CN111191353B - 考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力系统运行与控制技术领域,尤其涉及一种考虑热惯性的电‑热综合能源系统协调运行方法。本发明以提高电‑热综合能源系统运行能力为目标,针对电‑热综合能源系统的热惯性特性导致在产热、供热等环节中存在有一定的供热延迟性以及供暖期间电网调度困难问题,对电‑热综合能源系统中CHP机组、电锅炉、供热管网三种单元进行热惯性分析,建立计及热惯性的电‑热综合能源系统优化运行模型,对电‑热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔进行计算,最后建立电‑热综合能源系统优化运行模型,提高了电‑热综合能源系统协调优化运行能力,解决电‑热综合能源系统热惯性影响下调度难的问题,具有非常高的实际调度运行应用价值。

Description

考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法
技术领域
本发明属于电力系统运行与控制技术领域,尤其涉及一种考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法,通过对电-热综合能源系统中各供热单元热惯性的分析建模,提高电-热综合能源系统协调优化运行能力。
背景技术
电-热综合能源系统作为一种新的能源综合生产、利用方式,具有高效利用能源、满足大量电-热负荷需求的要求,是国家政策一直大力推进的综合接能见耗的有效方法之一。但是,电-热综合能源系统中各供热单元具有热惯性特性,在产热、供热等环节中存在有一定的供热延迟性,冬季供暖期间电网调度和热网调度相互作用,使得电-热综合能源系统运行调度十分困难,进而导致电-热综合能源系统无法实现高效、经济运行。另外,我国的“三北”地区——西北、东北及华北地区,冬季供暖方式多采用热电厂进行集中供热,供热过程中伴随着大量的换进污染问题,而电-热综合能源系统相比传统锅炉供热方式可以很好的控制燃料燃烧产生的环境污染问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本发明提供了一种考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法,目的是针对供热系统中负荷热惯性导致电-热综合能源系统运行调度能力减弱的问题,对电-热综合能源系统中的CHP机组、电锅炉、供热管网热惯性进行充分考虑并量化约束,在此基础上对电-热综合能源系统运行调度问题进行重新的考量求解,使电-热综合能源系统更高效经济的运行,提高电-热综合能源系统风电消纳能力。
为实现上述发明目的,本发明是采用如下技术方案来实现的:
考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法,包括以下步骤:
步骤一:基于电-热综合能源系统结构图,计算CHP机组总输出电功率、总采暖抽汽量及总耗煤量;
步骤二:计算电锅炉直接供热功率,建立电锅炉蓄热量、耗电功率及储热功率约束;
步骤三:计算供热管网热力;包括:计算一级供热管网热力方程、二级供热管网热力方程及二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性方程;
步骤四:基于步骤一至步骤三,计算电-热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔;
步骤五:首先对电-热综合能源系统功率平衡等式、出力不等式进行约束,然后以电-热综合能源系统煤耗量最小以及弃风量最小为目标,计算电-热综合能源系统优化运行目标函数,构建电-热综合能源系统优化运行方法。
所述步骤一中CHP机组总输出电功率总采暖抽汽量/>计算如下式:
式中,m为CHP机组总数;为CHP机组在t时段的总输出电功率,/>为第i台CHP机组在t时段的输出电功率;/>为CHP机组在t时段的总采暖抽汽量,/>为第i台CHP机组在t时段的采暖抽汽量;/>为第i台CHP机组对应组合系数,且/>
