CN111737846A - 一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法 - Google Patents

一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水电厂参与电力现货市场出清计算的建模方法，通过分段线性化的方法处理水电厂水位库容曲线、水头耗水率曲线和尾水位流量曲线。进一步建立水电厂水位流量约束、梯级水力联系约束、振动区约束、弃水电量约束和弃水电量惩罚函数，并将上述约束条件和惩罚函数添加到电力现货市场出清模型中，从而形成考虑水电厂参与电力现货市场出清计算的完整数学模型。本发明既能使电力现货市场的出清计算结果充分考虑水电各类约束条件带来的影响，确保出清结果能被顺利执行，同时也一定程度降低了水电约束给现货市场数学模型带来的复杂度，使模型求解的速度被控制在工程实用允许范围之内，具备工程实用性价值。

Description

一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法
技术领域
本发明涉及电力现货市场技术领域，特别是涉及一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法。
背景技术
在电力现货市场中，参与市场的发电公司在交易日之前进行发电申报，参与市场的售电公司和批发用户进行用电申报，市场运营机构综合考虑机组运行约束、电网运行约束、系统负荷预测、母线负荷预测、联络线计划、检修计划等各类约束条件，以社会效益最大化为目标，采用安全约束机组组合(SCUC)和安全约束经济调度(SCED)算法进行电力现货市场出清计算，得到开停机组合、中标出力曲线以及节点电价。
火电机组参与电力现货市场具有成熟的理论体系和数学模型，国内外有众多可供借鉴的案例，但水电参与电力现货市场计算还存在以下问题：一方面，水电作为优质可再生能源，需要尽可能减少弃水，提高水能利用率，这需要电力现货市场兼顾市场竞争的公平性和水电资源的高效利用。另一方面，水电参与电力现货市场会给出清计算带来巨大挑战，水电厂的若干特性曲线都呈非线性，并且水电厂之间还存在梯级耦合关系，再加上水电机组固有的振动区问题，都使得出清计算难度大大增加。在考虑水电参与电力现货市场时，如何合理对水电进行建模，从而使得市场出清计算既能兼顾水电特性又具有工程实用性是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，以解决上述问题。
技术方案：本发明的水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，包括以下步骤：
(1)对水电厂的水位库容曲线、尾水位流量曲线和水电机组水头耗水率曲线分别进行分段进行线性化处理；
(2)以水电厂全厂出力和弃水流量作为决策变量，对水电厂的水位流量约束及梯级水力联系约束进行建模；
(3)对水电厂全厂出力避开振动区约束进行建模；
(4)对水电厂弃水电量约束进行建模，并基于惩罚因子对弃水电量惩罚函数进行建模；
(5)将以上建立的水电厂水位流量约束、梯级水力联系约束、振动区约束、弃水电量约束和弃水电量惩罚函数添加到电力现货市场出清模型中，形成考虑水电厂参与电力现货市场出清计算的完整数学模型；
(6)应用上述模型对电力现货市场出清计算。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明对水电厂各类约束条件进行数学建模，既能使电力现货市场的出清计算结果充分考虑水电各类约束条件带来的影响，确保出清结果能被顺利执行，同时也一定程度降低了水电约束给现货市场数学模型带来的复杂度，使模型求解的速度被控制在工程实用允许范围之内，具备工程实用性价值。
(2)本发明在出清计算的数学模型中添加水位流量约束和梯级水力联系约束，确保水电厂的水位、流量处于合理范围，满足防洪要求、航运要求以及长周期计划等对水位和流量提出的要求。本发明在出清计算的数学模型中添加全厂振动区约束，使水电厂出力避开振动区，位于安全范围。本发明在出清计算的数学模型中对水电厂弃水电量约束进行数学建模，并在目标函数中增加弃水电量的惩罚函数，使水电厂尽可能避免弃水，促进水电资源的充分利用。
附图说明
图1为本发明水电厂的水位库容曲线分段线性化处理示意图；
