CN104659818A - 一种正负旋转备用容量在含风电系统中的最优分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法。该方法兼顾系统运行的经济性和可靠性两方面构建旋转备用容量效益模型，即正旋转备用容量的成本费、负旋转备用容量的发电收益，以及系统配置旋转备用容量后电量不足期望值的明显减小等，利用等效电量函数描述火电和风电出力，通过随机生产模拟计算方法来优化旋转备用容量在投入运行的火电机组间的分配。该发明方法具有一定的合理性，为风电大规模可靠并网运行提供可行性参考。

Description

一种正负旋转备用容量在含风电系统中的最优分配方法

技术领域

本发明涉及含风电场的电力电量平衡研究领域，尤其涉及一种正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法。 

背景技术

为保证电力系统平衡稳定可靠的供电，系统通常预留一定的备用容量以应对负荷的随机波动和发电机组的随机故障，包括调频备用(最大负荷的2％-3％)、事故备用(最大负荷的8％-10％，并且应大于系统最大一台机组的容量)和检修备用等。这种简单的选取固定容量值作为备用的方法已经在电力行业中得到广泛的应用，但是很难满足风电并网规模日益增大的电力系统，同时不具有良好的经济性。因此，如何从经济性和可靠性两方面确定含风电系统的备用容量，是一个值得研究的课题。 

国内外一些专家学者已经提出了很多关于旋转备用容量的优化分配方法，如从旋转备用效益最大化角度进行数学建模，提出了确定传统火电系统最佳开机台数和优化分配调度旋转备用容量的方法；利用随机生产模拟计算含风电系统的旋转备用容量的分配问题；综合负荷预测误差和机组随机故障对系统的影响，以旋转备用容量的购买成本最小为目标函数，并用基于蒙特卡罗仿真的遗传算法求解，但算法复杂且计算量大；基于成本效益分析法构建经济优化模型，利用遗传粒子群算法计算系统所需的最佳旋转备用容量，并给出计及负荷、风电出力预测偏差的机组停运容量表，其中两种预测偏差通过概率密度函数描述并分析；综合考虑负荷预测误差、风电出力偏差以及发电机组的随机故障停运等不确定因素，建立基于机会约束规划法的旋转备用获取模型。运用“两子集合优化”方法给出不同时段旋转备用容量状态的决策机制，进行旋转备用容量的优化调度。上述方法都从经济角度构建模型，但未考虑风电代替传统火电后，随之带来的收益。 

发明内容

本发明的目的在于考虑了含风电系统的正负旋转备用容量的最优分配，提供一种正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

这种含风电系统的正负旋转备用容量最优分配方法，具体包括如下步骤： 

(1)对负荷数据进行离散化处理，用等效电量函数表示出原始持续负荷曲线，用四状态等效电量函数表示风电机组，用两状态等效电量函数表示火电机组； 

(2)确定发电机组带负荷的优先顺序，一般来说，对于含有风电场的系统应首先安排风电机组投入运行，其他火电机组根据维护费用由小到大依次投入； 

(3)按照顺序安排发电机组运行，计算各发电机组的发电量； 

(4)假定一个旋转备用容量初值，并分配到参与运行的火电机组中去； 

(5)考虑火电机组的强迫停运，修正等效持续负荷曲线； 

(6)计算系统可靠性指标； 

(7)通过上述随机生产模拟计算旋转备用效益； 

(8)增加旋转备用容量，重复上述计算过程，直到满足全部旋转备用容量的需求，最后比较可行解，选择备用容量效益最大的组合。 

首先以负旋转备用容量收益R为目标函数构建经济模型，如式(1)所述。由于风电电价高于火电电价，同时压低的火电出力亦不需要维护费用、燃料费用和环境保护费用等费用，所以随着负旋转备用容量的出现会带来一部分收益。 

$R\left({\mathrm{SX}}_t^d\right)=\mathrm{\γ}\·{\mathrm{SX}}_t^d+(C_{\mathrm{zi}1}+C_{\mathrm{zi}2}+C_{\mathrm{zi}3})\·{\mathrm{SX}}_t^d\·\·\·\left(1\right)$

