CN109409600A - 风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，该方法在风电、蓄热式电锅炉联合供暖的基础上，以主电网和区域火电机组作为供暖电源后备补给因素，分析其对风电供暖系统可靠性因子的影响，构建风电出力和蓄热式电锅炉的负荷预测模型，应用鲁棒随机优化理论刻画风电的不确定性，以电供暖成本最低为原则建立目标函数，考虑火电和风电机组的运行约束、供暖系统安全约束等，构建风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统调度模型，放大鲁棒因子，减小风电不确定性对系统运行的影响，求解得到优化调度方案。本发明在传统风电供暖系统中加入补给电源以保证供暖系统可靠运行，引入鲁棒性因子使调度方案经济最优且有效缓解风电不确定性对系统的影响。

Description

风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法

技术领域

本发明涉及电力系统优化调度技术领域，具体涉及一种风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法。

背景技术

随着能源短缺、环境污染和生态环境恶化等问题的日益严重，人们高度关注太阳能、风能等可再生能源的使用。在冬季，传统的燃煤锅炉式供暖不仅消耗大量的煤炭资源，还严重污染环境，造成恶劣的雾霾天气。电供暖作为新兴的清洁供暖技术得到了政府的大力支持，利用风电供暖不仅可以利用清洁的电力供暖替代污染的燃煤锅炉供暖，还可以使北方风能资源丰富的地区提高对风电的消纳能力，缓解北方地区冬季供暖期，电力负荷低谷时段风电并网运行的困难。2013年3月，国家能源局发布《关于做好风电清洁供暖工作的通知》，要求在北方具备条件的地区推广应用风电清洁供暖技术。

当前，我国北方地区的风电供暖型式大多采用风电场捆绑当地蓄热式供热站的型式。该种风电供暖型式，一旦发生故障，将导致居民的供暖服务受到严重的影响。因此，需要采用后备补给电源保证电供暖系统的可靠稳定运行。由于蓄热式供热方式具有灵活的储能特性，可以在任意选定的时间内进行储能，并利用储能完成供热任务，属于电力系统中的柔性负荷。将风电与蓄热式电锅炉并入当地电网，不仅可以利用电网充足的电量作为保障供暖服务的后备补给电源，还可以将风电场和电锅炉供热站放入一个“大池子”中，集中调度，推行市场化交易，是电供暖发展的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的是在主电网和区域火电机组作为风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统后备补给电源后，缓解风电出力不确定性对于系统消纳风电的影响，并且有效地提高风电的利用效率，使所得的调度方案具有鲁棒性和经济性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，该方法包括以下步骤：

(1)分析主电网和区域火电机组对风电和蓄热式电锅炉捆绑电供暖系统的可靠性因子的影响。

(2)建立风电出力的鲁棒随机优化模型。

(3)构建蓄热式电锅炉的负荷需求数学模型。

(4)将步骤(2)的风电鲁棒约束和供热系统平衡约束式相结合，并且与火电机组的最大最小出力约束、启停时间约束、爬坡上下限约束、风电机组出力约束，供暖系统功率平衡约束，系统旋转备用约束，整合为本发明中电供暖系统优化调度模型的总体约束条件。

(5)结合步骤(1)—(3)所作出的分析结果和构建的模型，以系统的总运行费用为目标函数。拟采用最小费用法寻求总支出最小的调度方案。

(6)结合总体约束条件和目标函数，建立风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度模型，并使用CPLEX求解器对其进行求解。

进一步的，步骤(2)所述的“建立风电出力的鲁棒随机优化模型”的具体内容为：

a.利用风电机组的出力特性，建立风电机组的发电功率模型，如下式所示：

式中：为风电机组j在t时段的可用出力，单位为KW；v_t为t时段的风速，单位为m/s；v_jl,v_jo分别为风电机组j的切入风速和切出风速；v_jR为风电机组j的额定风速；为风电机组j的最大出力，单位为KW；为风电机组j的可用出力与风速的函数关系。

