计及多源互补特性的新型电力系统分布式新能源承载能力评估方法与流程

1.本发明涉及电力与新能源领域，尤其涉及一种计及多源互补特性的新型电力系统分布式新能源承载能力评估方法，适用于新型电力系统新能源接入的承载能力评估与管理。


背景技术：

2.随着化石能源的日趋枯竭以及环境保护与能源需求增长双重压力的不断增加，如何调整现有能源生产与消费结构，在保证可再生能源充分利用与进一步发展的前提下，降低对煤炭的依赖与碳排放，通过能源之间的耦合转换建立环保、可持续的新型能源生产与消费结构，是当前亟待解决的重要问题。低碳减排意味着传统供能系统将向着低碳能源系统进行转移，为了实现巴黎协定规划出的气候目标，世界各国均通过在一系列前沿技术领域获取更多的进展和改变，以寻求有机会走上新的能源路径。考虑到用户侧受用能行为影响不确定性较大，难以实施有效的大规模低碳化改造，因此，电源侧的降碳与清洁化提升依然是实现碳达峰目标与碳中和愿景的重要技术手段。然而，随着“节能减排”以及“碳达峰、碳中和”行动的不断深入，电力系统将出现高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”特征，运行特性也将随之发生改变。同时，我国东北大部分地区依然存在“迎峰度夏”“迎峰度冬”的用电需求冬、夏“双峰”特征，峰谷差较大。因此，如何对系统新能源的承载能力进行合理评估，进而引导、充分释放电力系统各侧参与新能源发展与消纳的作用，将会是构建以新能源为主体的新型电力系统以及实现“双碳”目标的重要保障。
3.目前对于新能源的承载能力问题已有了一定的研究，例如，一些研究运用随机生产模拟方法对含新能源电力系统的进行运行模拟，进而提出了基于随机生产模拟的新能源消纳能力评估方法，评估了系统的可消纳功率和限电功率。一些研究提出了基于随机场景模拟与定界划分评估的配电网光伏消纳能力评估方法，通过基于镜像埃尔朗抽样和场景分布性质的场景优化生成方法，并结合多目标满意度距离得到光伏消纳的方案。一些研究建立了面向新能源承载能力的线性最优潮流模型，并且综合考虑节点电压、线路潮流、功率倒送和机组爬坡等约束条件，实现了对新能源承载能力的评估。一些研究统筹了直流规模、弃电率、交流断面限制、储能应用等多种因素，以满足电力电量平衡、调峰平衡等约束为前提，通过优化求解各类电源开发规模，从而有效评估新能源承载规模的上限。一些研究以风机为例，构建了包含火电机组发电成本、风电的节能降耗效益等约束条件、以能耗费用最优为目标的电网最优新能源接纳功率分析模型，得到了既定网架结构的风电最优接纳功率。然而，现有研究仍存在以下问题：第一，目前对于新能源承载能力的评估主要考虑的是电力供需平衡、电力传输相关的约束条件，未能有针对性地建立多维度的指标体系；第二，目前对于新能源承载能力的研究未考虑多种电源之间互补替代产生的影响。
4.针对上述问题，本发明以新能源为核心的新型电力系统作为研究对象，具体提出了一种计及多源互补特性的新型电力系统分布式新能源承载能力评估方法，以期为新能源
的渗透、消纳以及新型电力系统的构建提供指导。


技术实现要素：

5.本发明目的就是为了弥补已有技术的不足与缺陷，以新能源为核心的新型电力系统作为物理主体架构，提出了分布式新能源承载能力的评估指标以及评估流程，从而实现了计及多源互补特性的新型电力系统分布式新能源承载能力评估，在保障系统供电清洁化、低碳化提升的同时，也保障了电网的安全运行与电能质量。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种计及多源互补特性的新型电力系统分布式新能源承载能力评估方法，其包括：
7.s100：明确待评估区域电力系统的范围及拓扑结构；
8.s200：收集在评估新型电力系统分布式新能源承载能力过程中电网、设备、运行状态三个方面的输入数据；