式中：γ为风电电价高于火电电价的差值；为t时段系统负旋转备用容量；C_zi1、C_zi2、C_zi3分别为压低出力火电机组的运行维护费、环境成本费和消耗燃料费。值得注意的是，当风电出力达到最大时，上升空间为零，系统则无需提供负旋转备用容量。 

以旋转备用容量带来的效益最大为准则构建目标函数。 

以投入运行的火电机组台数N_R为决策变量，在满足系统安全运行约束条件的前提下，综合停电损失费用、正旋转备用容量成本以及负旋转备用容量收益三部分，确定使系统旋转备用容量效益B达到最大的火电机组最佳开机台数N_R。 

$\max B\left(N_R\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{EENS}}_t-\mathrm{\β}{\mathrm{SX}}_t^u+R)\·\·\·\left(2\right)$

式中：B为系统旋转备用容量效益；T为总规划时段；ΔEENS_t为t时段系统有、无旋转备用容量条件下电量不足期望值(EENS)的变化量；α为系统停电损失费用；β为正旋转备用容量电价；为t时段系统正旋转备用容量；R为负旋转备用容量收益。 

(1)等式约束条件，要求运行机组的有功出力总和与系统负荷平衡 

$\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i+\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j=X\·\·\·\left(3\right)$

式中：P_i、P_j分别为火电机组i和风电机组j的出力；N_R、N_F分别为投入运行的火电机组和风电机组台数；X为系统负荷。 

(2)要求系统必须具有一定的旋转备用容量，且不超过所有运行机组的可用旋转备用容量的总和 

$0\≤\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i+\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j-X\≤\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{i\max }\·\·\·\left(4\right)$

式中：C_i为火电机组i的额定容量；R_imax为火电机组i可提供的最大可用旋转备用容量。 

(3)约束各发电机组的最大和最小输出功率 

P_iαmin≤P_iα≤P_iαmax，i＝1，2…N_R…………………………(5) 

P_jαmin≤P_jα≤P_jαmax，j=1，2…N_F……………………(6) 

式中：P_iαmin、P_jαmin为火电机组i和风电机组j瞬时输出功率下限；P_iαmax、P_jαmax为火电机组i和风电机组j瞬时输出功率上限；P_iα、P_jα为火电机组i和风电机组j在某一时刻α的瞬时输出功率。 

(4)约束火电厂机组的爬坡速率和启停时间 

DR_i×T₁₀≤P_u-P_i(t-1)≤UR_i×T₁₀…………………………………(7) 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{it}}^{\mathrm{on}}\≥T_{i\min }^{\mathrm{on}}\\ T_{\mathrm{it}}^{\mathrm{off}}\≥T_{i\min }^{\mathrm{off}}\end{array}\right.\·\·\·\left(8\right)$

式中：P_it、P_i(t-1)分别为t和t-1规划阶段中火电机组i的有功出力；UR_i、DR_i为火电厂机组i的上、下爬坡率；T₁₀为旋转备用响应时间，取10min；为火电机组i在t阶段的运行时 间；为火电i的最小运行时间；为火电机组i在t阶段的停运时间；为火电机组i的最小停运时间。 

(5)分开约束系统的正、负旋转备用容量 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SX}}_t^u\≥\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{jt}}\×{\mathrm{\ω}}_u\%+X\×L\%\\ {\mathrm{SX}}_t^d\≥\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{jt}}^{\max }-P_{\mathrm{jt}})\×{\mathrm{\ω}}_d\%\end{array}\right.\·\·\·\left(9\right)$

式中：P_jt、为风电厂机组j在t阶段的出力和最大可能出力；ω_u％、ω_d％为风电机组出力预测偏差对正、负旋转备用的需求系数，应根据研究时段不同按等比例增长规律选取；L％为系统负荷预测误差对正旋转备用的需求系数。 

进一步的，本发明所叙述的正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法，考虑了风电机组的投入运行及时序。 

