CN106169770A - 一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，建立风电和光伏发电装机规模最大化的目标函数，及建立电源装机约束、火电保安开机约束、常规电源发电设备利用时间约束、电网公司购电量约束、电网公司购售电收益约束的约束条件，并对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得水电装机规模、火电装机规模、风电装机规模、光伏发电装机规模、电网公司购入水电发电量、电网公司购入火电发电量，从而实现对水、火、风、光伏发电各类电源的科学优化配置，避免大规模新能源引入对传统电源及电网公司效益的影响，以统筹兼顾各类电源及电网公司的效益，在电源装机规模规划层面为各类电源及电网公司的可持续发展提供科学的量化依据。

Description

一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法

技术领域

本发明涉及电力能源配置技术领域，具体涉及一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法。

背景技术

为应对能源可持续供应与环境保护的压力，政府出台了一系列针对新能源的优惠政策。近年来，随着科学技术的发展和政策的鼓励，风电、太阳能光伏发电等新能源得到快速发展。但大规模新能源的接入将会对电网公司及常规能源生产经营产生影响，尤其对于水电富集地区，新能源不仅会挤占火电的生存空间，还会影响水电及电网公司的运营效益。为了促进新能源与常规能源的协调发展，统筹兼顾各类能源及电网公司的效益，对各类电力能源进行科学优化配置至关重要。

本领域技术人员对电力能源配置进行了大量的研究，其中，文献《考虑风电接入的电源电网协调规划》针对风电随机性的特点进行了电源规划，确定调节机组配置，在此基础上将调节机组选址问题与电网规划问题相结合，建立了针对风电并网问题的电源电网协调规划模型；《我国分散发供电与集中供电协调规划理论及应用研究》在考虑可再生能源发电的前提下，基于保证电力系统安全可靠运行与总发电成本最低两个原则，建立了不同类型发电机组间的容量分配模型；《跨区域电力交易环境下的可再生—传统电源协调规划研究》以总成本最小化为目标，综合考虑地区发电资源储量与承载能力、发电资源环境效益、技术成本以及跨区域输电成本等条件，以资源储量、电量平衡等条件为约束，构建了可再生—传统电源协调规划模型。但现有的电力能源配置方法主要研究了新能源的选址、消纳、调峰以及系统稳定等技术层面问题，而未考虑新能源 发展规模对电网公司及常规能源生产经营的影响，更未针对水电富集省份新能源的大量引入对电网公司和常规能源生存空间的挤压进行深入分析，未从运营决策层面对各类电力能源的协调发展进行科学优化配置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对水电富集地区的电力能源进行科学配置，目的在于提供一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，在电源装机规模规划层面为各类电源及电网公司的可持续发展提供科学的量化依据。

本发明通过下述技术方案实现：

一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，包括建立电源协调发展优化模型，所述建立电源协调发展优化模型具体包括如下步骤：

A、建立目标函数，所述目标函数具体为风电和光伏发电装机规模最大化；

B、建立约束条件，所述约束条件具体包括：电源装机约束、电网公司购电量约束、火电保安开机约束、常规电源发电设备利用时间约束、电网公司购售电收益目标约束。

C、对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得决策变量，所述决策变量具体包括水电装机规模、火电装机规模、风电装机规模、光伏发电装机规模、电网公司购入水电发电量、电网公司购入火电发电量。

特别地，所述步骤A中目标函数的表达式为：max Z_new＝Z_f+Z_g，Z_f为风电装机容量，Z_g为光伏发电装机容量。

特别地，所述步骤B中电源装机约束具体包括：水电装机规模限定于目标年份水电装机规模的上、下限之间；火电装机规模限定于目标年份火电装机规模的上、下限之间；风电装机规模限定于目标年份风电装机规模的上、下限之间；光伏发电装机规模限定于目标年份光伏发电装机规模的上、下限之间。

特别地，所述步骤B中电网公司购电量约束具体为：电网公司购电量大于、等于需求电量，同时小于、等于需求电量与外送电量之和。

特别地，所述步骤B中火电保安开机约束具体为：电网公司购入火电量大于等于根据电网安全稳定约束获得的火电保安开机容量、火电最小出力率与全年小时数之积。

特别地，所述步骤B中常规电源发电设备利用时间约束具体包括：水电发电设备利用时间限定于保证水电正常运营的最小发电设备利用时间与全年小时数之间；火电发电设备利用时间限定于保证火电正常运营的最小发电设备利用时间与全年小时数之间。

特别地，所述步骤B中电网公司总收益目标约束具体为：电网公司购售电收益大于等于保证电网公司正常运营的购售电收益下限。

所述步骤C中采用单纯形法对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明所述一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，能够在决策层面为新能源与常规能源的协调发展提供严谨的科学依据，统筹兼顾各类电源及电网公司的效益，对各类电源装机规模进行科学配置。

