CN104504608A - 配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法，包括一种在分时电价制度下确定配置蓄热罐的抽汽式热电机组的最优日运行计划决策模型，该模型以设定的次日分时电价、抽汽式热电机组的电热特性参数、蓄热罐热特性参数作为输入，以次日热电机组售电利润最大化为目标，考虑了汽轮机电约束、热约束及二者的耦合关系，可得到次日各时段最优的汽轮机抽汽功率计划、发电功率计划以及蓄热罐充放热功率计划。

Description

配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法

技术领域

本发明涉及一种发电机组运行计划确定方法，尤其涉及配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法。

背景技术

目前我国电网调峰压力非常大，而供热机组“以热定电”运行方式是造成调峰困难的主因之一。现有的大型抽汽式热电机组通过配置蓄热罐，可有效解耦“以热定电”运行约束，提高机组发电调峰运行的灵活性，缓解系统调峰压力。

在电力系统调度运行时，需要提前确定次日热电机组运行计划。无蓄热罐时，抽汽式热电机组在次日各时段的抽汽功率由其供热负荷决定，为已知量，故次日运行计划决策内容仅为在次日各时段抽汽功率给定的情况下优化确定次日各时段汽轮机的发电功率；然而，配置蓄热罐后，供热负荷可由汽轮机和蓄热罐共同供给，而蓄热罐又需提前由汽轮机进行储热，故次日运行计划的决策内容包括了汽轮机抽汽计划、蓄热罐充放热计划以及在抽汽功率约束下的汽轮机发电计划，使电力系统调度变得更加复杂。

随着我国电力改革重启，未来将建立类似于欧美各国的成熟的分时电价机制，以激励电源调峰填谷，引导资源优化配置。而在分时电价制度下，现有的调度决策模型均难以适用配置蓄热罐后的抽汽式热电机组。

发明内容

本发明的目的是提供配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法，依据设定的次日市场电价和汽轮机的电热特性得到次日各时段热电机组的最优运行计划，使得机组在满足供热负荷的条件下最大化发电利润。

本发明采用以下述技术方案：

配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法，包括以下几个步骤：

A:将次日24小时等时间长度划分为T个时段，符号t表示时段索引，每个时段的时间长度为ΔT＝24/T；

B:设定次日所有时段的市场电价，设第t个时段的市场电价设定值为；

C:为目标热电机组建立成本函数具体如下所示：

$C(P_t^e,P_t^h)=a{\left(P_t^e\right)}^2+{\mathrm{bP}}_t^e+{\mathrm{cP}}_t^h{P}_t^e+d{\left(P_t^h\right)}^2+{\mathrm{fP}}_t^h+g---\left(1\right)$

其中，a,b,c,d,f,g为热电机组成本系数；表示抽汽汽轮机在发电功率为、供热功率为时持续运行1小时所需的成本；

D：为目标热电机组建立在次日各时段运行时所需要满足的运行约束模型；

E：由设定的次日第t时段市场电价和步骤C中所建立的热电机组成本函数建立热电机组在次日第t时段的利润函数,具体如下所示:

$R_t=[{\mathrm{\λ}}_t^e{P}_t^e-C(P_t^e,P_t^h)]\mathrm{\ΔT};---\left(2\right)$

F:以次日整日热电机组售电利润最大化为决策目标，即T个时段内的发电利润R_t之和最大为目标，建立优化决策数学模型，具体模型为

目标函数 $\begin{array}{cc}\max & R_{\mathrm{\Σ}}\end{array}=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{R}_t=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_t^e{P}_t^e-C(P_t^e,P_t^h)]\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

约束条件为步骤D中所建立的约束模型；

G：通过采用优化软件CPLEX求解F所建立的数学模型，即可求解出次日汽轮机在各时段的发电功率、抽汽功率以及蓄热罐在该时刻的储热量即次日热电机组最优日运行计划，从而使得机组在次日全天的发电利润最大化。

所述的步骤D中建立的热电机组在次日运行时所需要满足的约束包括如下：

D1，供热约束:在t时段汽轮机抽汽供热功率和蓄热罐放热功率之和大于系统供热需求

$P_t^h+(S_{t-1}^h-S_t^h)\≥P_t^{D,h}$

(4)

其中，为蓄热罐在t时段的储热量，为蓄热罐在t时段的放热功率；为机组在t时段所承担热负荷功率；

D2，蓄热罐的充放热能力约束、蓄热容量约束、始末蓄热量约束

$\left\{\begin{array}{c}{S}_t^h-S_{t-1}^h{P}_{c,\max }^h\\ S_{t-1}^h-S_t^h\≤P_{f,\max }^h\end{array}\right.$

(5)

$S_t^h\≤S_{\max }^h$

(6)

