一种含光伏发电的电力系统紧急降风险控制方法与流程

本发明涉及电力系统控制领域，具体涉及一种含光伏发电的电力系统紧急降风险控制方法。

背景技术：

近年来，化石能源的逐渐短缺和环境污染的加剧使得光伏等可再生能源受到了各国政府的重视。光伏发电系统在电网中的渗透率不断提高。光伏发电系统的功率随日照强度波动而不断变化，对电力系统的安全稳定运行造成了较大风险。特别是光伏发电系统的运行原理与同步发电机存在根本性差异，在扰动冲击等条件下，光伏发电系统使得电力系统的运行控制面临根本性挑战。

电力系统的功率平衡是电网稳定运行的基础。然而，电源和负荷的投切、输电线路的中断均会导致电网功率不平衡。电网不平衡时，电压和频率出现波动，可能导致电网频率和节点电压越限，甚至会造成电网振荡、解列等严重事故。当电力系统功率出现冗余时，切机是控制电力系统恢复稳定运行的最行之有效的方法。在光伏高渗透率的电力系统中，切光伏被逐渐用以代替切机来维持电力系统的功率平衡。

当电力系统功率出现不足时，在传统电力系统中，由于同步发电机短时的功率提升能力有限，因此常常采用切负荷的方式来平衡电力系统的功率。部分研究人员提出了一种基于系统加速能量的临界切机量求取方法，从而量化切机控制,构建了一种区域电网的单机带负荷模型，并配置了一种高频切机方案。但是，增大同步发电机的备用容量成本较高。特别是在含有光伏的电力系统中，由于同步发电机容量有限，可能难以满足电力系统功率紧急控制的需求。

为了最大化发电效率，光伏发电系统一般工作在最大功率跟踪(mppt)模式。因此，在任意光照条件下，光伏发电系统输出功率已到达上限，无法为电网提供有效的紧急功率支撑。部分研究人员提出控制光伏运行于非mppt点，从而通过减载运行来具有一定备用功率。但是，现有方法主要聚焦于光伏发电系统并网调频，关于大扰动下光伏参与电力系统紧急控制的研究还鲜见报道。特别是现有研究主要着力于确定一定光伏减载量下电力系统的运行方式，关于光伏减载量的确定还未形成成熟的方法。由于光伏减载量不仅决定于电力系统的需求，还与电力系统的运行成本息息相关，合理的光伏减载量对于电力系统的稳定和经济运行具有重大意义。

因此，如何准确确定光伏减载量，从而有效实现基于光伏发电减载运行的电力系统紧急降风险控制，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种含光伏发电的电力系统紧急降风险控制方法，用于非光伏发电系统与光伏发电系统并网的电力系统，使光伏发电系统具备对电网的紧急支撑能力，解决电网运行中可能出现的功率不足问题，计及光伏减载和电力系统运行风险，通过建立两阶段降风险调度优化模型安排同步机和光伏发电系统出力、协调同步机备用容量和光伏减载量，在电力系统功率不足时主动调整光伏发电系统出力以对电力系统进行紧急功率支撑，在保证电网安全性的前提下，实现经济效益最大化。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种含光伏发电的电力系统紧急降风险控制方法，目标电网包括多个非光伏发电系统及多个光伏发电系统，包括：

s1、建立日前调度时段优化模型，以日前发电调度成本最低为优化目标，以非光伏发电系统和光伏发电系统的有功出力以及非光伏发电系统的开停机序列为优化变量，确定非光伏发电系统的开停机状态和光伏发电系统的出力情况；

s2、基于非光伏发电系统的开停机状态和光伏发电系统的出力情况，以及节点电压越限、电网频率偏差、电压稳定裕度和功角稳定裕度，结合电网故障集计算当前电网运行风险irisk；

s3、建立实时运行时段优化模型，以实时运行成本和风险成本只和最低为优化目标，以非光伏发电系统备用容量出力和光伏减载量为优化变量，确定非光伏发电系统备用容量在实时运行阶段的调度情况和光伏减载量；

s4、以非光伏发电系统的开停机状态、光伏发电机的组出力情况、非光伏发电系统备用容量调度情况和光伏减载量，作为调度生产中各个非光伏发电系统、光伏发电系统的控制指令，实现基于光伏发电减载运行的电力系统紧急降风险控制。

