作者介紹

宋宇，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與自動(dòng)化、電力系統(tǒng)規(guī)劃與分析。

研究背景

風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)電存在顯著差異性，如果不采取措施接入電網(wǎng)，則會(huì)對(duì)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響。風(fēng)電、光伏等間歇性能源的建模成為新能源消納問(wèn)題的基礎(chǔ)研究課題。電力系統(tǒng)的中、長(zhǎng)期規(guī)劃均需基于風(fēng)、光自身的出力特性，以大量場(chǎng)景基礎(chǔ)進(jìn)行分析計(jì)算，來(lái)評(píng)估規(guī)劃方案的可行性和合理性。因此，考慮其相關(guān)特性，建立合適的風(fēng)、光聯(lián)合出力模型，生成典型場(chǎng)景，對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃有重要意義。

本文采用非參數(shù)核密度估計(jì)法對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，經(jīng)擬合優(yōu)度及精度檢驗(yàn)后，得到風(fēng)、光出力的核密度表達(dá)式。然后建立多種基于Copula函數(shù)的風(fēng)、光電場(chǎng)出力聯(lián)合分布模型，結(jié)合各模型的Kendall與Spearman相關(guān)系數(shù)，將各Copula分布函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)比較，并判斷與經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)的歐氏距離，選取最優(yōu)Copula函數(shù)作為風(fēng)電、光伏聯(lián)合概率分布，從而生成風(fēng)、光出力典型場(chǎng)景。

算例分析表明，文中方法生成的風(fēng)、光年出力場(chǎng)景符合其相關(guān)性，在反映地區(qū)風(fēng)光實(shí)際出力有較高的準(zhǔn)確性。

圖1 最優(yōu)Copula函數(shù)選取流程

論文所解決的問(wèn)題及意義

目前，研究風(fēng)、光出力相關(guān)性的問(wèn)題主要采用Copula理論。有文獻(xiàn)提出了基于Copula的計(jì)算風(fēng)光出力聯(lián)合概率分布的方法，然后利用聚類算法進(jìn)行模型誤差分析，該模型考慮了不同環(huán)境下二者的影響與變化關(guān)系，使得風(fēng)、光出力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性大大提高。

有文獻(xiàn)分析了傳統(tǒng)Copula方法的不足之處，提出了新的動(dòng)態(tài)式的Copula函數(shù)模型，計(jì)算了8組不同的實(shí)例的動(dòng)態(tài)相關(guān)性，驗(yàn)證了所提模型的準(zhǔn)確性與合理性。有文獻(xiàn)用阿基米德族Copula函數(shù)對(duì)多風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合出力進(jìn)行建模，并與正態(tài)Copula函數(shù)進(jìn)行比較，證明了阿基米德族Copula函數(shù)針對(duì)此類問(wèn)題的優(yōu)越性。

圖2 風(fēng)電、光伏出力的場(chǎng)景生成步驟

但現(xiàn)有文獻(xiàn)建立單個(gè)Copula模型的方法無(wú)法可靠地驗(yàn)證所選取的Copula函數(shù)是模型中的最優(yōu)函數(shù)，造成生成典型出力場(chǎng)景與實(shí)際情況出入較大。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司的研究人員提出對(duì)Copula函數(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)，采用非參數(shù)核密度估計(jì)法對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，經(jīng)擬合優(yōu)度及精度檢驗(yàn)后，得到風(fēng)、光出力的核密度表達(dá)式。

然后建立多種基于Copula函數(shù)的風(fēng)、光電場(chǎng)出力聯(lián)合分布模型，結(jié)合各模型的Kendall與Spearman相關(guān)系數(shù)，將各Copula分布函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)比較，并判斷與經(jīng)驗(yàn)Copula函數(shù)的歐氏距離，選取最優(yōu)Copula函數(shù)對(duì)各個(gè)時(shí)刻的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)與光伏出力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到每個(gè)時(shí)刻的考慮風(fēng)光出力相關(guān)性的概率密度函數(shù)，利用Copula函數(shù)的蒙特卡洛采樣方法來(lái)生成年度場(chǎng)景，用后向縮減法分別對(duì)生成的風(fēng)電、光伏場(chǎng)景進(jìn)行縮減，得到各自的場(chǎng)景概率。

圖3 基于后向縮減法的場(chǎng)景縮減流程

該方法生成的風(fēng)、光年出力場(chǎng)景符合實(shí)際出力的相關(guān)性，避免了建立單一Copula函數(shù)模型的方法造成生成典型出力場(chǎng)景與實(shí)際情況出入較大的問(wèn)題。

結(jié)論

1）非參數(shù)核密度估計(jì)法較參數(shù)估計(jì)法，能夠更好地?cái)M合樣本數(shù)據(jù)，所得模型更接近于真實(shí)值。

2）所提基于最優(yōu)Copula函數(shù)的蒙特卡洛采樣方法能夠生成具備互補(bǔ)特性的風(fēng)、光年出力典型場(chǎng)景，可應(yīng)用在電力系統(tǒng)規(guī)劃模型中，為電力系統(tǒng)可靠性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

引用本文

宋宇, 李涵. 基于核密度估計(jì)和Copula函數(shù)的風(fēng)、光出力場(chǎng)景生成[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(1): 56-63.SONG Yu, LI Han. Typical scene generation of wind and photovoltaic power output based on kernel density estimation and Copula function. Electrical Engineering, 2022, 23(1): 56-63.