CN110048469B - 一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，首先根据一种含有蓄热系统和电加热装置的光热‑风电系统结构，与风电场联合并网运行；然后以系统综合成本最低为目标函数，通过详细构造光热电站的数学模型，利用蓄热系统的可调度性、电加热装置的消纳能力和光热机组良好的调节特性，建立光热‑风电优化模型；最后在不增加系统成本的前提下，利用该模型对电力系统进行优化调度。本发明提供的技术方法能够提高系统的调节能力，促进风电消纳，同时减少风电功率爬坡事件的发生，提高了电力系统的安全稳定性与运行经济性。

Description

一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法
技术领域
本发明涉及电力系统安全稳定控制领域，尤其涉及一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法。
背景技术
近年来，为了践行国家“节约、清洁、安全”的能源发展方针，推动高比例可再生能源接入电网，以风电为代表的可再生能源迅猛发展。但随着风电渗透率的增加，弃风现象严重，风电消纳问题亟需解决。同时，风电具有强波动性，易在短时间内快速减少或增加发电功率，，传统电源调节能力不足会发生风电功率爬坡事件。光热发电技术是一种新兴的可再生能源发电方式，未来将成为高比例可再生能源并网的重要支撑技术，利用光热发电技术解决高比例风电并网过程中出现的问题，是目前研究的热点之一。光热发电的优越性主要体现在：第一，光热电站常常配置了大容量的蓄热系统。蓄热系统能够平移光照大发时的光热能，在需要的时候供电，拥有较好的可控性和调度能力。第二，含电加热装置的光热电站能够以可再生能源消纳可再生能源，吸收系统中的多余电能并转换成热能，存储在蓄热系统中，提高了光热电站的运行灵活性。第三，光热电站的汽轮机组拥有与燃气机组相媲美的调节能力，爬坡率最快能达到每分钟调节20％的装机容量，远远高于传统火电机组每分钟调节2％～5％的装机容量。
现有研究主要从风光互补性、蓄热系统配置和调度策略等三个方面展开。但相关研究在计及风电出力波动性的同时，往往不能兼顾提高风电消纳水平，降低系统的运行成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的光热电站调度方法不能兼顾提高风电消纳水平，降低系统的运行成本的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，包括以下步骤：
1)根据一种光热电站的系统结构，建立光热电站简化的数学模型；
2)判断是否发生风电功率爬坡事件；
3)以光热-风电系统结构作为理论基础，建立光热-风电优化模型，以模型优化结果作为促进风电消纳的优化调度方法。
进一步地，所述步骤1)中，光热电站的系统结构主要包括聚光集热系统、蓄热系统、电加热装置和发电系统，光热电站简化数学模型的约束条件具体包括：
(1)聚光集热系统的作用是通过光场吸收光热能，接收到的太阳能热功率为：
Psolar,t＝ηSFSSFDt
式中Psolar,t为聚光集热系统接收到的太阳能功率，ηSF为聚光集热系统的光热转换效率，SSF为光场面积，Dt为t时刻的光照直接辐射指数；
(2)将能量传输、转换枢纽——传热工质视为一个节点，从而可得光热电站内部的功率平衡等式为：
PS-H,t+PE-H,t＝PT-H,t-PH-T,t+PH-P,t
式中PS-H,t为传热工质从聚光集热系统中吸收到的热功率，PH-P,t为传热工质输送给发电系统的热功率，PH-T,t、PT-H,t为传热工质与蓄热系统之间的充、放热功率，PE-H,t为电加热装置转换后传递给传热工质的热功率；
(3)蓄热系统的作用是与传热工质进行热交换，对光热电站的出力进行调度，它的充、放热功率可在限制范围内连续调节，但充、放热不能同时进行，同时蓄热系统具有容量约束；因此，蓄热系统的约束可归结为：
Figure BDA0002058728910000021
