大规模新能源外送容量优化分析

高 凡，吴 军，刘涤尘，罗金山,2，王琪鑫，汪 凯，朱学栋

(1.武汉大学，武汉 430072;2.国网北京经济技术研究院，北京 102209)

大规模新能源外送容量优化分析

高 凡1，吴 军1，刘涤尘1，罗金山1,2，王琪鑫1，汪 凯1，朱学栋1

(1.武汉大学，武汉 430072;2.国网北京经济技术研究院，北京 102209)

大规模使用新能源有利于解决当前面临的环境与能源供应问题，但新能源外送容量直接影响着电网的稳定性与经济效益。为了有效进行大规模新能源外送容量优化，介绍了新能源外送容量优化评估模型，从功率、电压和频率三方面构建新能源外送容量优化约束条件，并从成本和效益两方面分析模型的经济性评估指标体系，采用基于权重因子和淘汰机制的布谷鸟搜索算法对新能源外送容量进行优化，得到最优的新能源外送容量。

新能源；能源外送；评估模型；容量优化；布谷鸟搜索算法

0 引言

面对化石能源日益消耗与环境污染问题日益严重的局面，如何在保护自然环境的基础上保障能源供应安全成为当前迫切需要解决的技术难题。随着新能源的大规模开发利用，其相对于传统化石能源具有清洁无污染、可持续利用等特点，使其成为解决当前面临问题的有效替代能源。但是，新能源相对于传统化石能源具有不确定性的特点，其出力受自然因素的影响较大，且我国的新能源基地与负荷中心呈现逆向分布。因此如何实现新能源外送成为新能源大规模开发利用迫切需要解决的技术难题。

考虑到新能源外送容量直接关系到输电工程规划中各方的利益[1]，因此在新能源外送中应该对外送容量进行合理优化。目前，国内外对新能源外送容量优化进行了广泛的研究，主要集中在容量优化算法和经济性评估2个方面。文献[2-3]采用蒙特卡洛方法构建容量可信度评估框架，文献[4-5]从经济性角度分别从风电优先接入和投资组合角度构建容量优化评估模型。但目前的研究都没有考虑到新能源外送容量对系统的影响，使得目前研究存在一定的不足之处。鉴于目前研究的不足，从新能源外送容量对系统和经济性的影响两方面构建新能源外送容量优化评估模型，然后对新能源外送容量进行优化，并提出新能源外送容量优化评估流程。

1 新能源外送容量优化评估模型

通过对大规模新能源外送容量对系统的影响进行充分研究分析，新能源的波动性对系统的影响较大。为了有效降低其波动特性对系统的影响，通过加入储能设备的方式来平抑新能源的波动性，从而梳理出新能源大规模外送容量优化评估模型，见图1。该评估模型首先从功率波动、电压波动和频率波动3个方面构建新能源外送容量优化评估约束条件，然后从储能投资成本、节约成本效益、增加售电收益、节约能源效益、增加财政补贴效益和增加环境效益6个方面构建新能源外送容量优化评估指标体系，从而得到大规模新能源外送容量优化评估模型。

图1 新能源外送容量优化评估模型

2 新能源外送容量优化评估指标体系

考虑到新能源的波动性，通过加入电池和超级电容器作为储能设备进行波动性的平抑，加入储能设备后增加了新能源外送成本，其中储能投资成本指其年运行成本。

(1)

式中：Ybat为储能设备生命周期；Pbat、Cbat、Pcat、Ccat分别为电池和超级电容器的额定功率和额定容量；nb,p、nb,c、nc,p、nc,c分别为电池和超级电容器的功率单价和容量单价[6-7]；qbat、Ybat分别为电池和超级电容器的功率单价和容量单价；mbat为维护单价。

加入储能设备后，能够有效减少火电的发电量，从而获得节约发电成本效益。

(2)

式中：Pi,c、Pi,0分别为第i种新能源加入储能设备前后新能源的外送功率；Ωnew为新能源种类集合；Ph,pro、PLOCE分别为火电与新能源的单位发电成本[8]。

加入储能设备后，能够在新能源高发时段进行储能，在低发时段通过储能设备进行释能的方式来提高新能源的利用率，从而能够增加售电收益。

(3)

式中：μl为输电线路的线损率，csold为单位售电价格。

由于采用储能设备进行储能，能够提高新能源的利用效率，减少化石能源的消耗量，从而获得节约能源效益，如式(4)所示。

(4)

式中：mi、ci分别为单位发电量第 种能源的消耗量和单位价格；N为能源的种类，取煤炭和淡水资源。

新能源是一种清洁无污染的能源，通过大量使用能够有效减少化石能源的燃烧，从而能够有效减少SO2、NOx、粉尘和CO2的排放量，从而获得增加环境效益。

(5)

式中：VSO2j、VNOxj、VTSPj分别为第 种新能源单位发电量的SO2、NOx和粉尘排放量[9]，cemsj为其对应的单位排放价格；Vhuoj为第j种新能源发电量转换为火电发电时所产生的CO2排放量；ccarbon为单位CO2排放价格。

新能源是国家重点扶植产业，对新能源发电根据其发电量给予相应的补贴，从而获得增加财政补贴效益。

(6)

