一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法

本发明属于电力系统分析，具体涉及一种考虑风能太阳能资源潜力及波动性的风光装机容量配置方法。

背景技术：

1、在我国的碳中和目标下，大规模开发利用风能和太阳能资源成为关键技术路线。现有电力系统中新能源渗透率较低，研究主要针对于风能太阳能的资源禀赋潜力，却忽略了风能和太阳能资源固有的波动性，未关注风电和光伏波动具有互补特性的新能源场站装机配置，这是制约大规模风光并网的主要挑战。

2、总体上，深入分析风能和太阳能资源的互补性，并对风电光伏装机容量比例进行优化，可以显著减小总功率的波动，有助于推动新能源的稳定高效消纳，为未来大规模开发利用风能太阳能提供了重要的数据支撑和参考。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，以解决目前缺少分析考虑风能太阳能资源潜力及波动性的风光装机容量配置的技术问题。

2、本发明实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤一、在全球再分析数据中选取与风能太阳能资源禀赋特性直接相关的气象参数，即100米处水平风速分量、100米处垂直风速分量、水平太阳总辐射强度和2米温度；

5、步骤二、将步骤一选取的气象参数进行数据预处理，构建风机及光伏电板气象至功率的转换模型，得到风电功率和光伏功率，并分析风能太阳能资源分布特性，选择风光资源禀赋地区作为风光场站选址备选方案；

6、步骤三、根据步骤二得到的风电功率和光伏功率，通过分析风电功率和光伏功率的波动强度及波动速度，分析风电功率和光伏功率的波动特性；

7、步骤四、根据步骤三分析得到的风电功率和光伏功率的波动特性，采用互信息相关性刻画风电功率和光伏功率的波动互补特性；

8、步骤五、根据步骤三得到的风电功率和光伏功率以及步骤四得到的风电功率和光伏功率的波动互补特性的互信息相关性，建立以最小化风电光伏总功率波动性为目标函数，构建风电光伏装机容量配置模型，得到风光最佳容量配比。

9、进一步的是，步骤二中，将步骤一选取的气象参数进行数据预处理，构建风机及光伏电板气象至功率的转换模型，得到风电功率和光伏功率，并分析风能太阳能资源分布特性，选择风光资源禀赋地区作为风光场站选址备选方案；其中，风电功率转换模型为：

10、

11、公式(1)中，pw代表风电功率；ρ代表空气密度；v100代表100米高度水平方向风速分量；u100代表100米高度垂直方向风速分量；d为风机直径，cp为叶面效率，η1和η2分别为发电机与轴承转递的效率；

12、光伏功率转换模型为：

13、

14、式中，ps代表光伏直流输出功率；g代表水平太阳总辐射；p0代表标准测试状态下光伏的直流功率；γ代表功率温度系数；t代表光伏板温度；tref代表基准温度。

15、进一步的是，步骤三中，根据步骤二得到的风电功率和光伏功率，通过分析风电功率和光伏功率的波动强度及波动速度，分析风电功率和光伏功率的波动特性；其中风电功率的波动强度κw为：

16、

17、式中，代表方差计算公式；代表期望值计算公式；

18、风电功率的波动速度为：

19、

20、式中，t代表时间点；δt代表时间段；

21、光伏功率的波动强度κs为：

22、

23、光伏功率的波动速度为：

24、

25、进一步的是，步骤四中，根据步骤三分析得到的风电功率和光伏功率的波动特性，采用互信息相关性刻画风电功率和光伏功率的波动互补特性，如公式(7)所示：

26、χ＝i(ps,pw)＝h(ps)-h(ps|pw) 公式(7)

27、式中，i(ps,pw)代表风电功率和光伏功率的互信息；χ为风电功率和光伏功率的波动互补特性；h(·)代表信息熵函数；

28、风电光伏功率的总功率p为：

29、p(t)＝χpw(t)+(1-χ)ps(t)公式(8)。

30、进一步的是，步骤五中，根据步骤三得到的风电功率和光伏功率和步骤四得到的风电功率和光伏功率的波动互补特性的互信息相关性，建立以最小化风电光伏总功率波动性为目标函数，构建风电光伏装机容量配置模型，得到风光最佳容量配比；其中，目标函数c为：

