CN108521132A - 多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，包括如下步骤：能源集线器控制中心收集负荷需求、能源供应单元工作状态、电价和气价信息；建立综合能源系统供能、储能以及转化设备约束模型，以运行成本最小为目标，求解能源集线器能源供应单元的经济运行点；测量装置获取电网的实时频率波动，表征电力系统供需平衡状态，并上传至集线器控制中心；建立多能互补支撑电网一次调频的约束模型，以电网频率偏差最小为目标，求解能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点；能源集线器控制中心根据最优出力调节量下发调频任务；能源供应单元响应调频指令，实施一次频率调节。

Description

多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法

技术领域

本发明的实施例涉及电网频率调节方法，具体而言，涉及一种多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法。

背景技术

随着全球能源需求增加，化石能源短缺和环境问题日益凸显，能源的综合高效利用成为世界各国的关注焦点，综合能源系统应运而生。综合能源系统指在规划、建设和运行等过程中，对各种能源的生产、传输与分配(供能网络)、转换、存储、消费、交易等环节实施有机协调与优化，形成的能源产、供和销一体化系统。一方面，实现能源梯级利用，提高能源综合利用率；另一方面，挖掘和利用不同能源间的互补替代性，实现能源由源至荷的全环节、全过程协同优化。

频率稳定是维持电力系统安全稳定运行的重要保障。能源系统优化分配技术通常关注小时级或数十分钟级的长时间尺度优化调度，因而实际运行中，无法为电网频率调节提供支撑。在多时间尺度控制架构下，通过多能互补短时间尺度优化可在保证电网经济运行的同时，平抑电网频率波动，改善系统频率质量。

电动汽车是一种新型交通工具，肩负充电负荷和移动储能单元双重特性，具有响应速度快、调节性能好等特点。热电联产是建立在能量梯级利用概念上，统一解决电能和热能供应问题的一种经济节能、环境友好的用能方式，其主要设备是燃气轮机和余热锅炉。电动汽车和燃气轮机作为综合能源系统的重要组成单元，是电网频率调节的重要资源，而多能互补支撑电网频率调节尚未开展工作。

因此，如何在确保综合能源系统运行费用最少的情况下，合理利用综合能源系统中不同能流的互补性和灵活性，制定合理的优化调度方案和一次调频协调策略支撑电网频率调节，成为当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，该方法根据综合能源系统多能流多时间尺度的特性，建立长时间尺度和短时间尺度两级衔接控制模式，实现热/电/冷多能流的优化调度和电网频率协调控制，保证综合能源系统经济运行和改善系统频率质量。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，所述多时间尺度包括分钟级长时间尺度和秒级短时间尺度，长时间尺度优化为日内调度，调度周期为24小时96时段，短时间尺度优化为实时调节，在长时间尺度优化调度周期内的秒级调节；所述控制方法包括以下步骤：1)能源集线器控制中心收集负荷需求、能源供应单元工作状态、电价和气价信息；2)建立综合能源系统供能、储能以及转化设备约束模型，以运行成本最小为目标，求解能源集线器各能源供应单元的经济运行点；3)测量装置获取电网的实时频率波动，表征电力系统供需平衡状态，并上传至集线器控制中心；4)建立多能互补支撑电网一次调频的约束模型，以电网频率偏差最小为目标，求解能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点；5)能源集线器控制中心根据所得最优出力调节量，下发调频指令；6)能源供应单元响应调频指令，实施一次频率调节。

