CN106026184A - 一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统及其优化调度方法 - Google Patents

Abstract

一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统及其优化调度方法，在风电场输出功率预测值及预测精度的基础上，将未超过风电功率预测值的下限部分直接接入区域电网，并承担区域电网的基荷部分。然后绘制除去直接并网的风电功率的净负荷曲线。在负荷低谷时段，将超过预测值下限值的不稳定的风电功率用来抽水蓄能，安排在净负荷高峰时段发电，精确计算抽蓄电站每个时段启停状况及输出功率值。此方案大大减少了风电并网对电网稳定性造成的威胁，充分发挥了抽水蓄能电站的调峰填谷功能，减少了弃风。

Description

一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统及其优化 调度方法

技术领域

本发明属于电力系统优化运行领域，具体为一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统及电力调度方法。

背景技术

随着风电的大规模并网，风电输出功率的不确定性及反调峰特性对电力系统的负面影响也日益凸显，并已成为制约风电发展的瓶颈。抽水蓄能电站具有启动迅速、爬坡速度快、运行可靠灵活的优点。其快速转换的灵活性能有效弥补风电输出功率的随机性；利用抽水蓄能电站的“低储高发”特性来解决风电输出功率的反调峰性，达到调峰填谷的目的；进而降低了风电并网对电网造成的影响，提高电网运行的稳定性、经济性。

针对风电的反调峰性，本发明充分发挥抽水蓄能电站的运行特点，并结合实际经验，将约束条件应用到制定抽蓄机组的运行规则中来，运用启发式专家规则制定抽蓄机组的最优启停、出力计划，以发挥抽蓄机组的最佳调峰、经济效益。

目前关于风电场与抽水蓄能电站联合系统优化运行的方法大多是从平滑功率输出和经济效益两个方面进行研究，很少对风蓄联合运行的环境效益进行研究，本发明将联合系统的经济效益、风电利用率、风电输出平滑度都考虑到优化运行当中。将风电场输出功率利用率作为目标函数之一，即以增加电网绿色能源渗透率为目标函数，达到减少常规机组的输出功率，节约煤炭资源、减少有害气体的排放这一目的。

在风电与抽水蓄能电站联合运行中，将一部分风电并网，另一部分抽水蓄能，如何分配风电功率，目前研究主要以风电场装机容量的特定比例为上限，以限制风电场直接并网的功率，未超出上限的部分直接接入电网，将超出上限部分或用于抽水蓄能或弃风。这样在风电输出功率较高的时段易造成弃风浪费，在风电输出功率较低的时段，风电直接并网，对电网稳定性造成威胁。本发明根据风电预测值及预测精度(20％)绘制风电预测值的上限曲线(预测值的1.2倍)和下限曲线(预测值的0.8倍)，风电实际输出功率在此区间内的置信水平极高。将未超过风电输出功率下限的稳定的部分直接并入电网供应区域电网内的基荷部分。超过风电输出功率下限的不稳定的风电功率用于抽水蓄能。既减少了弃风，也降低了风电并网对电网稳定性造成的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统及对电力进行调度的方法，它能解决风电并网对区域电网内其他常规机组的旋转备用容量及爬坡能力造成限制的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，它包风力发电机组、水力发电系统、抽水泵、控制系统，水力发电系统包括上游水库、下游水库、水轮机组和发电机组；风力发电机组通过输电线A经可控开关接入控制系统，再经输电线C和输电线B分别接入主电网和抽水泵；水力发电系统经输电线D接入控制系统再经输电线C接入主电网；抽水泵通过输电线E接入主电网。