优选地，步骤s1中，日前调度时段优化模型每隔δt间隔启动，确定未来m个δt时段内非光伏发电系统的开停机状态和光伏发电系统的出力情况，δt为日前调度时段优化模型启动间隔，日前调度时段优化模型的目标函数为：

min.c^da

日前发电调度成本c^da的计算公式如下：

式中，t＝{1,2,...,nt}，nt为日前调度运行的时段数；g＝{1,2,...,ng}，ng为电网中非光伏发电系统的总数目；s＝{1,2,...,ns}，ns为电网中光伏发电系统的总数目；分别为第g个非光伏发电系统在时间段t的启动成本和停机成本；cg为第g个非光伏发电系统的边际发电成本报价；为第g个非光伏发电系统在时间段t内调度的有功功率，cs为第s个光伏发电系统的边际发电成本报价；为第s个光伏发电系统在时间段t内调度的有功功率；

日前调度时段优化模型的约束条件包括：

潮流平衡约束

式中，m和n分别表示电网中的第m个节点和第n个节点；δnt和δmt分别为日前调度阶段第m个节点和第n个节点在时间段t内的电压相角；bnm为节点电纳矩阵；为日前调度阶段线路m至n在时间段t内的潮流；为日前调度阶段预测的负荷节点d在时间段t内的有功功率；分别表示位于节点n的非光伏发电系统、光伏发电系统和负荷；m∈ψn表示和节点n相连的节点；

机组出力约束：

式中，pgmax、pgmin分别为非光伏发电系统的出力上和下限；pmppt为第s个光伏发电系统在日前调度阶段时间段t内的最大输出有功功率，ugt为第g个非光伏发电系统在时间段t内的状态，ugt为取值为0或1的整数变量，当ugt＝1时，表示在时间段t内调度第g个非光伏发电系统，当ugt＝0时，则第g个非光伏发电系统不被调度；

日前调度时段优化模型的约束条件包括：

爬坡率约束：

式中rug和rdg分别为第g个非光伏发电系统的最大向上和向下爬坡速率；为第g个非光伏发电系统在日前调度阶段时间段t-1内调度的有功功率；

线路启停机成本约束：

式中，分别为第g个非光伏发电系统的启动成本和停运成本；ug(t-1)为第g个非光伏发电系统在时间段t-1内的状态；表示第g个非光伏发电机组的初始状态，当时，表示第g个非光伏发电系统的初始状态是开机，反之，则第g个非光伏发电系统的初始状态是停机。

优选地，步骤s2中，

式中，k为所考虑的电网不确定因素的总数目；xi为第i个所考虑的电网不确定因素；p(xi)为第i个所考虑的电网不确定因素发生的概率；s(xi)为第i个所考虑的电网不确定因素造成的后果，所考虑的电网不确定因素包括电压越限、电网频率偏差、电压稳定裕度和功角稳定裕度；

节点电压越限后果：

式中，a＝va/van,va为节点电压幅值；van为节点电压的额定值；

电网频率偏差后果：

式中，b＝f/fn，f为电网频率；fn＝50hz；

电压稳定裕度：

式中，(pi)0为负荷节点的有功初始值；y＝1,...,z为计算步数；δty为步长；

功角稳定裕度：

式中，δpe为小扰动后每个非光伏发电系统的有功增量；δα为机端电压相位变化。

优选地，步骤s3中，实时运行阶段优化模型以δt′为采样步长，δt′＜δt，对当前时刻的电网功率不足风险信息进行超短期预测，并根据预测结果进行最优化计算，确定系统中非光伏发电系统备用容量、光伏减载量；

实时运行时段优化模型的目标函数为：

min.c^ert+c^r

式中，c^ert表示实时运行期望成本，c^r表示风险成本；

式中，rgtw表示第g个非光伏发电系统在场景w和时间段t内的备用容量；pstw为第s个光伏发电系统在场景w和时间段t内的出力；为第s个光伏发电系统在场景w和时间段t内可削减的出力，β为风险成本系数；ω为场景总数；

实时运行时段优化模型的约束条件包括：

潮流平衡约束：

式中，δntw和δmtw分别是实时运行阶段节点n和m在场景w和时间段t内的电压相角；为实时运行阶段线路m至n在场景w和时间段t内的潮流；pdtw为负荷节点d在场景w和时间段t内的有功功率；

光伏减载约束：

式中，为光伏减载量；

备用容量约束：

-rdg≤rgtw≤rug

式中，rdg、rug分别为第g个非光伏发电系统最大的向上和向下备用容量；

机组出力约束：

爬坡率约束：

式中，rg(t-1)w为第g个非光伏发电机机组在场景w和时间段t-1内的备用容量。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、与现有技术中未确定光伏减载量不同，本发明是在电力系统功率不足前对即将发生变化的电网电压进行预测，在系统功率不足时，通过事前主动使光伏发电系统减载运行以提高光伏发电系统的功率支撑能力，计及电网日前调度时段运行风险，通过两阶段降风险调度协调系统中同步发电机、光伏发电系统出力和同步发电机备用容量、光伏减载量从而达到降低电网运行风险的目的。

