CN111428904B - 一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，首先建立含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的目标函数，接着建立考虑了调频和旋转备用的含梯级水电风光水互补发电系统的约束条件，最后解出含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的最优解集。本发明利用风光水的互补特性，促进了清洁能源并网消纳，减少了能源浪费；针对风光的间歇性、波动性问题，建立了调频约束和备用约束，通过水电机组提供自动发电控制以及正负旋转备用，保障了电力的平稳输出。

Description

一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，属于可再生能源领域。

背景技术

环境污染和化石能源短缺使得可再生清洁能源发电备受关注。随着风能、太阳能等清洁能源装机总容量的快速增长，风力发电和太阳能发电所具有的间歇性、波动性较强、可控性差等特点，给电力系统运行调度带来了挑战。水力发电机组易实时调节，发电成本低，效率高，含梯级水电的风光水互补发电系统能充分利用流域梯级水电站群的调节性能，平抑风电、光电的不稳定性对电网的冲击，实现间歇性可再生发电资源的高效利用。

国内外已有很多学者针对如何对清洁能源并网后的发电系统进行优化调度开展了研究，但研究大多针对单一类型清洁能源发电系统的优化调度，或者重点关注了风光互补发电、风水互补发电，尚未对风光水多能互补发电系统的优化调度进行深入研究；由于风力发电和太阳能发电的不确定性，电网需要保持足够水平的备用可靠性，有学者研究由火电提供系统所需的旋转备用，但火电会造成一定程度的环境污染，如何由清洁的水电提供备用与调频尚未深入研究。

发明内容

发明目的：本发明提出一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，提高可再生能源利用率，保障电力稳定输出。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，包括以下步骤：

建立含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的目标函数；

建立考虑了调频和旋转备用的含梯级水电风光水互补发电系统的约束条件；

解出含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的最优解集。

所述目标函数为：

其中，T为总时段数，NW为风电场总数，A_w,t为t时段风电场w的弃风量，NV为光电站总数，A_v,t为t时段光电站v的弃光量，A_l,t为t时段末游水电站l弃水量，Δt为单时段长度，NH为水电站总数，V_h,T表示调度期末水电站h的蓄水量，

表示水电站h初始蓄水量，r是水电站h的下游水电站索引，E_h为水电站h的下游水电站集合，θ_r是水电站r的水电转化率(MWh/10⁴m³)。w表示风电场，v表示光电站。

所述约束条件包括风电出力约束、光电出力约束、水电出力约束、发电流量约束、水量平衡约束、蓄水量约束、系统功率约束、系统调频约束和系统旋转备用约束。

所述风电出力约束为：

0≤P_w,t≤P_w,max

其中，

所述光电出力约束为：

0≤P_v,t≤P_v,max

其中，P_v,t为t时段光电站v的出力，P_v,max为光电站v的装机容量，

和

分别为t时段光电站v的出力上下限。

所述水电出力约束为：

P_h,t＝η_h·qH_h,t·h_h,t

I_h,tP_h,min≤P_h,t≤I_h,tP_h,max

其中，P_h,t为t时段水电机组出力，η_h为水电站h的转换系数，取为 9.81*10^-3，h_h,t为t时段水库的水头，P_h,max和P_h,min分别为t时段水电出力的上下限，I_h,t是为t时段水电站h的启停状态，I_h,t＝1表示水电站h在t时段是运行状态，I_h,t＝0表示水电站h在t时段是停机状态。

所述发电流量约束为：

I_h,t·qH_h,min≤qH_h,t≤I_h,t·qH_h,max

其中,qH_h,min和qH_h,max分别为水电站h发电用水量的上下限值；

所述水量平衡约束为：

其中,V_h,t为t时段水电站h的蓄水量，QI_h,t为t时段水电站h的弃水流量，该实例中，末游水电站l的弃水流量QI_l,t与弃水A_l,t之间近似为 A_l,t≈0.3*QI_l,t，j是水电站h的上游水电站索引，U_h为水电站h的上游水电站集合，Δt_j为水电站j的延迟时间；

