一种计及时空相关性的分布式水光发电集群互补消纳优化调节方法

本发明属于可再生能源和电力系统优化调度运行领域，尤其涉及一种计及时空相关性的分布式水光发电集群互补消纳优化调节方法。

背景技术：

1、近年来，农村水电站发展突飞猛进，为电力生产发挥了较大作用。由于光伏出力和水电出力的波动性和间歇性显著，电网运行中弃光问题突出，大量分散的小型水电站没有发挥应有的消纳新能源的作用。

2、分布式水电集群与分布式光伏集群不仅受空间尺度的影响显著，二者出力波动性的周期性也并不完全一致，其中光伏的日波动性较大，而水资源的季节性波动性显著，因此水光发电集群联合并网后其互补耦合特性有待进一步研究，否则可能会出现光伏和水电同时出力高峰的情况，造成大量的可再生能源无法消纳而浪费。大量的弃水弃电问题造成了严重的资源浪费，增加了系统的运行成本。

3、因此，突破计及时空相关性的分布式水/光发电集群互补消纳优化调节技术，有利于清晰的揭示分布式水/光集群出力相互耦合时空相关性及互补性规律，不仅可以充分利用可再生能源，降低系统运行的购电成本，还能够完善电网公司对分布式小型水电的管控调节机制，提高电网运行的稳定性，增加综合服务能源公司拓展电力辅助服务新业务的能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有水光互补优化调节技术中的不足，提供一种计及时空相关性的分布式水/光发电集群互补消纳优化调节方法，本发明通过建立水电集群、光伏集群出力时空相关性的量化指标，提取水/光发电集群耦合互补运行特征，进而构建考虑分布式水电集群、光伏发电集群的多能互补的可再生能源消纳模型，通过优化调度期内小型水电站的出力最大化消纳光伏电量。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种计及时空相关性的分布式水光发电集群互补消纳优化调节方法，包括以下步骤：

4、s1.采用p-ⅲ型分布曲线描述小型水电站入库径流量的随机分布，构建带有日调节水库的小型水电站发电系统出力计算模型；

5、采用贝塔分布描述光照强度，构建分布式光伏出力计算模型；

6、s2.建立水电集群、光伏集群出力时空相关性量化指标，采用水光沉浮互补法，即利用小型水电站机组的调节性能和水库的库容快速调节水电的出力，通过改变水电出力，平抑光伏出力的随机性、波动性与间歇性；

7、s3.为解决分布式风/光发电集群出力不确定性问题，进一步提出风机和光伏典型日出力场景生成方法，基于k-means聚类法生成夏季、冬季、过渡季3个典型日风机和光伏出力场景，拟合获取考虑风光相关性和随机性的三个典型日出力曲线；

8、s4.针对具有日调节性能的台区本地分布式水电站，提出基于水库调节能力的日内水光互补优化调度方法，以最小化小型水电站发电系统运行成本和弃水弃光惩罚成本为目标函数，构建考虑分布式水电集群、光伏发电集群多能互补的台区本地可再生能源消纳模型；

9、s5.借助cplex商业软件求解所建立的台区本地可再生能源消纳模型得到典型日内小型水电站出力的优化结果，基于典型日内小型水电站出力的优化结果及考虑风光相关性和随机性的三个典型日出力曲线，构建计及时空相关性的水光互补出力等值模型，为电网调度人员提供不同季节下小型水电站发电计划的决策依据。

10、进一步的，所述带有日调节水库的小型水电站发电系统出力计算模型具体为，小型水电站按发电所需用水对来水量进行调节，结合调节水库水位，确定水电出力；此外调节水库能够通过弃水维持库容；小型水电站出力取决于河流的径流量和水头高度，小型水电站发电系统的数学模型如下式所示：

