光伏并网下基于多场景的综合评价与运行策略求解方法与流程

本发明属于光伏并网运行仿真与控制策略领域，具体涉及光伏并网下基于多场景的综合评价与运行策略求解方法。

背景技术：

近年来，国内外针对光伏并网建模、运行及市场环境下配电系统的规划等方面开展了广泛的研究，欧盟、美国、日本等均开展了光伏并网试验示范工程研究，以进行概念验证、控制方案测试及运行特性研究。国外光伏并网的研究主要围绕可靠性、可接入性、灵活性三个方面，探讨系统的智能化、能量利用的多元化、电力供给的个性化等关键技术。光伏并网在我国也经历了实验、示范以及具体应用阶段，目前国内已开展大量光伏并网工程，形成了丰富的研究成果及实践经验。

但考虑我国电力体制特性，尤其是电力综改区面临的具体问题，光伏并网研究还存在以下技术问题：

一是现今光伏并网研究中缺少针对配电网系统内部运行、控制和优化等问题内容，关于多场景光伏并网出力变化对配电网影响及其机理研究较少；二是在针对含光伏并网的配电网分析中，需要考虑配电系统综合指标的影响因素，通过考虑配电网多项指标特征能够对光伏并网策略提出更加准确有效的策略。因此，通过将光伏并网等效为一个接入配电网的节点，利用光伏并网外特性进行高渗透率光伏环境下各光伏的并网特性分析是非常有实用价值的。

技术实现要素：

本发明的目的在于，在高渗透率环境下，将光伏电源等效为一个接入配电网的节点，同时进行多场景划分，识别典型场景，建立配电网综合评价指标，基于其外特性求解更加准确有效的光伏并网策略，提高并网安全性与经济性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

光伏并网下基于多场景的综合评价与运行策略求解方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1、根据配电网负荷特性、光伏容量规模以及应用场合的不同，建立典型光伏并网出力特性与系统综合性能模型；基于各电源自身约束条件，以可靠性与经济性为目标函数建立计及光伏并网运行策略的电源出力优化模型；

s2、提出单断面光伏运行策略模型，并基于单断面光伏并网运行策略求解外特性；

s3、在微电网运行策略下，基于时序模拟法与启发式智能算法提出高渗透率配电网综合性能的计算方法。

所述s1中，需对所述典型光伏模型进行具体建模分析，即光伏电池的外特性模型建模分析，包括以下步骤：

s101、根据实际实际附加损耗确定光伏电池物理特性，光伏电池物理特性可表示为式(1)、式(2)、式(3)和式(4)：

il＝iph-id-ish(1)

式中：iph为光生电流，正比光强和受光面积；id为二极管电流，反映p-n结产生的总电流；ish为旁路电流；rsh为旁路电阻，反映电阻损耗；rs为串联电阻，反映漏电流损耗；io为光伏电池的反向饱和电流；q为电子电荷1.6×10^-19c；a为p-n结的曲线常数；k为玻耳兹曼常数1.38×10^-23j/k；t为光伏电池的温度；

s102、根据光伏电池的物力特性确定工程模型，工程模型如式(5)到(7)所示：

s103、对相关参数进行修正，形成不同外界环境下对应的参数值，提高仿真精度，如式(8)所示：

其中，α、β、γ为校正数据。

所述s2中单断面光伏运行策略模型需进行多场景特性建模，采用聚类分析对场景进行划分实现多场景特性建模。

所述s3中提出高渗透率配电网综合性能的计算方法后以经济、可靠性和电压质量进行综合评价模型；所述经济包括投资收益比、单位投资供电量和减少故障损失费用，所述可靠性包括并网点平均停电频率和并网点平均持续时间，所述电压质量包括并网点电压偏移和电压合格率。

