CN107046298A - 一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法 - Google Patents
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Abstract
一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其主要技术特征在于建立了抽水蓄能电站对系统调峰的环境效益贡献度和经济效益贡献度两个指标，并根据这两个指标建立了考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型，模型的目标是在满足系统各种约束条件的前提下充分利用可再生能源，使得系统配置抽水蓄能后的净收益最大，而且对抽水蓄能电站容量配置的计算精确度得到了提高，模型除了考虑抽水蓄能给系统带来的运行成本效益和容量成本效益等经济效益外，还充分考虑了给系统带来的环境效益，经济效益和环境效益都达到了最佳。
Description
技术领域
本发明涉及一种抽水蓄能电站容量配置方法，尤其涉及一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，属于电能输送分析技术领域。
背景技术
由于风电出力的难预测性和反调峰的特点，风电的大规模接入给电网规划和运行带来很大的挑战。尤其是风电的反调峰特性，对风电并网系统内的调峰容量以及调峰机组的灵活性提出新的要求。为满足风电接入系统供电可靠性的要求，使得风电能够有效的接入电网，必须进一步在风电接入系统内规划或引入新的调峰容量。目前，对于含风电电力系统的调峰问题的研究大都集中于系统的调峰运行特性分析和调峰充裕度评估、储能系统控制策略等方面。因此，基于含风电电力系统调峰需求的储能电源优化配置问题还需进一步深入的研究。
储能电源根据储能容量和反应速度的不同，可分为快速响应储能和大容量储能。由于成本较高或者容量较小，快速响应的新型储能目前还难以在电网大规模应用。大容量储能中的抽水蓄能电站，由于建设成本适中、技术成熟等特点在现代电网的调峰、调频、事故备用等方面发挥着极其重要的作用。因此，在具有建设条件的电网，大力发展抽水蓄能电站，并从含风电系统的调峰角度研究抽水蓄能容量的优化配置是十分必要的。此外，电力工业是我国气体污染物排放较多的行业之一，随着全球性环境污染以及我国大规模雾霾天气的频繁出现，在储能电源配置问题中考虑环境效益对我国社会经济的可持续发展具有重要的意义，而目前此领域的研究均未完全考虑这些因素，在抽水蓄能电站容量的合理配置上，没能有效的兼顾经济效益和环境效益，使得抽蓄电站的目标配置容量难以达到经济和环保的综合要求。
发明内容
本发明的目的是针对目前所采用传统计算方法无法准确的获取抽水蓄能电站容量的最佳配置，而且现有的抽水蓄能电站容量配置方法没能同时兼顾经济效益和环境效益，环境效益没纳入容量配置的考虑范围，环境效益不佳的缺陷和不足，现提供一种算法科学，建立了抽水蓄能电站对系统调峰的环境效益贡献度和经济效益贡献度两个指标，建立了考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型，对抽水蓄能电站容量配置的计算精确度得到了提高，模型除了考虑抽水蓄能给系统带来的运行成本效益和容量成本效益等经济效益外，还充分考虑了给系统带来的环境效益，经济效益和环境效益都达到了最佳的一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其特征在于包括以下步骤：
a、首先输入输入系统的负荷L、常规机组参数、风电出力以及其它基本数据；
b、随后初始化抽水蓄能电站的配置容量Cs＝0，即配置抽水蓄能电站之前的系统，作为基准方案，并建立抽水蓄能电站给系统调峰的环境效益贡献度指标：
式中，ηenv的物理意义为系统生产单位电力节省的环境费用，即系统单位发电量的环境成本收益，G为气体污染物的种类数，eg、δg分别为第g类气体污染物的减排量和单位排放量的环境费用，Eq为系统的总发电量，
还建立抽水蓄能电站给系统调峰的经济效益贡献度指标：
式中，ηeco的物理意义为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本，即对系统电力生产经济性的改进程度，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益；
c、然后基于净负荷Lnet做电力电量平衡，基于系统的边际发电成本确定运行周期内抽水蓄能电站的抽水/发电功率；
d、再基于运行周期内抽水蓄能电站的抽水/发电功率，计算系统的运行成本、常规机组容量替代收益，结合抽水蓄能电站的投资成本，还考虑了给系统带来的环境效益，建立考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型，模型的目标是在满足系统各种约束条件的前提下充分利用可再生能源，使得系统配置抽水蓄能后的净收益最大，抽水蓄能电站容量配置模型的目标函数为：
