CN110224443B - 一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法，属于电力系统运行技术领域。本方法建立了发电机组与换热站联合启停控制决策模型，该模型以常规火电机组与供热火电机组的总发电和供热成本最小化为目标函数，约束条件包括电力系统约束条件与供热系统约束条件。本方法通过大M法对所建立的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行等价变换，最后对得到的混合整数二次规划问题进行求解得到发电机组与换热站联合启停计划。本方法可以避免传统基于经验的控制决策风险带来的电力与热力供应不足风险，保证供电与供热安全可靠性，同时充分挖掘供热系统的热惯性与储热特性，对电力系统的风电消纳有显著改善。

Description

一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法

技术领域

本发明涉及一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法，属于电力系统运行控制技术领域。

背景技术

热电联供技术对改进能源效率、促进风电等可再生能源消纳、减少碳排放有着巨大的潜力和效益。我国北方正在大力发展热电联供技术，供热火电机组既是电力主要来源，又是城市供热系统的主要热源。受制于供热火电机组的自身出力约束限制，其必须维持在一个较高水平下的最小电出力来保证充分供热，这又导致了风电消纳空间不足，甚至影响供电安全。然而，热电联合系统构成复杂，传统启停控制方法基于经验，无法保证满足供电与供热安全。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法。本发明基于电负荷、热负荷与风电出力预测，通过合理利用供热系统的热惯性与储热特性，对发电机组与换热站的启停计划进行联合控制决策，保证供电与供热的可靠性，提升风电的消纳空间。

本发明提出一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立发电机组与换热站联合启停控制决策模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