$S_0^h=S_T^h$

(7)

其中，为储热装置最大蓄、放热功率；为蓄热罐的最大蓄热容量；

D3，汽轮机抽汽功率和发电功率耦合约束

$\max \{c_m{P}_t^h+K,P_{\min }^e-c_{v2}{P}_t^h\}\≤P_t^e\≤P_{\max }^e-c_{v1}{P}_t^h$

(8)

其中，c_v1、c_v2、c_m、K见附图1所示的热电机组运行区间图，c_v为进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率的减小量，其中c_v1为最大电出力下对应值，c_v2为最小电出力对应值；c_m＝ΔP^e/ΔP^h为背压运行时的电功率和热功率的弹性系数(即背压曲线的斜率，可近似认为常数)；K为常数。为抽汽式机组的最大供热功率；为机组发电功率最小时的汽轮机供热功率；为抽汽式机组在纯凝工况下的最大、最小发电功率。和为给定汽轮机抽汽供热功率P^h下，汽轮机调节发电出力时的上限和下限。为抽汽式汽轮机在纯凝工况下的最大、最小发电功率；

D4，包含了汽轮机抽汽功率最大限值约束和功率调整速率约束

$0\≤P_t^h\≤P_{\max }^h$

(9)

-P_down≤P_t-P_t-1≤P_up

(10)

$P_t=P_t^e+c_{v1}{P}_t^h$

(11)

其中，为抽汽式汽轮机的最大供热功率，为机组等效的纯凝工况发电出力，P_up、P_down分别为机组在纯凝工况下向上、向下爬坡速率限值。

本发明以设定的次日分时电价、抽汽式热电机组的电热特性参数、蓄热罐热特性参数作为输入，以次日热电机组售电利润最大化为目标，考虑了汽轮机电约束、热约束及二者的耦合关系建立决策模型函数，通过决策模型函数可得到次日各时段最优的汽轮机抽汽功率计划、发电功率计划以及蓄热罐充放热功率计划。

附图说明

图1为本发明所述抽汽式汽轮机电热特性示意图；

图2为本发明所述配置蓄热罐的热电厂次日最优运行计划示意图；

图3为本发明流程图。

具体实施方式

本例演示如何为1台300MW的抽汽供热机组利用本发明方法确定次日最优的运行计划。机组在TMCR工况下的技术参数： $P_{\max }^e=323\mathrm{MW},P_{\min }^e=150\mathrm{MW},P_{\max }^h=357\mathrm{MW},$ c_v1＝0.23，c_v2＝0，c_m＝0.45，K＝81，P_up＝P_down＝80MW/h；成本函数系数为：a＝0.05313，b＝189，c＝0.0245,d＝0.0028，f＝43.47，g＝13174；设定该机组次日所承担的热负荷功率每个时段均相同，为280MW。为该机组配置有一个蓄热容量为800MWh的蓄热罐，该蓄热罐的最大充放热功率分别为60MW/h和60MW/h。

配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法，包括以下几个步骤：

A:将次日24小时等时间长度划分为T＝24个时段，符号t表示时段索引，每个时段的时间长度为ΔT＝24/T＝1(小时)。

B:设定次日所有时段的市场电价，设第t个时段的市场电价设定值为具体如表1所示。以下公式中上角标“e”和“h”分别代表电和热，为区分各个符号，如表示为电功率，为供热功率，此为常用区分写法。

C:为目标热电机组建立成本函数具体如下所示：

$C(P_t^e,P_t^h)=a{\left(P_t^e\right)}^2+{\mathrm{bP}}_t^e+{\mathrm{dP}}_t^h{P}_t^e+d{\left(P_t^h\right)}^2+{\mathrm{fP}}_t^h+g---\left(1\right)$

其中，a,b,c,d,f,g为热电机组成本系数；表示抽汽汽轮机在发电功率为、供热功率为时持续运行1小时所需的成本。本例中，根据机组特性取a＝0.05313，b＝189，c＝0.0245,d＝0.0028，f＝43.47，g＝13174。

D：为目标热电机组建立在次日各时段运行时所需要满足的运行约束模型，具体包括：

D1，供热约束:在t时段汽轮机抽汽供热功率和蓄热罐放热功率之和大于系统供热需求

$P_t^h+(S_{t-1}^h-S_t^h)\≥P_t^{D,h}$

(4)

其中，为蓄热罐在t时段的储热量，为蓄热罐在t时段的放热功率；为机组在t时段所承担热负荷功率。上角标“D，h”表示为热符合功率。本例中，设每个时段机组承当的热负荷均保持不变，均为280MW，即对于每个时段，均取值为280MW。