所述投资收益比为

b/clcc＝(csell+ccutloss+csub)/(ccon+com+cpur)(9)

csell为运营商向用户卖电所获收益，ccutloss为减少用户停电损失所获收益，csub为政府补贴新能源发电所获收益，ccon为光伏电源建设成本，com为内部运行维护成本，cpur为从电网购电成本；

所述单位投资供电量为：

ccon为光伏电源建设成本，com为光伏运行维护成本，cpur为光伏运营商从电网购电成本。t为运营年，q(i)为每年光伏供电量，qin(i)为光伏每年从配电网购买电量。c0为配电网售电价；

所述故障费用损失为：

为m类用户的每小时停电损失，为每年配电网故障时光伏电源供电小时数。

所述并网点平均停电频率为：

式中：sf为saifi值；nd和ne分别为馈线节点总数和馈线中设备总数；λj为第j个设备的故障率；ni为节点i中的用户总数；naj，nbj，ncj分别为设备j故障后a，b，c类用户的数量；μaj，μbj，μcj为反映停电次数的0-1变量；

并网点平均持续时间为：

式中：sf为saifi值；nd和ne分别为馈线节点总数和馈线中设备总数；λj为第j个设备的故障率；ni为节点i中的用户总数；naj，nbj，ncj分别为设备j故障后a，b，c类用户的数量；taj，tbj，tcj为反映停电次数的0-1变量。

所述并网电压偏移

式中，uref为额定电压值，upcc为光伏并网点电压值；

电压合格率表征为

本发明的有益效果为：为了有效求解运行过程中光伏并网综合指标以及应对策略，本发明考虑到以天作为单位进行优化的计算速度是比较慢的，且求解综合指标的最优解，即是要求各电源在满足约束条件情况下能够实现综合目标函数最优前提下运行策略。因此，将上述时序模拟仿真拆解成为多个典型场景单断面的最优求解，从各个时间断面入手，进行各个时间断面最优策略的求解。

本发明考虑以单位周期内出力为基础，通过聚类算法求解对应典型场景集合，在典型场景中调节光伏单元出力水平，以综合评价指标作为适应度函数，求解最优出力策略，对各典型场景断面进行求解，得到最优出力集合，对其时序排列得到相应的光伏出力优化策略，通过本发明，能够进一步提高光伏并网的经济性与安全性，且简化了计算步骤提高了计算效率，是针对光伏并网工程的新思路。

附图说明

图1是光伏电池等效电路图；

图2是光伏电池的输出特性曲线；

图3是光伏电池的伏安特性曲线；

图4是光伏电池的输出特性曲线；

图5是综合评价指标图；

图6是层次分析法结构；

图7是基本计算流程；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：

实施例1

为了有效求解运行过程中光伏并网综合指标以及应对策略，本发明考虑到以天数作为单位进行优化的计算速度是比较慢的，且求解综合指标的最优解，即是要求各电源在满足约束条件情况下能够实现综合目标函数最优前提下运行策略。光伏并网下基于多场景的综合评价与运行策略求解方法包括：

1)根据配电网负荷特性、光伏容量规模以及应用场合的不同，建立典型光伏并网出力特性与系统综合性能模型；基于各电源自身约束条件，以可靠性与经济性为目标函数建立计及光伏并网运行策略的电源出力优化模型；

2)提出单断面光伏运行策略模型，并基于单断面光伏并网运行策略求解外特性；

3)该微电网运行策略下，基于时序模拟法与启发式智能算法提出高渗透率配电网综合性能的计算方法。

光伏电池的外特性模型

首先，为了进一步描述具体工作状态，需要对于所述典型光伏模型进行具体建模分析。光伏电池是以半导体p-n结上接受光照产生光生伏打效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器。当光照射到半导体光伏器件上时，在器件内产生电子-空穴对，在半导体内部p-n结附近生成的载流子没有被复合而能够到达空间电荷区，受内建电场吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴，它们在p-n结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。