(1-1)确定联合启停控制决策模型的目标函数：

联合启停控制决策模型的目标函数为机组发电与供热总成本最小化，表达式如下：

上式中，t为时刻编号，T为启停控制决策涉及的时刻集合，I^G为常规火电机组编号集合，

为常规火电机组i的可变运行成本函数，

为常规火电机组i在时刻t的发电出力，

为常规火电机组i的不带负载成本，

为常规火电机组i在时刻t的运行状态，1为运行，0为不运行，

为常规火电机组i的启动成本，

为常规火电机组i在时刻t的启动状态，1为启动，0为不启动，

为常规火电机组i的停止成本，

为常规火电机组i在时刻t的停止状态，1为停止，0为不停止，I^H为供热火电机组编号集合，

为供热火电机组i的可变运行成本函数，

为供热火电机组i在时刻t的发电出力，

为供热火电机组i在时刻t的供热出力，

为供热火电机组i的不带负载成本，

为供热火电机组i在时刻t的运行状态，1为运行，0为不运行，

为供热火电机组i的启动成本，

为供热火电机组i在时刻t的启动状态，1为启动，0为不启动，

为供热火电机组i的停止成本，

为供热火电机组i在时刻t的停止状态，1为停止，0为不停止；

(1-2)确定联合启停控制决策模型的约束条件，包括：

(1-2-1)电力系统约束，具体如下：

(1-2-1-1)功率平衡约束：

上式中，I^W为风电机组编号集合，

为风电机组i在时刻t的发电出力，I^D为负荷编号集合，

代表负荷i在时刻t的负荷预测值；

(1-2-1-2)发电机组出力区间约束：

上式中，P_i ^G 为常规火电机组i的出力下限，

为常规火电机组i的出力上限，

分别为供热火电机组i的多边形出力区间的参数向量，

风电机组i在时刻t的最大发电预测；

(1-2-1-3)爬坡约束为：

上式中，

为常规火电机组i的停止爬坡能力，

为常规火电机组i的向下爬坡能力，

为常规火电机组i的启动爬坡能力，

为常规火电机组i的向上爬坡能力，

为供热火电机组i的停止爬坡能力，

为供热火电机组i的向下爬坡能力，

为供热火电机组i的启动爬坡能力，

为供热火电机组i的向上爬坡能力；

(1-2-1-4)旋转备用约束：

上式中，SRU_t为电力系统在时刻t的向上旋转备用需求，SRD_t为电力系统在时刻t的向下旋转备用需求；

(1-2-1-5)线路容量约束：

上式中，

为线路j在时刻t的传输功率，

为常规火电机组i到线路j的转移分布因子，

为供热火电机组i到线路j的转移分布因子，

为风电机组i到线路j的转移分布因子，

为负荷i到线路j的转移分布因子，I^L为线路编号集合，

为线路j的传输功率上限；

(1-2-1-6)组合状态逻辑约束：

(1-2-1-7)最小启动与停止时间约束：

上式中，t_u、t_d为时刻索引，

为常规火电机组i的最小启动时间，

为常规火电机组i的最小停止时间，

为供热火电机组i的最小启动时间，

为供热火电机组i的最小停止时间；

(1-2-2)供热系统约束，具体如下：

(1-2-2-1)热源供热约束：

上式中，C^W为水的比热容，

为供热火电机组i的节点水流量，

为供热火电机组i在时刻t的出口节点温度，

为供热火电机组i在时刻t的入口节点温度；

(1-2-2-2)水管传输温度约束：

上式中，

为供热水管i在时刻t的出口节点温度，

为时刻t的外界温度，

为供热水管i的传输延迟时间，

为供热水管i在时刻

的入口节点温度，K^DS为热耗散系数，

为

的向下取整，Ρ^W为水的密度，V_i ^P为供热水管i的容积，

为供热水管i的水流量，I^P为供热水管编号集合，

为供热水管j在时刻t的入口节点温度，

为供热网络中节点i在时刻t的温度，

为供热网络中以节点i为首端节点的水管编号集合，I^ND为供热网络中的节点编号集合，

为供热网络中以节点i为末端节点的水管编号集合；

(1-2-2-3)换热站约束：

上式中，

为换热站i在时刻t如果启动的理论换热功率，

为换热站i的换热系数，

为换热站i的换热面积，

为换热站i在时刻t的一次侧入口温度，

为换热站i在时刻t的二次侧出口温度，

为换热站i在时刻t的一次侧出口温度，

为换热站i在时刻t的二次侧入口温度，I^EX为换热站编号集合，

为换热站i在时刻t的换热功率，

为换热站i在时刻t的运行状态，1为运行，0为不运行，

为换热站i的一次侧水流量，

为换热站i的二次侧水流量；

(1-2-2-3)热负荷约束：

上式中，

为换热站i所带的热负荷在时刻t的储热水平，

为换热站i所带的热负荷的储热水平参数，

为换热站i所带的热负荷在时刻t的热耗散功率，ΔT为启停控制决策时刻分辨率，

分别为换热站i所带的热负荷的热耗散参数，

为时刻t的室外综合温度，

为换热站i所带的热负荷的储热水平下限，

为换热站i所带的热负荷的储热水平上限；

(2)将步骤(1)建立的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行变换，将换热站约束中的

通过大M法等价变换为下面的形式：

上式中，M为正数；

(3)对步骤(2)变换后的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行求解，得到的常规火电机组运行状态

供热火电机组运行状态

与换热站运行状态

即为发电机组与换热站联合启停计划。

本发明的特点及有益效果是：

本方法能够将换热站的启停控制决策与传统机组启停控制决策相结合，使得供热系统合理参与到电力系统的调峰中，避免了传统基于经验的决策风险带来的供电与供热安全风险，保证电力和热力供应的安全性，对电力系统的风电消纳有显著改善。相比于传统基于经验的换热站启停控制决策，本发明所提出的发电机组与换热站联合启停控制决策方法能够避免供热系统热供应不足或过剩，保证供电与供热的可靠性，同时实现对供热系统的热惯性与储热特性的深度挖掘。

具体实施方式

本发明提出一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法，下面结合具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法，包括以下步骤：