式中，ηeco、ηenv分别为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本和环境费用，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益，Eq为系统的总发电量，ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用，Cs是抽水蓄能电站的配置容量；
e、判断已有的抽水蓄能电站配置容量方案的净收益指标，是否已出现拐点而能确定出最最大值，是则下一步，否则令Cs＝Cs+ΔC，并转向c步骤；
f、最后输出最大净收益指标对应的抽水蓄能电站配置容量方案及相应的系统指标，即为抽蓄电站的目标配置容量。
所述b步骤中气体污染物考虑电力生产所排放的三种气体：SO2、NOx、CO2，则ηenv转化为：
ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用。
所述b步骤中抽水蓄能电站经济效益Beco的计算方法如下：Beco＝Δ(Fcon+FLS+FWS)+Bc,con-Fs
其中，Δ代表相对于配置抽水蓄能电站前系统运行成本的减少值，Bc,con是抽水蓄能电站替代的常规机组容量相应的经济收益，Fcon、FLS、FWS和Fs分别是常规机组运行费用、失负荷费用、弃风惩罚费用和抽水蓄能费用，
ΔCcon是抽水蓄能电站替代的常规机组容量，Icon、Gcon、ncon分别是常规机组单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，r是折旧率，
Is、Gs、ns分别是抽水蓄能电站单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，
Nu为系统中常规机组的台数，为典型风电出力场景Pl′W,i的概率，fu,l,i(t)为典型风电出力场景Pl′W,i对应的机组u在时刻t的发电费用，Ol,i(t)和Cl,i(t)分别为t时刻系统调峰能力不足造成的缺电损失费和弃风惩罚费用。
所述计算失负荷费用、弃风惩罚费用Ol,i(t)和Cl,i(t)的计算方法如下：
式中，γ为单位缺电量的损失费，ρ为单位弃风电量的惩罚费用，ENSW.l,i(t)、ENAW.l,i(t)分别为典型风电出力Pl′W,i对应的t时刻系统缺电量和弃风电量。
所述c步骤中还具体包括以下步骤：1、系统净负荷Lnet＝L-Pl'W,i；2、令抽水蓄能电站的初始抽水/发电功率Ps＝0，基于净负荷的电力电量平衡结果，找出系统的边际发电成本的最大值、最小值及对应的时段：MCG1、t1和MCG2、t2；3、令Ps,t1＝Ps,t1+ΔP,Ps,t2＝Ps,t2-ΔP(Ps正值代表发电，负值代表抽水蓄能)，基于考虑抽蓄电站抽水/发电功率后的等效净负荷做电力电量平衡；4、记在时段t1、t2的MCG分别为MCG1’、MCG2’；找出MCG(Leq)中大于MCG1’的时段，抽水蓄能电站发电，使得等效负荷相应时段的边际发电成本等于MCG1’；在MCG(Leq)中找出小于MCG2’的时段，抽水蓄能电站抽水，使得等效负荷相应时段的边际发电成本等于MCG2’；5、判断是否出现max(|Ps|)>Ps,max，“是”则下一步，“否”返回步骤3；6、最后结合抽蓄电站的库容约束修正Ps。
本发明的有益效果是：
1.本发明基于环境经济学原理，建立了抽水蓄能电站对系统调峰的环境效益贡献度和经济效益贡献度两个指标，并根据这两个指标建立了考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型，对抽水蓄能电站容量配置的计算精确度得到了提高，模型除了考虑抽水蓄能给系统带来的运行成本效益和容量成本效益等经济效益外，还充分考虑了给系统带来的环境效益，经济效益和环境效益都达到了最佳。
附图说明
图1是本发明的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，本发明的一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，包括以下步骤：
a、首先输入输入系统的负荷L、常规机组参数、风电出力以及其它基本数据；
b、随后初始化抽水蓄能电站的配置容量Cs＝0，即配置抽水蓄能电站之前的系统，作为基准方案，并建立抽水蓄能电站给系统调峰的环境效益贡献度指标：
式中，ηenv的物理意义为系统生产单位电力节省的环境费用，即系统单位发电量的环境成本收益，G为气体污染物的种类数，eg、δg分别为第g类气体污染物的减排量和单位排放量的环境费用，Eq为系统的总发电量，
还建立抽水蓄能电站给系统调峰的经济效益贡献度指标：