11、

12、式中：g为重力加速度，取9.81m/s2；ηsh为小型水电站机组出力效率；ptsh、wtsh、分别为t时刻小型水电站机组的发电功率、发电引流量、发电净水头，ash为小型水电站出力系数，取值为6.0～8.0；vtsh、分别为t时刻水库蓄水量、上游自然来水量、水库弃水量；为t-1时刻水库蓄水量。

13、所述分布式光伏出力计算模型具体为：根据贝塔分布计算光照强度后，根据下式计算光伏电池板的输出功率：

14、ppv＝ξ×cosθ×ηm×ap×ηp

15、其中，ξ为太阳辐射(w/m2),θ为太阳入射角，ηm为mppt的效率，ap为电池板的面积，ηp为光伏电池的效率。

16、进一步的，所述水光沉浮互补法包括两个方面：一是水光下沉一次补偿，利用小型水电站水轮机组快速调节出力的能力，提升光电消纳能力，调用水电一次补偿出力平抑光电随机波动性；二是水电上浮二次补偿，结合水库调水蓄能和小型水电站机组快速启停的特点，平抑光电整体间歇性。

17、进一步的，步骤s3中，风机和光伏典型日出力场景生成方法具体如下：首先基于核密度估计法选取常用的高斯核函数生成24h内每个时段的风、光出力概率密度函数；然后考虑风光相关性，基于copula理论建立每个时段的风光出力联合概率分布函数；copula理论中选取frank copula函数描述风光相关性；最后，对每个时段的风光出力联合概率分布函数进行采样，并根据采样结果和风光出力联合概率分布函数反变换得到每个时段的采样风机和光伏出力，最终生成考虑风光相关性和随机性的三个典型日出力曲线。

18、进一步的，步骤s4中所述考虑分布式水电集群、光伏发电集群多能互补的台区本地可再生能源消纳模型具体是指，以最小化小型水力站发电系统运行成本和弃水弃光惩罚成本为优化目标，优化变量为调度期内各时刻小型水电站的发电流量、水库水位，约束条件包括小型水电站净水头上下限约束、发电流量上下限约束、水库水位上下限约束、库容上下限约束、水库水量平衡约束、调度期内电量平衡约束及分布式小型水电站出力约束和分布式光伏出力约束；目标函数数学表达式如下：

19、

20、式中，f为小型水电站发电系统运行成本和弃水弃光惩罚成本之和；cpv为光伏发电成本；cwt为风机发电成本；chy为小型水电站水轮机组发电成本；cbuy向上级电网购电成本；cpu为台区本地弃水、弃光惩罚成本；hpv为光伏发电单价；hwt为风机发电单价；hhy为小型水电站水轮机组发电单价；hf,t为t时刻向上级电网购电的分时电价；hpu为弃水、弃光电量惩罚成本价格；pp,t为t时刻光伏机组发电功率；pw,t为t时刻风机发电功率；ph,t为小型水电站水轮机组发电功率；pf,t为t时刻台区本地负荷的用电需求功率；t为小型水电站发电系统的优化调度周期，取24h。

21、光伏出力约束表示如下：

22、0≤pp,t≤min(pp,t，max,ps)

23、式中，pp,t，max为第t时段光伏出力可获得的最大值，单位mw；ps为光伏发电的装机容量，单位mw；pp,t为第t时段光伏出力值；

24、风机出力约束表示如下：

25、0≤pw,t≤min(pw,t,max,pw)

26、式中，pw,t,max为第t时段光伏出力可获得的最大值，单位mw；pw为光伏发电的装机容量，单位mw；pw,t为第t时段风机出力值；

27、水电出力约束表示如下：

28、ph,t,min≤ph,t≤ph,t,max

29、式中，ph,t,min和ph,t,max为第t时段水电出力的上下限，单位mw；ph,t为第t时段水电出力值；

30、水电电量约束表示如下：

31、

32、式中，c为调度期t内水量约束下小型水电站水轮机组所发的电量，单位kw·h；δt为时段长，单位为h；ph,t为第t时段出力值；t为一个调度周期，通常取24h；