(1)建立发电机组与换热站联合启停控制决策模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

(1-1)确定联合启停控制决策模型的目标函数：

联合启停控制决策模型的目标函数为机组发电与供热总成本最小化，表达式如下：

上式中，t为时刻编号，T为启停控制决策涉及的时刻集合，I^G为常规火电机组编号集合，

为常规火电机组i的可变运行成本函数，

为常规火电机组i在时刻t的发电出力，

为常规火电机组i的不带负载成本，

为常规火电机组i在时刻t的运行状态(1为运行，0为不运行)，

为常规火电机组i的启动成本，

为常规火电机组i在时刻t的启动状态(1为启动，0为不启动)，

为常规火电机组i的停止成本，

为常规火电机组i在时刻t的停止状态(1为停止，0为不停止)，I_H为供热火电机组编号集合，

为供热火电机组i的可变运行成本函数，

为供热火电机组i在时刻t的发电出力，

为供热火电机组i在时刻t的供热出力，

为供热火电机组i的不带负载成本，

为供热火电机组i在时刻t的运行状态(1为运行，0为不运行)，

为供热火电机组i的启动成本，

为供热火电机组i在时刻t的启动状态(1为启动，0为不启动)，

为供热火电机组i的停止成本，

为供热火电机组i在时刻t的停止状态(1为停止，0为不停止)。

(1-2)确定联合启停控制决策模型的约束条件，包括：

(1-2-1)电力系统约束，具体如下：

(1-2-1-1)功率平衡约束：

上式中，I^W为风电机组编号集合，

为风电机组i在时刻t的发电出力，I^D为负荷编号集合，

代表负荷i在时刻t的负荷预测值；

(1-2-1-2)发电机组出力区间约束：

上式中，P_i ^G为常规火电机组i的出力下限，

为常规火电机组i的出力上限，

分别为供热火电机组i的多边形出力区间的参数向量(该参数为机组出厂参数)，

风电机组i在时刻t的最大发电预测。

(1-2-1-3)爬坡约束为：

上式中，

为常规火电机组i的停止爬坡能力，

为常规火电机组i的向下爬坡能力，

为常规火电机组i的启动爬坡能力，

为常规火电机组i的向上爬坡能力，

为供热火电机组i的停止爬坡能力，

为供热火电机组i的向下爬坡能力，

为供热火电机组i的启动爬坡能力，

为供热火电机组i的向上爬坡能力。

(1-2-1-4)旋转备用约束：

上式中，SRU_t为电力系统在时刻t的向上旋转备用需求，SRD_t为电力系统在时刻t的向下旋转备用需求。

(1-2-1-5)线路容量约束：

上式中，

为线路j在时刻t的传输功率，

为常规火电机组i到线路j的转移分布因子，

为供热火电机组i到线路j的转移分布因子，

为风电机组i到线路j的转移分布因子，

为负荷i到线路j的转移分布因子，I^L为线路编号集合，

为线路j的传输功率上限。

(1-2-1-6)组合状态逻辑约束：

(1-2-1-7)最小启动与停止时间约束：

上式中，t_u、t_d为时刻索引，

为常规火电机组i的最小启动时间，

为常规火电机组i的最小停止时间，

为供热火电机组i的最小启动时间，

为供热火电机组i的最小停止时间。

(1-2-2)供热系统约束，具体如下：

(1-2-2-1)热源供热约束：

上式中，C^W为水的比热容，

为供热火电机组i的节点水流量，

为供热火电机组i在时刻t的出口节点温度，

为供热火电机组i在时刻t的入口节点温度。

(1-2-2-2)水管传输温度约束：

上式中，

为供热水管i在时刻t的出口节点温度，

为时刻t的外界温度，

为供热水管i的传输延迟时间，

为供热水管i在时刻

的入口节点温度，K^DS为热耗散系数，

为

的向下取整，Ρ^W为水的密度，V_i ^P为供热水管i的容积，

为供热水管i的水流量，I^P为供热水管编号集合，

为供热水管j在时刻t的入口节点温度，

为供热网络中节点i在时刻t的温度，

为供热网络中以节点i为首端节点的水管编号集合，I^ND为供热网络中的节点编号集合，

为供热网络中以节点i为末端节点的水管编号集合。

(1-2-2-3)换热站约束：

上式中，

为换热站i在时刻t如果启动的理论换热功率，

为换热站i的换热系数，

为换热站i的换热面积，

为换热站i在时刻t的一次侧入口温度，

为换热站i在时刻t的二次侧出口温度，

为换热站i在时刻t的一次侧出口温度，

为换热站i在时刻t的二次侧入口温度，I^EX为换热站编号集合，

为换热站i在时刻t的换热功率，

为换热站i在时刻t的运行状态(1为运行，0为不运行)，

为换热站i的一次侧水流量，

为换热站i的二次侧水流量。

(1-2-2-3)热负荷约束：

上式中，

为换热站i所带的热负荷在时刻t的储热水平，

为换热站i所带的热负荷的储热水平参数，

为换热站i所带的热负荷在时刻t的热耗散功率，ΔT为启停控制决策时刻分辨率，

分别为换热站i所带的热负荷的热耗散参数，

为时刻t的室外综合温度，

为换热站i所带的热负荷的储热水平下限，

为换热站i所带的热负荷的储热水平上限。

(2)将步骤(1)建立的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行变换，将换热站约束条件中的

通过大M法等价变换为下面的形式：

上式中，M为一个足够大的正数，在本发明中可取值10000。

(3)对步骤(2)变换后的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行求解，该求解可以通过开源或商业的混合整数二次规划求解器来完成。求解得到的常规火电机组运行状态

供热火电机组运行状态

与换热站运行状态

即为发电机组与换热站联合启停计划。

Claims (1)

1.一种发电机组与换热站联合启停控制决策方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立发电机组与换热站联合启停控制决策模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