式中，Et为t时刻蓄热系统的容量状态，Eup、Edown分别为蓄热系统容量的上、下限，PTES,t为t时刻蓄热系统的吸热或放热功率，PTES,t为正表示放热，为负表示吸热，Δt为时间间隔，η1，η2分别为蓄热系统放热、充热的效率；
(4)电加热装置的作用是消纳吸收电网中的盈余电能，它的电-热转换关系为：
PE-H,t＝ηEHPsurplus,t
式中，ηEH为电加热装置的电-热转换效率，Psurplus,t为系统中的盈余电功率；
(5)发电系统的发电功率可表示为传热工质输送给发电系统热功率PH-P,t的函数关系，即：
Pcsp,t＝f(PH-P,t)
发电系统的光热机组运行约束和爬坡约束可表示为：
Pcsp,min≤Pcsp,t≤Pcsp,max
-Rcsp,d≤Pcsp,t-Pcsp,t-1≤Rcsp,u
式中，Pcsp,min、Pcsp,max分别为光热机组的出力上限、下限，Rcsp,d、Rcsp,u分别为光热机组的最大上爬坡率、下爬坡率。
进一步地，所述步骤2)中，判断是否发生爬坡事件的辨识方法是通过两个时间点的风力出力差值的绝对值与时间间隔之比，与系统实际所能承受的爬坡阈值上限、下限进行比较，判断是否会发生爬坡事件，其中实时风电爬坡率的计算方法为：
Pwconsume,t＝Pwind,t-Pwloss,t
Rt＝|Pwconsume,t+1-Pwconsume,t|/Δt
式中，Pwconsume,t为t时刻实际消纳的风电功率，Rt为t时刻实际所需的风电爬坡率；
系统实际所能承受的爬坡率阈值计算方法为：
Figure BDA0002058728910000031
Figure BDA0002058728910000032
式中，Rup,t、Rdown,t分别为t时刻系统爬坡率阈值的上限与下限，Ri,u，Ri,d分别为第i台发电机的上爬坡率与下爬坡率，N为系统中总的发电机数，Nt为t时刻系统中不具备调节能力或者已经达到调节极限的发电机集合；
则风电功率爬坡事件的辨识方法即为：
Rdown,t≤Rt≤Rup,t
当某一时间间隔Δt内的Rt满足上式时，则该时间间隔内不会发生风电功率爬坡事件；反之，该时间间隔内会发生风电功率爬坡事件。
进一步地，所述步骤3)中，光热-风电优化模型是以系统的综合运行成本最低为目标函数，考虑到系统的各种运行约束条件，对光热-风电系统进行优化调度，需要综合考虑系统中弃风惩罚、火电机组的运行成本和光热电站的运行成本及效益，，使系统的运行成本最低，则目标函数为：
Figure BDA0002058728910000041
式中aw为弃风惩罚系数，Pwloss,t为t时刻风电的弃风功率，ai为第i台火电机组的出力成本系数，Pi,t为t时刻第i台火电机组的发电功率，acsp为光热机组的出力成本系数，Pcsp,t为t时刻光热机组的发电功率，aTES为蓄热系统的运行成本系数，aEH为电加热装置的运行效益系数，PEH,t为t时刻电加热装置吸收的盈余功率，T为总的优化时间，N为总的火电机组台数。
进一步地，各种运行约束条件具体包括系统的网络安全约束、各类机组的运行约束、爬坡约束和风电场的弃风约束。
进一步地，所述网络安全约束为主要考虑了系统的有功平衡约束、线路传输极限约束和节点相角约束，具体为：
Figure BDA0002058728910000042
-Pfl,max≤Pl,t≤Pzl,max
-π≤θn,t≤π
式中Pload,i,t为t时刻第i个节点的负荷功率，NL为总的负荷节点数，Pl,t是t时刻线路l的传输功率，Pzl,max、Pfl,max分别是线路l最大正向、反向的传输极限，θn,t为t时刻n节点的相角。
进一步地，所述机组运行约束和爬坡约束为考虑到机组的最小、最大出力功率和出力爬坡限制，即每分钟最大调整出力占额定容量的百分比，具体为：
Pi,min≤Pi,t≤Pi,max
-Ri,d≤Pi,t-Pi,t-1≤Ri,u
式中Pi,min、Pi,max分别为火电机组的最小、最大出力功率，Ri,d、Ri,u分别为火电机组的上爬坡率、下爬坡率。
进一步地，所述弃风约束为风电场每一时刻的弃风量不能超过风电场总的发电量，具体为：
0≤Pwloss,t≤Pwind,t
式中Pwind,t为t时刻风电场的发电量
