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      一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法

      文檔序號:10570598閱讀:275來源:國知局
      一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法
      【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于電力系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域的一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法。主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時序信息相結(jié)合的光伏電站出力建模以及計算光伏接入系統(tǒng)對可靠性指標(biāo)的影響限值;包括應(yīng)用模糊C均值聚類、按四種不同天氣類型對光伏電站歷史數(shù)據(jù)做聚類分析,在聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上創(chuàng)建光伏電站發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣,將光伏電站的轉(zhuǎn)移狀態(tài)分為16種基本類型,并對轉(zhuǎn)移狀態(tài)做ARMA時間序列建模,最終創(chuàng)建完整的考慮光伏電站狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時序特征的出力模型。此模型能更加真實的模擬光伏電站的出力情況。利用該出力模型測試光伏接入系統(tǒng)后對系統(tǒng)可靠性的影響,該方法簡單實用,對評估光伏接入對系統(tǒng)的影響具有積極作用。
      【專利說明】
      一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      [0001 ]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性 評估方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002]太陽能光伏發(fā)電作為重要的可再生能源發(fā)電方式之一,越來越受到各個國家的重 視,并得到了快速的開發(fā)和應(yīng)用。我國發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出,到2020 年光伏發(fā)電裝機容量將達到2000Mffp,計劃年增長15%以上。
      [0003 ]隨著光伏電站在電力系統(tǒng)中裝機容量所占比例的不斷增大,其隨機性、間歇性和 周期性的特點對電力系統(tǒng)的運行規(guī)劃、調(diào)度控制、可靠性等方面帶來極大影響。光伏電站接 入系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)可靠性的影響分析是指導(dǎo)光伏電站接入、制定光伏出力計劃、制定調(diào) 度方案的重要依據(jù)。
      [0004] 現(xiàn)有的含光伏電站系統(tǒng)可靠性評估分為兩個主要步驟:1)建立能夠反映電站實際 出力特性的光伏發(fā)電模型。其主要方法有基于太陽跟蹤的基本輻照度模型法、晴空指數(shù)法、 分時段模型法、隨機模型法、考慮輻照波動的狀態(tài)轉(zhuǎn)移法、設(shè)備停運率方法等。但現(xiàn)有研究 中對光伏電站出力建模中缺少同時考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型與時序模型相結(jié)合的建模方法,而 狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息與時序信息是光伏發(fā)電中不可忽略的兩大要素。2)可靠性計算。主要有解析 法和模擬法兩種,其中蒙特卡羅方法是計算系統(tǒng)可靠性的重要方法。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0005] 本發(fā)明的目的是提出一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法,其特征在于, 主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時序信息相結(jié)合的光伏電站出力建模以及計算光伏接入系統(tǒng)對可 靠性指標(biāo)的影響限值;包括以下步驟:
      [0006] 步驟1:運用模糊C均值聚類方法(Fuzzy-c-means,F(xiàn)CM)對所選光伏電站歷史出力 數(shù)據(jù)做聚類分析;
      [0007] 步驟2:根據(jù)聚類結(jié)果,統(tǒng)計光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息,創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn) 移概率矩陣Pw;
      [0008] 步驟3:根據(jù)步驟2中的結(jié)果,將光伏電站的全部狀態(tài)轉(zhuǎn)移可能分為16種,即晴天、 少云、多云、陰雨四種天氣類型之間的互相轉(zhuǎn)移;對每一種轉(zhuǎn)移狀態(tài)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做自回歸 滑動平均(Auto-Regressive and Moving Average,ARMA)時間序列建模;