D2，蓄热罐的充放热能力约束、蓄热容量约束、始末蓄热量约束

$\left\{\begin{array}{c}{S}_t^h-S_{t-1}^h{P}_{c,\max }^h\\ S_{t-1}^h-S_t^h\≤P_{f,\max }^h\end{array}\right.$

(5)

$S_t^h\≤S_{\max }^h$

(6)

$S_0^h=S_T^h$

(7)

其中，为储热装置最大蓄、放热功率，本例分别取值为 为机组配置蓄热罐的最大蓄热容量，本例取值为800MWh。

D3，汽轮机抽汽功率和发电功率耦合约束

$\max \{c_m{P}_t^h+K,P_{\min }^e-c_{v2}{P}_t^h\}\≤P_t^e\≤P_{\max }^e-c_{v1}{P}_t^h$

(8)

其中，c_v1、c_v2、c_m、K如图1所示的抽汽式汽轮机电热特性示意图，c_v为进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率的减小量，其中c_v1为最大电出力下对应值，c_v2为最小电出力对应值；c_m＝ΔP^e/ΔP^h为背压运行时的电功率和热功率的弹性系数(即背压曲线的斜率，可近似认为常数)；K为常数。为抽汽式机组的最大供热功率；为机组发电功率最小时的汽轮机供热功率；为抽汽式机组在纯凝工况下的最大、最小发电功率。和为给定汽轮机抽汽供热功率P^h下，汽轮机调节发电出力时的上限和下限。本例取值分别为c_v1＝0.23，c_v2＝0，c_m＝0.45，K＝81；为抽汽式汽轮机在纯凝工况下的最大、最小发电功率，本例取值为 $P_{\min }^e=150\mathrm{MW}.$

D4，包含了汽轮机抽汽功率最大限值约束和功率调整速率约束

$0\≤P_t^h\≤P_{\max }^h$

(9)

-P_down≤P_t-P_t-1≤P_up

(10)

$P_t=P_t^e+c_{v1}{P}_t^h$

(11)

其中，为抽汽式汽轮机的最大供热功率，本例取值为 为机组等效的纯凝工况发电出力；P_up、P_down分别为机组在纯凝工况下向上、向下爬坡速率限值，本例取值为P_up＝P_down＝80MW/h。

E：由设定的次日第t时段市场电价和步骤C中所建立的热电机组成本函数建立热电机组在次日第t时段的利润函数,具体如下所示:

$R_t=[{\mathrm{\λ}}_t^e{P}_t^e-C(P_t^e,P_t^h)]\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

F:以次日整日热电机组售电利润最大化为决策目标，即T个时段内的发电利润R_t之和最大为目标，建立优化决策数学模型，具体模型为

目标函数 $\begin{array}{cc}\max & R_{\mathrm{\Σ}}\end{array}=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{R}_t=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_t^e{P}_t^e-C(P_t^e,P_t^h)]\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

约束条件为步骤D中所建立的约束模型。

G：最终，通过采用优化软件CPLEX求解F所建立的数学模型，即可求解出次日汽轮机在各时段t的发电功率、抽汽功率以及蓄热罐在该时刻的储热量(如表1所示)，即次日热电机组最优日运行计划，从而使得机组在次日全天的发电利润最大化。所述的优化软件CPLEX为世界领先的数学规划优化程序，对资源的高效利用做出更佳决策的实用工具，在此不再详细介绍。

当热电厂配置蓄热罐后，在电价较高的负荷高峰时段，可由蓄热罐替代汽轮机供给部分热量，从而减少汽轮机抽汽供热功率进而增大汽轮机发电能力获利；而在电价较低的负荷低谷时段，则可通过对汽轮机多抽汽进行蓄热，尽管会降低汽轮机发电能力，但由于低谷时段电价较低，利润损失要低于在负荷高峰时段的获利(甚至如果低谷时段电价低于发电边际成本，则可避免发电损失)。

配置蓄热罐和没有配置蓄热罐的最优运行计划结果分别如表1和表2所示。没有配置蓄热罐时，机组汽轮机抽汽功率一直为280MW，用以满足负荷需求；其相应电功率为258MW，为以热定电的最大出力，日内保持最大出力恒定的原因在于给定的各时段系统电价均高于此时机组的边际发电成本220.8￥/MWh，故机组为获取最大利润均在各时段尽可能多发电。然而，配置储热后，通过蓄热罐和汽轮机的配合供热，实现了在电价高的时段多发电，在电价低的时段少发电的目的，从而可使机组获取更多利润，本文方法计算所得运行计划如附图2所示。本案例中，多获取的利润为24546￥。

表1 设定的分时电价信息及含蓄热罐时的最优运行计划

其中：电价(￥/MWh)；电功率、抽汽功率单位为MW，蓄热量单位为MWh。最大利润：157714￥。

表2 无蓄热罐时的最优运行计划

其中：电价(￥/MWh)；电功率、抽汽功率单位为MW。最大利润：133168￥。

Claims (2)