式中：ct为单位电能的财政补贴价格。

为了能够保障大规模新能源并入电网后电网的安全稳定运行，需要新能源满足功率波动、电压波动和频率波动在一定的范围。即

(7)

式中：Δαp(t)、ΔαU(t)、Δαf(t)分别代表t时刻的功率、电压和频率波动量，且Δαp(t)、ΔαU(t)和Δαf(t)计算如式(8)所示。

(8)

3 改进布谷鸟算法的新能源外送容量优化

布谷鸟搜索算法具有很强的跳跃性，其局部搜索能力不够强，在搜索后期易出现搜索速度慢、搜索精度不够高的问题。为了有效提高布谷鸟搜索算法的局部搜索能力，文献[10]引入淘汰机制，提出基于淘汰机制的布谷鸟搜索算法，能够在搜索后期重新对鸟巢位置进行重新排序，将位置差的鸟巢位置淘汰掉，并在其附近产生等量的新鸟巢，从而实现鸟巢的更新，加快寻优速度。

在新能源外送容量优化中，需要考虑到各类电源的成本与出力特性，对不同的电源应具备一定的容量才能保障约束条件满足要求。因此，需要对文献[10]中的算法进行改进，加入权重因子提出基于权重因子和淘汰机制的布谷鸟搜索算法。该算法主要在文献[10]的基础上对新鸟巢的位置公式进行改进，其改进公式如式(9)所示。

(9)

根据该改进算法进行大规模新能源外送容量的优化，构建新能源外送容量优化目标函数。

maxE=Eproduce+Esold+Ee+Eb+Eems-Cc

(10)

从而可以得到基于权重因子和淘汰机制的布谷鸟搜索算法的新能源外送容量优化的步骤：

a.根据风速、光照等基础数据，结合相关新能源出力公式并结合装机容量得到其出力曲线；

b.根据出力曲线和负荷曲线初步选定储能设备容量，作为储能设备容量的初始值；

c.基于步骤b中的初始值，采用基于权重因子和淘汰机制的布谷鸟搜索算法进行储能设备容量的优化，在寻优过程中，以式(10)作为目标函数，以式(7)作为约束条件进行储能设备容量的优化。

4 结论

a.从储能投资成本、节约成本效益、增加售电收益、节约能源效益、增加财政补贴效益和增加环境效益6个方面构建新能源外送容量优化评估指标体系，能够科学全面的评估新能源外送容量对系统经济性的影响。

b.从功率、电压和频率波动3方面梳理出新能源外送容量优化约束条件，能够确保在新能源外送容量优化过程中保障系统的安全稳定运行。

c.采用基于权重因子和淘汰机制的布谷鸟搜索算法能够为容量优化提供一种科学快速的新能源外送容量优化评估方法，有利于工程应用。

[1] 穆 钢，崔 杨，严干贵.确定风电场群功率汇聚外送输电容量的静态综合优化方法[J].中国电机工程学报，2011，31(1):15-19.

[2] 王海超， 鲁宗相，周双喜.风电场发电容量可信度研究[J].中国电机工程学报，2005，25(10)：103-106.

[3] 何 俊，邓长虹，徐秋实，等.风光储联合发电系统的可信容量及互补效益评估[J].电网技术，2013，37(11)：3030-3036.

[4] 华 文，徐 政.风电火电打捆送出时的输电容量优化方法[J].电力系统保护与控制，2012， 40(8):121-125.

[5] 黄昕颖，黎 建，杨 莉，等.基于投资组合的虚拟电厂多电源容量配置[J].电力系统及其自动化，2015，39(19)：75-81.

[6] 汪全元，石庆均，李兴鹏，等.风光储独立供电系统电源优化配置[J].电力系统自动化设备，2013，33(7)：19-26.

[7] 韩晓娟，程 成，籍天明，等.计及电池使用寿命的混合储能系统容量优化模型[J].中国电机工程学报，2013，33(34)：91-98.

[8] 邢 娜.基于LCC的风电项目财务可行性分析研究[D].北京: 华北电力大学， 2014.

[9] 王勇超，陈皓勇，禤培正，等.基于最优场景集的含多类型电源鲁棒调度[J].电网技术， 2016，5(2): 354-362.

[10] 王 文.布谷鸟搜索算法与蝙蝠优化算法的改进研究[D].南宁：广西民族大学，2014.

本文责任编辑：齐胜涛

Large-scale New Energy Delivery Capacity Optimization Analysis

Gao Fan1，Wu Jun1，Liu Dichen1，Luo Jinshan1,2,Wang Qixin1，Wang Kai1，Zhu Xuedong1

(1.Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.State Grid Economic Resenrch Institute,Beijing 102209,China)

Large-scale new energy is used conducive to solve environment and energy supply problem,whereas its delivery capacity is direct impacted to grid stability and economic.In order to achieve large-scale new energy delivery capacity optimization,new energy delivery capacity optimization assessment model is built.Firstly,restrictions is built from power,voltage and frequency three aspects,then economic assessment index system is built from costs and benefits two aspects，after based on weighting factors and elimination mechanism cuckoo search algorithm is used to searching delivery capacity.Finally,the paper is summarized and analyzed.

new energy;energy delivery;evaluation model;capacity optimization;cuckoo search algorithm

2016-08-22

高 凡(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电网规划设计。

TM614

A

1001-9898(2016)06-0008-03