31、

32、式中，min[·]代表最小值函数。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在全球再分析数据中选取与风能太阳能资源禀赋特性直接相关的气象参数，即100米处水平风速分量、100米处垂直风速分量、水平太阳总辐射强度和2米温度，其空间分辨率和时间分辨率分别为0.25°×0.25°和1小时，时间跨度为2017年至2021年；然后根据上述气象参数，构建风机及光伏电板气象至功率的转换模型，得到风电功率和光伏功率，并分析风能太阳能资源分布特性；其次通过分析风电功率和光伏功率的波动强度及波动速度，分析风电功率和光伏功率的波动特性；进一步，采用互信息相关性刻画风电功率和光伏发电功率的波动互补特性；最后，建立以最小化风电光伏总功率波动性为目标函数，构建风电光伏装机容量配置模型，得到风光最佳容量配比。本发明能够准确评估风电功率和光伏功率的资源分布及波动特性，通过光伏装机容量最优配比，实现大型新能源基地总体功率波动性的有效平抑，可为新能源发展提供参考依据。

34、本发明通过选取黑龙江省实际的再分析气象数据、现运行风电场站和光伏场站参数信息，对考虑风能太阳能资源潜力及波动性的风光装机容量配置方法进行了验证，发现考虑风能太阳能资源潜力及波动性的风光装机容量配置方法能够有效刻画风能和太阳能资源分布特征及波动特性，并给出参考价值较高的风光装机容量配置方案。

35、本发明能够准确刻画风能太阳能发电资源分布特性和波动性特点，实现风光装机容量配置方案的制定，可为新能源发展提供参考依据。

技术特征：

1.一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，其特征在于：步骤二中，将步骤一选取的气象参数进行数据预处理，构建风机及光伏电板气象至功率的转换模型，得到风电功率和光伏功率，并分析风能太阳能资源分布特性，选择风光资源禀赋地区作为风光场站选址备选方案；其中，风电功率转换模型为：

3.根据权利要求1所述的一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，其特征在于：步骤三中，根据步骤二得到的风电功率和光伏功率，通过分析风电功率和光伏功率的波动强度及波动速度，分析风电功率和光伏功率的波动特性；其中风电功率的波动强度κw为：

4.根据权利要求1所述的一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，其特征在于：步骤四中，根据步骤三分析得到的风电功率和光伏功率的波动特性，采用互信息相关性刻画风电功率和光伏功率的波动互补特性，如公式(7)所示：

5.根据权利要求1所述的一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，其特征在于：步骤五中，根据步骤三得到的风电功率和光伏功率和步骤四得到的风电功率和光伏功率的波动互补特性的互信息相关性，建立以最小化风电光伏总功率波动性为目标函数，构建风电光伏装机容量配置模型，得到风光最佳容量配比；其中，目标函数c为：

技术总结
一种考虑风能太阳能资源波动性的风光装机容量配置方法，属于电力系统分析技术领域。方法是：选取与风能太阳能资源禀赋特性直接相关的气象参数；根据上述气象参数，构建风机及光伏电板气象至功率的转换模型，得到风电功率和光伏功率，并分析风能太阳能资源分布特性；通过分析风电光伏功率的波动强度及波动速度，分析风电光伏功率的波动特性；采用互信息相关性刻画风电光伏功率的波动互补特性；建立以最小化风电光伏总功率波动性为目标函数，构建风电光伏装机容量配置模型，得到风光最佳容量配比。本发明能够准确评估风电光伏功率的资源分布及波动特性，通过光伏装机容量最优配比，实现大型新能源基地总体功率波动性的有效平抑。

技术研发人员：郭钰锋,王文婷,许卓璠,沈妙哲,付瑶,李瑨,高浩翔,段红宇,李彤青
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6