本發(fā)明涉及一種融合光伏電站元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，具體來說，涉及一種綜合考慮外部輻照強(qiáng)度等環(huán)境因素、光伏電站內(nèi)部元件失效機(jī)制和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，屬于電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國政府出臺(tái)的一系列法規(guī)、政策大力推動(dòng)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在我國政府一系列配套政策支持下，國內(nèi)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量發(fā)展迅速。我國西北地區(qū)緯度低，海拔高，太陽能資源非常豐富，具備良好的太陽能發(fā)電資源、環(huán)境條件，太陽能發(fā)電增長尤為迅猛。目前，光伏電站的數(shù)量越來越多，電站規(guī)模也逐漸增大，大量的光伏電站并網(wǎng)，給電站自身以及其電網(wǎng)運(yùn)行帶來一定影響，光伏并網(wǎng)后電網(wǎng)能否安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行成為目前面臨的新挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，可能會(huì)引起電力系統(tǒng)功率失衡、線路過載和節(jié)點(diǎn)電壓越限等故障，并且由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用大量的電力電子元件，其元件可靠性對(duì)于光伏出力特性具有較為直接的影響。

隨著光伏電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，迫切需要研究大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行全面的評(píng)估。雖然單個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，并網(wǎng)點(diǎn)的上網(wǎng)功率小，影響不顯著，但隨著大規(guī)模的光伏發(fā)電接入大電網(wǎng)后，光伏電站與大電網(wǎng)間的相互影響將變得更加復(fù)雜。研究光伏電站與大電網(wǎng)間的交互影響，對(duì)大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面的評(píng)估，并建立反映并網(wǎng)安全的指標(biāo)體系，對(duì)光伏并網(wǎng)的的規(guī)劃和運(yùn)行具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種融合光伏電站元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法針對(duì)太陽輻射隨機(jī)性和光伏元件失效機(jī)制可能導(dǎo)致光伏并網(wǎng)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)的問題，提出一種融合光伏電站元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)光伏電站并網(wǎng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)估，指導(dǎo)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下，一種融合光伏電站元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)綜合考慮外部輻照度等環(huán)境因素和光伏電站內(nèi)部元件失效機(jī)制，建立同時(shí)考慮二者隨機(jī)性的光伏出力概率模型；將光伏元件失效引起的降額運(yùn)行狀態(tài)等效到主要受外部環(huán)境影響的光伏出力模型上，形成內(nèi)外部因素共同作用的光伏出力模型，利用該模型進(jìn)行并網(wǎng)型光伏電站系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，相當(dāng)于在光伏電站系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中綜合考慮了光伏電站元件級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)利用非序貫蒙特卡洛法，對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)各種不確定性進(jìn)行隨機(jī)抽樣，確定光伏電站出力模型、系統(tǒng)元件失效模型和負(fù)荷模型，得到一次抽樣的確定性系統(tǒng)狀態(tài)；

(3)利用直流潮流進(jìn)行預(yù)想故障分析(主要是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)和線路是否過載)和系統(tǒng)校正，并通過直流切負(fù)荷最優(yōu)模型計(jì)算期望切負(fù)荷量；

(4)對(duì)于電力系統(tǒng)的所有狀態(tài)進(jìn)行非序貫蒙特卡洛隨機(jī)抽樣，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，從而進(jìn)行系統(tǒng)的交直流潮流計(jì)算；該步驟中，最優(yōu)直流切負(fù)荷模型中的母線負(fù)荷和發(fā)電機(jī)限值都是各系統(tǒng)狀態(tài)s^k的函數(shù)，可以表現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移和發(fā)電運(yùn)行方式隨系統(tǒng)狀態(tài)的改變。在目標(biāo)函數(shù)中引入權(quán)重因子ωi，可以對(duì)不同母線的相對(duì)重要性加以指定，特別是發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)、變壓器節(jié)點(diǎn)和重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