2、日前调度时段下，以各类机组发电成本最小为目标，结合系统运行约束优化计算出系统中非光伏发电系统的出力，光伏发电系统的出力。日前调度时段下确定的非光伏发电系统开停机状态和光伏发电系统的出力情况在实时运行时段下不再调整。

3、实时运行时段下，为了降低电网运行风险，以实时运行成本与风险成本之和最小为控制目标，选取相应的风险成本系数，在满足约束条件的情况下，对系统中非光伏发电系统的备用容量出力以及光伏减载量进行最优分配，最终实现在有效降低电网运行风险的前提下，实现经济效益最大化。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的控制原理图；

图2为本发明公开的含光伏发电的电力系统紧急降风险控制方法的流程图；

图3为一光伏并网电力系统的结构图实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1及图2所示，本发明公开了一种含光伏发电的电力系统紧急降风险控制方法，目标电网包括多个非光伏发电系统及多个光伏发电系统，系统中非光伏发电系统集合为g＝{1,2,...,ng}，ng为系统中非光伏发电系统的总数目；光伏发电系统集合为s＝{1,2,...,ns}，ns为系统中光伏发电系统的总数目，以图3为例，目标电网内有34条输电线路、12台非光伏发电机机组，标号1至24分别为1至24节点，节点10处连接的为水力发电机组，节点21处接入一装机容量为200mw的光伏发电系统，其余机组为火力发电，所述方法包括：

s1、建立日前调度时段优化模型，以日前发电调度成本最低为优化目标，以非光伏发电系统和光伏发电系统的有功出力以及非光伏发电系统的开停机序列为优化变量，确定非光伏发电系统的开停机状态和光伏发电系统的出力情况；

步骤s1在具体实施时，日前调度时段优化模型每隔δt间隔启动，对未来mδt时段内的光伏、发电和负荷数据进行预测，根据预测结果，以该时段内总发电成本最小为优化目标，确定系统中各非光伏发电机组和光伏发电系统的出力计划；

日前调度时段优化模型的目标函数为：

min.c^da

日前发电调度成本c^da的计算公式如下：

式中，t＝{1,2,...,nt}，nt为日前调度运行的时段数；g＝{1,2,...,ng}，ng为电网中非光伏发电系统的总数目；s＝{1,2,...,ns}，ns为电网中光伏发电系统的总数目；分别为第g个非光伏发电系统在时间段t的启动成本和停机成本；cg为第g个非光伏发电系统的边际发电成本报价；为第g个非光伏发电系统在时间段t内调度的有功功率，cs为第s个光伏发电系统的边际发电成本报价；为第s个光伏发电系统在时间段t内调度的有功功率；

日前调度时段优化模型的约束条件包括：

潮流平衡约束

式中，m和n分别表示电网中的第m个节点和第n个节点；δnt和δmt分别为日前调度阶段第m个节点和第n个节点在时间段t内的电压相角；bnm为节点电纳矩阵；为日前调度阶段线路m至n在时间段t内的潮流；为日前调度阶段预测的负荷节点d在时间段t内的有功功率；分别表示位于节点n的非光伏发电系统、光伏发电系统和负荷；m∈ψn表示和节点n相连的节点；

机组出力约束：

式中，pgmax、pgmin分别为非光伏发电系统的出力上和下限；pmppt为第s个光伏发电系统在日前调度阶段时间段t内的最大输出有功功率，ugt为第g个非光伏发电系统在时间段t内的状态，ugt为整数变量，当ugt＝1时，表示在时间段t内调度第g个非光伏发电系统，反之，则第g个非光伏发电系统不被调度；

日前调度时段优化模型的约束条件包括：

爬坡率约束：

式中rug和rdg分别为第g个非光伏发电系统的最大向上和向下爬坡速率；为第g个非光伏发电系统在日前调度阶段时间段t-1内调度的有功功率；

线路启停机成本约束：

式中，分别为第g个非光伏发电系统的启动成本和停运成本；ug(t-1)为第g个非光伏发电系统在时间段t-1内的状态；表示第g个非光伏发电机组的初始状态，当时，表示第g个非光伏发电系统的初始状态是开机，反之，则第g个非光伏发电系统的初始状态是停机。

s2、基于非光伏发电系统的开停机状态和光伏发电系统的出力情况，以及节点电压越限、电网频率偏差、电压稳定裕度和功角稳定裕度，结合电网故障集计算当前电网运行风险irisk；