一种用上述抽水蓄能电站与风电联合系统进行电力调度的方法，它包括以下步骤：

1)根据每个时段风电输出功率预测值的下限值，确定风电场直接并网的风电功率以及越限功率；

2)根据步骤1求出的各个时段的越限风电以及除去直接并网的风电功率后的净负荷，安排抽蓄机组在净负荷低谷时段利用越限风电抽水；

3)安排抽水蓄能电站在净负荷高峰时段发电；

4)判断是否存在合适的时段供抽水泵抽水蓄能；

5)安排抽水蓄能电站在除净负荷高峰时段之外的净负荷最高的时段继续满载发电，并继续计算发电量Eg，直至Eg＝ηEp；

6)判断净负荷最低的时段，抽水蓄能电站的库存能量是否够抽蓄机组以最小功率发电；

7)得到每个时段抽水蓄能机组的启停出力状况。

在步骤1)中，将各个时段未超过风电输出功率下限的稳定的部分直接并入电网供应区域电网内的基荷部分。

在步骤1)中，目前大部分风电功率预测方法的精度在15％至25％之间，本发明预测精度取δ＝20％。

在步骤1)中，将各个时段未超过风电输出功率下限的稳定的部分βP_wtotali直接并入电网供应区域电网内的基荷部分，风力发电机组通过输电线A经可控开关接入控制系统，风电功率在预测值下限以内的部分βP_wtotali经输电线C接入主电网，并承担电网的基荷的运行。

在步骤2)中，各个时段的越限风电为(1-β)P_wtotali，P_li表示第i时段的电网负荷，除去直接并网的风电功率后的净负荷为P_li-βP_wtotali。安排抽水蓄能机组在负荷低谷时段抽水，控制系统将超出并网上限的风电功率部分(1-β)P_wtotali经输电线B连接抽水泵用电系统，电网经输电线E及可控开关连接抽水泵用电系统，用来抽水蓄能，其中，控制系统计算抽水消耗的电能Ep，上水库所储存的机械能为ηpEp。

在步骤3)中，依次从净负荷最高时段开始安排抽水蓄能电站满载发电，抽水蓄能发电机经输电线D接入控制系统，计算发电量Eg，再经输电线C接入主电网，判断Eg是否小于ηpEp。若小于，则进行步骤5)，否则进行步骤4)。

在步骤4)中，控制系统要控制抽水泵抽水，保证抽水蓄能电站的库存能量不超过其最大值，并计算此时间段抽水泵抽水所消耗的电能Ep1，直至η(Ep+Ep1)＝Eg，，然后执行步骤5)如果此时间段没有足够多的越限风电，则从净负荷高峰期中的负荷最低时段开始减少抽水蓄能电站的发电功率，直至Eg＝ηEp，转至步骤6)。

在步骤6)中，若库存能量足够，则抽水蓄能电站以Ei/Δt发电；若库存能量不足，则改变在净负荷仅高于i的时段j的抽蓄电站的发电功率，重新分配两个时段的发电功率，第i时段以最小功率Pmin g发电，第j时段以(Ej-Pmin gΔt)/Δt发电。

本发明的有益效果是：

本发明在使用时，除了能够根据不同时段负荷的高低和抽水蓄能电站的库存能量和库容能量，灵活地控制发电机、抽水泵的启停状况和输出功率，减少风电对主电网稳定性的影响，减少弃风，增加电网绿色能源渗透率，增加风蓄联合系统的经济收益之外。抽水蓄能机组还能发挥最大的调峰填谷功能，使风蓄联合系统出力更趋于平缓，使负荷与风蓄联合系统出力之差更趋于平稳，大大减少了风电并网对火电机组的旋转备用容量及爬坡能力的约束的限制。

附图说明

图1本发明中面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统的结构示意图；

图2为实施例中电网内风电场典型日的各个时段的输出功率预测值；

图3为实施例中电网的负荷预测值以及净负荷预测值。

具体实施方式

如附图1所示，一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，它包风力发电机组1、水力发电系统、抽水泵3、控制系统4，水力发电系统包括上游水库2、下游水库6、水轮机组和发电机组7；风力发电机组7通过输电线A经可控开关接入控制系统4，再经输电线C和输电线B分别接入主电网5和抽水泵3；水力发电系统经输电线D接入控制系统4再经输电线C接入主电网；抽水泵3通过输电线E接入主电网5，以防风电场用于抽水的功率不足时，利用电网电能抽水。

本发明的具体操作步骤如下：

1)从电网调度中心获得次日区域电网负荷预测值，从各个电站获得以下计算参数：

区域电网在次日24个时段的负荷预测值，风电场24个时段输出功率预测值P_wtotali，抽水蓄能机组最大发电功率最小发电功率额定抽水功率水库1天的初始蓄能E₀，最大蓄能E_max。水轮机发电效率η_h，水泵抽水效率η_p。第i个时段风电上网电价第i个时段电价S_i，抽水蓄能机组的启停成本分别为S_q、S_t；