(5)計(jì)算電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和后果，根據(jù)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算光伏并網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，利用層次分析法和熵權(quán)法主客觀相結(jié)合的方法計(jì)算綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟(1)中建立光伏出力概率模型，具體步驟如下：

(11)利用模糊c均值聚類法，建立考慮外部環(huán)境因素(最大輻照比例ki、輻照度波動(dòng)量fi和溫度ti)的光伏輸出功率概率模型為p(ki,fi,ti)；

(12)利用可靠性框圖法，建立光伏陣列-逆變器系統(tǒng)架構(gòu)，用串并聯(lián)法得到光伏電站內(nèi)部元件失效概率為up，該狀態(tài)下的光伏輸出功率為pp；將由光伏元件失效引起的降額運(yùn)行狀態(tài)等效到主要受外部環(huán)境影響的光伏出力模型上，同時(shí)計(jì)及外在環(huán)境變化和內(nèi)在元件失效的隨機(jī)性，得到光伏的輸出功率和概率分別為pp(ki,fi,ti)和up(ki,fi,ti)；

(13)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率模型抽取下一日的光伏日出力曲線，并將元件失效導(dǎo)致的光伏出力折損百分比乘到聚類產(chǎn)生的日出力曲線上，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣順次產(chǎn)生全運(yùn)行時(shí)段的光伏出力曲線，得到同時(shí)計(jì)及光資源變化和元件失效隨機(jī)性的光伏出力模型。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟(3)中，通過直流切負(fù)荷最優(yōu)模型計(jì)算期望切負(fù)荷量具體如下：

當(dāng)系統(tǒng)存在故障時(shí)，則重新調(diào)度發(fā)電出力，消除線路過載，并盡可能避免切負(fù)荷，如果負(fù)荷削減不可避免，則使負(fù)荷削減量達(dá)到最小，最優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為負(fù)荷削減總量最小約束條件包括直流潮流方程t(s^k)＝a(s^k)(pg-pd(s^k)+c)、功率平衡方程發(fā)電出力約束pg^min(s^k)≤pg≤pg^max(s^k)、削負(fù)荷量約束0≤c≤pd(s^k)和線路潮流約束|t(s^k)|≤t^max(s^k)；

式中：s^k表示第k個(gè)隨機(jī)抽樣系統(tǒng)狀態(tài)；t(s^k)為系統(tǒng)狀態(tài)s^k下的線路有功潮流矢量；a(s^k)為系統(tǒng)狀態(tài)s^k下線路有功潮流和母線注入功率之間的關(guān)系矩陣；pg為發(fā)電機(jī)輸出矢量；pd(s^k)為母線的負(fù)荷矢量；c為母線負(fù)荷削減矢量；pg^max(s^k)和pg^min(s^k)分別表示發(fā)電變量的上下限矢量；t^max(s^k)為線路額定有功功率矢量；ωi為反映母線重要性的權(quán)重因子；nd為負(fù)荷母線集合；ng為發(fā)電機(jī)母線集合。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟(5)中具體如下，光伏并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案a依據(jù)可靠性b1、安全性b2和經(jīng)濟(jì)性b3三個(gè)準(zhǔn)則構(gòu)建綜合評(píng)估層次結(jié)構(gòu)；量化的可靠性指標(biāo)b1包括：失負(fù)荷概率c11、電力不足期望c12、期望缺供電量c13；量化的安全性指標(biāo)b2包括：靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)c21、斷面穩(wěn)定限額指標(biāo)c22；量化的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)b3包括：系統(tǒng)網(wǎng)損c31、期望缺供電損失c32、發(fā)電重調(diào)度成本c33。在層次結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，利用層次分析法和熵權(quán)法主客觀相結(jié)合的方法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)，利用綜合評(píng)估模型得到含并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的綜合指標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.利用光伏陣列-逆變器串并聯(lián)模型分析元件失效導(dǎo)致的光伏出力折損，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率模型抽取下一日的光伏日出力曲線，并將折損百分比乘到聚類產(chǎn)生的日出力曲線上，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣順次產(chǎn)生全運(yùn)行時(shí)段的光伏出力曲線，該光伏出力模型同時(shí)計(jì)及光資源不足和元件失效對(duì)光伏出力的影響，所建模型考慮因素更加全面；