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
利用光热电站参与电力系统优化调度，可以在高比例风电并网时缓解系统中火电机组的调节压力，提高风电消纳水平，减少风电功率爬坡事件的发生，同时提高系统运行的经济性。
附图说明
图1为本发明的光热-风电系统结构示意图；
图2为本发明所提策略与不采用所提策略的风电功率实际消纳情况对比图；
图3为本发明所提策略与不采用所提策略的风电功率爬坡事件发生情况对比图；
图4为本发明所提策略与不采用所提策略的总成本、弃风量和爬坡事件发生次数对比图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作更进一步的说明，在IEEE-RTS24节点的标准测试系统中接入风电场，风电渗透率为22％。
本发明提出一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，该方法包括两个方面：光热-风电系统结构和光热-风电优化模型。
(1)光热-风电系统结构
通过构建光热电站内部简化数学模型和分析一种风电功率爬坡事件辨识方法，为光热-风电优化模型提供理论基础。
简化的光热电站数学模型需要满足以下约束条件：
首先，聚光集热系统中接收到的太阳能热功率为：
Psolar,t＝ηSFSSFDt
式中Psolar,t为聚光集热系统接收到的太阳能功率，ηSF为聚光集热系统的光热转换效率，SSF为光场面积，Dt为t时刻的光照直接辐射指数。
然后，将能量传输、转换枢纽——传热工质视为一个节点，从而可得光热电站内部的功率平衡等式为：
PS-H,t+PE-H,t＝PT-H,t-PH-T,t+PH-P,t
式中PS-H,t为传热工质从聚光集热系统中吸收到的热功率，PH-P,t为传热工质输送给发电系统的热功率，PH-T,t、PT-H,t为传热工质与蓄热系统之间的充、放热功率，PE-H,t为电加热装置转换后传递给传热工质的热功率。
接着，蓄热系统的充、放热功率可在限制范围内连续调节，但充、放热不能同时进行，同时蓄热系统具有容量约束。因此，蓄热系统的约束可归结为：
Figure BDA0002058728910000061
式中，Et为t时刻蓄热系统的容量状态，Eup、Edown分别为蓄热系统容量的上、下限，PTES,t为t时刻蓄热系统的吸热或放热功率，PTES,t为正表示放热，为负表示吸热，Δt为时间间隔，η1，η2分别为蓄热系统放热、充热的效率。
其中，电加热装置的电-热转换关系为：
PE-H,t＝ηEHPsurplus,t
式中ηEH为电加热装置的电-热转换效率。
最后，光热电站发电系统的发电功率可表示为传热工质输送给发电系统热功率PH-P,t的函数关系，即：
Pcsp,t＝f(PH-P,t)
机组的运行约束和爬坡约束可表示为：
Pcsp,min≤Pcsp,t≤Pcsp,max
-Rcsp,d≤Pcsp,t-Pcsp,t-1≤Rcsp,u
式中Pcsp,min、Pcsp,max分别为光热机组的出力上限、下限，Rcsp,d、Rcsp,u分别为光热机组的最大上爬坡率、下爬坡率。
一种风电功率爬坡事件的辨识方法为，通过两个时间点的风力出力差值的绝对值与时间间隔之比，与系统实际所能承受的爬坡阈值进行比较，判断是否会发生爬坡事件。其中实时风电爬坡率的计算方法为：
Pwconsume,t＝Pwind,t-Pwloss,t
Rt＝|Pwconsume,t+1-Pwconsume,t|/Δt
式中Pwconsume,t为t时刻实际消纳的风电功率，Rt为t时刻实际所需的风电爬坡率。
系统实际所能承受的爬坡率阈值计算方法为：
Figure BDA0002058728910000071
Figure BDA0002058728910000072
式中Rup,t、Rdown,t分别为t时刻系统爬坡率阈值的上限与下限，Ri,u，Ri,d分别为第i台发电机的上爬坡率与下爬坡率，N为系统中总的发电机数，Nt为t时刻系统中不具备调节能力或者已经达到调节极限的发电机集合。
则风电功率爬坡事件的辨识方法即为：