2)设定优化变量为：风电场的弃风电能E_w，q，抽蓄机组的发电功率

3)确定优化模型的目标函数：

以风蓄联合系统的经济效益最大、风电场输出功率利用率最大为目标函数，如式(1)，(2)：

$F=\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{P}_w^i{S}_w^i\mathrm{\Δ}t+\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{P}_g^i{S}_w^i\mathrm{\Δ}t-\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{P}_{p,net}^i{S}_i\mathrm{\Δ}t-\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{n}_q^i{S}_q+\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{n}_t^i{S}_t---\left(1\right)$

$R=\[\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{P}_w^i\mathrm{\Δ}t+\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{\mathrm{\ηP}}_{q,p}^i\mathrm{\Δ}t\]/\underset{i=1}{\overset{24}{\Σ}}{P}_{wtotali}\mathrm{\Δ}t---\left(2\right)$

式(1)-(2)中，代表一天中第i时段的接入电网的风电功率，表示第i时段抽蓄机组的发电功率，S_i为第i时段的电价，表示第i时段用电网电能抽水的功率， 分别代表第i时段抽蓄机组启动和停机的次数，S_q、S_t分别为抽蓄机组启动和停机一次的成本，Δt表示一个时段，F表示风蓄联合系统的总收益，P_wtotali为第i时段风电场输出功率，为用于抽水的弃风功率，η为抽水蓄能机组的综合效率。

4)确定优化模型的约束条件：

约束条件包括风电场出力约束、抽水蓄能机组出力约束、抽水蓄能电站库容约束、风电功率总量约束，功率平衡约束分别如下：

①风电场出力约束如式(3)

式(3)中，为风电场的直接并网的输出功率，P_wtotali为风电场第i时段的风电输出功率预测值，β为风电接入电网的上限系数，为0.8。

②抽蓄机组出力约束如式(4)-(6)

$P_g^{\min }\≤P_g^i\≤min(P_g^{max},\frac{E_i}{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\η}}_h)---\left(4\right)$

$P_g^i{P}_p^i=0---\left(6\right)$

式(4)中，为抽蓄机组的最小出力，为抽水蓄能电站的额定发电功率，E_i为第i时段抽水蓄能电站的库容；

式(5)中，将抽蓄机组水泵功率视为定值，表示抽蓄机组的抽水额定功率；

式(6)表示，同一时段时段水轮机和水泵不可能同时工作。

③抽水蓄能电站库容约束：

E_min≤E_i≤E_max (7)

$E_i=E_{i-1}+\[{\mathrm{\η}}_p{P}_g^{i-1}-\frac{P_g^{i-1}}{{\mathrm{\η}}_h}\]\mathrm{\Δ}t---\left(8\right)$

式(7)-(8)中，E_min、E_max分别表示抽蓄电站的最小、最大蓄能；P_p(i-1)、P_g(i-1)分别表示时段i-1抽蓄机组水泵的抽水功率和水轮机的发电功率；E_i、E_i-1分别为第i和第i-1时段抽蓄电站的库容。