所述CHP机组的总耗煤量计算如下式:
式中:为CHP机组在t时段的总耗煤量,/>为第i台CHP机组在t时段的耗煤量;λ0、λ1、λ2、λ3、λ4、λ5为第i台CHP机组在t时段的耗煤系数。
进一步的,对步骤一中所述CHP机组输出电功率、总采暖抽汽量进行约束,如下式:
式中:为CHP机组输出电功率上限;/>为CHP机组采暖抽汽量上限。
所述步骤二中,电锅炉直接供热功率计算如下式:
式中:为电锅炉t时段的电产热功率;Cb为电锅炉电产热系数;/>为电锅炉t时段消耗的电功率;/>为电锅炉t时段的直接供热功率;/>为电锅炉t时段的储热功率;Et为电锅炉t时段的蓄热量,a为电锅炉由储存热量进行直接供热的比例系数,b为电锅炉蓄热量损失系数;Δt为时间间隔;
对所述电锅炉蓄热量、耗电功率及储热功率进行约束,如下式:
式中:Emax为电锅炉最大蓄热容量;为电锅炉最大储热功率;/>为电锅炉耗电功率上限。
所述步骤三中,一级供热管网热力方程的计算包括:
采暖用户区域的供热量计算如下:
式中:为t时段节点k的采暖用户区域的供热量;/>为电-热综合能源系统向供热系统提供的热功率;Cwater为水的比热容;/>为t时段管道ij的热水流量;/>为t时段管道入口节点i的管网供水温度,/>为t时段管道入口节点i的管网回水温度;
其中,供水、回水网络节点温度关系计算如下:
式中:和/>分别为t时段管道出口节点j的管网供水温度与回水温度;Ta为外界自然温度;c为管道工质体积比热,μ为管道每米传输阻抗,Lij为管道长度。
所述供热管网中热水经过一个t时间段后,供热衰减量计算如下:
式中:为节点k管道ij的供热衰减量;σ为管道ij保温层的导热系数,Dij和dij分别为管道ij的外径和内径。
所述步骤三中,二级供热管网热力方程的计算包括:
采暖用户区域的建筑结构热负荷和通风热负荷/>计算如下:
式中:为供热管网t时段节点k对应采暖用户区域的建筑结构热负荷;Sk为节点k对应采暖用户区域的建筑结构面积;Fe为节点k对应采暖用户区域的建筑结构热传导系数;/>和/>分别为t时段节点k对应采暖用户区域的室内、室外温度,/>一般取固定值;/>为节点k对应采暖用户区域楼层高度修正系数;/>为节点k对应采暖用户区域建筑朝向修正系数;/>为t时段节点k对应采暖用户区域的通风热负荷;Ven为每小时的通风量;cp为室外冷空气的恒压比热容;/>为t时段室外空气密度。
所述步骤三中,二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性方程如下式:
式中:cM为建筑物室内空气比热容;Mk为节点k对应采暖用户区域的室内空气质量;Δt为时间间隔;
对所述二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性进行约束,如下式:
式中:和/>分别为采暖用户区域室内温度上下限;τch为一个时间间隔Δt内各采暖用户区域室内温度最大变化量。
所述步骤四中,计算电-热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔Δt计算包括:
对电-热综合能源系统电、热能量平衡方程进行推导如下式:
式中,为热化系数,当α小于1时,代表热力系统不亏损,波动范围0.52-0.85;t1,t2为负荷热惯性时段的始末点;Φ为负荷热流量,表达如下:
式中,U为供热传热能力系数;τc为热负荷实际运行时的时间常数,表达式为:
式中τ为电-热综合能源系统热负荷一个调度运行时长。则可计算出正常运行时间间隔Δt为:
所述步骤五中,电-热综合能源系统优化运行目标函数计算如下式:
式中:T为时段总数;Ntp为纯凝火电机组数量;函数为第i台纯凝火电机组耗煤量;/>为第i台纯凝火电机组在t时段出力;
CW为弃风电量的惩罚项计算如下:
式中:为惩罚因子,取1.05;NW为风电厂数量;/>为第i个风电厂t时段预测发电功率;/>为实际发电功率;