式中，ηeco的物理意义为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本，即对系统电力生产经济性的改进程度，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益；
c、然后基于净负荷Lnet做电力电量平衡，基于系统的边际发电成本确定运行周期内抽水蓄能电站的抽水/发电功率；
d、再基于运行周期内抽水蓄能电站的抽水/发电功率，计算系统的运行成本、常规机组容量替代收益，结合抽水蓄能电站的投资成本，还考虑了给系统带来的环境效益，建立考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型，模型的目标是在满足系统各种约束条件的前提下充分利用可再生能源，使得系统配置抽水蓄能后的净收益最大，抽水蓄能电站容量配置模型的目标函数为：
式中，ηeco、ηenv分别为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本和环境费用，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益，Eq为系统的总发电量，ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用，Cs是抽水蓄能电站的配置容量；
e、判断已有的抽水蓄能电站配置容量方案的净收益指标，是否已出现拐点而能确定出最最大值，是则下一步，否则令Cs＝Cs+ΔC，并转向c步骤；
f、最后输出最大净收益指标对应的抽水蓄能电站配置容量方案及相应的系统指标，即为抽蓄电站的目标配置容量。
所述b步骤中气体污染物考虑电力生产所排放的三种气体：SO2、NOx、CO2，则ηenv转化为：
ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用。
所述b步骤中抽水蓄能电站经济效益Beco的计算方法如下：Beco＝Δ(Fcon+FLS+FWS)+Bc,con-Fs
其中，Δ代表相对于配置抽水蓄能电站前系统运行成本的减少值，Bc,con是抽水蓄能电站替代的常规机组容量相应的经济收益，Fcon、FLS、FWS和Fs分别是常规机组运行费用、失负荷费用、弃风惩罚费用和抽水蓄能费用，
ΔCcon是抽水蓄能电站替代的常规机组容量，Icon、Gcon、ncon分别是常规机组单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，r是折旧率，
Is、Gs、ns分别是抽水蓄能电站单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，
Nu为系统中常规机组的台数，为典型风电出力场景Pl′W,i的概率，fu,l,i(t)为典型风电出力场景Pl′W,i对应的机组u在时刻t的发电费用，Ol,i(t)和Cl,i(t)分别为t时刻系统调峰能力不足造成的缺电损失费和弃风惩罚费用。
所述计算失负荷费用、弃风惩罚费用Ol,i(t)和Cl,i(t)的计算方法如下：
式中，γ为单位缺电量的损失费，ρ为单位弃风电量的惩罚费用，ENSW.l,i(t)、ENAW.l,i(t)分别为典型风电出力Pl′W,i对应的t时刻系统缺电量和弃风电量。
所述c步骤中还具体包括以下步骤：1、系统净负荷Lnet＝L-Pl'W,i；2、令抽水蓄能电站的初始抽水/发电功率Ps＝0，基于净负荷的电力电量平衡结果，找出系统的边际发电成本的最大值、最小值及对应的时段：MCG1、t1和MCG2、t2；3、令Ps,t1＝Ps,t1+ΔP,Ps,t2＝Ps,t2-ΔP(Ps正值代表发电，负值代表抽水蓄能)，基于考虑抽蓄电站抽水/发电功率后的等效净负荷做电力电量平衡；4、记在时段t1、t2的MCG分别为MCG1’、MCG2’；找出MCG(Leq)中大于MCG1’的时段，抽水蓄能电站发电，使得等效负荷相应时段的边际发电成本等于MCG1’；在MCG(Leq)中找出小于MCG2’的时段，抽水蓄能电站抽水，使得等效负荷相应时段的边际发电成本等于MCG2’；5、判断是否出现max(|Ps|)>Ps,max，“是”则下一步，“否”返回步骤3；6、最后结合抽蓄电站的库容约束修正Ps。
本发明提供了一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，包括建立环境效益及经济效益指标、建立抽水蓄能电站容量配置模型，具体如下：建立的抽水蓄能电站给系统调峰的环境效益贡献度指标为：
式中，ηenv的物理意义为系统生产单位电力节省的环境费用，即系统单位发电量的环境成本收益。G为气体污染物的种类数，eg、δg分别为第g类气体污染物的减排量和单位排放量的环境费用，Eq为系统的总发电量。
气体污染物考虑电力生产排放的三种气体：SO2、NOx、CO2，则ηenv转化为：
式中，ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用。
建立的抽水蓄能电站给系统调峰的经济效益贡献度指标如下：