本发明的有益效果是：(1)考虑了风电系统的出力对传统的电力电量平衡方法的影响；(2)可以充分利用风电场的出力，在保证安全稳定供电的前提下，尽量使得风电场的出力最大化；(3)能动态的调整正负旋转备用容量，节约一次能源，有较强的工程应用价值。 

附图说明

附图1为本发明提出的含风电系统的正负旋转备用容量的最优分配流程图。 

附图2为本发明具体实施方式中某日的负荷数据曲线。 

具体实施方式

本发明提出一种正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法，下面结合附图和实施例对本发明予以详细说明。 

当风电场实际输出功率大于预测值时，通过减小火电机组的出力，来实现风电资源利用的最大化。即当预测风电场的出力为达到极限值时，为保证系统能量平衡，若此时增加风电出力，那么必须压低火电机组的出力，这部分火电机组减小的出力为负旋转备用容量。首先以负旋转备用容量收益R为目标函数构建经济模型，如式(1)所述。由于风电电价高于火电电价，同时压低的火电出力亦不需要维护费用、燃料费用和环境保护费用等费用，所以随着负旋转备用容量的出现会带来一部分收益。 

$R\left({\mathrm{SX}}_t^d\right)=\mathrm{\γ}\·{\mathrm{SX}}_t^d+(C_{\mathrm{zi}1}+C_{\mathrm{zi}2}+C_{\mathrm{zi}3})\·{\mathrm{SX}}_t^d\·\·\·\left(1\right)$

式中：γ为风电电价高于火电电价的差值；为t时段系统负旋转备用容量；C_zi1、C_zi2、C_zi3分别为压低出力火电机组的运行维护费、环境成本费和消耗燃料费。值得注意的是，当风电出力达到最大时，上升空间为零，系统则无需提供负旋转备用容量。 

以旋转备用容量带来的效益最大为准则构建目标函数。 

以投入运行的火电机组台数N_R为决策变量，在满足系统安全运行约束条件的前提下，综合停电损失费用、正旋转备用容量成本以及负旋转备用容量收益三部分，确定使系统旋转备用容量效益B达到最大的火电机组最佳开机台数N_R。 

$\max B\left(N_R\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{EENS}}_t-\mathrm{\β}{\mathrm{SX}}_t^u+R)\·\·\·\left(2\right)$

式中：B为系统旋转备用容量效益；T为总规划时段；ΔEENS_t为t时段系统有、无旋转备用容量条件下电量不足期望值(EENS)的变化量；α为系统停电损失费用；β为正旋转备用容量电价；为t时段系统正旋转备用容量；R为负旋转备用容量收益。 

(1)等式约束条件，要求运行机组的有功出力总和与系统负荷平衡 

$\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i+\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j=X\·\·\·\left(3\right)$

式中：P_i、P_j分别为火电机组i和风电机组j的出力；N_R、N_F分别为投入运行的火电机组和风电机组台数；X为系统负荷。 

(2)要求系统必须具有一定的旋转备用容量，且不超过所有运行机组的可用旋转备用容量的总和 

$0\≤\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i+\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j-X\≤\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{i\max }\·\·\·\left(4\right)$

式中：C_i为火电机组i的额定容量；R_imax为火电机组i可提供的最大可用旋转备用容量。 

(3)约束各发电机组的最大和最小输出功率 

P_iαmin≤P_iα≤P_iαmax，i＝1，2…N_R…………………………(5) 

P_iαmin≤P_jα≤P_jαmax，j=1，2…N_F……………………(6) 

式中：P_iαmin、P_jαmin为火电机组i和风电机组j瞬时输出功率下限；P_iαmax、P_jαmax为火电机组i和风电机组j瞬时输出功率上限；P_iα、P_jα为火电机组i和风电机组j在某一时刻α的瞬时输出功率。 

(4)约束火电厂机组的爬坡速率和启停时间 

DR_i×T₁₀≤T_it-P_i(t-1)≤UR_i×T₁₀…………………………………(7) 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{it}}^{\mathrm{on}}\≥T_{i\min }^{\mathrm{on}}\\ T_{\mathrm{it}}^{\mathrm{off}}\≥T_{i\min }^{\mathrm{off}}\end{array}\right.\·\·\·\left(8\right)$

