CN109636015B - 一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，本发明通过构建梯级水电站的发电模型和蓄水模型，以实际与目标调峰功率偏差最小和梯级水电耗水量最小为调度目标，并构建凸优化问题进行求解，制定调度计划，实现流域梯级水电的虚拟抽水蓄能电站调度，充分挖掘梯级水电站的调峰潜力，有效解决新能源消纳引起的系统调峰能力不足问题。

Description

一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法

技术领域

本发明属于水电调度领域，具体涉及一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法。

背景技术

现代电力系统的主要发展趋势是从原来的化石能源发电逐渐转向新能源发电，截至2017年底，我国风电、太阳能发电装机容量分别达到164GW和130GW，均位居世界第一，占全国总装机容量的16.5％，局部地区渗透率甚至超过50％。然而，与水力发电、火力发电等常规发电方式相比，风电、光伏等新能源发电最根本的不同点在于其有功出力的随机性、间歇性和半可控性。在新能源发展过程中，随着新能源在电网中的渗透率逐步提高，电网对新能源的消纳能力面临严重挑战。提高电网调峰能力，促进电网对新能源的消纳已刻不容缓。抽水蓄能电站作为一种优质的调峰电源，因其启动迅速、灵活可靠、绿色无污染的优势，在现代电网中的应用越来越广泛。但投资成本巨大且受地区水力资源限制严重等问题，给新抽水蓄能电站的建设带来困难。

我国水电能源的多年持续开发，水电站，特别梯级水电运行技术发展成熟。梯级水电日前联合调度是一类大规模、强耦合、多约束、动态的非线性优化问题，许多学者在梯级水电模型建立和优化运行上进行了大量的探索，并取得了丰厚的成果；作为联合利益主力，不再单独追求单个电站发电量最大，而是综合考虑整个梯级的发电效益和容量效益。但是，在水电能源优化运行领域的研究中，侧重探究梯级水电的物理过程，从电网侧挖掘梯级水电调峰潜力方面，相关文献较少。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度方法。

本发明所采用的技术方案是：一种梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度方法，用于对梯级水电系统进行优化调度，所述梯级水电系统包括至少两个水电站，且至少一个为年调节水电站。

所述的梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度方法是根据挖掘梯级水电站的调峰潜力为原则，在梯级水电站联合调度系统中制定电力系统短期调度计划时，考虑梯级水电各项约束的情况下，以实际与目标调峰功率偏差最小和梯级水电耗水量最小为调度目标，进行优化调度。

具体包括：

步骤1、根据梯级水电站参数和来水数据等，构建梯级水电站的水利发电模型；

步骤2、建立梯级水电调度周期内“虚拟抽蓄电站”模型；

步骤3，根据步骤1和步骤2建立的模型，以实际与目标调峰功率偏差最小和梯级水电耗水量最小为调度目标，构建梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度目标函数进行求解优化调度。

在上述的一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，构建梯级水电站的水利发电模型基于以下定义：

定义一、各水电站约束为：

水位高度约束

V_j,min≤V_j,t≤V_j,max

式中，V_j,min和V_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大库容；

下泄流量约束

Q_j,min≤q_j,t+s_j,t≤Q_j,max

式中，Q_j,min和Q_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大下泄流量；

水电站出力约束

P_j,min≤P_j,t≤P_j,max

式中，P_j,min和P_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大出力；

弃水量约束

s_j,min≤s_j,t≤s_j,max

式中，s_j,min和s_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大弃水量；

日调节水库末水位约束

对于具有日调节能力的水电站，在每日调度期末，其水库蓄水量应恢复到初始位置，即

V_nd,end＝V_nd,exp

式中，N_d为日调节水电站总数；V_nd,end为第n_d座日调节水库在调度期末的蓄水量；V_nd,exp为第n_d座日调节水库在调度期末的期望蓄水量；

定义二、水力耦合联系为：

在一个含n座水电站的梯级水电系统中，第1座水电站的来水量由自然来水决定，而第2到n座水电站的来水量则由上游水电站的下泄流量和水流时滞决定；不同水电站之间的耦合关系可以通过水量平衡方程式来表示，上游水电站放出的水经过一段时间延迟，到达下游水电站，其数学模型由如下分段函数描述：