在步骤s2具体实施时，基于日前调度时段优化模型确定的非光伏发电机组开停机状态和光伏发电系统的出力情况，考虑节点电压越限、电网频率偏差、电压稳定裕度和功角稳定裕度，结合电网故障集计算当前电网运行风险irisk；

式中，k为所考虑的电网不确定因素的总数目；xi为第i个所考虑的电网不确定因素；p(xi)为第i个所考虑的电网不确定因素发生的概率；s(xi)为第i个所考虑的电网不确定因素造成的后果，所考虑的电网不确定因素包括电压越限、电网频率偏差、电压稳定裕度和功角稳定裕度；

节点电压越限后果：

式中，a＝va/van,va为节点电压幅值；van为节点电压的额定值；

电网频率偏差后果：

式中，b＝f/fn，f为电网频率；fn＝50hz；

电压稳定裕度：

式中，(pi)0为负荷节点的有功初始值；y＝1,...,z为计算步数；δty为步长；

功角稳定裕度：

式中，δpe为小扰动后每个非光伏发电系统的有功增量；δα为机端电压相位变化。

本发明中，概率来源于电网实际运行时的统计数据；电压稳定裕度和功角稳定裕度本身即属于后果的。

s3、建立实时运行时段优化模型，以实时运行成本和风险成本只和最低为优化目标，以非光伏发电系统备用容量出力和光伏减载量为优化变量，确定非光伏发电系统备用容量在实时运行阶段的调度情况和光伏减载量；

步骤s3具体实施时，利用包含光伏减载电压约束和风险成本的实时运行时段优化模型，对实时运行成本和风险成本进行优化，基于步骤1中日前调度时段优化模型确定的非光伏发电机组开停机状态和光伏发电系统的出力情况和步骤2中的电网运行风险，以非光伏发电机组备用容量出力和光伏减载量为优化变量，确定非光伏发电机组备用容量在实时运行阶段的调度情况和光伏减载量；

实时运行时段优化模型的目标函数为：

min.c^ert+c^r

式中，c^ert表示实时运行期望成本，c^r表示风险成本；

式中，rgtw表示第g个非光伏发电系统在场景w和时间段t内的备用容量；pstw为第s个光伏发电系统在场景w和时间段t内的出力；为第s个光伏发电系统在场景w和时间段t内可削减的出力，β为风险成本系数；ω为场景总数；

实时运行时段优化模型的约束条件包括：

潮流平衡约束：

式中，δntw和δmtw分别是实时运行阶段节点n和m在场景w和时间段t内的电压相角；为实时运行阶段线路m至n在场景w和时间段t内的潮流；pdtw为负荷节点d在场景w和时间段t内的有功功率；

光伏减载约束：

式中，为光伏减载量；

备用容量约束：

-rdg≤rgtw≤rug

式中，rdg、rug分别为第g个非光伏发电系统最大的向上和向下备用容量；

机组出力约束：

爬坡率约束：

式中，rg(t-1)w为第g个非光伏发电机机组在场景w和时间段t-1内的备用容量。

s4、以非光伏发电系统的开停机状态、光伏发电机的组出力情况、非光伏发电系统备用容量调度情况和光伏减载量，作为调度生产中各个非光伏发电系统、光伏发电系统的控制指令，实现基于光伏发电减载运行的电力系统紧急降风险控制。

光伏发电系统通常工作在最大功率跟踪模式，其缺乏多余裕度对电网进行功率支撑，在电网出现功率不足问题时，不能参加电网的紧急控制。通过减载留出有功备用，可以使光伏发电系统具有对电网的紧急支撑能力。本发明中确定了光伏发电系统的减载量值，光伏发电系统以较小的功率损失为代价，换取了紧急情况下对电网的支撑能力，降低了系统的功率不足风险，提高了系统的安全性。与不考虑光伏减载情况下的电力系统进行对比，本发明所提方法更有利于系统的安全性。

本发明考虑了光伏减载参与电网紧急支撑，兼顾了传统经济性和电力系统运行风险，以风电及负荷的滚动预测值为输入变量，通过建立两阶段电力系统降风险调度模型安排非光伏发电机组出力、光伏机组出力，协调非光伏发电机组备用容量和光伏减载量，在电力系统功率不足前通过主动调整非光伏发电机组备用容量和光伏减载量保证电网功率平衡的情况下，最大限度地提高系统安全性，保障电力系统经济性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。