Rdown,t≤Rt≤Rup,t
当某一时间间隔Δt内的Rt满足上式时，则该时间间隔内不会发生风电功率爬坡事件；反之，该时间间隔内会发生风电功率爬坡事件。
(2)光热-风电优化模型
需要综合考虑系统中弃风惩罚、火电机组的运行成本和光热电站的运行成本及效益，使系统的运行成本最低，则目标函数为：
Figure BDA0002058728910000073
式中aw为弃风惩罚系数，Pwloss,t为t时刻风电的弃风功率，ai为第i台火电机组的出力成本系数，Pi,t为t时刻第i台火电机组的发电功率，acsp为光热机组的出力成本系数，Pcsp,t为t时刻光热机组的发电功率，aTES为蓄热系统的运行成本系数，aEH为电加热装置的运行效益系数，PEH,t为t时刻电加热装置吸收的盈余功率，T为总的优化时间，N为总的火电机组台数。
光热-风电优化模型的约束条件主要考虑系统的网络安全约束、各种机组的运行约束、爬坡约束和风电场的弃风约束。其中网络安全约束本文考虑了系统的有功平衡约束、线路传输极限约束和节点相角约束。
例如，以上述光热-风电优化模型对图1所示的光热-风电系统结构进行优化调度，调度的结果如图2、3、4所示，在不提高系统综合成本的前提下，充分利用光热电站的运行灵活性对电力系统进行优化调度，一方面可以缓解系统中火电机组的调节压力，提高系统的调节能力，减少弃风电量，促进风电消纳；另一方面也可以减少风电功率爬坡事件的发生，有效控制风电功率爬坡事件对电力系统的影响。

Claims (6)

1.一种利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据一种光热电站的系统结构，建立光热电站简化的数学模型；
2)判断是否发生风电功率爬坡事件；
3)以光热-风电系统结构作为理论基础，建立光热-风电优化模型，以模型优化结果作为促进风电消纳的优化调度方法；
所述步骤2)中，判断是否发生风电功率爬坡事件的辨识方法是通过两个时间点的风电功率差值的绝对值与时间间隔之比，与系统实际所能承受的爬坡阈值上限、下限进行比较，判断是否会发生风电功率爬坡事件，实时风电爬坡率的计算方法为：
Pwconsume,t＝Pwind,t-Pwloss,t
Rt＝|Pwconsume,t+1-Pwconsume,t|/Δt
式中，Pwconsume,t为t时刻实际消纳的风电功率，Rt为t时刻实时风电爬坡率，Pwloss,t为t时刻风电的弃风功率，Pwind,t为t时刻风电场的发电量；
系统实际所能承受的爬坡率阈值计算方法为：
Figure FDA0003035023620000011
Figure FDA0003035023620000012
式中，Rup,t、Rdown,t分别为t时刻系统爬坡率阈值的上限与下限，Ri,u，Ri,d分别为第i台发电机的上爬坡率阈值与下爬坡率阈值，N为系统中总的发电机数，Nt为t时刻系统中不具备调节能力或者已经达到调节极限的发电机数；
则风电功率爬坡事件的辨识方法即为：
Rdown,t≤Rt≤Rup,t
当某一时间间隔Δt内的Rt满足上式时，则该时间间隔内不会发生风电功率爬坡事件；反之，该时间间隔内会发生风电功率爬坡事件；
所述步骤3)中，光热-风电优化模型是以系统的综合运行成本最低为目标函数，考虑到系统的各种运行约束条件，对光热-风电系统进行优化调度，需要综合考虑系统中弃风惩罚、火电机组的运行成本和光热电站的运行成本及效益，使系统的运行成本最低，则目标函数为：
Figure FDA0003035023620000021
式中aw为弃风惩罚系数，Pwloss,t为t时刻风电的弃风功率，ai为第i台火电机组的出力成本系数，Pi,t为t时刻第i台火电机组的发电功率，acsp为光热机组的出力成本系数，Pcsp,t为t时刻光热机组的发电功率，aTES为蓄热系统的运行成本系数，aEH为电加热装置的运行效益系数，PEH,t为t时刻电加热装置吸收的盈余功率，T为总的优化时间，N为总的火电机组台数，PTES,t为正表示放热，为负表示吸热。