理想情况下，单个光伏电池可看作电流源和理想二极管的并联。但由于电池材料本身的电阻、表面接触电阻和漏电流的存在，会带来附加损耗。实际光伏电池的物理特性可表示等效电路图，如图1所示。光伏电池物理特性可表示为式(1)到(4)：

il＝iph-id-ish(1)

式中：iph为光生电流，正比光强和受光面积；id为二极管电流，反映p-n结产生的总电流；ish为旁路电流；rsh为旁路电阻，反映电阻损耗；rs为串联电阻，反映漏电流损耗；io为光伏电池的反向饱和电流；q为电子电荷1.6×10^-19c；a为p-n结的曲线常数；k为玻耳兹曼常数1.38×10^-23j/k；t为光伏电池的温度。

在特定的太阳光照强度和温度下，当负载从0变化到无穷大时，输出电压u范围在0到uoc之间变化，同时输出电流范围在短路电流isc到0之间变化，由此得到电池的输出特性曲线，如图2所示：

由2可以看出，在一定的光照强度和温度下，光伏电池输出的电压、电流在一条曲线上移动，输出的功率p也在变化。其中，最大功率点(mpp，maximumpowerpoint)处代表了最大输出功率，称为最佳工作点，其对应的电流为最大功率点电流im，对应的电压值为最大功率点电压um，由im和um构成的矩形面积也是该曲线所能包揽的最大面积，称为光伏电池的最佳输出功率或最大输出功率pm。

光伏电池的输出特性包括伏安特性和有功功率-电压特性，可分别通过伏安特性曲线(v-i)和有功功率-电压特性曲线(p-v)来体现，并对两者分别进行了温度、光照强度的敏感性分析。光伏电池的开路电压uoc主要受电池温度t的影响较大，温度越高则uoc越低，而光伏电池的短路电流isc主要受光强s的影响，光强越强则isc越大。类似的，光伏电池的有功功率在电压高于一定数值后随温度的升高而降低，随光照强度的升高而升高。

由于表达式(1)到(4)中5个参数iph、io、rs、rsh和a与温度和光强有关，确定起来很困难，不便于工程应用。故在实际应用和科学研究中，常采用简化的工程模型，利用供应商能提供的技术参数voc、isc、vm、im、pm描述光伏方阵，既能保证足够的模拟精度，又改善了仿真的响应速度和计算量。工程模型如式(5)到(7)所示。

由于光伏输出的电压、电流很大程度上受温度和光照的影响，因此需要对相关参数进行一些修正，形成不同外界环境下对应的参数值，提高仿真精度，如式(8)所示。

其中，α、β、γ为校正数据，可通过对v-i特性曲线的大量实验拟合获得。经仿真分析，取α＝0.00055/℃，β＝0.5，γ＝0.00288/℃能达到较高模拟精度。

多场景特性建模

在实际工程中，对于未来环境中的各种不确定性因素，通过预测和分析，往往可以得到一系列可能出现的值，将这些可能出现的值进行组合，就可得到一个未来可能环境，称为一个场景。根据各场景发生概率不同，各场景对最终规划方案影响也不相同，发生概率越大的场景，对最终方案的影响也越大。多场景规划模型的实质就是通过组合多个确定性场景问题来处理难以用数学模型表示的不确定性因素，从而降低了建模和求解的难度。其难点在于如何合理地分析和预测未来各种场景，以及如何确定规划方案的综合最优性。本发明采用聚类分析对场景进行划分从而实现多场景特性建模。

聚类分析是一种对大数据深入挖掘处理的高效算法，就其分类而言，主要可以分为划分聚类、层次聚类、基于密度的聚类、基于网格的聚类。其中，划分聚类拥有效率高，准确的特点，通过创建一个初始划分，然后使用一种迭代的重定位技术将各个样本重定位，直到满足条件为止。本方法采用划分聚类来实现多场景建模，通过基于上一节中对于光伏电源外特性的建模，采用随机抽样的方法对单位日内光伏出力样本进行大量抽样，基于上述样本采用划分聚类算法进行聚类分析，通过计算不同类之间的欧式距离，通过重复迭代对各个样本进行调整从而实现对总体样本的聚类分析。

