CN108322139A - 一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及综合成本的风电‑光伏‑光热发电的联合调度方法，其特点是：包括对风电、光伏发电及光热发电的运行特性分析；对风电、光伏及光热发电的联合调度和风电、光伏与光热发电联合调度值的确定等内容，以风电、光伏与光热发电运行特性为基础，综合考虑火电机组发电成本、风电、光伏发电与光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本，兼顾电网运行约束，以综合成本最低为目标，确定风电、光伏及光热发电的调度值，具有科学合理，调度准确，效果佳等优点。

Description

一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法

技术领域

本发明涉及配电技术领域，是一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法。

背景技术

随着化石能源的匮乏与环境污染的日益加剧，以风电、光伏、光热发电为主的新能源发电发展迅速，并网规模不断扩大。风电作为起步较早的新能源发电，发电量与建设规模稳步增长。较之风电，太阳能发电起步较晚，目前大规模太阳能发电分为光伏(photovoltaic，PV)发电和光热(concentrating solar power，CSP)发电。截至2016年底，我国并网风电1.5亿千瓦，并网太阳能发电7742万千瓦。

受风能与太阳能固有属性的影响，风力发电与太阳能发电具有不确定性与间歇性，大规模并网消纳在降低火电机组发电量的同时增加了电网运行的不确定性。事实上，在某些风光资源丰富的地区已经存在风电、光伏、光热同时并网发电的情况，多种新能源发电方式联合并网进一步增加了电网运行的不安全因素。如何确定风电、光伏、光热发电的联合调度，保证电网的安全经济运行成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种以风电、光伏与光热发电运行特性为基础，综合考虑火电机组发电成本、风电、光伏发电与光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本，兼顾电网运行约束，以综合成本最低为目的，科学合理，效果最佳的风电-光伏-光热发电的联合调度方法。

解决其技术问题采用的方案是：一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法，其特征是，以风电、光伏与光热发电运行特性为基础，兼顾电网运行约束，以综合成本最低为目标，确定了风电、光伏及光热发电的调度值，具体包括以下步骤：

1)对风电、光伏发电及光热发电的运行特性分析

风电就是清洁能源，但是风电具有较强的波动性与随机性，可靠性较低，并网时对电网运行的影响较大；

光伏发电具有间歇性，随着发电成本的降低，装机规模越来越大；但是受自然资源的影响，具有“昼发夜停”的特性，可控性较低；

光热发电作为新兴的太阳能发电形式，与光伏发电相比，光热发电含有储热系统，能够实现出力的调节与控制，可靠性较高，能够明显降低并网对电网造成的影响；

2)对风电、光伏及光热发电的联合调度

(a)风电、光伏与光热发电的联合调度模型的建立

综合考虑火电机组发电成本、风电、光伏与光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本，建立了风电、光伏与光热发电的联合调度成本模型；

F＝min[F₁+F₂-F₃+F₄] (1)

其中：F为火电、风电、光伏与光热发电联合调度时的综合成本；

F₁为火电机组发电成本；

F₂为风电、光伏与光热发电的运行维护成本；

F₃为风电、光伏与光热发电联合并网消纳的环境效益；

F₄为系统备用容量成本；

火电机组的发电成本由燃料成本和启停成本两部分组成，计算为(2)式：

F₁＝e₁(P_i)+e₂(U_i) (2)

其中：e₁为火电机组的燃料成本；

e₂为火电机组的启停成本；

P_i为火电机组i的发电功率；

U_i为火电机组i的运行状态；

e₁的计算为(3)式：

e₂的计算为(4)式：

其中：P_it为火电机组i在第t时段的发电功率；

U_it为火电机组i在第t时段的运行状态，其中，U_it＝1表示运行，U_it＝0表示停机；

S_i表示机组i的启动成本；

n为火电机组的数量；

T为总的时间段；

t为时刻；

i为第i个机组；

a_i，b_i，c_i为机组i的燃料成本系数；

风电、光伏与光热发电的运行维护成本F₂计算为(5)式：

其中：k_f为风电的运行维护成本系数；

k_g为光伏发电的运行维护成本系数；

k_s为光热电站由集热装置提供热能发电的运行维护成本系数；

k_Ts为光热电站由储热装置提供热能发电的运行维护成本系数；

为光热电站由集热装置提供热能的发电功率；

为光热电站由储热装置提供热能的发电功率；

P_ft为风电在t时刻的发电功率；

P_gt为光伏发电在t时刻的发电功率；

的计算为(6)式：

P_t ^SF,d＝η_dP_t ^SF,r (6)