④风电功率总量约束：

$P_{wtotali}=P_{q,p}^i+P_w^i+P_q^i---\left(9\right)$

$P_q^i\≥0---\left(10\right)$

式(9)-(10)中，P_wtotali为第i时段风电场总的输出功率，为第i时段用于抽水的越限风电功率，为第i时段的弃风功率，且弃风功率大于零。

5)求解优化运行模型：

利用启发式规则结合优化算法及计算软件求解上述优化模型，得到每个时段抽水蓄能机组的启停状况以及输出功率，用以实现联合系统的优化运行。

一种用所述抽水蓄能电站与风电联合系统进行电力调度的方法，它遵循上述理论基础，包括以下步骤：

步骤一：根据每个时段风电输出功率预测值的下限值，确定风电场直接并网的风电功率以及越限功率；

如图2所示，目前大部分风电功率预测方法的精度在15％至25％之间，本发明预测精度取δ＝20％，根据国内目前的预测精度取δ＝20％(表示风电实际输出功率在预测值的上下20％内波动)。将各个时段未超过风电输出功率下限的稳定的部分βP_wtotali直接并入电网供应区域电网内的基荷部分，风力发电机组通过输电线A经可控开关接入控制系统，风电功率在预测值下限以内的部分βP_wtotali经输电线C接入主电网，并承担电网的基荷的运行。这样既大大减少了风电并网对电网稳定性造成的影响，也充分利用了风电功率，并且减少了承担电网基荷运行的火电机组等常规机组的输出功率，进而增加了电网的绿色能源渗透率。

步骤二：根据步骤一求出的各个时段的越限风电以及除去直接并网的风电功率后的净负荷，安排抽蓄机组在净负荷低谷时段利用越限风电抽水；

各个时段的越限风电为(1-β)P_wtotali，P_li表示第i时段的电网负荷，除去直接并网的风电功率后的净负荷为P_li-βP_wtotali。安排抽水蓄能机组在负荷低谷时段抽水。如图1所示，控制系统将超出并网上限的风电功率部分(1-β)P_wtotali经输电线B连接抽水泵用电系统，电网经输电线E及可控开关连接抽水泵用电系统，用来抽水蓄能。其中，控制系统并计算抽水消耗的电能E_p，上水库所储存的机械能为η_pE_p。这样充分发挥了抽水蓄能电站的调峰填谷功能，使负荷与风蓄联合系统出力之差更趋于平稳，大大减少了风电并网对火电机组等常规机组的旋转备用容量及爬坡能力的要求。

步骤三：安排抽水蓄能电站在净负荷高峰时段发电；

依次从净负荷最高时段开始安排抽水蓄能电站满载发电，如图1和图3所示，发电机经输电线D接入控制系统，控制系统计算发电量E_g，再经输电线C接入主电网，判断E_g是否小于η_pE_p。若小于，则进行步骤五，否则进行步骤四。

步骤四：判断是否存在合适的时段供抽水泵抽水蓄能，并采取相应的对策；

一般一天当中，大部分区域电网内有两个负荷高峰期，两个负荷高峰期之间有若干个时段处于非负荷高峰期，以某区域电网的负荷曲线为例，如图3所示。若此时间段有足够多的越限风电功率，则安排抽水蓄能机组在此时间段抽水蓄能。同时，上水库将库存能量反馈给控制系统，控制系统要控制抽水泵抽水，保证抽水蓄能电站的库存能量不超过其最大值，并计算此时间段抽水泵抽水所消耗的电能Ep1，直至η(Ep+Ep1)＝Eg。如果此时间段没有足够多的越限风电，则从净负荷高峰期中的负荷最低时段开始减少抽水蓄能电站的发电功率，直至Eg＝ηEp。转至步骤六。

在此时间段，若要使用电网电能抽水，必须满足以下条件：

式中，为负荷高峰时段第k时段的风电上网电价，考虑到机组启停过程中水轮机的抽水泵的机械磨损及调度费用，取γ＝0.9。该公式表达的意思是：某时段，当越限风电功率小于抽水泵额定功率时，电网补充功率差额，是抽水泵能够以额定功率抽水，系统向电网购买的电能的价格再加上抽水泵启停各一次的成本之和，要小于系统利用该时段电能储存的势能在负荷高峰时段发电产生的经济效益乘以0.9。步骤三和步骤四四不仅充分发挥了抽蓄电站的调峰填谷功能，而且能够精确计算抽蓄电站的库存能量，灵活的反映出各个时段抽水蓄能电站应输出的功率值，能够提供某时间段适不适合抽水蓄能的有效判据。

步骤五：安排抽水蓄能电站在除净负荷高峰时段之外的净负荷最高的时段继续满载发电，并继续计算发电量E_g，直至E_g＝ηE_p；

步骤六：判断净负荷最低的时段，抽水蓄能电站的库存能量是否满足抽蓄机组以最小功率发电；

若库存能量足够，则抽水蓄能电站以E_i/Δt发电；若库存能量不足，则改变在净负荷仅高于第i时段的第j时段的抽蓄电站的发电功率，重新分配两个时段抽蓄电站发电功率，其中，第i时段以最小功率发电，第j时段以发电。