2.利用同時(shí)考慮光伏元件失效機(jī)制的光伏出力模型進(jìn)行光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，相當(dāng)于在光伏電站系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中綜合考慮了光伏電站元件級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)；

3.最優(yōu)直流切負(fù)荷模型中的母線負(fù)荷和發(fā)電機(jī)限值都是各系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，可以表現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移和發(fā)電運(yùn)行方式隨系統(tǒng)狀態(tài)的改變；引入權(quán)重因子，可以對(duì)不同母線的相對(duì)重要性加以指定，特別是發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)、變壓器節(jié)點(diǎn)和重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；

4.本發(fā)明的光伏并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，按可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)準(zhǔn)則分別選取指標(biāo)對(duì)光伏并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了多維全面評(píng)估。

附圖說明

圖1為本發(fā)明算法的整體框圖；

圖2為本發(fā)明的含光伏并網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算流程圖；

圖3為本發(fā)明的光伏并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1：參見圖1-圖3，一種融合光伏電站元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，所述方法包括以下步驟：

(1)綜合考慮外部輻照度等環(huán)境因素和光伏電站內(nèi)部元件失效機(jī)制，建立同時(shí)考慮二者隨機(jī)性的光伏出力概率模型；將光伏元件失效引起的降額運(yùn)行狀態(tài)等效到主要受外部環(huán)境影響的光伏出力模型上，形成內(nèi)外部因素共同作用的光伏出力模型，利用該模型進(jìn)行并網(wǎng)型光伏電站系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，相當(dāng)于在光伏電站系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中綜合考慮了光伏電站元件級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)利用非序貫蒙特卡洛法，對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)各種不確定性進(jìn)行隨機(jī)抽樣，確定光伏電站出力模型、系統(tǒng)元件失效模型和負(fù)荷模型，得到一次抽樣的確定性系統(tǒng)狀態(tài)；

(3)利用直流潮流進(jìn)行預(yù)想故障分析(主要是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)和線路是否過載)和系統(tǒng)校正，并通過直流切負(fù)荷最優(yōu)模型計(jì)算期望切負(fù)荷量；

(4)對(duì)于電力系統(tǒng)的所有狀態(tài)進(jìn)行非序貫蒙特卡洛隨機(jī)抽樣，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，從而進(jìn)行系統(tǒng)的交直流潮流計(jì)算；該步驟中，最優(yōu)直流切負(fù)荷模型中的母線負(fù)荷和發(fā)電機(jī)限值都是各系統(tǒng)狀態(tài)s^k的函數(shù)，可以表現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移和發(fā)電運(yùn)行方式隨系統(tǒng)狀態(tài)的改變。在目標(biāo)函數(shù)中引入權(quán)重因子ωi，可以對(duì)不同母線的相對(duì)重要性加以指定，特別是發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)、變壓器節(jié)點(diǎn)和重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

(5)計(jì)算電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和后果，根據(jù)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算光伏并網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，利用層次分析法和熵權(quán)法主客觀相結(jié)合的方法計(jì)算綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

所述步驟(1)中建立光伏出力概率模型，具體步驟如下：

(11)利用模糊c均值聚類法，建立考慮外部環(huán)境因素(最大輻照比例ki、輻照度波動(dòng)量fi和溫度ti)的光伏輸出功率概率模型為p(ki,fi,ti)；