的计算为(7)式：

P_t ^TS,df＝(1-η_f)η_dP_t ^TS,f (7)

其中：为在t时刻集热装置直接发电的热功率；

为在t时刻储热系统的放热功率；

η_d为热电转换效率；

η_f为光热电站储热系统的放热损失率；

以风电、光伏与光热发电为主的新能源发电并网消纳，能够有效降低火电机组的上网电量，减小污染物的排放量，风电、光伏与光热发电联合并网消纳的环境效益的计算为式(8)；

其中：k_F为风电并网后的环境效益系数；

k_G为光伏发电并网后的环境效益系数；

k_R为光热发电并网后的环境效益系数；

P_Gt为光热发电在t时刻的发电功率；

P_Gt的计算为(9)式：

P_Gt＝P_t ^SF,d+P_t ^TS,df (9)

风电、光伏与光热发电的大规模并网，增加了电网运行的不确定性，因此，需要预留更多的容量来应对预测误差与突发事件；额外增加的旋转备用容量成本计算为(10)式：

其中：L为负荷的预测误差率；

F为风电的预测误差率；

G为光伏发电的预测误差率；

R为光热发电的预测误差率；

k_r为系统备用成本系数；

P_Lt为t时刻的负荷值；

(b)系统运行约束

网络约束即不计网络损耗时，火电机组、风电、光伏与光热发电的输出功率之和与电网负荷相等，为(11)式：

输电线路传输容量约束为(12)式：

-P_fl,max≤P_l,t≤P_zl,max (12)

其中：P_zl,max为传输线路l的最大正向传输功率；

P_fl,max为传输线路l的最大反向传输功率；

P_l,t为输电线路l在t时刻的传输功率；

火电机组运行出力约束为(13)式：

P_imin≤P_it≤P_imax (13)

其中：P_imin为火电机组i的最小出力；

P_imax为火电机组i的最大出力；

火电机组与光热发电爬坡率约束为(14)式：

其中：r_di为火电机组i的最大向下爬坡率；

r_ui为火电机组i的最大向上爬坡率；

r_uG为光热发电的最大向上爬坡率；

r_dG为光热发电的最大向下爬坡率；

光热电站储热系统储热容量约束为(15)式：

其中：为光热电站储热系统的储热上限；

为光热电站储热系统的储热下限；

为光热电站储热系统在t时刻的储热量；

光热电站储热系统储放热功率约束为(16)式：

其中：为储热系统的充热功率；

为储热系统的放热功率；

为储热系统储热功率的上限；

为储热系统储热功率的下限；

为储热系统放热功率的上限；

为储热系统放热功率的下限；

3)风电、光伏与光热发电联合调度值的确定

采用含精英保留策略的标准遗传算法求解模型，相比于传统遗传算法，加入了精英保留策略；精英保留策略使父代种群中的最优个体直接保存到子代种群，避免了最优个体在交叉变异过程中被破坏；通过有限次的迭代，得到综合成本最低时的风电、光伏与光热发电联合调度值。

本发明的一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法，由于以风电、光伏与光热发电运行特性为基础，兼顾电网运行约束，综合考虑火电机组发电成本、风电、光伏发电与光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本，以综合成本最低为目的，确定了风电、光伏及光热发电的调度值，具有科学合理，效果最佳等优点。

附图说明

图1是电网负荷、风电及光伏发电预测功率示意图；

图2是系统运行成本收敛特性示意图；

图3是含储热光热电站最优出力调度曲线示意图；

图4是风电预测功率及并网消纳功率示意图；

图5是光伏发电预测功率及并网消纳功率示意图；

图6是各火电机组出力调度曲线示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法作进一步说明。

本发明的一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法，以风电、光伏与光热发电运行特性为基础，兼顾电网运行约束，以综合成本最低为目标，确定了风电、光伏及光热发电的调度值，具体包括以下步骤：

1)对风电、光伏发电及光热发电的运行特性分析

风电就是清洁能源，但是风电具有较强的波动性与随机性，可靠性较低，并网时对电网运行的影响较大；

光伏发电具有间歇性，随着发电成本的降低，装机规模越来越大；但是受自然资源的影响，具有“昼发夜停”的特性，可控性较低；

光热发电作为新兴的太阳能发电形式，与光伏发电相比，光热发电含有储热系统，能够实现出力的调节与控制，可靠性较高，能够明显降低并网对电网造成的影响；

2)对风电、光伏及光热发电的联合调度

(a)风电、光伏与光热发电的联合调度模型的建立

综合考虑火电机组发电成本、风电、光伏与光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本，建立了风电、光伏与光热发电的联合调度成本模型；