此外，本发明还提供如下附属技术方案：

步骤2)中的综合能源系统供能设备包括：光伏电源、热电联产和燃气锅炉；储能设备包括：电动汽车和蓄热设备；转化设备包括：吸收式制冷剂、电制冷机和换热器。

步骤2)中求解综合能源系统各时刻能源供应单元的经济运行点包括如下步骤：

a、建立系统优化调度目标函数，表达式为：

上式中，T为调度次数，Δt为调度周期；c_e(t)、c_g(t)分别是t时刻的单位电网电价和天然气气价；分别是t时刻系统从电网和天然气网络购买电量和天然气量。

b、建立系统的供能、储能以及转化设备模型，确定优化模型的约束条件；g其中，供能设备模型包含热电联产机组、燃气锅炉和光伏发电；储能设备模型包含电动汽车和蓄热设备；转化设备模型有吸收式制冷机、电制冷机和换热器；约束条件包括系统热/电/冷能量供需平衡约束，供能、储能以及转化设备的负荷调节容量及转化效率约束。

c、根据热/电/冷负荷需求历史数据，按照调度周期Δt＝15，调度次数T＝96对上述模型进行求解，得到能源集线器内能源供应单元的经济运行点。

所述步骤3)的表征电力系统供需平衡状态的差额计算方法如下：

ΔP＝k*Δf

上式中，Δf为系统频率偏移，变量-k为下垂控制系数。

所述步骤4)中，求解能源供应单元的最优出力调节量包括：

a、建立多能互补支撑电网一次调频目标函数，其表达式为：

min J＝(ΔP-∑ΔP_m)²

b、确定模型约束条件，包括综合能源系统能量供需平衡约束、电动汽车和热电联产模型约束；

c、求解上述模型，获得能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点，其表达式为：

∑ΔP_m＝ΔP_phev+ΔP_CHP

上式中，是短时间尺度下t时刻电动汽车的充/放电功率；是短时间尺度下t时刻热电联产的出力；ΔP_phev(t)、ΔP_cHP(t)分别是电动汽车和热电联产的出力调节量；∑ΔP_m是t时刻热电联产和电动汽车可调频容量总和。

相比于现有技术，本发明的优势在于：本发明的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法是在电网频率波动时，集线器控制中心根据能源供应单元当前运行状态，结合测量装置上传的电网频率偏移值，计算短时间尺度能源供应单元的最优出力调节量，并下达调节指令；能源供应单元响应指令，实施一次频率调节。采用本发明的方法，能够有效提高整个综合能源系统的能源利用率，减少运行所购入能源费用，同时利用可控资源响应电网频率调节，平抑电网频率波动，改善电网频率质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。

图1为多能互补支撑电网频率调节流程图

图2为多能互补支撑电网频率调节控制框架图

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。

本发明基于综合能源系统多能流多时间尺度的特性，提出以综合能源系统为对象的一次调频方法，搭建了多能互补支撑电网频率调节控制框架，实现综合能源系统多能源供应的协调经济运行，同时平抑电网频率波动，改善电网频率质量。该框架包括集线器控制中心和综合能源系统模型。综合能源系统由光伏发电、热电联产、燃气锅炉、吸收式制冷剂、电制冷机、换热器、电动汽车和蓄热设备组成。系统同时满足热/电/冷三种能量需求。能源集线器控制中心收集负荷需求、能源供应单元工作状态、电价和气价等信息，确定每个调度间隔内综合能源系统能源供应单元出力，并发出调度指令；能源供应单元执行调度指令。如附图2所示。

结合图1和图2，本发明的控制方法如下：

根据综合能源系统多能流多时间尺度的特性，建立综合能源系统模型，并搭建多能互补支撑电网频率调节控制框架，然后执行下述步骤：

步骤1：能源集线器控制中心收集负荷需求、能源供应单元工作状态、电价和气价等信息；

步骤2：建立综合能源系统供能、储能以及转化设备约束模型，以运行成本最小为目标，求解能源集线器各能源供应单元的经济运行点；

步骤3：测量装置获取电网的实时频率波动，表征电力系统供需平衡状态，并上传至集线器控制中心；

步骤4：建立多能互补支撑电网一次调频的约束模型，以电网频率偏差最小为目标，求解能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点；