9.s300：对所述待评估区域电力系统的范围及拓扑结构中所有电压等级的设备逐级进行热稳定性评估与校核；
10.所述热稳定性评估与校核基于变压器、线路的历史负载时序，以变压器或线路热稳定不越限为原则，评估电力系统内分布式新能源的可新增容量裕度，其具体包括：
11.s301：变压器及线路的反向负载率计算，t时段变压器和线路反向负载率λ(t)的计算公式如式(1)所示：
[0012][0013]
其中，pd(t)为变压器或线路供电范围内分布式新能源在t时段的出力；pc(t)为分布式新能源以外其他电源t时段出力；p
l
(t)为t时段电力系统的用电负荷；p
net
(t)为t时段变压器或线路的下网功率；se为变压器或线路实际运行限值；
[0014]
s302：可新增分布式新能源容量计算，在所述反向负载率的基础上，进一步评估变压器或线路供电范围内可新增分布式新能源的容量pm，容量pm计算公式如式(2)所示：
[0015]
pm＝min((1-λ(t))
×
se)
×
kr(2)
[0016]
其中，kr为裕度系数，且kr≤1；
[0017]
s400：对所述待评估区域电力系统的范围及拓扑结构中所有电压等级的设备逐级进行电能质量评估与校核；
[0018]
所述电能质量评估与校核通过对电力系统的短路电流、电压偏差与谐波进行评估与校核以确认该容量的分布式新能源是否可以安全接入系统，其具体包括：
[0019]
s401：短路电流校核评估计算，其以分布式新能源接入电力系统前后，电力系统不同电压等级母线的短路电流均不超过其限值为原则；当分布式新能源接入电力系统前，短路电流校核评估计算的公式如式(3)所示：
[0020]ixz
＜im(3)
[0021]
当容量为pm的分布式新能源接入电力系统后，短路电流校核评估计算的公式如式(4)所示：
[0022][0023]
其中，i
xz
为系统峰值负荷运行方式下的母线短路电流现状值；un为不同电压等级的母线额定电压；im为系统允许的短路电流限值；
[0024]
s402：电压偏差校核评估计算，其以分布式新能源接入电力系统前后，电力系统不同电压等级的电压不越限为原则；当容量为pm的分布式新能源接入电力系统后，电压偏差校核评估计算的公式如式(5)所示：
[0025][0026]
其中，δp与δq分别为分布式新能源接入电力系统后向电力系统注入的有功功率和无功功率增量；r
l
与x
l
分别为电网阻抗的电阻和电抗值；
[0027]
考虑到在高压电网中，一般x
l
》》r
l
，因此可忽略电网电阻分量分析，则式(5)可化简为：
[0028][0029]
其中，s
sc
为母线较小负荷运行方式的短路容量；
[0030]
基于评估周期内各级母线电压时序并结合相关标准规定的电压偏差限值，估算分布式新能源接入导致的正负电压偏差允许值δδu
+
和δu
_
，并按公式(7)进行校核：
[0031][0032]
其中，δu
+
与δu
_
为基于公式(6)计算得到的正负电压偏差极值；
[0033]
s403：谐波偏差校核评估计算，其以电力系统中分布式新能源接入电网节点谐波电流值、谐波电压含有率不越限为原则，所述谐波偏差校核对象包括分布式新能源提供的谐波电流和间谐波电压有可能影响的所有节点；
[0034]
谐波电流按公式(8)进行校核：
[0035]ixz,r
＜ir(8)
[0036]
其中，i
xz,r
为电网节点第r次谐波电流实测值；ir为注入各电压等级电网节点的第r次谐波电流允许值；
[0037]
间谐波电压含有率按公式(9)进行校核：
[0038]hxz,r
＜hr(9)
[0039]
其中，h
xz,r
为电网节点第r次谐波电压含有率实测值；hr为各电压等级下第r次谐波电压含有率的限值；
[0040]