附图说明：

图1为本发明实施例1提供的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例中，针对水电富集地区的电力能源优化配置方法具体包括：

S101、建立目标函数。

随着国家节能减排工作的深入推进和能源结构的优化调整，尤其是在国家提出2020年实现非石化能源消费比重提高到15％目标的大背景下，全国新能源开发呈现加速之势。为响应国家政策，积极推进风、光新能源建设和消纳，本发明以风电和光伏发电装机规模最大化为目标函数，具体目标函数表达式为：

max Z_new＝Z_f+Z_g

其中，Z_f为风电装机容量，Z_g为光伏发电装机容量。

S102、建立约束条件。

步骤S101所建目标函数是保证风电和光伏发电最大化，为避免风能和光伏发电最大化对水电、火电及电网公司生存空间的挤占，并保证本地用电量和外送电量需求，以及电网安全稳定约束，统筹和兼顾各类电源协调发展和科学配置，对各类电源的规划装机规模进行限定，具体约束条件如下：

(1)电源装机约束。

对于目标规划年，各类电源的装机规模均预先规划并在一定区间内波动，即有电源装机规模的上限和下限。对电源的科学优化配置，即为在各类电源装机规模预先规划区间内，经优化计算得出各类装机的最优值，具体电源装机约束表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{s,\min }\≤Z_s\≤Z_{s,max}\\ Z_{h,\min }\≤Z_h\≤Z_{h,max}\\ Z_{f,\min }\≤Z_f\≤Z_{f,max}\\ Z_{g,\min }\≤Z_g\≤Z_{g,max}\end{array}\right.$

其中，Z_s、Z_h、Z_f、Z_g分别为水、火、风、光电源的装机规模变量；Z_s,min、Z_h,min、Z_f,min、Z_g,min分别为目标年份水、火、风、光电源装机规模预先规划的下限；Z_s,max、Z_h,max、Z_f,max、Z_g,max分别为目标年份水、火、风、光电源装机规模预先规划的上限。所述Z_s,min、Z_h,min、Z_f,min、Z_g,min、Z_s,max、Z_h,max、Z_f,max、Z_g,max数值来自各地方能源局根据实际情况发布的目标规划年的装机规模。

(2)电网公司购电量约束。

电网公司所购电量除保障本地电量需求，外送电量不应超过外送通道可外送电量，具体电网公司购电量约束表达式为：

Q_need≤(S+H+F+G)×(1-R_loss)≤Q_need+Q_out

其中，S、H、F、G分别为电网公司购入的水电、火电、风电以及光伏发电电量；R_loss为地区电网综合线损率，指的是地区电网总的线损率；Q_need为地区需求电量；Q_out为根据跨地区外送通道能力减去协议外送电量后，外送通道可消纳的地区富余电量的能力，所述R_loss、Q_need、Q_out数值由电网公司规划部门测算得出。

由于新能源需被优先消纳，则电网公司购入的风电以及光伏发电量为：

F＝Z_f×T_f

G＝Z_g×T_g

其中，T_f为结合风能资源勘测情况得出的风电发电设备利用小时数；T_g为结合太阳能资源勘测情况得出的光伏发电设备利用小时数，所述T_f、T_g数值来自勘测院或设计院根据实际情况勘测获得。

(3)火电保安开机约束。

为保障电力系统安全稳定运行，火电开机容量应大于等于火电保安开机容量，折算成火电发电量，则火电保安开机约束表达式：

H≥C_h,min×R_h,min×T_max

其中，C_h,min为根据地区电网安全稳定约束得出的火电保安开机容量；R_h,min为火电的最小出力率；T_max为全年小时数，非闰年取8760小时，闰年取8784小时，所述C_h,min、R_h,min由电网公司规划部门根据目标规 划年电网安全稳定约束计算得出。

(4)常规能源发电设备利用时间约束。

发电设备利用时间反映了发电设备的利用程度，对风电、火电发电设备的利用小时数进行约束，可保证常规能源生存空间不至于被新能源过度挤压，使常规能源能够可持续发展，具体常规能源发电设备利用时间约束表达式为：

T_s,min≤T_s≤T_max

T_h,min≤T_h≤T_max

其中，T_s,min和T_h,min分别为保证水电和火电正常运营的最小发电设备利用小时数，所述T_s,min、T_h,min由政府部门综合考虑电源的投资运营成本核准确定。T_s和T_h分别为水电和火电的发电设备利用小时数：