式中，V_j,t为t时段第j座水电站的蓄水量；q_j,t和s_j,t分别为t时段第j座水电站的发电流量和弃水流量；w_j,t为t时段第j座水电站的自然来水；τ_j为第j-1座水电站与第j座水电站之间的水流时滞；

定义三、梯级水电水电转化模型为：

水电站出力由发电流量、水头高度、转化效率等因素共同决定；水电站在t₀—t₁时段中生产的电能其数学模型为

式中，η为水能到电能的转化效率；q为发电流量；h为水头高度；实际应用中，对于水头高度，通常采用时段的平均水头来替代瞬时水头，即认为在t₀—t₁时段中水头高度保持不变；因此，对上式微分可得水电站发电功率P的数学模型如下式所示，

P＝9.81ρηqh。

在上述的一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，建立梯级水电调度周期内“虚拟抽蓄电站”模型具体方法是：等效蓄能功率和蓄能总量的数学模型如下所示：

式中，P_storage,t为梯级水电t时刻等效蓄能功率，若P_storage,t为正，表示此时梯级水电处于蓄水状态，若P_storage,t为负，表示此时梯级水电处于放水状态；E_storage,t为梯级水电t时刻蓄能总量；h_j,t为t时段第j座水电站的发电水头；h_j,min为第j座水电站的最小水头；Ψ_j(h)为第j座水电站水头-面积函数。

在上述的一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，构建梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度目标函数：

构建实际与目标调峰功率偏差最小目标函数为：

其中，T为调度期；a为权重系数；P_peak,aim,t为梯级水电t时刻目标调峰功率；J为梯级水电所含水电站总数；P_peak,t为梯级水电t时刻总体等效调峰功率，当P_peak,t大于0时，表示此时为向上调峰，当P_peak,t小于0时，表示此时为向下调峰；P_load,t为梯级水电t时刻所带负荷的功率；

构建梯级水电耗水量最小目标函数为：

式中，d_j和c_j为权重，定义如下，

式中，Ψ_j,t为水电站j在t时段水库面积。

与现有技术相比，本发明通过对流域梯级水电联合调度，使其对外输出特性与抽水蓄能电站相似，实现流域梯级水电的“虚拟抽蓄电站”调度，有效挖掘梯级水电站的调峰潜力，提高了系统的调峰能力，实用性较好。

附图说明

图1是本发明实施例的梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度流程图；

图2是本发明实施例的梯级水电发电情况图；

图3是本发明实施例的梯级水电调峰功率曲线；

图4是本发明实施例的的梯级水电蓄能总量曲线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明电力验证系统，甘肃黄河流域刘家峡至乌金峡共8座梯级水电站为例。上游来水依次通过刘家峡、盐锅峡、八盘峡、河口、柴家峡、小峡、大峡、乌金峡。其具体参数如表1所示。

表1梯级水电站参数

请见图1，基于电力验证系统，本发明所采用的技术方案是：一种梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度方法，包括以下步骤：

步骤1：根据梯级水电站参数和来水数据，构建梯级水电站的水利发电模型；

1)根据梯级水电站参数和来水数据，构建梯级水电站的水利发电模型；

①各水电站约束为：

水位高度约束

V_j,min≤V_j,t≤V_j,max

下泄流量约束

Q_j,min≤q_j,t+s_j,t≤Q_j,max

水电站出力约束

P_j,min≤P_j,t≤P_j,max

弃水量约束

s_j,min≤s_j,t≤s_j,max

日调节水库末水位约束

对于具有日调节能力的水电站，在每日调度期末，其水库蓄水量应恢复到初始位置，即

V_nd,end＝V_nd,exp

②水力耦合联系为：

在一个含n座水电站的梯级水电系统中，第1座水电站的来水量由自然来水决定，而第2到n座水电站的来水量则由上游水电站的下泄流量和水流时滞决定^[5-7]。不同水电站之间的耦合关系可以通过水量平衡方程式来表示，上游水电站放出的水经过一段时间延迟，到达下游水电站，其数学模型由如下分段函数描述：