      [0009] 步驟4:根據(jù)步驟1、2、3的結(jié)果生成全年光伏電站出力序列,模型評價準(zhǔn)確性指標(biāo) 選取均值、標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF);
      [0010] 步驟5:應(yīng)用序貫蒙特卡羅方法計算光伏電站介入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo),指標(biāo)選取失 負(fù)荷概率(Loss of Load Probability,L0LP),無量綱;電力不足頻率(Loss of Load Frequency L0LF),單位次/年;電力不足期望(Expected Power Not Supply,EPNS);
      [0011] 步驟6:根據(jù)步驟5計算結(jié)果,計算光伏接入影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的限值,包括該光 伏電站接入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo)的上、下限。
      [0012] 所述光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Pw為 ~P{A\A) P(B | A) P(C\A) P(D\A)~ P(A\B) P(B\B) P(C\B) P(D\B)
      [0013] Pw = 、 n P{A\C) P{B\C) P(C\C) P(D\C) ' P(A\D) P(B\D) P(C\D) P(D\D)
      [0014] 式中P(A | A)等為光伏電站的16種轉(zhuǎn)移狀態(tài),如式中P(B | A)表示本日天氣類型為A、 次日天氣類型為B的條件概率,其他項含義類似。
      [0015] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果:
      [0016] 1.在光伏發(fā)電出力建模中同時考慮了電站的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息和日出力時序信息,使 建模結(jié)果在統(tǒng)計特性上與實際情況更相符;
      [0017] 2.提供了光伏電站出力建模與序貫蒙特卡洛仿真詳細(xì)流程與步驟,為光伏接入影 響電力系統(tǒng)可靠性分析方面提供參考,有利于該領(lǐng)域的發(fā)展;
      [0018] 3.提出一種光伏接入對電力系統(tǒng)可靠性影響的限值計算方法,該方法簡單有效, 為制定光伏電站處理計劃、指導(dǎo)電力調(diào)度提供了重要的參考依據(jù),保證電網(wǎng)安全可靠運行。
      【附圖說明】
      [0019] 圖1為含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估流程圖。
      [0020] 圖2為電站出力狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷方法圖。
      [0021] 圖3為光伏建模方法流程圖。
      [0022]圖4為序貫蒙特卡羅仿真流程圖。
      【具體實施方式】
      [0023] 本發(fā)明的目的是提出一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法,下面結(jié)合附圖 和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
      [0024] 所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時序信息相 結(jié)合的光伏電站出力建模以及計算光伏接入系統(tǒng)對可靠性指標(biāo)的影響限值,包括以下步 驟:(如圖1所示)
      [0025] 步驟1:運用模糊C均值聚類方法(Fuzzy-c-means,F(xiàn)CM)對所選光伏電站歷史出力 數(shù)據(jù),包括發(fā)電功率信息、天氣狀況做聚類分析;
      [0026] 步驟2:根據(jù)聚類結(jié)果,統(tǒng)計光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息,創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn) 移概率矩陣PW ^P(A\A) P(B\A) P(C\A) P(D\A)~ P(A\B) P(B\B) P(C\B) P(D\B)
      [0027] Pw = ' ' r P{A\C) P{B\C) P(C\C) P(D\C) P{A\D) P(B\D) P(C\D) I\D\D)
      [0028]步驟3:根據(jù)步驟2中的結(jié)果,將光伏電站的全部狀態(tài)轉(zhuǎn)移可能分為16種,即晴天、 少云、多云、陰雨四種天氣類型之間的互相轉(zhuǎn)移;對每一種轉(zhuǎn)移狀態(tài)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做自回歸 滑動平均(Auto-Regressive and Moving Average,ARMA)時間序列建模;
      [0029] 步驟4:根據(jù)步驟1、2、3的結(jié)果生成全年光伏電站出力序列,模型評價準(zhǔn)確性指標(biāo) 選取均值、標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF);