$T_s=\frac{S}{Z_s}$

$T_h=\frac{H}{Z_h}$

(5)电网公司总收益目标约束。

为保证电网公司正常运营，电网公司购售电收益需要一定保障，不能过低，具体电网公司总收益目标约束表达式为：

$\begin{array}{c}{Q}_{need}\×P_{sell}^{ave}+\[(S+H+F+G)\×(1-R_{loss})-Q_{need}\]\×(P_{s,buy}^{ave}+{\mathrm{\ΔP}}_{s,out})\\ -(S\×P_{s,buy}^{ave}+H\×P_{h,buy}^{ave}+F\×P_{f,buy}^{ave}+G\×P_{g,buy}^{ave})\≥E_{\min }\end{array}$

其中，为售电均价；分别为水、火、风、光伏类电源的购电均价；ΔP_s,out为水电跨地区外送单位电量收益；E_min为保证电网公司正常运营的购售电收益下限。

S103、对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得决策变量。 以决策向量水电装机规模、火电装机规模、风电装机规模、光伏发电装机规模、电网公司购入水电发电量、电网公司购入火电发电量为未知变量，采用单纯形法对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得针对水电富集地区的水电、火电、风电、光伏发电优化配置装机规模和电网公司购入水电发电量及电网公司购入火电发电量具体数值，具体求解过程如下：

将本模型转化成标准线性规划问题形式

max fx,

采用MATLAB语言的linprog函数对该线性规划问题进行求解。linprog函数基于输入参数和内置的单纯形法经计算输出线性规划问题的最优解。

linprog函数使用表达式为：

[x,fval]＝linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub)。

linprog函数输入参数：f为目标函数系数向量；A和b为不等式约束的系数矩阵和约束常向量；Aeq和beq为等式约束的系数矩阵和约束常向量，本模型无等式约束，调用函数时用[]代替Aeq和beq；lb和ub分别为表示自变量上限和下限的常向量。

linprog函数输出结果：x为待求决策向量；fval为最优解对应的目标函数值。

以水电装机规模、火电装机规模、风电装机规模、光伏发电装机规模、电网公司购入水电发电量、电网公司购入火电发电量为待求决策向量，采用MATLAB语言的linprog函数对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得针对水电富集地区的水电、火电、风电、光伏发 电优化配置装机规模和电网公司购入水电发电量及电网公司购入火电发电量具体数值。

本发明的技术方案通过建立风电和光伏发电装机规模最大化的目标函数，及建立电源装机约束、电网公司购电量约束、火电保安开机约束、常规电源发电设备利用时间约束、电网公司总收益约束的约束条件，并对上述目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得水电装机规模、火电装机规模、风电装机规模、光伏发电装机规模、电网公司购入水电发电量、电网公司购入火电发电量，从而实现对水、火、风、光伏发电各类电源规模进行科学配置，避免大规模新能源引入对传统能源及电网公司效益的影响，促进新能源与常规能源的协调发展，统筹兼顾各类电源及电网公司的效益。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，包括建立电源协调发展优化模型，所述建立电源协调发展优化模型具体包括如下步骤：

A、建立目标函数，所述目标函数具体为风电和光伏发电装机规模最大化；

B、建立约束条件，所述约束条件具体包括：电源装机约束、电网公司购电量约束、火电保安开机约束、常规电源发电设备利用时间约束、电网公司购售电收益目标约束；

C、对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解，获得决策变量，所述决策变量具体包括水电装机规模、火电装机规模、风电装机规模、光伏发电装机规模、电网公司购入水电发电量、电网公司购入火电发电量。

2.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤A中目标函数的表达式为：max Z_new＝Z_f+Z_g，Z_f为风电装机容量，Z_g为光伏发电装机容量。

3.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤B中电源装机约束具体包括：水电装机规模限定于目标年份水电装机规模的上、下限之间；火电装机规模限定于目标年份火电装机规模的上、下限之间；风电装机规模限定于目标年份风电装机规模的上、下限之间；光伏发电装机规模限定于目标年份光伏发电装机规模的上、下限之间。

4.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤B中电网公司购电量约束具体为：电网公司购电量大于、等于需求电量，且小于、等于需求电量与外送电量之和。

5.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤B中火电保安开机约束具体为：电网公司购入火电量大于等于根据电网安全稳定约束获得的火电保安开机容量、火电最小出力率与全年小时数之积。

6.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤B中常规电源发电设备利用时间约束具体包括：水电发电设备利用时间限定于保证水电正常运营的最小发电设备利用时间与全年小时数之间；火电发电设备利用时间限定于保证火电正常运营的最小发电设备利用时间与全年小时数之间。

7.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤B中电网公司总收益目标约束具体为：电网公司购售电收益大于等于保证电网公司正常运营的购售电收益下限。

8.如权利要求1所述的针对水电富集地区的电力能源优化配置方法，其特征在于，所述步骤C中采用单纯形法对目标函数和约束条件构成的线性规划问题求解。