F＝min[F₁+F₂-F₃+F₄] (1)

其中：F为火电、风电、光伏与光热发电联合调度时的综合成本；

F₁为火电机组发电成本；

F₂为风电、光伏与光热发电的运行维护成本；

F₃为风电、光伏与光热发电联合并网消纳的环境效益；

F₄为系统备用容量成本；

火电机组的发电成本由燃料成本和启停成本两部分组成，计算为(2)式：

F₁＝e₁(P_i)+e₂(U_i) (2)

其中：e₁为火电机组的燃料成本；

e₂为火电机组的启停成本；

P_i为火电机组i的发电功率；

U_i为火电机组i的运行状态；

e₁的计算为(3)式：

e₂的计算为(4)式：

其中：P_it为火电机组i在第t时段的发电功率；

U_it为火电机组i在第t时段的运行状态，其中，U_it＝1表示运行，U_it＝0表示停机；

S_i表示机组i的启动成本；

n为火电机组的数量；

T为总的时间段；

t为时刻；

i为第i个机组；

a_i，b_i，c_i为机组i的燃料成本系数；

风电、光伏与光热发电的运行维护成本F₂计算为(5)式：

其中：k_f为风电的运行维护成本系数；

k_g为光伏发电的运行维护成本系数；

k_s为光热电站由集热装置提供热能发电的运行维护成本系数；

k_Ts为光热电站由储热装置提供热能发电的运行维护成本系数；

为光热电站由集热装置提供热能的发电功率；

为光热电站由储热装置提供热能的发电功率；

P_ft为风电在t时刻的发电功率；

P_gt为光伏发电在t时刻的发电功率；

的计算为(6)式：

P_t ^SF,d＝η_dP_t ^SF,r (6)

的计算为(7)式：

P_t ^TS,df＝(1-η_f)η_dP_t ^TS,f (7)

其中：为在t时刻集热装置直接发电的热功率；

为在t时刻储热系统的放热功率；

η_d为热电转换效率；

η_f为光热电站储热系统的放热损失率；

以风电、光伏与光热发电为主的新能源发电并网消纳，能够有效降低火电机组的上网电量，减小污染物的排放量，风电、光伏与光热发电联合并网消纳的环境效益的计算为式(8)；

其中：k_F为风电并网后的环境效益系数；

k_G为光伏发电并网后的环境效益系数；

k_R为光热发电并网后的环境效益系数；

P_Gt为光热发电在t时刻的发电功率；

P_Gt的计算为(9)式：

P_Gt＝P_t ^SF,d+P_t ^TS,df (9)

风电、光伏与光热发电的大规模并网，增加了电网运行的不确定性，因此，需要预留更多的容量来应对预测误差与突发事件；额外增加的旋转备用容量成本计算为(10)式：

其中：L为负荷的预测误差率；

F为风电的预测误差率；

G为光伏发电的预测误差率；

R为光热发电的预测误差率；

k_r为系统备用成本系数；

P_Lt为t时刻的负荷值；

(b)系统运行约束

网络约束即不计网络损耗时，火电机组、风电、光伏与光热发电的输出功率之和与电网负荷相等，为(11)式：

输电线路传输容量约束为(12)式：

-P_fl,max≤P_l,t≤P_zl,max (12)

其中：P_zl,max为传输线路l的最大正向传输功率；

P_fl,max为传输线路l的最大反向传输功率；

P_l,t为输电线路l在t时刻的传输功率；

火电机组运行出力约束为(13)式：

P_imin≤P_it≤P_imax (13)

其中：P_imin为火电机组i的最小出力；

P_imax为火电机组i的最大出力；

火电机组与光热发电爬坡率约束为(14)式：

其中：r_di为火电机组i的最大向下爬坡率；

r_ui为火电机组i的最大向上爬坡率；

r_uG为光热发电的最大向上爬坡率；

r_dG为光热发电的最大向下爬坡率；

光热电站储热系统储热容量约束为(15)式：

其中：为光热电站储热系统的储热上限；

为光热电站储热系统的储热下限；

为光热电站储热系统在t时刻的储热量；

光热电站储热系统储放热功率约束为(16)式：

其中：为储热系统的充热功率；

为储热系统的放热功率；

为储热系统储热功率的上限；

为储热系统储热功率的下限；

为储热系统放热功率的上限；

为储热系统放热功率的下限；

3)风电、光伏与光热发电联合调度值的确定

采用含精英保留策略的标准遗传算法求解模型，相比于传统遗传算法，加入了精英保留策略；精英保留策略使父代种群中的最优个体直接保存到子代种群，避免了最优个体在交叉变异过程中被破坏；通过有限次的迭代，得到综合成本最低时的风电、光伏与光热发电联合调度值。