s500、汇总各电压等级的测算结果，按照分布式新能源承载能力评估等级划分依据，划分待评估电网分布式新能源的承载能力等级，列出各级母线的分布式新能源承载能力裕度；
[0041]
分布式新能源承载能力红色等级：判别依据包括分布式新能源向220kv及以上电压等级的主网反送电、s300中所述反向负载率的最大值大于80％以及未通过s400中所述的
短路电流、电压偏差或谐波的校核，该评估等级代表待评估电力系统内分布式新能源就地消纳条件不足、变压器或线路热稳定性告警以及分布式新能源介入后电力系统会存在安全风险；
[0042]
分布式新能源承载能力黄色等级：判别依据包括s300中所述反向负载率的最大值介于0％与80％之间以及通过s400中所述的短路电流、电压偏差或谐波的校核，该评估等级代表待评估电力系统内变压器或线路的反向负载未达警戒值，分布式新能源的接入条件良好；
[0043]
分布式新能源承载能力绿色等级：判别依据包括s300中所述反向负载率的最大值小于等于0％以及通过s400中所述的短路电流、电压偏差或谐波的校核，该评估等级代表待评估电力系统内变压器或线路无反向负载，分布式新能源消纳条件较优。
[0044]
优选方式下，以电力系统内单台220kv变压器的供电区域为依据划分所述待评估区域电力系统的范围，其包括供电区域电力系统内所有35kv～220kv等级变压器、35kv～110kv等级线路、10kv～220kv等级母线。
[0045]
优选方式下，所述拓扑结构包括供电区域电力系统内同一电压等级变压器、母线及开关的拓扑连接关系，以及不同电压等级之间变压器、母线及开关的拓扑连接关系。
[0046]
优选方式下，所述电网输入数据具体包括：电网一次接线图、电网等值阻抗图以及各电压等级母线的短路容量表；
[0047]
所述设备输入数据具体包括：电力系统内变压器、母线、开关设备的参数和运行限值，电力系统内电源的名称、机组台数、机组类型、发电机组额定功率、视在功率、机组装机容量、理论发电量、机组功率因数调节范围；
[0048]
所述电网输入数据具体包括：电网和电源正常运行方式数据，评估周期内各电源出力、电网负荷、断面潮流、母线电压的历史数据以及电网各节点谐波电流、间谐波电压含有率实测值。
[0049]
本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明能够考虑多电压等级、多维度的运行特性与约束，做到分层分级多维度评估；能够充分发挥不同类型分布式新能源出力特性之间的互补特性，可以有效提升电力系统分布式新能源的承载能力；能够针对系统的网架结构与运行特性，有针对性地制定合理的运行策略，可以有效提升系统分布式新能源的承载能力，进而提升电力系统的新能源比例，有利于降低所在地区的碳排放，助力新型电力系统的构建，有利于早日实现碳达峰目标和碳中和愿景。
附图说明
[0050]
图1为本发明的工作流程示意图；
[0051]
图2为本发明的逻辑流程框图；
[0052]
图3为本发明实施例提供的一种区域电力系统架构示意图。
具体实施方式
[0053]
具体实施例：
[0054]
以下具体说明：
[0055]
(1)明确待评估区域电力系统的范围及拓扑结构
[0056]
本发明所述的待评估区域电力系统的范围是以电力系统内单台220kv变压器的供电区域进行划分，具体范围包括该区域电力系统内所有35kv～220kv等级的变压器、35kv～110kv等级的线路、10kv～220kv等级的母线。
[0057]
本发明所述的待评估区域电力系统的拓扑结构，是指区域电力系统内同一电压等级变压器、母线及开关的拓扑连接关系，以及不同电压等级之间变压器、母线及开关的拓扑连接关系。
[0058]
(2)收集评估计算的输入数据
[0059]