综合评价模型

光伏并网按参与主体可分为两类。其中，若光伏内负荷主体与光伏运营商为同一主体，则光伏供电商以单位投资的供电量最大为优化目标更符合其盈利模式。另一种则为光伏运营商与用户非同一主体，在电力市场改革的背景下，开放的售电侧也可进行供售电。此时光伏由独立运营商进行协调运行，负荷用户为另一主体，光伏运营公司参与市场竞争的优化目标为总利润最大，或者单位投资收益最大化，以促使其更多参与电力市场投资。而且所有类型的光伏的建立的初衷都需要减少故障损失的费用，因此在考虑其经济性评价时，减少的停电损失费用应为一重要指标。

综合以上分析，建立以光伏运营商为主体的评价指标如表1所示。

表1：光伏并网基本评价指标

单位投资供电量

光伏本地负荷与分布式电源归属于同一主体时，光伏追求的经济性在于保证负荷需求的前提下，单位投资供电量最大以追求经济性最优：

ccon为光伏电源建设成本，com为光伏运行维护成本，cpur为光伏运营商从电网购电成本。t为运营年，q(i)为每年光伏供电量，qin(i)为光伏每年从配电网购买电量。c0为配电网售电价。

光伏投资收益比

光伏内负荷与分布式电源归属于不同主体时，光伏电源的建设和运维由光伏运营商承担，光伏运营商的收益主要来源于向用户卖电所得与向配电网购电支出价格差获得收益。因此，从光伏运营商的角度来看，其经济性目标为全寿命周期投资收益比最大，以获取最大利润。

b/clcc＝(csell+ccutloss+csub)/(ccon+com+cpur)(10)

csell为运营商向用户卖电所获收益，ccutloss为减少用户停电损失所获收益，csub为政府补贴新能源发电所获收益，ccon为光伏电源建设成本，com为内部运行维护成本，cpur为从电网购电成本。

减少停电损失费用

建立光伏能在一定程度上减少因配电网发生故障造成的光伏供电范围内的停电造成的损失。

为m类用户的每小时停电损失，为每年配电网故障时光伏电源供电小时数。

并网点平均停电频率

式中：sf为saifi值；nd和ne分别为馈线节点总数和馈线中设备总数；λj为第j个设备的故障率；ni为节点i中的用户总数；naj，nbj，ncj分别为设备j故障后a，b，c类用户的数量；μaj，μbj，μcj为反映停电次数的0-1变量。

并网点平均持续时间

式中：sf为saifi值；nd和ne分别为馈线节点总数和馈线中设备总数；λj为第j个设备的故障率；ni为节点i中的用户总数；naj，nbj，ncj分别为设备j故障后a，b，c类用户的数量；taj，tbj，tcj为反映停电次数的0-1变量。

并网点电压偏移

电压是衡量电能质量的重要标志。供给用户的电压与额定值的偏移不超过规定的数值，是电力系统运行调整的基本任务之一。光伏并网点的电压偏移量过大，需要投入更多的电压调节手段，增加了光伏的技术难度，

式中，uref为额定电压值，upcc为光伏并网点电压值。

电压合格率

光伏并网点电压合格率考虑了全年该点的电压越限情况。

由于配电网光伏综合评价工作属于多属性复杂问题，需要考虑多方面因素，例如多主体的效益、技术水平、电网建设运行经济性、电能质量和可靠性等；同时，需要考虑这些因素对电网综合性能的影响程度以及彼此之间的相互联系。通过采用模糊层次分析法，形成判断矩阵，计算各层次元素组合权重，进行一致性检验，当满足判断矩阵的一致性指标时，得到对应各项指标权重，表征为

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。