33、水量约束表示如下：

34、vt+1＝vt+(it-qt)δt

35、式中，vt+1和vt分别为在t+1，t时段的水库库容，单位亿m3；it为在t时段的水库的入库流量，单位m3/s；qt为t时段水库的出库流量，单位m3/s；

36、库容上下限约束表示如下：

37、vt,min≤vt≤vt,max

38、式中，vt,max和vt,min分别为在t时段所允许的水库库容的上下限，单位亿m3；vt为t时段的水库库容；

39、水位上下限约束表示如下：

40、zt,min≤zt≤zt,max

41、式中，zt,max和zt,min分别为在t时段所允许水位的上下限，单位m；zt为t时段的水库水位；

42、发电流量约束表示如下：

43、qt,min≤qt≤qt,max

44、式中，qt,max和qt,min分别为t时段所允许的下泄流量上下限，单位m3/s；qt为t时段的下泄流量；

45、水头约束表示如下：

46、ht,min≤ht≤ht,max

47、式中，ht,max和ht,min分别为在t时段所允许的水头的上下限，单位m；ht为t时段的水头。

48、进一步的，步骤s5中，所述水光互补出力等值模型是指：水光互补利用水库的调节库容来补偿光伏发电，水电用于调节光伏出力的随机性、间歇性和波动性，使水光互补发电系统能够跟随发电计划，提高小型水电站发电系统接纳光伏能力；水光互补发电系统以光伏出力为基荷，用水电去补偿光伏出力，在负荷峰值时，光伏的出力相当于水光互补发电系统的调峰增加了容量，在光伏出力最大时，水电站水库通过自身的调节库容将水量存起来用于其他时段发电；光伏在晚上的出力为零，此时水光互补发电系统的出力由水电承担，白天储存的水量为光伏出力的间歇性提供补充。

49、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述计及时空相关性的分布式水光发电集群互补消纳优化调节方法的步骤。

50、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现所述计及时空相关性的分布式水光发电集群互补消纳优化调节方法的步骤。

51、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

52、1、传统的小型水电站运行调度策略往往没有充分考虑到水/光发电之间的互补关系和时空特性，在水光出力高峰重叠时会存在严重的弃水弃光现象。本发明通过研究水电集群、光伏集群时空相关性的量化指标，构建考虑分布式水电集群、光伏发电集群的多能互补的可再生能源消纳模型，有利于发挥系统水光资源的互补优势，促进可在生能源消纳，提高系统运行的经济性和环保性。

53、2、本发明所给出的计及时空相关性的水光出力等值模型中水电能够根据光伏出力情况和发电计划改变出力在时间上的分配，进而使原来具有“随机性、间歇性和波动性”的光伏出力作为互补系统的基荷被消纳，该调度结果不仅可以充分利用可再生能源，降低系统运行的购电成本，提高电网运行的稳定性，增加综合服务能源公司拓展电力辅助服务新业务的能力。

54、3、国内针对小型水电常见的调度策略一般为单一的短期调度和中长期调度，本发明通过场景生产法聚焦于夏季、冬季和过渡季三个典型日的日内调度，能够更好地应对不同时间尺度上的能源波动性和互补性，能够更精确地指导可再生能源的消纳和小型水电的运行调度，对于提高电网灵活性和经济性具有重要意义。

55、4、水电和光伏作为清洁能源，其大规模应用有助于改善能源结构，促进能源的绿色转型，提升了能源系统的环保性能，通过充分利用水电和光伏发电的互补性，本发明能够减少化石能源的消耗，从而降低温室气体排放，对于减缓全球气候变化具有积极作用。

56、5、通过完善电网公司对分布式小型水电的管控调节机制，本发明还有助于提升电力系统的智能化水平，推动电力行业的创新发展，借助电力辅助服务新业务的拓展，本发明增加了综合服务能源公司的业务范围和盈利能力，有助于提升电力行业的整体竞争力。