第i台纯凝火电机组耗煤量计算如下:
所述对步骤五中电-热综合能源系统功率平衡等式、出力不等式进行约束,如下式:
式中:为采暖用户区域t时段的电负荷功率,Qload t为电-热综合能源系统用户t时段热负荷功率。
式中:和/>分别为第i台纯凝火电机组电功率下限和上限;/>为第i个风电厂风电机组电功率上限;/>为第i台纯凝火电机组在某时段内可以降低或升高的最大电出力。
本发明的优点及有益效果是:
本发明分析电-热综合能源系统中各供热单元的热惯性,并对供热单元进行新的热惯性量化建模,优化电-热综合能源系统各单元的运行,以实现电-热综合能源系统高效经济运行。
本发明以提高电-热综合能源系统运行能力为目标,针对电-热综合能源系统的热惯性特性导致在产热、供热等环节中存在有一定的供热延迟性以及供暖期间电网调度困难问题,本发明方法对电-热综合能源系统中CHP机组、电锅炉、供热管网三种单元进行热惯性分析,建立计及热惯性的电-热综合能源系统优化运行模型,提高电-热综合能源系统协调优化运行能力,解决电-热综合能源系统热惯性影响下调度难的问题,具有很高的实际调度运行应用价值。
附图说明
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图作进一步的详细描述。
图1为本发明中电-热综合能源系统结构示意图;
图2为本发明中电-热综合能源系统供热网结构结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明是一种考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法,针对供热系统中负荷热惯性导致电-热综合能源系统运行调度能力减弱的问题,对电-热综合能源系统中的CHP机组、电锅炉、供热管网热惯性进行充分考虑并量化约束,在此基础上对电-热综合能源系统运行调度问题进行重新的考量求解,使电-热综合能源系统更高效经济的运行,提高电-热综合能源系统风电消纳能力。
如图1所示,图1为本发明中电-热综合能源系统结构示意图。如图2所示,图2为本发明中电-热综合能源系统供热网结构结构示意图。本发明首先对电-热综合能源系统中CHP机组、电锅炉、供热管网供热模型、发电模型进行重新计算,并在其中加入负荷热惯性约束;然后对电-热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔进行求解,使系统在优化运行中对热惯性导致的延迟问题进行充分考虑。最后以电-热综合能源系统总的煤耗量和弃风量最小为目标,对电-热综合能源系统进行优化,提高电-热综合能源系统协调优化运行能力和风电消纳能力。
实施例1
本发明是一种考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法,具体步骤如下:
步骤一:基于电-热综合能源系统结构图,计算CHP机组总输出电功率、总采暖抽汽量及总耗煤量;
步骤二:计算电锅炉直接供热功率,建立电锅炉蓄热量、耗电功率及储热功率约束;
步骤三:计算供热管网热力;包括:计算一级供热管网热力方程、二级供热管网热力方程及二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性方程;
步骤四:基于步骤一至步骤三,计算电-热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔;
步骤五:首先对电-热综合能源系统功率平衡等式、出力不等式进行约束,然后以电-热综合能源系统煤耗量最小以及弃风量最小为目标,计算电-热综合能源系统优化运行目标函数,构建电-热综合能源系统优化运行方法。
所述步骤一中,CHP机组总输出电功率总采暖抽汽量/>计算如下式:
式中,m为CHP机组总数;为CHP机组在t时段的总输出电功率,/>为第i台CHP机组在t时段的输出电功率;/>为CHP机组在t时段的总采暖抽汽量,/>为第i台CHP机组在t时段的采暖抽汽量;/>为第i台CHP机组对应组合系数,且/>