1.配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

A:将次日24小时等时间长度划分为T个时段，符号t表示时段索引，每个时段的时间长度为ΔT＝24/T；

B:设定次日所有时段的市场电价，设第t个时段的市场电价设定值为

C:为目标热电机组建立成本函数C(P_t ^e,P_t ^h)，具体如下所示：

C(P_t ^e,P_t ^h)＝a(P_t ^e)²+bP_t ^e+cP_t ^hP_t ^e+d(P_t ^h)²+fP_t ^h+g   (1)

其中，a,b,c,d,f,g为热电机组成本系数；C(P_t ^e,P_t ^h)表示抽汽汽轮机在发电功率为P_t ^e、供热功率为P_t ^h时持续运行1小时所需的成本；

D：为目标热电机组建立在次日各时段运行时所需要满足的运行约束模型；

E：由设定的次日第t时段市场电价和步骤C中所建立的热电机组成本函数C(P_t ^e,P_t ^h)，建立热电机组在次日第t时段的利润函数,具体如下所示:

$R_t=[{\mathrm{\λ}}_t^e{P_t}^e-C({P_t}^e,{P_t}^h)]\mathrm{\ΔT};---\left(2\right)$

F:以次日整日热电机组售电利润最大化为决策目标，即T个时段内的发电利润R_t之和最大为目标，建立优化决策数学模型，具体模型为

目标函数 $\begin{array}{cc}\max & R_{\mathrm{\Σ}}=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{R}_t=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_t^e{P_t}^e-C({P_t}^e,{P_t}^h)]\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)\end{array}$ 是t＝1,不是t-1

约束条件为步骤D中所建立的约束模型；

G：通过采用优化软件CPLEX求解F所建立的数学模型，即可求解出次日汽轮机在各时段的发电功率P_t ^e、抽汽功率P_t ^h以及蓄热罐在该时刻的储热量即次日热电机组最优日运行计划，从而使得机组在次日全天的发电利润最大化。

2.根据权利要求1所述的配置储热的热电机组在分时电价下的最优日计划确定方法，其特征在于：所述的步骤D中建立的热电机组在次日运行时所需要满足的约束包括如下：

D1，供热约束:在t时段汽轮机抽汽供热功率和蓄热罐放热功率之和大于系统供热需求

${P_t}^h+(S_{t-1}^h-S_t^h)\≥{P_t}^{D,h}---\left(4\right)$

其中，为蓄热罐在t时段的储热量，为蓄热罐在t时段的放热功率；为机组在t时段所承担热负荷功率；

D2，蓄热罐的充放热能力约束、蓄热容量约束、始末蓄热量约束

$\left\{\begin{array}{c}{S}_t^h-S_{t-1}^h\≤P_{c,\max }^h\\ S_{t-1}^h-S_t^h\≤P_{f,\max }^h\end{array}\right.---\left(5\right)$

$S_t^h\≤S_{\max }^h---\left(6\right)$

$S_0^h=S_T^h---\left(7\right)$

其中，为储热装置最大蓄、放热功率；为蓄热罐的最大蓄热容量；

D3，汽轮机抽汽功率和发电功率耦合约束

$\max \{c_m{P_t}^h+K,P_{\min }^e-c_{v2}{P_t}^h\}\≤{P_t}^e\≤P_{\max }^e-c_{v1}{P_t}^h---\left(8\right)$

其中，c_v1、c_v2、c_m、K见附图1所示的热电机组运行区间图，c_v为进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率的减小量，其中c_v1为最大电出力下对应值，c_v2为最小电出力对应值；c_m＝ΔP^e/ΔP^h为背压运行时的电功率和热功率的弹性系数(即背压曲线的斜率，可近似认为常数)；K为常数。为抽汽式机组的最大供热功率；为机组发电功率最小时的汽轮机供热功率；为抽汽式机组在纯凝工况下的最大、最小发电功率。和为给定汽轮机抽汽供热功率Ph下，汽轮机调节发电出力时的上限和下限。为抽汽式汽轮机在纯凝工况下的最大、最小发电功率；

D4，包含了汽轮机抽汽功率最大限值约束和功率调整速率约束

$0\≤{P_t}^h\≤P_{\max }^h---\left(9\right)$

-P_down≤P_t-P_t-1≤P_up

(10)

P_t＝P_t ^e+c_v1P_t ^h

(11)

其中，为抽汽式汽轮机的最大供热功率，P_t＝P_t ^e+c_v1P_t ^h为机组等效的纯凝工况发电出力，P_up、P_down分别为机组在纯凝工况下向上、向下爬坡速率限值。