      [0030] 步驟5:應(yīng)用序貫蒙特卡羅方法計算光伏電站接入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo),指標(biāo)選取失 負(fù)荷概率(Loss of Load Probability,L0LP),無量綱;電力不足頻率(Loss of Load Frequency L0LF),單位次/年;電力不足期望(Expected Power Not Supply,EPNS);
      [0031]步驟6:根據(jù)步驟5計算結(jié)果,計算光伏接入影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響限值。
      [0032]圖2所示為電站出力狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷方法圖,包含以下步驟:
      [0033] 步驟1、將光伏電站狀態(tài)轉(zhuǎn)移的所有可能按條件概率大小依次累加在數(shù)軸[0,1]之 間;
      [0034] 步驟2、生成0~1之間服從均勻分布的隨機數(shù)R,并判斷R在數(shù)軸上的位置;
      [0035] 步驟3、若R在數(shù)軸上的位置為Pij = P(j|i),則表示光伏電站在下一日運行于狀態(tài) jo
      [0036] 圖3所示為光伏建模方法流程圖,包含以下步驟:
      [0037] 步驟1.根據(jù)光伏電站歷史數(shù)據(jù)的發(fā)電功率信息、天氣狀況,應(yīng)用模糊C聚類均值方 法對歷史數(shù)據(jù)進行聚類分析,模糊C均值聚類方法是無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)的主要技術(shù)之一,具體 過程如下:
      [0038] 1)將天氣情況分為4種基本類型:晴天、少云、多云、陰雨,即取聚類中心數(shù)為4。聚 類特征選擇輻照度波動量VI、最大輻照比例Kr、溫度T。其中最大輻照比例是太陽能電池板 接受到的實際太陽輻照度與同時段地外水平面最大輻照度的比值,計算公式為
      (1)
      [0040]每日輻照度波動量能夠體現(xiàn)太陽能電池板實際接受輻照度的波動情況,計算公式 為
      (2)
      [0042] Ik為第k日地表水平面實際輻照度;
      [0043] 裰為第k日地外水平面最大輻照度;
      [0044] A t為數(shù)據(jù)點輻照度時間間隔;
      [0045] VI為日輻照度波動量。
      [0046] 2)初始化各數(shù)據(jù)點隸屬度矩陣
      [0047] U(k) = [yc(i)(k)]GRCXN ⑶
      [0048] k為迭代次數(shù),初始化為k = 0。
      [0049] 3)計算第k+1次迭代的聚類中心位置向量Vc
      [0051] 其中,1彡c彡C。
      [0052] 4)在3)中得到的中心位置向量的基礎(chǔ)上,更新各數(shù)據(jù)點Xi的隸屬度
      [0054] 5)判斷迭代終止條件
      [0055]
      [0056]其中e>0為給定聚類終止條件。
      [0057]步驟2.根據(jù)步驟1中得到的光伏電站歷史數(shù)據(jù)的聚類分析結(jié)果,統(tǒng)計光伏電站在 四中天氣狀況下的持續(xù)時間與狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況,創(chuàng)建光伏電站出力的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Pw,具體 過程為:
      [0059]式中,為狀態(tài)i到j(luò)的轉(zhuǎn)移率;
      [0060] nij為狀態(tài)i到j(luò)的轉(zhuǎn)移次數(shù);
      [0061] Ni為處于狀態(tài)i的總次數(shù).
      [0063]式中,P( j | i)為狀態(tài)i到j(luò)的條件概率;
      [0064]狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Pw為 ^P{A\A) P{B\A) P{C\A) P{D\A) 〇 _ P{A\B) P(B\B) P{C\B) P{D\B) w~ P(A\C) P(B\C) P(C\C) P(D\C) ( ^ P(A\D) P(B\D) P(C:\D) P(D\D)
      [0066] 根據(jù)公式(9)中的轉(zhuǎn)移概率矩陣和說明書附圖2中所示的電站出力狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷 方法,可以由當(dāng)前日電站工作狀態(tài)預(yù)測下一日工作狀態(tài)。
      [0067] 步驟3 .光伏發(fā)電的ARMA時間序列建模,選擇AIC(Akaike information criterion)準(zhǔn)則確定ARMA模型階數(shù),消除模型定階中的人為因素干擾;
      [0068] 步驟4,根據(jù)步驟1-3中的建模結(jié)果,創(chuàng)建考慮天氣因素影響的光伏發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)移時序模型,生成光伏電站全年出力數(shù)據(jù),(如圖3所示)。
      [0069] 圖4所示為序貫蒙特卡羅仿真流程圖,包含以下步驟:
      [0070] 步驟1、創(chuàng)建可靠性測試系統(tǒng)IEEE-RTS79;
      [0071] 步驟2選擇可靠性指標(biāo)失負(fù)荷概率(Loss of Load Probability,L0LP),無量綱; 電力不足頻率(Loss of Load Frequency L0LF),單位次/年;電力不足期望(Expected Power Not Supply,EPNS);