式中：P_it、P_i(t-1)分别为t和t-1规划阶段中火电机组i的有功出力；UR_i、DR_i为火电厂机组i的上、下爬坡率；T₁₀为旋转备用响应时间，取10min；为火电机组i在t阶段的运行时间；为火电i的最小运行时间；为火电机组i在t阶段的停运时间；为火电机组i的最小停运时间。 

(5)分开约束系统的正、负旋转备用容量 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SX}}_t^u\≥\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{jt}}\×{\mathrm{\ω}}_u\%+X\×L\%\\ {\mathrm{SX}}_t^d\≥\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{jt}}^{\max }-P_{\mathrm{jt}})\×{\mathrm{\ω}}_d\%\end{array}\right.\·\·\·\left(9\right)$

式中：P_jt、为风电厂机组j在t阶段的出力和最大可能出力；ω_u％、ω_d％为风电机组出力预测偏差对正、负旋转备用的需求系数，应根据研究时段不同按等比例增长规律选取；L％为系统负荷预测误差对正旋转备用的需求系数。 

本发明实施例中以含有100台相同型号的风电机组的风电场和7台火电机组组成的系统作为计算实例，各机组参数以及系统某日负荷曲线的历史数据如下表所示。 

表1系统的属性 

表2各机组参数 

表3该风电场某天的负荷 

根据表3中的历史数据，绘制负荷曲线如附图2。设计场景一，风电机组并入该系统，系统中含有七台常规火电机组；场景二，利用等容量火电机组代替风电机组，同样模拟生产过程；场景三，风电机组并入该系统，寻找最优的旋转备用容量进行优化调度，再次模拟生产过程。对比三个场景的生产模拟过程，结果对比见表4，旋转备用容量的最优分配见表5。通过对比看出，在系统配有旋转备用容量后，系统EENS值大幅下降，即系统的可靠性有明显的提高。 

表4三种场景的随机生产模拟结果对比 

表5旋转备用容量在各阶段的分配    单位：MWh 

Claims (2)

1.一种正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法，其特征是，根据旋转备用容量的实质，以系统安全运行为约束，综合停电损失费、正旋转备用容量成本费、负旋转备用容量带来的收益三部分，构造确定旋转备用容量最优分配的数学模型。具体步骤如下：

(1)对负荷数据进行离散化处理，用等效电量函数表示出原始持续负荷曲线，用四状态等效电量函数表示风电机组，用两状态等效电量函数表示火电机组;

(2)确定发电机组带负荷的优先顺序，一般来说，对于含有风电场的系统应首先安排风电机组投入运行，其他火电机组根据维护费用由小到大依次投入；

(3)按照顺序安排发电机组运行，计算各发电机组的发电量；

(4)假定一个旋转备用容量初值，并分配到参与运行的火电机组中去；

(5)考虑火电机组的强迫停运，修正等效持续负荷曲线；

(6)计算系统可靠性指标；

(7)通过上述随机生产模拟计算旋转备用效益；

(8)增加旋转备用容量，重复上述计算过程，直到满足全部旋转备用容量的需求，最后比较可行解，选择备用容量效益最大的组合。

2.根据权利1所叙述的正负旋转备用容量在含风电系统中火电机组间的最优分配方法，其特征在于，考虑了风电机组的投入运行及时序，先以负旋转备用容量收益R为目标函数构建经济模型，然后以系统旋转备用容量B带来的效益最大为准则构建目标函数。

当风电场实际输出功率大于预测值时，通过减小火电机组的出力，来实现风电资源利用的最大化。即当预测风电场的出力为达到极限值时，为保证系统能量平衡，若此时增加风电出力，那么必须压低火电机组的出力，这部分火电机组减小的出力为负旋转备用容量。首先以负旋转备用容量收益R为目标函数构建经济模型，如式(1)所述。由于风电电价高于火电电价，同时压低的火电出力亦不需要维护费用、燃料费用和环境保护费用等费用，所以随着负旋转备用容量的出现会带来一部分收益。