③梯级水电水电转化模型为：

水电站出力由发电流量、水头高度、转化效率等因素共同决定。水电站在t₀—t₁时段中生产的电能其数学模型为

P＝9.81ρηqh

步骤2：建立梯级水电调度周期内“虚拟抽蓄电站”模型：

所述梯级水电“虚拟抽蓄电站”模型模型为：

对于具有年调节或季调节能力的水电站，其水库具有较强调节能力，在日前优化调度中，可以储存水以满足未来用水的需要。制定调度计划，下发发电任务至梯级水电，可确定每个梯级水电站的下泄流量和来水量(由上游水电站下泄流量确定)。从水库角度看，通过使水电站下泄流量小于来水量，水库蓄水量增加，等效为抽蓄电站的抽水过程；使水电站放水量大于来水量，水库蓄水量减小，等效为抽蓄电站的放水过程。其等效蓄能功率和蓄能总量的数学模型如下所示，

步骤3：构建梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度目标函数：

①构建实际与目标调峰功率偏差最小目标函数为：

②构建梯级水电耗水量最小目标函数为：

式中，d_j和c_j为权重，定义如下，

步骤4：根据梯级水电站参数、来水数据和负荷数据等，设置目标调峰功率；

步骤5：采用商业计算软件对优化问题进行求解，制定调度计划。

为验证本发明有效性，以甘肃省黄河流域刘家峡-乌金峡共8座梯级水电站为研究对象，建立模型进行仿真。考虑到该流域梯级水电站在11月至次年3月不参与电网调峰，故采用6月的历史数据作为梯级水电来水量和所带负荷量。算例设计在每日8至20点，设定目标调峰功率为500MW，使梯级水电工作在放水发电状态下；在每日0点至8点和20点至24点，设定目标调峰功率为-500MW，使梯级水电工作在抽水蓄能状态下。

请见图2，是本发明实施例的梯级水电发电情况图，可见，采用“虚拟抽蓄电站”调度方法后，梯级水电发电运行更加灵活。在8点至20点，电网负荷较大，梯级水电运行在放水发电状态，向上调峰，缓解电网调峰压力；在0点至8点和20点至24点，电网负荷较小，梯级水电运行在抽水蓄能状态，向下调峰，从电网吸收功率进行储能，便于新能源的消纳。

请见图3，是本发明实施例的梯级水电调峰功率曲线，可见，梯级水电的调峰功率与目标设定值偏差较小，最大不超过2.55％，表明该梯级水电能够按照目标调峰功率运行，实现梯级水电的上下调峰。

请见图4，是本发明实施例的梯级水电蓄能总量曲线，可见，在0点至8点和20点至24点，梯级水电的总蓄能量呈增加态势，表明此时梯级水电水库正在蓄水储能；而在8至20点，梯级水电的总蓄能量呈减少态势，表明此时梯级水电水库正在放水发电，与图1结果一致。且经过一个调度周期后，梯级水电的总蓄能量增加了2.54×10⁹kJ，这是因为该调度策略也会使水从水电转换率低且水库面积大的水电站，流向水电转换率高且水库面积小的水电站，提高梯级水电的水电转换效率，所以能在未减少总发电量的情况下，增加梯级水电的总蓄能量。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，其特征在于：包括：