(1-1)确定联合启停控制决策模型的目标函数：

联合启停控制决策模型的目标函数为机组发电与供热总成本最小化，表达式如下：

上式中，t为时刻编号，T为启停控制决策涉及的时刻集合，I^G为常规火电机组编号集合，

为常规火电机组i的可变运行成本函数，

为常规火电机组i在时刻t的发电出力，

为常规火电机组i的不带负载成本，

为常规火电机组i在时刻t的运行状态，1为运行，0为不运行，

为常规火电机组i的启动成本，

为常规火电机组i在时刻t的启动状态，1为启动，0为不启动，

为常规火电机组i的停止成本，

为常规火电机组i在时刻t的停止状态，1为停止，0为不停止，I^H为供热火电机组编号集合，

为供热火电机组i的可变运行成本函数，

为供热火电机组i在时刻t的发电出力，

为供热火电机组i在时刻t的供热出力，

为供热火电机组i的不带负载成本，

为供热火电机组i在时刻t的运行状态，1为运行，0为不运行，

为供热火电机组i的启动成本，

为供热火电机组i在时刻t的启动状态，1为启动，0为不启动，

为供热火电机组i的停止成本，

为供热火电机组i在时刻t的停止状态，1为停止，0为不停止；

(1-2)确定联合启停控制决策模型的约束条件，包括：

(1-2-1)电力系统约束，具体如下：

(1-2-1-1)功率平衡约束：

上式中，I^W为风电机组编号集合，

为风电机组i在时刻t的发电出力，I^D为负荷编号集合，

代表负荷i在时刻t的负荷预测值；

(1-2-1-2)发电机组出力区间约束：

上式中，

为常规火电机组i的出力下限，

为常规火电机组i的出力上限，

分别为供热火电机组i的多边形出力区间的参数向量，

风电机组i在时刻t的最大发电预测；

(1-2-1-3)爬坡约束为：

上式中，

为常规火电机组i的停止爬坡能力，

为常规火电机组i的向下爬坡能力，

为常规火电机组i的启动爬坡能力，

为常规火电机组i的向上爬坡能力，

为供热火电机组i的停止爬坡能力，

为供热火电机组i的向下爬坡能力，

为供热火电机组i的启动爬坡能力，

为供热火电机组i的向上爬坡能力；

(1-2-1-4)旋转备用约束：

上式中，SRU_t为电力系统在时刻t的向上旋转备用需求，SRD_t为电力系统在时刻t的向下旋转备用需求；

(1-2-1-5)线路容量约束：

上式中，

为线路j在时刻t的传输功率，

为常规火电机组i到线路j的转移分布因子，

为供热火电机组i到线路j的转移分布因子，

为风电机组i到线路j的转移分布因子，

为负荷i到线路j的转移分布因子，I^L为线路编号集合，

为线路j的传输功率上限；

(1-2-1-6)组合状态逻辑约束：

(1-2-1-7)最小启动与停止时间约束：

上式中，t_u、t_d为时刻索引，

为常规火电机组i的最小启动时间，

为常规火电机组i的最小停止时间，

为供热火电机组i的最小启动时间，

为供热火电机组i的最小停止时间；

(1-2-2)供热系统约束，具体如下：

(1-2-2-1)热源供热约束：

上式中，C^W为水的比热容，

为供热火电机组i的节点水流量，

为供热火电机组i在时刻t的出口节点温度，

为供热火电机组i在时刻t的入口节点温度；

(1-2-2-2)水管传输温度约束：

上式中，

为供热水管i在时刻t的出口节点温度，

为时刻t的外界温度，

为供热水管i的传输延迟时间，

为供热水管i在时刻

的入口节点温度，K^DS为热耗散系数，

为

的向下取整，Ρ^W为水的密度，V_i ^P为供热水管i的容积，

为供热水管i的水流量，I^P为供热水管编号集合，

为供热水管j在时刻t的入口节点温度，

为供热网络中节点i在时刻t的温度，

为供热网络中以节点i为首端节点的水管编号集合，I^ND为供热网络中的节点编号集合，

为供热网络中以节点i为末端节点的水管编号集合；

(1-2-2-3)换热站约束：

上式中，

为换热站i在时刻t如果启动的理论换热功率，

为换热站i的换热系数，

为换热站i的换热面积，

为换热站i在时刻t的一次侧入口温度，

为换热站i在时刻t的二次侧出口温度，

为换热站i在时刻t的一次侧出口温度，

为换热站i在时刻t的二次侧入口温度，I^EX为换热站编号集合，

为换热站i在时刻t的换热功率，

为换热站i在时刻t的运行状态，1为运行，0为不运行，

为换热站i的一次侧水流量，

为换热站i的二次侧水流量；

(1-2-2-3)热负荷约束：

上式中，

为换热站i所带的热负荷在时刻t的储热水平，

为换热站i所带的热负荷的储热水平参数，

为换热站i所带的热负荷在时刻t的热耗散功率，ΔT为启停控制决策时刻分辨率，

分别为换热站i所带的热负荷的热耗散参数，

为时刻t的室外综合温度，

为换热站i所带的热负荷的储热水平下限，

为换热站i所带的热负荷的储热水平上限；

(2)将步骤(1)建立的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行变换，将换热站约束中的

通过大M法等价变换为下面的形式：

上式中，M为正数；

(3)对步骤(2)变换后的发电机组与换热站联合启停控制决策模型进行求解，得到的常规火电机组运行状态

供热火电机组运行状态

与换热站运行状态

即为发电机组与换热站联合启停计划。