本实施例以改造的IEEE30节点系统为例，基于含精英策略的标准遗传算法求解模型，得到综合成本最低时的光伏、风电并网消纳功率以及光热发电的出力调度，以此来验证本发明所述方法的可行性。按照功率相近的原则，用光热发电、光伏发电以及风电分别替换原系统中的第2、3、6台火电机组。火电机组的具体数据如表1所示，100MW光热电站的具体参数如表2所示。

表1常规机组参数

表2光热电站参数

1.对风电、光伏发电及光热发电的运行特性的分析

电网负荷、风电及光伏发电预测功率如图1所示，由图1可见，风电具有白天发电功率小、晚上发电功率大的反调峰现象，光伏发电具有“昼发夜停”的间歇性发电特性，因此风电与光伏发电具有天然的互补特性。由于风电与光伏发电都是波动性电源，可靠性较低，因此采用光热发电作为调节性发电形式，能够保证电网的安全运行。

2.风电、光伏与光热发电的联合调度模型的建立

计算过程中的数值设置如下，负荷预测误差率L取值为15％，风电、光伏与光热发电的预测误差率F＝G＝R＝5％，系统备用成本系数k_r为112元/MW，风电、光伏与光热发电并网后的环境效益系数k_F＝k_G＝k_R＝230元/MW，风电、光伏发电的运行维护成本系数k_f、k_g分别为20元/MW、30元/MW，取r_di＝r_ui，r_dG＝r_uG，建立风电、光伏与光热发电的联合调度模型。

3.风电、光伏与光热发电联合调度值的确定

采用含精英保留策略的标准遗传算法求解模型，相比于传统遗传算法，加入了精英保留策略。精英保留策略使父代种群中的最优个体直接保存到子代种群，避免了最优个体在交叉变异过程中被破坏。得到综合成本最低时的光伏、风电并网消纳功率以及光热发电的出力调度。

优化过程中系统运行成本收敛特性如图2所示，由图2可见，系统运行成本收敛特性曲线在迭代过程满足严格单调的条件，因此，该计算过程将收敛到全局最优解，且经过500次迭代后，种群的重复率均达到了90％以上，故可认为达到最优解，此时综合成本收敛至最低为75.27万元。

在综合成本最低时，含储热光热电站最优出力调度曲线如图3所示，风电预测功率及并网消纳功率如图4所示，光伏发电预测功率及并网消纳功率如图5所示，各火电机组出力调度曲线如图6所示。由图3可见，储热系统使光热电站具有良好的可调度性与可控性，通过对储热系统的调节可以实现电站的出力控制。按此出力值对光热电站的出力进行调度，能够有效降低综合运行成本。由图4与图5可见，在计及电网运行约束的前提下，综合成本最低时，风电与光伏发电并未完全消纳，而是存在最优的并网消纳功率，按图中功率消纳值控制风电与光伏发电的上网电量，能够兼顾电网运行的安全性与经济性。由图6可见，煤耗成本小的机组出力较大，且在风电、光伏发电与光热发电联合并网功率较大时，火电机组的出力均维持在最低出力水平，大幅度降低了煤耗成本。

本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种计及综合成本的风电-光伏-光热发电的联合调度方法，其特征是，以风电、光伏与光热发电运行特性为基础，兼顾电网运行约束，以综合成本最低为目标，确定了风电、光伏及光热发电的调度值，具体包括以下步骤：

1)对风电、光伏发电及光热发电的运行特性分析

风电就是清洁能源，但是风电具有较强的波动性与随机性，可靠性较低，并网时对电网运行的影响较大；

光伏发电具有间歇性，随着发电成本的降低，装机规模越来越大；但是受自然资源的影响，具有“昼发夜停”的特性，可控性较低；

光热发电作为新兴的太阳能发电形式，与光伏发电相比，光热发电含有储热系统，能够实现出力的调节与控制，可靠性较高，能够明显降低并网对电网造成的影响；

2)对风电、光伏及光热发电的联合调度

(a)风电、光伏与光热发电的联合调度模型的建立

综合考虑火电机组发电成本、风电、光伏与光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本，建立了风电、光伏与光热发电的联合调度成本模型；