本发明所述的评估计算的输入数据，是指在评估新型电力系统分布式新能源承载能力过程中电网、设备、运行状态三个方面的计算输入数据，并充分考虑在建及已批复电源和电网项目。评估数据来源于历史运行数据、运行设备参数、电网实测数据、电网和电源的建设规划数据，并充分考虑地理位置、电网结构、运行方式、负荷类型、负荷水平、时间尺度等因素。
[0060]
包括：
[0061]
电网输入数据。具体包括：电网一次接线图、电网等值阻抗图以及各电压等级母线的短路容量表。
[0062]
设备输入数据。具体包括：电力系统内变压器、母线、开关设备的参数和运行限值，电力系统内电源的名称、机组台数、机组类型、发电机组额定功率、视在功率、机组装机容量、理论发电量、机组功率因数调节范围。
[0063]
电网输入数据。具体包括：电网和电源正常运行方式数据、评估周期内各电源出力、电网负荷、断面潮流、母线电压的历史数据以及电网各节点谐波电流、间谐波电压含有率实测值。
[0064]
(3)对所包含电压等级逐级进行热稳定性评估与校核
[0065]
本发明所述的热稳定评估指基于变压器、线路的历史负载时序，以变压器或线路热稳定不越限为原则，评估电力系统内分布式新能源的可新增容量裕度。
[0066]
包括：
[0067]
变压器及线路的反向负载率计算，t时段变压器和线路反向负载率λ(t)的计算公式如式(1)所示：其中，pd(t)为变压器或线路供电范围内分布式新能源在t时段的出力；pc(t)为分布式新能源以外其他电源t时段出力；p
l
(t)为t时段电力系统的用电负荷；p
net
(t)为t时段变压器或线路的下网功率；se为变压器或线路实际运行限值；时间分辨率t可设定为15分钟。
[0068]
在所述反向负载率的基础上，进一步评估变压器或线路供电范围内可新增分布式新能源的容量pm，容量pm计算公式如式(2)所示：
[0069]
pm＝min((1-λ(t))
×
se)
×
kr(2)
[0070]
其中，kr为裕度系数，且kr≤1；
[0071]
(4)对所包含电压等级逐级进行热稳定性评估与校核
[0072]
本发明所述的电能质量评估与校核指通过对电力系统的短路电流、电压偏差与谐波进行评估与校核以确认该容量的分布式新能源是否可以安全接入系统。
[0073]
包括：
[0074]
短路电流校核评估计算。短路电流校核评估计算是以分布式新能源接入电力系统前后，电力系统不同电压等级母线的短路电流均不超过其限值为原则，具体地，当分布式新能源接入电力系统前，短路电流校核评估计算的公式如式(3)所示：
[0075]ixz
＜im(3)
[0076]
当容量为pm的分布式新能源接入电力系统后，短路电流校核评估计算的公式如式(4)所示：
[0077][0078]
其中，i
xz
为系统峰值负荷运行方式下的母线短路电流现状值；un为不同电压等级的母线额定电压；im为系统允许的短路电流限值；
[0079]
电压偏差校核评估计算，其以分布式新能源接入电力系统前后，电力系统不同电压等级的电压不越限为原则；当容量为pm的分布式新能源接入电力系统后，电压偏差校核评估计算的公式如式(5)所示：
[0080][0081]
其中，δp与δq分别为分布式新能源接入电力系统后向电力系统注入的有功功率和无功功率增量；r
l
与x
l
分别为电网阻抗的电阻和电抗值；
[0082]
考虑到在高压电网中，一般x
l
》》r
l
，因此可忽略电网电阻分量分析，则式(5)可化简为：
[0083][0084]
其中，s
sc
为母线较小负荷运行方式的短路容量；另外，基于国标《分布式电源并网技术要求》规定分布式新能源功率因素调节范围为超前0.98至滞后0.98，可据此估算无功注入量δq的正负最大值。
[0085]
基于评估周期内各级母线电压时序并结合相关标准规定的电压偏差限值，估算分布式新能源接入导致的正负电压偏差允许值δδu
+
和δu-，并按公式(7)进行校核：
[0086][0087]
其中，δu
+