风电场总有功出力为各个风电机组的有功出力之和：

式中：为t时段风电场总可用出力；k_t为风电机组t时刻的同时率系数；J为风电场的风机总数；j指第j台风机。

b.风电场的风速预测使用时间序列法。

c.利用历史经验基于预测结果，引入经验误差系数和误差方向系数，结合风电机组的可用出力预测值，刻画出风电场总有功出力的波动区间。

式中：P′_jt为t时刻风电机组j的不确定性出力，单位为KW；为风电机组j在t时刻的可用出力预测值，单位为KW；θ_jt为t时刻风电机组的经验误差系数；η_t为t时刻的误差方向系数。

d.为减小风电出力预测误差对系统稳定运行的影响，引入鲁棒随机优化理论，建立风电出力的鲁棒随机优化模型。

进一步的，步骤(3)中所述的“构建蓄热式电锅炉的负荷需求数学模型”的具体过程为：

a.以室温恒定为主要目的，供暖负荷在室外温度上下波动的情况下，考虑建筑散热负荷和供热系统的热损失负荷，能够维持室温的恒定不变。

P_gt＝P_st+P_t′

式中：P_gt为t时刻蓄热式电锅炉的供热负荷，单位为KW；P_st为t时刻建筑散热负荷，单位为KW；P_t′为t时刻供热系统的热损失负荷，单位为KW；q_i为第i个建筑的单位面积散热指标；S_i为第i个建筑的表面积，单位为m²；T_t-inside为t时刻供热建筑的室内温度，单位为℃；T_t-outside为t时刻的室外温度，单位为℃；I为供暖区域内的建筑总数；i指第i个建筑物。

b.蓄热式电锅炉利用低谷时段的电能在进行基础供热的同时进行储热。在非低谷时段利用蓄热装置进行供暖，电锅炉停止运行。电锅炉在低谷时段每小时的用电负荷应小于该装置的最大用电功率标准。

式中：为夜间低谷时段t时刻蓄热式电锅炉的用电负荷，单位为KW；t_s为低谷时段的开始时间；t_d为低谷时段的结束时间；为非低谷时段的结束时间；P_gmax为蓄热式电锅炉的最大用电功率；ΔP_st为蓄热器非低谷时段蓄热的热量损失功率。

进一步的，步骤(4)中所述的各种约束条件详见具体实施方式。

进一步的，步骤(5)中所述的目标函数为：

式中：C为总调度区间内的发电费用；U_i(t)为火电机组i在t时刻的启停状态，1代表启动，0代表停运；U_i(t-1)火电机组i在t-1时刻的启停状态；C_it为火电机组i在t时刻的运行费用；C_is为火电机组i的启动费用；C_j为风电机组j的单位电量成本；P_jt为风电机组j在t时刻的输出功率；T为调度时间内的总时段数；I为可调度的火电机组总数；J为总风机数；i指第i个火电机组；j指第j个风电机组。火电机组的运行费用公式，具体如下所示：

式中：a_i，b_i，c_i代表火电机组i的燃料系数；P_it为火电机组i在时刻t的有功出力。

本发明的工作原理：

为了解决风电和蓄热式电锅炉捆绑运行的电供暖型式的不可靠性和风电出力的不确定性问题。本发明以主电网和区域火电机组作为风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统的后备补给电源，并且分析主电网和区域火电机组对风电供暖系统可靠性因子的影响。构建风电有功出力模型和蓄热式电锅炉负荷需求模型，应用鲁棒随机优化理论刻画风电出力的不确定性；继而形成风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度模型，以总支出的运行费用最小为目标，求取最优调度方案。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，该方法包括以下步骤：

(1)分析主电网和区域火电机组对风电和蓄热式电锅炉捆绑电供暖系统的可靠性因子的影响。

(2)构建风电有功出力模型，引入鲁棒随机优化理论，建立风电出力的鲁棒随机优化模型。

(3)考虑蓄热式电锅炉夜间提供基础供暖并且进行蓄热工作，白天利用储能提供基础供暖任务的工作模式，构建蓄热式电锅炉的负荷需求数学模型。

(4)风电鲁棒约束和供热系统平衡约束式相结合，并且与火电机组的最大最小出力约束、启停时间约束、爬坡上下限约束、风电机组出力约束，供暖系统功率平衡约束，系统旋转备用约束，整合为本发明中电供暖系统优化调度模型的总体约束条件。

(5)以系统的总运行费用为目标函数。由于不同的调度方案所产生的国民经济效益大致相同，总费用支出最小的方案就应该是最优的调度方案。所以，拟采用最小费用法寻求总支出最小的调度方案。