式中，ηeco的物理意义为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本，即对系统电力生产经济性的改进程度。Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益。
建立考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型除了考虑抽水蓄能给系统带来的运行成本效益和容量成本效益等经济效益外，还考虑了给系统带来的环境效益。模型的目标是在满足系统各种约束条件的前提下充分利用可再生能源，使得系统配置抽水蓄能后的净收益最大。抽水蓄能给系统带来收益包括经济收益和环境收益，模型的目标函数：
式中，ηeco、ηenv分别为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本和环境费用，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益，Eq为系统的总发电量，ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用，Cs是抽水蓄能电站的配置容量。
另外，计算抽水蓄能电站给系统带来的经济收益，综合考虑抽水蓄能电站投资成本、系统的运行成本收益和替代的常规机组容量收益。系统的运行成本收益则包括减少的常规机组的燃料费用以及调峰不足导致的缺电损失费和弃风惩罚费用。利用以下公式计算抽水蓄能电站经济效益：
Beco＝Δ(Fcon+FLS+FWS)+Bc,con-Fs
式中，Δ代表相对于配置抽水蓄能电站前系统运行成本的减少值；Bc,con是抽水蓄能电站替代的常规机组容量相应的经济收益；Fcon、FLS、FWS和Fs分别是常规机组运行费用、失负荷费用、弃风惩罚费用和抽水蓄能费用。
计算抽水蓄能电站替代的常规机组容量相应的经济收益Bc,con
ΔCcon是抽水蓄能电站替代的常规机组容量，Icon、Gcon、ncon分别是常规机组单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，r是折旧率，
Is、Gs、ns分别是抽水蓄能电站单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，
Nu为系统中常规机组的台数，为典型风电出力场景Pl′W,i的概率，fu,l,i(t)为典型风电出力场景Pl′W,i对应的机组u在时刻t的发电费用，Ol,i(t)和Cl,i(t)分别为t时刻系统调峰能力不足造成的缺电损失费和弃风惩罚费用。
Claims (5)
1.一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其特征在于包括以下步骤：
a、首先输入输入系统的负荷L、常规机组参数、风电出力以及其它基本数据；
b、随后初始化抽水蓄能电站的配置容量Cs＝0，即配置抽水蓄能电站之前的系统，作为基准方案，并建立抽水蓄能电站给系统调峰的环境效益贡献度指标：
式中，ηenv的物理意义为系统生产单位电力节省的环境费用，即系统单位发电量的环境成本收益，G为气体污染物的种类数，eg、δg分别为第g类气体污染物的减排量和单位排放量的环境费用，Eq为系统的总发电量，
还建立抽水蓄能电站给系统调峰的经济效益贡献度指标：
式中，ηeco的物理意义为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本，即对系统电力生产经济性的改进程度，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益；
c、然后基于净负荷Lnet做电力电量平衡，基于系统的边际发电成本确定运行周期内抽水蓄能电站的抽水/发电功率；
d、再基于运行周期内抽水蓄能电站的抽水/发电功率，计算系统的运行成本、常规机组容量替代收益，结合抽水蓄能电站的投资成本，还考虑了给系统带来的环境效益，建立考虑环境效益贡献度的抽水蓄能电站容量配置模型，模型的目标是在满足系统各种约束条件的前提下充分利用可再生能源，使得系统配置抽水蓄能后的净收益最大，抽水蓄能电站容量配置模型的目标函数为：
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式中，ηeco、ηenv分别为抽水蓄能电站给系统的单位电力生产节省的经济成本和环境费用，Beco为考虑抽水蓄能电站的投资成本及给系统节省的运行成本和容量成本后的净经济收益，Eq为系统的总发电量，ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用，Cs是抽水蓄能电站的配置容量；
e、判断已有的抽水蓄能电站配置容量方案的净收益指标，是否已出现拐点而能确定出最最大值，是则下一步，否则令Cs＝Cs+ΔC，并转向c步骤；