F＝min[F₁+F₂-F₃+F₄] (1)

其中：F为火电、风电、光伏与光热发电联合调度时的综合成本；

F₁为火电机组发电成本；

F₂为风电、光伏与光热发电的运行维护成本；

F₃为风电、光伏与光热发电联合并网消纳的环境效益；

F₄为系统备用容量成本；

火电机组的发电成本由燃料成本和启停成本两部分组成，计算为(2)式：

F₁＝e₁(P_i)+e₂(U_i) (2)

其中：e₁为火电机组的燃料成本；

e₂为火电机组的启停成本；

P_i为火电机组i的发电功率；

U_i为火电机组i的运行状态；

e₁的计算为(3)式：

e₂的计算为(4)式：

其中：P_it为火电机组i在第t时段的发电功率；

U_it为火电机组i在第t时段的运行状态，其中，U_it＝1表示运行，U_it＝0表示停机；

S_i表示机组i的启动成本；

n为火电机组的数量；

T为总的时间段；

t为时刻；

i为第i个机组；

a_i，b_i，c_i为机组i的燃料成本系数；

风电、光伏与光热发电的运行维护成本F₂计算为(5)式：

其中：k_f为风电的运行维护成本系数；

k_g为光伏发电的运行维护成本系数；

k_s为光热电站由集热装置提供热能发电的运行维护成本系数；

k_Ts为光热电站由储热装置提供热能发电的运行维护成本系数；

为光热电站由集热装置提供热能的发电功率；

为光热电站由储热装置提供热能的发电功率；

P_ft为风电在t时刻的发电功率；

P_gt为光伏发电在t时刻的发电功率；

的计算为(6)式：

的计算为(7)式：

其中：为在t时刻集热装置直接发电的热功率；

为在t时刻储热系统的放热功率；

η_d为热电转换效率；

η_f为光热电站储热系统的放热损失率；

以风电、光伏与光热发电为主的新能源发电并网消纳，能够有效降低火电机组的上网电量，减小污染物的排放量，风电、光伏与光热发电联合并网消纳的环境效益的计算为式(8)；

其中：k_F为风电并网后的环境效益系数；

k_G为光伏发电并网后的环境效益系数；

k_R为光热发电并网后的环境效益系数；

P_Gt为光热发电在t时刻的发电功率；

P_Gt的计算为(9)式：

风电、光伏与光热发电的大规模并网，增加了电网运行的不确定性，因此，需要预留更多的容量来应对预测误差与突发事件；额外增加的旋转备用容量成本计算为(10)式：

其中：L为负荷的预测误差率；

F为风电的预测误差率；

G为光伏发电的预测误差率；

R为光热发电的预测误差率；

k_r为系统备用成本系数；

P_Lt为t时刻的负荷值；

(b)系统运行约束

网络约束即不计网络损耗时，火电机组、风电、光伏与光热发电的输出功率之和与电网负荷相等，为(11)式：

输电线路传输容量约束为(12)式：

-P_fl,max≤P_l,t≤P_zl,max (12)

其中：P_zl,max为传输线路l的最大正向传输功率；

P_fl,max为传输线路l的最大反向传输功率；

P_l,t为输电线路l在t时刻的传输功率；

火电机组运行出力约束为(13)式：

P_imin≤P_it≤P_imax (13)

其中：P_imin为火电机组i的最小出力；

P_imax为火电机组i的最大出力；

火电机组与光热发电爬坡率约束为(14)式：

其中：r_di为火电机组i的最大向下爬坡率；

r_ui为火电机组i的最大向上爬坡率；

r_uG为光热发电的最大向上爬坡率；

r_dG为光热发电的最大向下爬坡率；

光热电站储热系统储热容量约束为(15)式：

其中：为光热电站储热系统的储热上限；

为光热电站储热系统的储热下限；

为光热电站储热系统在t时刻的储热量；

光热电站储热系统储放热功率约束为(16)式：

其中：为储热系统的充热功率；

为储热系统的放热功率；

为储热系统储热功率的上限；

为储热系统储热功率的下限；

为储热系统放热功率的上限；

为储热系统放热功率的下限；

3)风电、光伏与光热发电联合调度值的确定

采用含精英保留策略的标准遗传算法求解模型，相比于传统遗传算法，加入了精英保留策略；精英保留策略使父代种群中的最优个体直接保存到子代种群，避免了最优个体在交叉变异过程中被破坏；通过有限次的迭代，得到综合成本最低时的风电、光伏与光热发电联合调度值。