步骤七：得到每个时段抽水蓄能机组的启停出力状况。

可在此基础上绘制出负荷值与风蓄联合系统输出功率之差值曲线，进而安排区域电网内火电机组等常规机组的组合及出力。

Claims (9)

1.一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：它包风力发电机组(1)、水力发电系统、抽水泵(3)、控制系统(4)，水力发电系统包括上游水库(2)、下游水库(6)、水轮机组和发电机组(7)；风力发电机组(7)通过输电线A经可控开关接入控制系统(4)，再经输电线C和输电线B分别接入主电网(5)和抽水泵(3)；水力发电系统经输电线D接入控制系统(4)再经输电线C接入主电网；抽水泵(3)通过输电线E接入主电网(5)。

2.一种用权利要求1中所述抽水蓄能电站与风电联合系统进行电力调度的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据每个时段风电输出功率预测值的下限值，确定风电场直接并网的风电功率以及越限功率；

2)根据步骤1求出的各个时段的越限风电以及除去直接并网的风电功率后的净负荷，安排抽蓄机组在净负荷低谷时段利用越限风电抽水；

3)安排抽水蓄能电站在净负荷高峰时段发电；

4)判断是否存在合适的时段供抽水泵抽水蓄能；

5)安排抽水蓄能电站在除净负荷高峰时段之外的净负荷最高的时段继续满载发电，并继续计算发电量Eg，直至Eg＝ηEp；

6)判断净负荷最低的时段，抽水蓄能电站的库存能量是否够抽蓄机组以最小功率发电；

7)得到每个时段抽水蓄能机组的启停出力状况。

3.根据权利要求2所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤1)中，将各个时段未超过风电输出功率下限的稳定的部分直接并入电网供应区域电网内的基荷部分。

4.根据权利要求2或3所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤1)中，预测精度取δ＝20％。

5.根据权利要求4所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤1)中，将各个时段未超过风电输出功率下限的稳定的部分βP_wtotali直接并入电网供应区域电网内的基荷部分，风力发电机组通过输电线A经可控开关接入控制系统，风电功率在预测值下限以内的部分βP_wtotali经输电线C接入主电网，并承担电网的基荷的运行。

6.根据权利要求2所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤2)中，各个时段的越限风电为(1-β)P_wtotali，P_li表示第i时段的电网负荷，除去直接并网的风电功率后的净负荷为P_li-βP_wtotali。安排抽水蓄能机组在负荷低谷时段抽水，控制系统将超出并网上限的风电功率部分(1-β)P_wtotali经输电线B连接抽水泵用电系统，电网经输电线E及可控开关连接抽水泵用电系统，用来抽水蓄能，其中，控制系统计算抽水消耗的电能Ep，上水库所储存的机械能为ηpEp。

7.根据权利要求3所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤3)中，依次从净负荷最高时段开始安排抽水蓄能电站满载发电，抽水蓄能发电机经输电线D接入控制系统，计算发电量Eg，再经输电线C接入主电网，判断Eg是否小于ηpEp。若小于，则进行步骤5)，否则进行步骤4)。

8.根据权利要求3所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤4)中，控制系统要控制抽水泵抽水，保证抽水蓄能电站的库存能量不超过其最大值，并计算此时间段抽水泵抽水所消耗的电能Ep1，直至η(Ep+Ep1)＝Eg，，然后执行步骤5)如果此时间段没有足够多的越限风电，则从净负荷高峰期中的负荷最低时段开始减少抽水蓄能电站的发电功率，直至Eg＝ηEp，转至步骤6)。

9.根据权利要求3所述的一种面向电网调峰的抽水蓄能电站与风电联合系统，其特征在于：在步骤6)中，若库存能量足够，则抽水蓄能电站以Ei/Δt发电；若库存能量不足，则改变在净负荷仅高于i的时段j的抽蓄电站的发电功率，重新分配两个时段的发电功率，第i时段以最小功率Pming发电，第j时段以(Ej-Pmin gΔt)/Δt发电。