f、最后输出最大净收益指标对应的抽水蓄能电站配置容量方案及相应的系统指标，即为抽蓄电站的目标配置容量。
2.根据权利要求1所述的一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其特征在于：所述b步骤中气体污染物考虑电力生产所排放的三种气体：SO2、NOx、CO2，则ηenv转化为：
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ΔeS、ΔeN、ΔeC分别为配置抽水蓄能电站后系统减少的SO2、NOx、CO2排放量，δS、δN、δC分别为三种气体的单位排放量费用。
3.根据权利要求1所述的一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其特征在于：所述b步骤中抽水蓄能电站经济效益Beco的计算方法如下：Beco＝Δ(Fcon+FLS+FWS)+Bc,con-Fs
其中，Δ代表相对于配置抽水蓄能电站前系统运行成本的减少值，Bc,con是抽水蓄能电站替代的常规机组容量相应的经济收益，Fcon、FLS、FWS和Fs分别是常规机组运行费用、失负荷费用、弃风惩罚费用和抽水蓄能费用，
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ΔCcon是抽水蓄能电站替代的常规机组容量，Icon、Gcon、ncon分别是常规机组单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，r是折旧率，
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Is、Gs、ns分别是抽水蓄能电站单位容量的投资费用、固定年费率、寿命，
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Nu为系统中常规机组的台数，为典型风电出力场景P′lW,i的概率，fu,l,i(t)为典型风电出力场景P′lW,i对应的机组u在时刻t的发电费用，Ol,i(t)和Cl,i(t)分别为t时刻系统调峰能力不足造成的缺电损失费和弃风惩罚费用。
4.根据权利要求4所述的一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其特征在于：所述计算失负荷费用、弃风惩罚费用Ol,i(t)和Cl,i(t)的计算方法如下：
<mfenced open = "{" close = "">
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</mfenced>
式中，γ为单位缺电量的损失费，ρ为单位弃风电量的惩罚费用，ENSW.l,i(t)、ENAW.l,i(t)分别为典型风电出力P′lW,i对应的t时刻系统缺电量和弃风电量。
5.根据权利要求1所述的一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法，其特征在于：所述c步骤中还具体包括以下步骤：1、系统净负荷Lnet＝L-P′lW,i；2、令抽水蓄能电站的初始抽水/发电功率Ps＝0，基于净负荷的电力电量平衡结果，找出系统的边际发电成本的最大值、最小值及对应的时段：MCG1、t1和MCG2、t2；3、令Ps,t1＝Ps,t1+ΔP,Ps,t2＝Ps,t2-ΔP(Ps正值代表发电，负值代表抽水蓄能)，基于考虑抽蓄电站抽水/发电功率后的等效净负荷做电力电量平衡；4、记在时段t1、t2的MCG分别为MCG1’、MCG2’；找出MCG(Leq)中大于MCG1’的时段，抽水蓄能电站发电，使得等效负荷相应时段的边际发电成本等于MCG1’；在MCG(Leq)中找出小于MCG2’的时段，抽水蓄能电站抽水，使得等效负荷相应时段的边际发电成本等于MCG2’；5、判断是否出现max(|Ps|)>Ps,max，“是”则下一步，“否”返回步骤3；6、最后结合抽蓄电站的库容约束修正Ps。
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|---|---|---|---|
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| CN201710261116.4A CN107046298A (zh) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | 一种含风电电力系统的抽水蓄能电站容量配置方法 |
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- 2017-04-20 CN CN201710261116.4A patent/CN107046298A/zh active Pending
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