步骤5：能源集线器控制中心根据所得最优出力调节量，下发调频指令；

步骤6：能源供应单元响应调频指令，实施一次频率调节。

在上述实施方案中，建立系统优化调度的优化模型为：

a、目标函数：

式中：T为调度次数，Δt为调度周期；c_e(t)、c_g(t)分别是t时刻的单位电网电价和天然气气价；分别是t时刻系统从电网和天然气网络购买电量和天然气量。

b、各设备模型及约束

光伏电源：

热电联产：

燃气锅炉：

吸收式制冷机：

电制冷机：

换热器：

电网有功约束：

气网流量约束：

电动汽车：

ch_phev(t)+dch_phev(t)≤1；dch_phev(t)∈{0，1}

蓄热设备：

u_in(t)+u_dr(t)≤1；u_dr(t)∈{0，1}

电平衡：

热平衡：

冷平衡：

总购气量：

式中：P_PV(t)是光伏发电功率，光伏效率η_pv，电池板面积大小S，太阳辐射强度I，环境温度P_CHP(t)和H_CHP(t)分别是热电联产t时刻的发电功率和发热量，和分别为热电联产气转电和气转热效率；和分别是热电联产的最大和最小电功率，F_CHP(t)是热电联产t时刻的耗气量，β是1kwh电能转化为1m³天然气的转化因子；F_GB(t)和H_GB(t)分别是t时刻燃气锅炉的耗气量和发热量，和分别是燃气锅炉的最大和最小热功率；是吸收式制冷机t时刻发热量，和分别是吸收式制冷机的最大和最小热功率；是电制冷机t时刻的发电功率，和分别是吸收式制冷机的最大和最小热功率；是换热器t时刻的热功率，和分别是吸收式制冷机的最大和最小热功率；和分别是综合能源系统与外界电网传输的有功上下限；和分别是综合能源系统与外界气网传输的最小和最大流量； 和分别是t时刻电动汽车的充/放电功率和最大充电功率，η_ch和η_dch分别是电动汽车的充/放电效率，E_phev(t)是t时刻电动汽车能量，E_phev(t+1)是t+1时刻的电动汽车能量，电动汽车充电放电不能同时进行，下一时刻电动汽车的能量等于这一时刻的能量和电动汽车充进或者放出能量之和，Cap是电动汽车的额定容量；和分别是t时刻蓄热设备的注入/抽出热量，和分别是蓄热设备的最大注入和抽出热量，η_in和η_dr分别是注入和抽出效率，μ为蓄热设备自身向环境散热损失的能量系数，Q_tes(t)是t时刻蓄热设备能量，Q_tes(t+1)是t+1时刻的蓄热设备能量，蓄热设备充热量注入和抽出不能同时进行，下一时刻蓄热设备能量等于这一时刻的能量和注入或者抽出能量之和，；COP_EC是电制冷机的性能系数，COP_AC是吸收式制冷机的性能系数；L_e(t)、L_h(t)、L_C(t)分别是电热冷负荷。

根据热/电/冷负荷需求历史数据，按照调度周期Δt＝15，调度次数T＝96对上述模型进行求解，得到能源集线器内能源供应单元的经济运行点。

表征电力系统供需平衡状态的差额计算方法如下：

ΔP＝k*Δf

式中：Δf为系统频率偏移，变量-k为下垂控制系数。

建立多能互补支撑电网一次调频的约束模型为：

a、目标函数

min J＝(ΔP-∑ΔP_m)²

b、各设备模型及约束

电平衡：

热电联产：

电动汽车：

ch_phev(t)+dch_phev(t)≤1；dch_phev(t)∈{0，1}

求解上述模型，获得能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点：

∑ΔP_m＝ΔP_phev+ΔP_CHP

式中：是短时间尺度下t时刻电动汽车的充/放电功率；是短时间尺度下t时刻热电联产的出力；ΔP_phev(t)、ΔP_CHP(t)分别是电动汽车和热电联产的出力调节量；∑ΔP_m是t时刻热电联产和电动汽车可调频容量总和。