(12)利用可靠性框圖法，建立光伏陣列-逆變器系統(tǒng)架構(gòu)，用串并聯(lián)法得到光伏電站內(nèi)部元件失效概率為up，該狀態(tài)下的光伏輸出功率為pp；將由光伏元件失效引起的降額運(yùn)行狀態(tài)等效到主要受外部環(huán)境影響的光伏出力模型上，同時(shí)計(jì)及外在環(huán)境變化和內(nèi)在元件失效的隨機(jī)性，得到光伏的輸出功率和概率分別為pp(ki,fi,ti)和up(ki,fi,ti)；

(13)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率模型抽取下一日的光伏日出力曲線，并將元件失效導(dǎo)致的光伏出力折損百分比乘到聚類產(chǎn)生的日出力曲線上，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣順次產(chǎn)生全運(yùn)行時(shí)段的光伏出力曲線，得到同時(shí)計(jì)及光資源變化和元件失效隨機(jī)性的光伏出力模型。

本發(fā)明中進(jìn)行預(yù)想故障分析，當(dāng)系統(tǒng)存在問題時(shí)，則重新調(diào)度發(fā)電出力，消除線路過載，并盡可能避免切負(fù)荷，如果負(fù)荷削減不可避免，則使負(fù)荷削減量達(dá)到最小。該方案下的直流切負(fù)荷最優(yōu)化模型為：

約束條件為：

t(s^k)＝a(s^k)(pg-pd(s^k)+c)

pg^min(s^k)≤pg≤pg^max(s^k)

0≤c≤pd(s^k)

|t(s^k)|≤t^max(s^k)

式中：s^k表示第k個(gè)隨機(jī)抽樣系統(tǒng)狀態(tài)；t(s^k)為系統(tǒng)狀態(tài)s^k下的線路有功潮流矢量；a(s^k)為系統(tǒng)狀態(tài)s^k下線路有功潮流和母線注入功率之間的關(guān)系矩陣；pg為發(fā)電機(jī)輸出矢量；pd(s^k)為母線的負(fù)荷矢量；c為母線負(fù)荷削減矢量；pg^max(s^k)和pg^min(s^k)分別表示發(fā)電變量的上下限矢量；t^max(s^k)為線路額定有功功率矢量；ωi為反映母線重要性的權(quán)重因子；nd為負(fù)荷母線集合；ng為發(fā)電機(jī)母線集合。

本發(fā)明中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)依據(jù)可靠性b1、安全性b2和經(jīng)濟(jì)性b3三個(gè)準(zhǔn)則構(gòu)建綜合評(píng)估層次結(jié)構(gòu)，需要量化的指標(biāo)包括：

(1)可靠性指標(biāo)b1包括：失負(fù)荷概率c11、電力不足期望c12、期望缺供電量c13；

(2)安全性指標(biāo)b2包括：靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)c21、斷面穩(wěn)定限額指標(biāo)c22；

(3)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)b3包括：系統(tǒng)網(wǎng)損c31、期望缺供電損失c32、發(fā)電重調(diào)度成本c33。

本發(fā)明在得到光伏并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，利用層次分析法和熵權(quán)法主客觀相結(jié)合的方法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)，利用綜合評(píng)估模型可以得到含并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的綜合指標(biāo)，本發(fā)明中的綜合評(píng)估模型為：

式中：βi為各指標(biāo)集的權(quán)重；cj為各指標(biāo)集中單個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；為指標(biāo)集中的單個(gè)指標(biāo)；n為每個(gè)指標(biāo)集中指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

本發(fā)明主要用于并網(wǎng)光伏電站元件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的兩級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。針對(duì)元件級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，綜合考慮外部輻照度等環(huán)境因素和光伏電站內(nèi)部元件失效機(jī)制，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出概率模型。針對(duì)系統(tǒng)級(jí)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估而言，綜合考慮光伏的功率輸出模型和電網(wǎng)的運(yùn)行方式，從可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)層面建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并利用主客觀相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)光伏電站并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)估。

需要說明的是上述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并沒有用來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上做出的等效替換或者替代，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。