步骤1、根据梯级水电站参数和来水数据，构建梯级水电站的水利发电模型；

步骤2、建立梯级水电调度周期内“虚拟抽蓄电站”模型；

步骤3，根据步骤1和步骤2建立的模型，以实际与目标调峰功率偏差最小和梯级水电耗水量最小为调度目标，构建梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度目标函数进行求解优化调度；

构建梯级水电站的水利发电模型基于以下定义：

定义一、各水电站约束为：

水位高度约束

V_j,min≤V_j,t≤V_j,max

式中，V_j,min和V_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大库容；

下泄流量约束

Q_j,min≤q_j,t+s_j,t≤Q_j,max

式中，Q_j,min和Q_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大下泄流量；

水电站出力约束

P_j,min≤P_j,t≤P_j,max

式中，P_j,min和P_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大出力；

弃水量约束

s_j,min≤s_j,t≤s_j,max

式中，s_j,min和s_j,max分别表示第j座水电站的最小和最大弃水量；

日调节水库末水位约束

对于具有日调节能力的水电站，在每日调度期末，其水库蓄水量应恢复到初始位置，即

V_nd,end＝V_nd,exp

式中，N_d为日调节水电站总数；V_nd,end为第n_d座日调节水库在调度期末的蓄水量；V_nd,exp为第n_d座日调节水库在调度期末的期望蓄水量；

定义二、水力耦合联系为：

在一个含n座水电站的梯级水电系统中，第1座水电站的来水量由自然来水决定，而第2到n座水电站的来水量则由上游水电站的下泄流量和水流时滞决定；不同水电站之间的耦合关系可以通过水量平衡方程式来表示，上游水电站放出的水经过一段时间延迟，到达下游水电站，其数学模型由如下分段函数描述：

式中，V_j,t为t时段第j座水电站的蓄水量；q_j,t和s_j,t分别为t时段第j座水电站的发电流量和弃水流量；w_j,t为t时段第j座水电站的自然来水；τ_j为第j-1座水电站与第j座水电站之间的水流时滞；

定义三、梯级水电水电转化模型为：

水电站出力由发电流量、水头高度、转化效率因素共同决定；水电站在t₀—t₁时段中生产的电能其数学模型为

式中，η为水能到电能的转化效率；q为发电流量；h为水头高度；实际应用中，对于水头高度，通常采用时段的平均水头来替代瞬时水头，即认为在t₀—t₁时段中水头高度保持不变；因此，对上式微分可得水电站发电功率P的数学模型如下式所示，

P＝9.81ρηqh。

2.根据权利要求1所述的一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，其特征在于：建立梯级水电调度周期内“虚拟抽蓄电站”模型具体方法是：等效蓄能功率和蓄能总量的数学模型如下所示：

式中，P_storage,t为梯级水电t时刻等效蓄能功率，若P_storage,t为正，表示此时梯级水电处于蓄水状态，若P_storage,t为负，表示此时梯级水电处于放水状态；E_storage,t为梯级水电t时刻蓄能总量；h_j,t为t时段第j座水电站的发电水头；h_j,min为第j座水电站的最小水头；Ψ_j(h)为第j座水电站水头-面积函数。

3.根据权利要求1所述的一种梯级水电虚拟抽蓄电站调度方法，其特征在于：构建梯级水电“虚拟抽蓄电站”调度目标函数：

构建实际与目标调峰功率偏差最小目标函数为：

其中，T为调度期；a为权重系数；P_peak,aim,t为梯级水电t时刻目标调峰功率；J为梯级水电所含水电站总数；P_peak,t为梯级水电t时刻总体等效调峰功率，当P_peak,t大于0时，表示此时为向上调峰，当P_peak,t小于0时，表示此时为向下调峰；P_load,t为梯级水电t时刻所带负荷的功率；

构建梯级水电耗水量最小目标函数为：

式中，d_j和c_j为权重，定义如下，

式中，Ψ_j,t为水电站j在t时段水库面积。

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