综上所述，本发明基于综合能源系统多能流多时间尺度的特性，提出以综合能源系统为对象的一次调频方法，搭建多能互补支撑电网频率调节控制架构。该架构包括集线器控制中心和综合能源系统模型。综合能源系统由光伏发电、热电联产、燃气锅炉、吸收式制冷剂、电制冷机、换热器、电动汽车、蓄热设备组成。系统同时满足热/电/冷三种能量需求。在电网频率波动时，集线器控制中心根据能源供应单元当前运行状态，结合测量装置上传的电网频率偏移值，计算短时间尺度能源供应单元的最优出力调节量，并下达调节指令；能源供应单元响应指令，实施一次频率调节。本发明在一次调频过程中，合理利用综合能源系统中不同能流的互补性和灵活性，实现综合能源系统多能源供应的协调经济运行，同时平抑电网频率波动，改善电网频率质量。

Claims (7)

1.一种多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述多时间尺度包括分钟级长时间尺度和秒级短时间尺度，长时间尺度优化为日内调度，调度周期为24小时96时段，短时间尺度优化为实时调节，在长时间尺度优化调度周期内的秒级调节；

所述控制方法包括以下步骤：

1)能源集线器控制中心收集负荷需求、能源供应单元工作状态、电价和气价信息；

2)建立综合能源系统供能、储能以及转化设备约束模型，以运行成本最小为目标，求解能源集线器各能源供应单元的经济运行点；

3)测量装置获取电网的实时频率波动，表征电力系统供需平衡状态，并上传至集线器控制中心；

4)建立多能互补支撑电网一次调频的约束模型，以电网频率偏差最小为目标，求解能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点；

5)能源集线器控制中心根据所得最优出力调节量，下发调频指令；

6)能源供应单元响应调频指令，实施一次频率调节。

2.根据权利要求1所述的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述步骤2)中的综合能源系统供能设备包括：光伏电源、热电联产和燃气锅炉；储能设备包括：电动汽车和蓄热设备；转化设备包括：吸收式制冷剂、电制冷机和换热器。

3.根据权利要求1所述的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述步骤2)中求解能源集线器各能源供应单元的经济运行点包括如下步骤：

a、建立系统优化调度目标函数，其表达式为：

式中，T为调度次数，Δt为调度周期；c_e(t)、c_g(t)分别是t时刻的单位电网电价和天然气气价；分别是t时刻系统从电网和天然气网络购买电量和天然气量；

b、建立系统的供能、储能以及转化设备模型，确定优化模型的约束条件；

c、根据热/电/冷负荷需求历史数据，按照调度周期Δt＝15，调度次数T＝96对上述模型进行求解，得到能源集线器内能源供应单元的经济运行点。

4.根据权利要求3所述的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述供能设备模型包含热电联产机组、燃气锅炉和光伏发电；所述储能设备模型包含电动汽车和蓄热设备；所述转化设备模型有吸收式制冷机、电制冷机和换热器。

5.根据权利要求3所述的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述优化模型的约束条件包括：系统热/电/冷能量供需平衡约束，供能、储能以及转化设备的负荷调节容量及转化效率约束。

6.根据权利要求1所述的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的表征电力系统供需平衡状态的差额计算方法如下：

ΔP＝k*Δf

式中，Δf为系统频率偏移，变量-k为下垂控制系数。

7.根据权利要求1所述的多能互补支撑电网频率调节的多时间尺度优化控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，求解能源供应单元的最优出力调节量包括：

a、建立多能互补支撑电网一次调频的目标函数，其表达式为：

min J＝(ΔP-∑ΔP_m)²

b、确定模型约束条件，包括综合能源系统能量供需平衡约束、电动汽车和热电联产模型约束；

c、求解上述模型，获得能源供应单元的最优出力调节量，修正长时间尺度经济运行点，其表达式为：

∑ΔP_m＝ΔP_phev+ΔP_cHP

上式中，是短时间尺度下t时刻电动汽车的充/放电功率；是短时间尺度下t时刻热电联产的出力；ΔP_phev(t)、ΔP_CHP(t)分别是电动汽车和热电联产的出力调节量；∑ΔP_m是t时刻热电联产和电动汽车可调频容量总和。