所述步骤一中,CHP机组的总耗煤量计算如下式:
式中:为CHP机组在t时段的总耗煤量,/>为第i台CHP机组在t时段的耗煤量;λ0、λ1、λ2、λ3、λ4、λ5为第i台CHP机组在t时段的耗煤系数。
对所述步骤一中,CHP机组输出电功率、总采暖抽汽量进行约束,如下式:
式中:为CHP机组输出电功率上限;/>为CHP机组采暖抽汽量上限。
所述步骤二中,电锅炉直接供热功率计算如下式:
式中:为电锅炉t时段的电产热功率;Cb为电锅炉电产热系数;/>为电锅炉t时段消耗的电功率;/>为电锅炉t时段的直接供热功率;/>为电锅炉t时段的储热功率;Et为电锅炉t时段的蓄热量,a为电锅炉由储存热量进行直接供热的比例系数,b为电锅炉蓄热量损失系数;Δt为时间间隔。
对所述步骤二中,电锅炉蓄热量、耗电功率及储热功率进行约束,如下式:
式中:Emax为电锅炉最大蓄热容量;为电锅炉最大储热功率;/>为电锅炉耗电功率上限。
所述步骤三中,一级供热管网热力方程的计算主要考虑供热管道内供水温度、回水温度对热量传递的影响及供热衰减量的问题,则采暖用户区域的供热量计算如下:
式中:为t时段节点k的采暖用户区域的供热量;/>为电-热综合能源系统向供热系统提供的热功率;Cwater为水的比热容;/>为t时段管道ij的热水流量;/>为t时段管道入口节点i的管网供水温度,/>为t时段管道入口节点i的管网回水温度。
其中,供水、回水网络节点温度关系计算如下:
式中:和/>分别为t时段管道出口节点j的管网供水温度与回水温度;Ta为外界自然温度;c为管道工质体积比热,μ为管道每米传输阻抗,Lij为管道长度。
所述步骤三中,供热管网中热水经过一个t时间段后,供热衰减量计算如下:
式中:为节点k管道ij的供热衰减量;σ为管道ij保温层的导热系数,Dij和dij分别为管道ij的外径和内径。
所述步骤三中,二级供热管网热力方程的计算主要考虑对应采暖用户区域建筑物的热惯性,则计算采暖用户区域的建筑结构热负荷和通风热负荷/>计算如下:
式中:为供热管网t时段节点k对应采暖用户区域的建筑结构热负荷;Sk为节点k对应采暖用户区域的建筑结构面积;Fe为节点k对应采暖用户区域的建筑结构热传导系数;/>和/>分别为t时段节点k对应采暖用户区域的室内、室外温度,/>一般取固定值;/>为节点k对应采暖用户区域楼层高度修正系数;/>为节点k对应采暖用户区域建筑朝向修正系数;/>为t时段节点k对应采暖用户区域的通风热负荷;Ven为每小时的通风量;cp为室外冷空气的恒压比热容;/>为t时段室外空气密度。
所述步骤三中,二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性方程可按下式计算如下式:
式中:cM为建筑物室内空气比热容;Mk为节点k对应采暖用户区域的室内空气质量;Δt为时间间隔。
因采暖用户对供热质量的满意度有一定要求,对所述步骤三中,二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性进行一定约束,如下式:
式中:和/>分别为采暖用户区域室内温度上下限;τch为一个时间间隔Δt内各采暖用户区域室内温度最大变化量。
所述步骤四中,计算电-热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔Δt计算如下:
对电-热综合能源系统电、热能量平衡方程进行推导如下式:
式中,为热化系数,当α小于1时,代表热力系统不亏损,波动范围0.52-0.85;t1,t2为负荷热惯性时段的始末点;Φ为负荷热流量,表达如下:
式中,U为供热传热能力系数;τc为热负荷实际运行时的时间常数,表达式为:
式中τ为电-热综合能源系统热负荷一个调度运行时长。则可计算出正常运行时间间隔Δt为:
所述步骤五中,电-热综合能源系统优化运行目标函数计算如下式:
式中:T为时段总数;Ntp为纯凝火电机组数量;函数为第i台纯凝火电机组耗煤量;/>为第i台纯凝火电机组在t时段出力;CW为弃风电量的惩罚项,可按照式(21)计算:
式中:为惩罚因子,取1.05;NW为风电厂数量;/>为第i个风电厂t时段预测发电功率;/>为实际发电功率。
第i台纯凝火电机组耗煤量计算如下:
对步骤五中电-热综合能源系统功率平衡等式、出力不等式进行约束,如下式:
式中:为采暖用户区域t时段的电负荷功率,Qload t为电-热综合能源系统用户t时段热负荷功率。/>
式中:和/>分别为第i台纯凝火电机组电功率下限和上限;/>为第i个风电厂风电机组电功率上限;/>为第i台纯凝火电机组在某时段内可以降低或升高的最大电出力。
所述步骤五中,所述计算电-热综合能源系统优化运行目标函数,须在系统功率平衡等式约束条件和出力不等式约束条件充分考虑电-热综合能源系统运行热惯性,使系统下热惯性影响下,到达提高电-热综合能源系统协调优化运行能力,解决电-热综合能源系统热惯性影响下调度难的问题的目的。
实施例2
以东北某地区电-热综合能源系统为例,进行考虑热惯性的电-热综合能源系统协调优化运行。电-热综合能源系统中纯凝火电机组和CHP机组参数如表1所示,供热系统管道长度及采暖建筑物面积如表2-1和表2-2所示,供热系统运行参数如表3所示,电锅炉参数如表4所示。采暖建筑物室内温度允许波动范围为18-22℃,管网供水温度和回水温度允许波动范围分别为75-92℃和42-60℃。
表1纯凝火电机组和CHP机组参数
表2-1供热系统管道长度
管道编号 长度/km 管道编号 长度/km
1 1.75 5 2.60
2 1.75 6 2.60
3 1.89 7 1.95
4 1.89 8 1.95
表2-2采暖建筑物面积
表3供热系统运行参数
表4电锅炉参数
参数 数值 参数 数值
电热转换系数 0.96 热损失系数 0.7%
额定功率 15MW 储热功率上限 15
放热功率上限 12MW 初始蓄热容量 42MWh
最大蓄热容量 65MWh a 0.16
根据以上系统参数,按照步骤一至步骤五,建立分析场景:
场景1:建筑物室温维持20℃。
场景2:考虑电-热综合能源系统的热惯性,CHP配置蓄热式电锅炉。
利用matlab软件建立仿真模型进行分析。不同场景下经济性对比如表5所示。
表5不同场景下经济性对比
对比表5中两种场景结果发现,考虑电-热综合能源系统的热惯性后,电-热综合能源系统煤耗量低于不考虑热惯性的情况,且弃风量减少。
以上给出了具体的实施方式,但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案,对本领域普通技术人员而言,根据本发明的教导,设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.考虑热惯性的电-热综合能源系统协调运行方法,其特征是:包括以下步骤:
步骤一:基于电-热综合能源系统结构图,计算CHP机组总输出电功率、总采暖抽汽量及总耗煤量;所述CHP机组总输出电功率Pt chp、总采暖抽汽量计算如下式:
式中,m为CHP机组总数;Pt chp为CHP机组在t时段的总输出电功率,为第i台CHP机组在t时段的输出电功率;/>为CHP机组在t时段的总采暖抽汽量,/>为第i台CHP机组在t时段的采暖抽汽量;/>为第i台CHP机组对应组合系数,且/>
所述CHP机组的总耗煤量计算如下式:
式中:ft chp为CHP机组在t时段的总耗煤量,为第i台CHP机组在t时段的耗煤量;λ0、λ1、λ2、λ3、λ4、λ5为第i台CHP机组在t时段的耗煤系数;
所述CHP机组输出电功率、总采暖抽汽量进行约束,如下式:
式中:为CHP机组输出电功率上限;/>为CHP机组采暖抽汽量上限;
步骤二:计算电锅炉直接供热功率,建立电锅炉蓄热量、耗电功率及储热功率约束;所述电锅炉直接供热功率计算如下式:
式中:为电锅炉t时段的电产热功率;Cb为电锅炉电产热系数;Pt b为电锅炉t时段消耗的电功率;/>为电锅炉t时段的直接供热功率;/>为电锅炉t时段的储热功率;Et为电锅炉t时段的蓄热量,a为电锅炉由储存热量进行直接供热的比例系数,b为电锅炉蓄热量损失系数;Δt为时间间隔;