$R\left({\mathrm{SX}}_t^d\right)=\mathrm{\γ}\·{\mathrm{SX}}_t^d+(C_{\mathrm{zi}1}+C_{\mathrm{zi}2}+C_{\mathrm{zi}3})\·{\mathrm{SX}}_t^d\·\·\·\left(1\right)$

式中：γ为风电电价高于火电电价的差值；为t时段系统负旋转备用容量；C_zi1C_zi2、C_zi3分别为压低出力火电机组的运行维护费、环境成本费和消耗燃料费。值得注意的是，当风电出力达到最大时，上升空间为零，系统则无需提供负旋转备用容量。

以旋转备用容量带来的效益最大为准则构建目标函数。

以投入运行的火电机组台数N_R为决策变量，在满足系统安全运行约束条件的前提下，综合停电损失费用、正旋转备用容量成本以及负旋转备用容量收益三部分，确定使系统旋转备用容量效益B达到最大的火电机组最佳开机台数N_R。

$\max B\left(N_R\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{EENS}}_t-\mathrm{\β}{\mathrm{SX}}_t^u+R)\·\·\·\left(2\right)$

式中：B为系统旋转备用容量效益；T为总规划时段；ΔEENS_t为t时段系统有、无旋转备用容量条件下电量不足期望值(EENS)的变化量；α为系统停电损失费用；β为正旋转备用容量电价；为t时段系统正旋转备用容量；R为负旋转备用容量收益。

(1)等式约束条件，要求运行机组的有功出力总和与系统负荷平衡

$\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i+\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j=X\·\·\·\left(3\right)$

式中：P_i、P_j分别为火电机组i和风电机组j的出力；N_R、N_F分别为投入运行的火电机组和风电机组台数；X为系统负荷。

(2)要求系统必须具有一定的旋转备用容量，且不超过所有运行机组的可用旋转备用容量的总和

$0\≤\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i+\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j-X\≤\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{i\max }\·\·\·\left(4\right)$

式中：C_i为火电机组i的额定容量；R_imax为火电机组i可提供的最大可用旋转备用容量。

(3)约束各发电机组的最大和最小输出功率

P_iαmin≤P_iα ^≤P_iαmax，i＝1，2…N_R…………………………(5)

P_jαmin≤P_jα≤P_jαmax，j=1，2…N_F…………………………………(6)

式中：P_iαmin、P_jαmin为火电机组i和风电机组j瞬时输出功率下限；P_iαmax、P_jαmax为火电机组i和风电机组j瞬时输出功率上限；P_iα、P_jα为火电机组i和风电机组j在某一时刻α的瞬时输出功率。

(4)约束火电厂机组的爬坡速率和启停时间

DR_i×T₁₀≤P_it-P_i(t-1)≤UR_i×T₁₀…………………………………(7)

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{it}}^{\mathrm{on}}\≥T_{i\min }^{\mathrm{on}}\\ T_{\mathrm{it}}^{\mathrm{off}}\≥T_{i\min }^{\mathrm{off}}\end{array}\right.\·\·\·\left(8\right)$

式中：P_it、P_i(t-1)分别为t和t-1规划阶段中火电机组i的有功出力；UR_i、DR_i为火电厂机组i的上、下爬坡率；T₁₀为旋转备用响应时间，取10min；为火电机组i在t阶段的运行时间；为火电i的最小运行时间；为火电机组i在t阶段的停运时间；为火电机组i的最小停运时间。

(5)分开约束系统的正、负旋转备用容量

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SX}}_t^u\≥\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{jt}}\×{\mathrm{\ω}}_u\%+X\×L\%\\ {\mathrm{SX}}_t^d\≥\underset{j=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{jt}}^{\max }-P_{\mathrm{jt}})\×{\mathrm{\ω}}_d\%\end{array}\right.\·\·\·\left(9\right)$

式中：P_jt、为风电厂机组j在t阶段的出力和最大可能出力；ω_u％、ω_d％为风电机组出力预测偏差对正、负旋转备用的需求系数，应根据研究时段不同按等比例增长规律选取；L％为系统负荷预测误差对正旋转备用的需求系数。