所述蓄水量约束为：

V_h,min≤V_h,t≤V_h,max

其中,V_h,max和V_h,min分别为在调度周期内水库的最大、最小蓄水量；

所述系统功率约束为：

其中,PL_t为t时段系统负荷；

所述系统调频约束为：

其中,α和β分别为风电、光电的不确定性常系数，设为0.2，Ru_h和Rd_h分别为水电站h的快速爬坡容量和快速斜降容量；

所述系统旋转备用约束为：

US_h,max＝τ_uP_h,max

DS_h,max＝τ_dP_h,max

US_h,t≤min{US_h,max,I_h,t(P_h,max-P_h,t-Ru_h,t)}

DS_h,t≤min{DS_h,max,I_h,t(P_h,t-P_h,min-Rd_h,t)}

I_h,tP_h,t+I_h,tRu_h,t+US_h,t≤I_h,tP_h,max

I_h,tP_h,t-I_h,tRd_h,t-DS_h,t≥I_h,tP_h,min

其中,US_h,t、DS_h,t分别为水电站h的向上、向下旋转备用容量，τ_u、τ_d分别为向上、向下旋转备用系数，设为0.1，λ^±为风电出力预测误差对向上、向下旋转备用的需求系数，设为0.1，μ^±为光电出力预测误差对向上、向下旋转备用的需求系数，设为0.2。

所述解出含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的最优解集包括以下步骤：

对风光水互补发电系统优化调度模型进行线性化；

采用混合整数线性规划方法求取最优解集。

所述混合整数线性规划方法为CPLEX12.6求解器。

有益效果：本发明利用风光水的互补特性，促进了清洁能源并网消纳，减少了能源浪费；针对风光的间歇性、波动性问题，建立了调频约束和备用约束，通过水电机组提供自动发电控制以及正负旋转备用，保障了电力的平稳输出。

附图说明

图1为日负荷曲线；

图2为不考虑调频和备用的系统出力曲线；

图3为考虑调频和备用的系统出力曲线；

图4为不考虑调频的系统调频需求和调频容量；

图5为考虑调频的系统调频需求和调频容量；

图6为不考虑备用的系统备用需求和备用容量；

图7为考虑备用的系统备用需求和备用容量。

具体实施方式

风光水互补发电系统中光伏阵列输出功率取决于光照强度、光伏阵列面积、光电转换效率等。风力发电与风速存在三次方的关系。水力发电在负荷低谷时抽水蓄能，高峰时水流带动水轮机发电，解决电能生产和消费在时间上的错位。图 1给出了日负荷曲线，描述了一日内负荷随时间变化的情况。

本实施例是在考虑了调频和旋转备用情况下的一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，包含1个风电场、1个光伏发电站和1个梯级水电站群(由2个水电站构成)的风光水互补发电系统进行分析。调度期为1天，共24 个时段，具体包括以下步骤：

首先建立含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的目标函数，该目标函数如下：

其中，T为总时段数，NW为风电场总数，A_w,t为t时段风电场w的弃风量， NV为光电站总数，A_v,t为t时段光电站v的弃光量，A_l,t为t时段末游水电站l弃水量，Δt为单时段长度，NH为水电站总数，V_h,T表示调度期末水电站h的蓄水量，

表示水电站h初始蓄水量，r是水电站h的下游水电站索引，E_h为水电站h的下游水电站集合，θ_r是水电站r的水电转化率(MWh/10⁴m³)。w表示风电场，v表示光电站。

接着建立考虑了调频和旋转备用的含梯级水电风光水互补发电系统的约束条件，包括：

1)建立风电出力约束，数学表达式如下：

0≤P_w,t≤P_w,max (2)

其中，P_w,t为t时段风电场w的出力，P_w,max为风电场w的装机容量，

和

分别为t时段风电场w的出力上下限。为了保证至少95％的风电出力得到利用，设置风电出力区间为[μ^w-1.96σ^w,μ^w+1.96σ^w]。其中参数μ和σ分别代表是正态分布的均值和标准差。风电出力参数如表2所示：

表2

2)建立光电出力约束，数学表达式如下：

0≤P_v,t≤P_v,max (4)

其中，P_v,t为t时段光电站v的出力，P_v,max为光电站v的装机容量，

和

分别为t时段光电站v的出力上下限。为了保证至少95％的光电出力得到利用，设置光电出力区间为[μ^v-1.96σ^v,μ^v+1.96σ^v]。光电出力参数如表3 所示：

表3

3)建立水电出力约束，数学表达式如下：

P_h,t＝η_h·qH_h,t·h_h,t (6)

I_h,tP_h,min≤P_h,t≤I_h,tP_h,max (7)

其中，P_h,t为t时段水电机组出力，η_h为水电站h的转换系数，取为 9.81*10^-3，h_h,t为t时段水库的水头，P_h,max和P_h,min分别为t时段水电出力的上下限，I_h,t是为t时段水电站h的启停状态，I_h,t＝1表示水电站h在t时段是运行状态，I_h,t＝0表示水电站h在t时段是停机状态。具体水电机组参数如表1所示：