对所述电锅炉蓄热量、耗电功率及储热功率进行约束,如下式:
式中:Emax为电锅炉最大蓄热容量;为电锅炉最大储热功率;/>为电锅炉耗电功率上限;
步骤三:计算供热管网热力;包括:计算一级供热管网热力方程、二级供热管网热力方程及二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性方程;所述一级供热管网热力方程的计算包括:采暖用户区域的供热量计算如下:
式中:为t时段节点k的采暖用户区域的供热量;/>为电-热综合能源系统向供热系统提供的热功率;Cwater为水的比热容;/>为t时段管道ij的热水流量;/>为t时段管道入口节点i的管网供水温度,/>为t时段管道入口节点i的管网回水温度;
其中,供水、回水网络节点温度关系计算如下:
式中:和/>分别为t时段管道出口节点j的管网供水温度与回水温度;Ta为外界自然温度;c为管道工质体积比热,μ为管道每米传输阻抗,Lij为管道长度;
所述供热管网中热水经过一个t时间段后,供热衰减量计算如下:
式中:为节点k管道ij的供热衰减量;σ为管道ij保温层的导热系数,Dij和dij分别为管道ij的外径和内径;
所述二级供热管网热力方程的计算包括:
采暖用户区域的建筑结构热负荷和通风热负荷/>计算如下:
式中:为供热管网t时段节点k对应采暖用户区域的建筑结构热负荷;Sk为节点k对应采暖用户区域的建筑结构面积;Fe为节点k对应采暖用户区域的建筑结构热传导系数;/>和/>分别为t时段节点k对应采暖用户区域的室内、室外温度,/>取固定值;/>为节点k对应采暖用户区域楼层高度修正系数;/>为节点k对应采暖用户区域建筑朝向修正系数;/>为t时段节点k对应采暖用户区域的通风热负荷;Ven为每小时的通风量;cp为室外冷空气的恒压比热容;/>为t时段室外空气密度;
所述二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性方程如下式:
式中:cM为建筑物室内空气比热容;Mk为节点k对应采暖用户区域的室内空气质量;Δt为时间间隔;
对所述二级管网采暖区域用户采暖负荷热惯性进行约束,如下式:
式中:和/>分别为采暖用户区域室内温度上下限;τch为一个时间间隔Δt内各采暖用户区域室内温度最大变化量;
步骤四:基于步骤一至步骤三,计算电-热综合能源系统热负荷在热惯性下的正常运行时间间隔Δt,包括对电-热综合能源系统电、热能量平衡方程进行推导如下式:
式中,为热化系数,当α小于1时,代表热力系统不亏损,波动范围0.52-0.85;t1,t2为负荷热惯性时段的始末点;Φ为负荷热流量,表达如下:
式中,U为供热传热能力系数;τc为热负荷实际运行时的时间常数,表达式为:
式中τ为电-热综合能源系统热负荷一个调度运行时长,则计算出正常运行时间间隔Δt为:
步骤五:首先对电-热综合能源系统功率平衡等式、出力不等式进行约束,然后以电-热综合能源系统煤耗量最小以及弃风量最小为目标,计算电-热综合能源系统优化运行目标函数,构建电-热综合能源系统优化运行方法;
所述电-热综合能源系统优化运行目标函数计算如下式:
式中:T为时段总数;Ntp为纯凝火电机组数量;函数为第i台纯凝火电机组耗煤量;/>为第i台纯凝火电机组在t时段出力;
CW为弃风电量的惩罚项计算如下:
式中:为惩罚因子,取1.05;NW为风电厂数量;/>为第i个风电厂t时段预测发电功率;为实际发电功率;
第i台纯凝火电机组耗煤量计算如下:
所述电-热综合能源系统功率平衡等式、出力不等式进行约束,如下式:
式中:Pt load为采暖用户区域t时段的电负荷功率,Qload t为电-热综合能源系统用户t时段热负荷功率;
式中:和/>分别为第i台纯凝火电机组电功率下限和上限;/>为第i个风电厂风电机组电功率上限;/>为第i台纯凝火电机组在某时段内降低或升高的最大电出力。
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