与δu-为基于公式(6)计算得到的正负电压偏差极值；
[0088]
谐波偏差校核评估计算，其以电力系统中分布式新能源接入电网节点谐波电流值、谐波电压含有率不越限为原则，所述谐波偏差校核对象包括分布式新能源提供的谐波电流和间谐波电压有可能影响的所有节点；
[0089]
谐波电流按公式(8)进行校核：
[0090]ixz,r
＜ir(8)
[0091]
其中，i
xz,r
为电网节点第r次谐波电流实测值；ir为注入各电压等级电网节点的第r次谐波电流允许值；具体取值可以结合相应的标准进行选取。
[0092]
间谐波电压含有率按公式(9)进行校核：
[0093]hxz,r
＜hr(9)
[0094]
其中，h
xz,r
为电网节点第r次谐波电压含有率实测值；hr为各电压等级下第r次谐波电压含有率的限值；具体取值可以结合相应的标准进行选取。
[0095]
(5)汇总各电压等级的测算结果
[0096]
本发明所述的汇总各电压等级的测算结果是按照分布式新能源承载能力评估等级划分依据，划分待评估电网分布式新能源的承载能力等级，列出各级母线的分布式新能源承载能力裕度。
[0097]
包括：
[0098]
分布式新能源承载能力红色等级。判别依据包括分布式新能源向220kv及以上电压等级的主网反送电、反向负载率的最大值大于80％以及未通过短路电流、电压偏差或谐波的校核。该评估等级代表待评估电力系统内分布式新能源就地消纳条件不足、变压器或线路热稳定性告警以及分布式新能源介入后电力系统会存在安全风险。
[0099]
分布式新能源承载能力黄色等级。判别依据包括反向负载率的最大值介于0％与80％之间以及通过短路电流、电压偏差或谐波的校核。该评估等级代表待评估电力系统内变压器或线路的反向负载未达警戒值，分布式新能源的接入条件良好。
[0100]
分布式新能源承载能力绿色等级。判别依据包括反向负载率的最大值小于等于0％以及通过短路电流、电压偏差或谐波的校核。该评估等级代表待评估电力系统内变压器或线路无反向负载，分布式新能源消纳条件较优。
[0101]
在本实施例中以某实际系统为例，系统内共包含101个节点，其中新能源供电节点9个，常规火电机组供电节点7个，系统通过20号节点与外部上级电网相连，不同节点的负荷大小或者供电机组的容量大小如图2标注所示，单位为mw。
[0102]
当前系统清洁能源的渗透率仅为12％，仍有新能源进一步渗透与替代的空间，通过本发明所提出的一种计及多源互补特性的新型电力系统分布式新能源承载能力评估方法，若只考虑分布式光伏的建设，系统清洁能源的渗透率可提升至27％；若只考虑分布式风机的建设，系统清洁能源的渗透率可提升至23％。
[0103]
进一步地，为分析不同运行方式对系统分布式新能源承载能力的影响，本发明制定以下不同运行方式，并对比分析不同运行方式下系统的分布式新能源的承载能力，结果如表1所示。
[0104]
运行方式1：常规触发式运行方式与既定的网架结构；
[0105]
运行方式2：常规触发式运行方式与增加节点间联络的网架结构，增加的联络线如图2中虚线所示，；
[0106]
运行方式3：以新能源最大化消纳为目标的运行方式与既定的网架结构；
[0107]
运行方式4：以运行经济性最优为目标的运行方式与既定的网架结构。
[0108]
具体对表1所示的结果分析可知，相比较于既定的网架结构，增加节点间的联络可以有效提升新能源的渗透率与就地消纳能力。以新能源最大化消纳为目标的运行方式虽然可以提升新能源的渗透率，然而，由于缺少常规火电机组的辅助服务支撑，加之新能源固有的间歇性与波动性，需要系统更大的调节与备用能力，造成运行经济性较差。
[0109]
表1不同运行方式下分布式新能源承载力评估
[0110][0111]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。