表1

4)建立发电流量约束，数学表达式如下:

I_h,t·qH_h,min≤qH_h,t≤I_h,t·qH_h,max (8)

其中,qH_h,min和qH_h,max分别为水电站h发电用水量的上下限值。

5)建立水量平衡约束，数学表达式如下:

其中,V_h,t为t时段水电站h的蓄水量，QI_h,t为t时段水电站h的弃水流量，该实例中，末游水电站l的弃水流量QI_l,t与弃水A_l,t之间近似为 A_l,t≈0.3*QI_l,t，j是水电站h的上游水电站索引，U_h为水电站h的上游水电站集合，Δt_j为水电站j的延迟时间。

6)建立蓄水量约束，数学表达式如下:

V_h,min≤V_h,t≤V_h,max (10)

其中,V_h,max和V_h,min分别为在调度周期内水库h的最大、最小蓄水量。

7)建立系统功率约束，数学表达式如下:

其中,PL_t为t时段系统负荷。

8)建立系统调频约束，数学表达式如下:

其中,α和β分别为风电、光电的不确定性常系数，设为0.2，Ru_h和Rd_h分别为水电站h的快速爬坡容量和快速斜降容量。

9)建立系统旋转备用约束，数学表达式如下:

US_h,max＝τ_uP_h,max (14)

DS_h,max＝τ_dP_h,max (15)

US_h,t≤min{US_h,max,I_h,t(P_h,max-P_h,t-Ru_h,t)} (16)

DS_h,t≤min{DS_h,max,I_h,t(P_h,t-P_h,min-Rd_h,t)} (17)

I_h,tP_h,t+I_h,tRu_h,t+US_h,t≤I_h,tP_h,max (20)

I_h,tP_h,t-I_h,tRd_h,t-DS_h,t≥I_h,tP_h,min (21)

其中,US_h,t、DS_h,t分别为水电站h的向上、向下旋转备用容量，τ_u、τ_d分别为向上、向下旋转备用系数，设为0.1，λ^±为风电出力预测误差对向上、向下旋转备用的需求系数，设为0.1，μ^±为光电出力预测误差对向上、向下旋转备用的需求系数，设为0.2。

最后解出优化调度的最优解集。

i)对风光水互补发电系统优化调度模型进行线性化，如下所示：

由于风电出力和光电出力本身就是线性的，所以仅对水电出力进行线性化。水电出力为发电用水量和蓄水量的非线性二元函数，得到：

P＝η·qH·(h₀+μ·V) (22)

将qH和V分成形如[q_k,q_k+1]和[v_l,v_l+1]的多个子区间，其中 k＝1...m-1，l＝1...n-1，式(22)就被划分为一个(m-1)·(n-1)的网格，原函数被划分为19*19的网格，网格中的每个点对应于原始函数中的 P_k,l＝η·q_k·[h₀+μ·V_l]。每个网格被分成左上角和右下角两个三角形，

和ζ_k,l是表示三角形位置的索引,将水电出力函数分段线性化，数学表达式如下：

ii)采用混合整数线性规划方法求取最优解集，本实施例采用CPLEX12.6 求解器求解。

按照前述方法对含梯级水电的风光水互补发电系统进行优化调度。未考虑调频和旋转备用时，各种电源出力曲线如图2所示。而考虑到调频和旋转备用时，各种电源出力曲线如图3所示。没有考虑调频和旋转备用时，各种电源的出力曲线波动剧烈，水电连续4小时出力为零，无法平抑风电和光电出力的波动。而考虑调频和旋转备用后，水电为风电和光电提供调频与旋转备用，各种电源的出力曲线得到了明显的改善。

未考虑调频时的调频容量如图4所示。而考虑了调频后的调频容量如图5 所示。没有考虑调频的风光水互补发电系统无法满足各个时段的调频需求，而考虑调频的风光水互补发电系统，水电能够提供的调频容量远远超过调频需求。

未考虑旋转备用时的备用能力如图6所示。而考虑了旋转备用后的备用能力如图7所示。没有考虑旋转备用的风光水互补发电系统缺乏充分的备用容量来满足备用需求，而考虑了旋转备用后的风光水互补发电系统在调度期内都有足够的备用容量，保障了系统输出稳定。

Claims (6)

