燃料成本函数，可由二次函数拟合； 电网日前风电接纳能力评估模型的约束条件如下： 系统有功平衡约束：
上式中，Pd，t为时刻t的负荷预测值，Pw，t为时刻t的风电上网电量； 常规机组出力约束： 上式中，？_，^>^分别为机组1的最大、最小技术出力； 爬坡约束： ATRup,i Pi.t-rPi.t5^ ATRdown,i 上式中，1^^、心。"^分别为机组1最大增、减出力速率； 系统安全性约束： ^LOLP, t ^ ^ L0LP 上式中，为调度时段t的失负荷概率，RmP为期望达到的运行可靠性水平； 风功率约束： Pw,t^Fw,t〇
2. 根据权利要求1所述的基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法，其特征 是：电网日前风电接纳能力评估模型，采用基于非支配分类的遗传算法对其进行求解，求出 该评估模型的Pareto最优解集，具体步骤如下： 步骤1、随机产生遗传算法的初始染色体种群，种群规模为10N;采用长度为N的二进制 编码表示染色体种群中的一条染色体；每条染色体给出了N台常规机组在调度日内的运行 状态，"0"表示停机，" 1"表示开机； 步骤2、对染色体进行可靠性评估，对满足安全性约束的染色体进行经济调度计算，在 此基础上计算常规系统的发电成本Q，并计算这些满足安全性约束的染色体在调度日内的 弃风电量期望Cw，t; 步骤3、按非劣解等级对种群中的染色体进行分层，层次索引越小，非劣解层等级越高， 分层时，不满足安全性约束的染色体的非劣解层等级最低；假定种群可分为m层，对个体i来说，若其所处的非劣解层次为j，则该个体的适应度VfiM为： VfiM=lON-j i= 0, 1，…，IONj= 0, 1，…，m 步骤4、计算同一非劣解层中各个体的局部拥挤距离；局部拥挤距离计算时，个体分为 两类：处于排序边缘的个体以及排序中间的个体；对处于排序边缘的个体来说，其局部拥 挤距离直接赋一个较大的数值，使其获得选择优势；对处于排序中间的个体来说，其局部拥 挤距离为以两个相邻的个体为顶点构成的矩形的两条边的长度之和； 步骤5、将父代种群中的非劣解集直接复制至子代种群，作为子代种群的一部分；根据 个体适应度以及局部拥挤距离进行选择操作产生子代种群中的其它个体，即从父代中随机 选取两个个体，若适应度值不同，则选取适应度大的个体，若适应度相同，则选择局部拥挤 距离较大的个体；上述选择操作重复进行，直至形成子代种群；按一定的概率，对子代种群 进行交叉、变异操作； 步骤6、重复执行步骤2至5,直至算法满足预先设定的收敛条件。
3.根据权利要求1所述的基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法，其特征 是：采用解析概率算法对各调度时段弃风电量期望Cw，t与失负荷概率V^^进行计算，其步 骤如下： 步骤1、采用通用概率分布函数表示风功率在预测值附近随机波动的概率特性，其概率 密度函数与累计概率分布函数分别如下式所示：
F(x) = {l+exp[-a(x-y)]}-0 步骤2、采用正态分布N(Pd，t，〇d，t)表示负荷在预测值附近随机波动的概率特性，并采 用7个离散概率点对正态分布N(Pd，t，〇d，t)进行近似逼近，即：
步骤3、采用不考虑元件修复的改进双状态模型表示机组的随机故障特性，机组i在时 段t的故障率f^t为： fi,t= 1-exp[-Ai(TLD+t)] ^Ajd^+t) 式中，为风电接纳能力评估提前时间；Xi为机组i的平均故障率； 步骤4、假设时段t有m台机组处于开机状态，在忽略两台以上机组同时故障的情况下， 该时段常规机组可用发电容量的离散概率表达式如下所示：
上式中，&为机组均处于正常状态时的可用发电容量，P(l为对应的概率，可由下式计 算：
Gj(j= 1，2,…m)为单台机组故障时的可用发电容量，p#对应的概率；假定故障机组 的索引为k，分别为： Gj-G0_Pmax，k
Gj(j=m+l，m+2, ???mOn+l)/^)为某两台机组同时故障时的可用发电容量，Pj为事件发 生的概率；假定故障机组的索引为kk2,Gpp汾别为：
步骤5、假设时段t有m台机组处于开机状态，在忽略两台以上机组同时故障的情况下， 该时段常规机组总最小技术出力的离散概率表达式如下所示：
上式中，&为机组均处于正常状态时的常规机组总最小技术出力，p^为对应的概率，可 由下式计算：
Gj(j= 1，2,…m)为单台机组故障时的常规机组总最小技术出力，pd；对应的概率；假 定故障机组的索引为k，别为： Gj-G0_Pmin，k
Gj(j=m+l，m+2, ???mOn+l)/^)为某两台机组同时故障时的常规机组总最小技术出力，Pj为事件发生的概率；假定故障机组的索引为kk2,Gp别为：
步骤6、计算各调度时段弃风电量期望Cw，t与失负荷概率V^P，t，如下式所示：
ifx〇<0x〇= 0ifx〇〉lXq-l〇
4. 一种基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法的风电单位接纳成本指标， 其特征是：基于电网日前风电接纳能力评估模型Pareto最优解集的风电单位接纳成本指 标CApiU，按下式计算：
根据Pareto最优的定义，各解对应的发电成本满足如下关系： 风电接纳能力评估模型的Pareto最优解集由n个不同的解组成，按风电接纳电量八￥的 大小对Pareto最优解集进行排序，排序后，存在如下关系： Aw，i〈Aw，2〇..Aw，n。
【专利摘要】本发明公开了一种基于多目标优化的电网日前风电接纳能力评估方法，采用非支配分类遗传算法对评估模型进行了求解，求得了评估模型的Pareto最优解集。非支配分类遗传算法种群中的染色体表示常规机组在调度日内的启停状态，在常规系统发电成本及弃风电量期望计算的基础上采用非支配排序法确定各染色体的非劣解等级，并以此为基础进行选择操作。本发明评估更为全面可给出Pareto最优解集，该解集由一系列评估结果及对应的成本组成。
【IPC分类】H02J3-00
【公开号】CN104578059
【申请号】CN201510031432
【发明人】张新松, 邱爱兵, 郭晓丽, 李智, 王胜锋, 华亮, 王建平
【申请人】南通大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月21日