(6)结合总体约束条件和目标函数，建立风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度模型，并使用CPLEX求解器对其进行求解。

具体的讲，步骤(4)中所述的各类约束条件分别指：

火电机组的出力特性约束：

a.机组爬坡上下限约束：

式中：为火电机组i的爬坡上限约束和爬坡下限约束。P_i,t-1为火电机组i在第t-1时段的有功出力值。

b.机组出力上下限约束：

式中：P_it为火电机组i在t时刻的出力值；分别为火电机组i的出力最大值和出力最小值。

c.机组启停时间约束：

式中：为火电机组i在t-1时刻的运行时间，单位为s；为火电机组i的最短运行时间，单位为s；为火电机组i在t-1时刻的停机时间，单位为s；为火电机组i的最短停机时间，单位为s。

供暖系统功率平衡约束(引入鲁棒因子ψ_t(ψ_t∈[0,-1]))：

式中：P_Lt为t时刻的非供热负荷；P_gt为t时刻的供热负荷；λ_i为火电机组i的厂用电率；P_it为火电机组i在t时刻的有功出力。

系统旋转备用约束：

R_RS≥P_gt

式中：R_RS为供暖系统的旋转备用；R_AS为电网可提供的旋转备用容量；为火电机组i在t时刻的最大出力值。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，其特征在于以主电网和区域火电机组作为新型清洁式风电供暖系统的后备补给电源，分析主电网和区域火电机组对风电供暖系统可靠性因子的影响；构建风电有功出力模型，应用鲁棒随机优化理论刻画风电出力的不确定性；根据蓄热式电锅炉的工作特性，构建蓄热式电锅炉的负荷预测数学模型，以电供暖系统运行的经济效益最优为原则，建立目标函数和约束条件，继而形成风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度模型，借助CPLEX求解器，对其进行求解，进而得到最为经济的电供暖优化调度方案。

2.根据权利要求1所述的风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)分析主电网和区域火电机组对风电和蓄热式电锅炉捆绑电供暖系统的可靠性因子的影响。

(2)引入鲁棒随机优化理论，建立风电出力的鲁棒随机优化模型。

(3)考虑蓄热式电锅炉夜间提供基础供暖并且进行蓄热工作，白天利用储能提供基础供暖任务的工作状态，构建蓄热式电锅炉的负荷需求数学模型。

(4)将步骤(2)的风电鲁棒约束和供热系统平衡约束式相结合，并且与火电机组的最大最小出力约束、启停时间约束、爬坡上下限约束，风电机组出力约束，供暖系统功率平衡约束，系统旋转备用约束，整合为本发明中电供暖系统优化调度模型的总体约束条件。

(5)结合步骤(1)(2)(3)所作出的分析结果和构建的模型，以系统的总运行费用为目标函数，拟采用最小费用法寻求总支出最小的调度方案。

(6)利用CPLEX求解器在调度方案中寻求费用最小且满足总体约束条件的最优调度方案。

3.根据权利要求2所述的风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，其特征在于：步骤(2)所述的“建立风电出力的鲁棒随机优化模型”的具体内容为：

a.利用历史经验基于预测结果，引入经验误差系数和误差方向系数，结合风电机组的可用出力预测值，刻画出风电场总有功出力的波动区间。

b.将风电场出力的波动区间考虑进供暖系统功率平衡的约束条件。

c.在考虑风电场出力波动的系统平衡约束条件时，引入鲁棒因子，可以动态调节调度方案的鲁棒性，有效应对风电出力的波动性。

4.根据权利要求2所述的风电、蓄热式电锅炉联合供暖系统优化调度方法，其特征在于：步骤(3)所述的“构建蓄热式电锅炉的数学模型”的具体内容为：

a.以室温恒定为主要目的，供暖负荷在室外温度上下波动的情况下，考虑建筑散热负荷和供热系统的热损失负荷，能够维持室温的恒定不变。

b.蓄热式电锅炉利用低谷时段的电能在进行基础供热的同时进行储热。在非低谷时段利用蓄热装置进行供暖，电锅炉停止运行。电锅炉在低谷时段每小时的用电负荷应小于该装置的最大用电功率标准。