2.根据权利要求1所述的利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，其特征在于，所述步骤1)中，光热电站的系统结构主要包括聚光集热系统、蓄热系统、电加热装置和发电系统，光热电站简化数学模型的约束条件具体包括：
(1)聚光集热系统的作用是通过光场吸收光热能，接收到的太阳能热功率为：
Psolar,t＝ηSFSSFDt
式中Psolar,t为聚光集热系统接收到的太阳能功率，ηSF为聚光集热系统的光热转换效率，SSF为光场面积，Dt为t时刻的光照直接辐射指数；
(2)将能量传输、转换枢纽——传热工质视为一个节点，从而可得光热电站内部的功率平衡等式为：
PS-H,t+PE-H,t＝PT-H,t-PH-T,t+PH-P,t
式中PS-H,t为传热工质从聚光集热系统中吸收到的热功率，PH-P,t为传热工质输送给发电系统的热功率，PH-T,t、PT-H,t为传热工质与蓄热系统之间的充、放热功率，PE-H,t为电加热装置转换后传递给传热工质的热功率；
(3)蓄热系统的作用是与传热工质进行热交换，对光热电站的出力进行调度，它的充、放热功率可在限制范围内连续调节，但充、放热不能同时进行，同时蓄热系统具有容量约束；因此，蓄热系统的约束可归结为：
Figure FDA0003035023620000031
式中，Et为t时刻蓄热系统的容量状态，Eup、Edown分别为蓄热系统容量的上、下限，PTES,t为t时刻蓄热系统的吸热或放热功率，PTES,t为正表示放热，为负表示吸热，Δt为时间间隔，η1，η2分别为蓄热系统放热、充热的效率；
(4)电加热装置的作用是消纳吸收电网中的盈余电能，它的电-热转换关系为：
PE-H,t＝ηEHPsurplus,t
式中，ηEH为电加热装置的电-热转换效率，Psurplus,t为系统中的盈余电功率；
(5)发电系统的发电功率可表示为传热工质输送给发电系统热功率PH-P,t的函数关系，即：
Pcsp,t＝f(PH-P,t)
发电系统运行约束和爬坡约束可表示为：
Pcsp,min≤Pcsp,t≤Pcsp,max
-Rcsp,d≤Pcsp,t-Pcsp,t-1≤Rcsp,u
式中，Pcsp,min、Pcsp,max分别为光热机组的出力上限、下限，Rcsp,d、Rcsp,u分别为光热机组的最大上爬坡率、下爬坡率。
3.根据权利要求1所述的利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，其特征在于，各种运行约束条件具体包括系统的网络安全约束、各类机组的运行约束、爬坡约束和风电场的弃风约束。
4.根据权利要求3所述的利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，其特征在于，所述网络安全约束为主要考虑了系统的有功平衡约束、线路传输极限约束和节点相角约束，具体为：
Figure FDA0003035023620000032
-Pfl,max≤Pl,t≤Pzl,max
-π≤θn,t≤π
式中Pload,i,t为t时刻第i个节点的负荷功率，NL为总的负荷节点数，Pl,t是t时刻线路l的传输功率，Pzl,max、Pfl,max分别是线路l最大正向、反向的传输极限，θn,t为t时刻n节点的相角。
5.根据权利要求3所述的利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，其特征在于，火电机组运行约束和爬坡约束为考虑到机组的最小、最大出力功率和出力爬坡限制，即每分钟最大调整出力占额定容量的百分比，具体为：
Pi,min≤Pi,t≤Pi,max
-Ri,d≤Pi,t-Pi,t-1≤Ri,u
式中Pi,min、Pi,max分别为火电机组的最小、最大出力功率，Ri,d、Ri,u分别为火电机组的上爬坡率、下爬坡率。
6.根据权利要求3所述的利用光热电站促进风电消纳的优化调度方法，其特征在于，所述风电场的弃风约束为风电场每一时刻的弃风量不能超过风电场总的发电量，具体为：
0≤Pwloss,t≤Pwind,t
式中Pwind,t为t时刻风电场的发电量。
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