1.一种含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的目标函数；

建立考虑了调频和旋转备用的含梯级水电风光水互补发电系统的约束条件；

解出含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的最优解集，

所述目标函数为：

其中，T为总时段数，NW为风电场总数，A_w，t为t时段风电场w的弃风量，NV为光电站总数，A_v，t为t时段光电站v的弃光量，A_l，t为t时段末游水电站l弃水量，Δt为单时段长度，NH为水电站总数，V_h，T表示调度期末水电站h的蓄水量，

表示水电站h初始蓄水量，r是水电站h的下游水电站索引，E_h为水电站h的下游水电站集合，θ_r是水电站r的水电转化率(MWh/10⁴m³)，w表示风电场，v表示光电站，

所述约束条件包括风电出力约束、光电出力约束、水电出力约束、发电流量约束、水量平衡约束、蓄水量约束、系统功率约束、系统调频约束和系统旋转备用约束，所述发电流量约束为：

I_h，t·qH_h，min≤qH_h，t≤I_h，t·qH_h，max

其中，qH_h，min和qH_h，max分别为水电站h发电用水量的上下限值；

所述水量平衡约束为：

其中，V_h，t为t时段水电站h的蓄水量，QI_h，t为t时段水电站h的弃水流量，末游水电站l的弃水流量Q_l，t与弃水A_l，t之间近似为A_l，t≈0.3*QI_l，t，j是水电站h的上游水电站索引，U_h为水电站h的上游水电站集合，Δt_j为水电站j的延迟时间；

所述蓄水量约束为：

V_h，min≤V_h，t≤V_h，max

其中，V_h，max和V_h，min分别为在调度周期内水库的最大、最小蓄水量；

所述系统功率约束为：

其中，PL_t为t时段系统负荷；

所述系统调频约束为：

其中，α和β分别为风电、光电的不确定性常系数，设为0.2，Ru_h和Rd_h分别为水电站h的快速爬坡容量和快速斜降容量；

所述系统旋转备用约束为：

US_h，max＝τ_uP_h，max

DS_h，max＝τ_dP_h，max

US_h，t≤min{US_h，max，I_h，t(P_h，max-P_h，t-Ru_h，t)}

DS_h，t≤min{DS_h，max，I_h，t(P_h，t-P_h，min-Rd_h，t)}

I_h，tP_h，t+I_h，tRu_h，t+US_h，t≤I_h，tP_h，max

I_h，tP_h，t-I_h，tRd_h，t-DS_h，t≥I_h，tP_h，min

其中，US_h，t、DS_h，t分别为水电站h的向上、向下旋转备用容量，τ_u、τ_d分别为向上、向下旋转备用系数，设为0.1，λ^±为风电出力预测误差对向上、向下旋转备用的需求系数，设为0.1，μ^±为光电出力预测误差对向上、向下旋转备用的需求系数，设为0.2。

2.根据权利要求1所述的含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，其特征在于，所述风电出力约束为：

0≤P_w，t≤P_w，max

其中，P_w，t为t时段风电场w的出力，P_w，max为风电场w的装机容量，

和

分别为t时段风电场w的出力上下限，为了保证至少95％的风电出力得到利用，设置风电出力区间为[μ^w-1.96σ^w，μ^w+1.96σ^w]，其中参数μ和σ分别代表是正态分布的均值和标准差。

3.根据权利要求1所述的含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，其特征在于，所述光电出力约束为：

0≤P_v，t≤P_v，max

其中，P_v，t为t时段光电站v的出力，P_v，max为光电站v的装机容量，

和

分别为t时段光电站v的出力上下限。

4.根据权利要求1所述的含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，其特征在于，所述水电出力约束为：

P_h，t＝η_h·qH_h，t·h_h，t

I_h，tP_h，min≤P_h，t≤I_h，tP_h，max

其中，P_h，t为t时段水电机组出力，η_h为水电站h的转换系数，取为9.81＊10^-3，h_h，t为t时段水库的水头，P_h，max和P_h，min分别为t时段水电出力的上下限，I_h，t是为t时段水电站h的启停状态，I_h，t＝1表示水电站h在t时段是运行状态，I_h，t＝0表示水电站h在t时段是停机状态。

5.根据权利要求1所述的含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，其特征在于，所述解出含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度的最优解集包括以下步骤：

对风光水互补发电系统优化调度模型进行线性化；

采用混合整数线性规划方法求取最优解集。

6.根据权利要求5所述的含梯级水电的风光水互补发电系统短期优化调度方法，其特征在于，所述混合整数线性规划方法为CPLEX12.6求解器。

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