      [0072]步驟3、利用序貫蒙特卡洛仿真方法計算步驟2中的IEEE-RTS79系統(tǒng)可靠性指標(biāo); [0073]步驟4、選擇光伏電站接入系統(tǒng)方案,即光伏電站額定功率及接入系統(tǒng)節(jié)點位置;
      [0074] 步驟5、計算光伏電站按步驟4接入系統(tǒng)后的步驟2中的可靠性指標(biāo),并記錄結(jié)果;
      [0075] 步驟6、選擇不同類型天氣下光伏典型出力曲線,并利用序貫蒙特卡羅方法計算其 影響系統(tǒng)可靠性上限、下限值。具體過程為:
      [0076] 1)在對光伏電站出力準(zhǔn)確建模的基礎(chǔ)上,提取四種天氣類型下的典型出力曲線;
      [0077] 2)考慮極限狀況,用四種典型天氣出力數(shù)據(jù)替代全年電站出力;
      [0078] 3)將四種典型電站出力狀態(tài)分別接入測試系統(tǒng)中,應(yīng)用序貫蒙特卡羅法計算系統(tǒng) 可靠性指標(biāo);
      [0079] 4)記晴天出力情況下對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響為上限值,陰雨條件下出力為下限 值。此上下限值即為該光伏接入方案下對系統(tǒng)影響程度區(qū)間。
      【主權(quán)項】
      1. 一種含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法,其特征在于,主要考慮多狀態(tài)轉(zhuǎn)移與 時序信息相結(jié)合的光伏電站出力建模以及計算光伏接入系統(tǒng)對可靠性指標(biāo)的影響限值;包 括以下步驟: 步驟1:運用模糊C均值聚類方法FCM(Fuzzy-c-means,F(xiàn)CM)對所選光伏電站歷史出力數(shù) 據(jù),包括發(fā)電功率信息、天氣狀況做聚類分析; 步驟2:根據(jù)聚類結(jié)果,統(tǒng)計光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息,創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移概 率矩陣Pw 步驟3:根據(jù)步驟2中的結(jié)果,將光伏電站的全部狀態(tài)轉(zhuǎn)移分為16種,即晴天、少云、多 云、陰雨四種天氣類型之間的互相轉(zhuǎn)移;根據(jù)歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移狀態(tài)做自回歸滑動平均ARMA (Auto-Regressive and Moving Average,ARMA)時間序列建模; 步驟4:根據(jù)步驟1、2、3的結(jié)果生成全年光伏電站出力序列,模型評價準(zhǔn)確性指標(biāo)選取 均值、標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度函數(shù)FOFWrobability Density Function,PDF); 步驟5:應(yīng)用序貫蒙特卡羅方法計算光伏電站介入系統(tǒng)后可靠性指標(biāo),指標(biāo)選取失負(fù)荷 概率L0LP(Loss of Load Probability,L0LP),無量綱;電力不足頻率(Loss of Load Frequency LOLF),單位次/年;電力不足期望EPNS(Expected Power Not Supply,EPNS); 步驟6:根據(jù)步驟5計算結(jié)果,計算光伏接入影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的限值,包括光伏電站 可靠性指標(biāo)LOLP,LOLF,EPNS的上、下限。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法,其特征在于,所述步驟 1中模糊C均值聚類的聚類特征選取輻照度波動量、日最大輻照比例、日平均氣溫。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法,其特征在于,根據(jù)所述 光伏電站歷史出力數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Pw為式中P(A|A)……P(D I D)為光伏電站的16種轉(zhuǎn)移狀態(tài);每種轉(zhuǎn)移狀態(tài)"P(B IA)"表示本日 天氣類型為A、次日天氣類型為B的條件概率,其他項含義類似。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)可靠性評估方法,其特征在于,所述步驟 6的光伏接入提高電力系統(tǒng)可靠性限值計算,具體過程為: 1) 在對光伏電站出力準(zhǔn)確建模的基礎(chǔ)上,提取四種天氣類型下的典型出力曲線; 2) 考慮極限狀況,用四種典型天氣出力數(shù)據(jù)替代全年電站出力; 3) 將四種典型電站出力狀態(tài)分別接入測試系統(tǒng)中,應(yīng)用序貫蒙特卡羅法計算系統(tǒng)可靠 性指標(biāo) LOLP,L0LF ,EPNS; 4) 記晴天出力情況下對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響為上限值,陰雨條件下出力為下限值;此 上下限值即為該光伏接入方案下對系統(tǒng)影響程度區(qū)間。
      【文檔編號】G06Q50/06GK105931134SQ201610262718
      【公開日】2016年9月7日
      【申請日】2016年4月25日
      【發(fā)明人】楊錫運, 劉玉奇, 李建林, 張揚, 董德華, 張璜
      【申請人】華北電力大學(xué)
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