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
图1为本发明在一个实施例中的流程示意图，如图1所示，本发明实施例中的聚合资源建模方法，包括以下步骤：
步骤S110，对水电厂的水位库容曲线、尾水位流量曲线和水电机组水头耗水率曲线分别进行分段线性化处理。将非线性曲线转化为分段线性的曲线，使出清计算数学模型不引入非线性问题。
水电厂的水位库容曲线表示出了库容v与水位z的对应关系，尾水位流量曲线表示出了尾水位与出库流量的对应关系，水头耗水率曲线则表示出了耗水率随水头的变化关系，以上三个曲线一般都呈现为非线性。
对水电厂的水位库容曲线、尾水位流量曲线和水电机组水头耗水率曲线分别进行分段线性化处理，还包括：
根据曲线的斜率变化特征，以每个分段内的斜率接近固定值为原则，选取分段点，将曲线转化为分段线性化的曲线，如图1所示：
分段线性化后的水位库容曲线如下：
Figure RE-GDA0002637653650000031
其中，
Figure RE-GDA0002637653650000032
表示水电厂i的水位，Vi表示水电厂i的库容，Fi()是水电厂i 的水位库容曲线分段线性化函数。
水位库容曲线分段线性化函数可通过起始点、结束点和分段点进行描述，用(z，v)表示，例如，如果起始点是(1000,54)，结束点是(1016,129)，两个分段点是(1005,72)和(1010,94)，则这四个点{(1000,54),(1005,72),(1010,94),(1016,129)} 可确定三个分段的分段线性化函数。
同理，分段线性化后的尾水位流量曲线如下：
Figure RE-GDA0002637653650000033
其中，
Figure RE-GDA0002637653650000034
表示水电厂i的尾水位，Qi表示水电厂i的出库流量，Gi()是水电厂i的尾水位流量曲线分段线性化函数。
分段线性化后的水头耗水率曲线如下：
Ki＝Li(Hi)
其中，Ki表示水电厂i的耗水率，Hi表示水电厂i的水头，Li()是水电厂i 的水头耗水率曲线分段线性化函数。
步骤S120，基于分段线性化处理后的所述水位库容曲线、尾水位流量曲线和水电机组水头耗水率曲线，以水电厂全厂出力和弃水流量作为决策变量，对水电厂的水位流量约束及梯级水力联系约束进行建模。
弃水流量是指水电厂出库流量中未用来发电的流量，出清计算中将水电厂全厂出力和弃水流量作为决策变量，既通过优化全厂出力和弃水流量，从而确定出清结果。水电厂通过水轮发电机组将水能转化为电能，水和电紧密耦合，在改变水电厂全厂出力时相应的也会改变水电厂的出库流量，以及库容和水位。出于防洪要求或长周期计划，水电厂的水位、流量一般都会有一定限制，因此需要在出清计算的数学模型中添加水位流量约束。
在其中一种实施例中，所述对水电厂的水位流量约束及梯级水力联系约束进行建模，还包括：
(1)水量平衡约束
Figure RE-GDA0002637653650000035
其中，Wi，t表示水电厂i在时段t末的蓄水量，Wi，t-1表示水电厂i在时段t-1末的蓄水量，Ri，t表示水电厂i在时段t自然入库流量，Pi_up，t-τ(i)表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的发电出力，τ(i)表示水电厂i与其上游电厂的水流滞时，Li_up表示水电厂i的上游电厂的水头耗水率，
Figure RE-GDA0002637653650000041
表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的水位，
Figure RE-GDA0002637653650000042
表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的尾水位，Si_up，t-τ(i)表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的弃水流量，Pi，t表示水电厂i在时段t的发电出力，Li表示水电厂i的水头耗水率，
Figure RE-GDA0002637653650000043
表示水电厂i在时段t的水位，
Figure RE-GDA0002637653650000044
表示水电厂i在时段t的尾水位，Si，t表示水电厂i在时段t的弃水流量，Δt表示时段长度。
(2)水位上下限约束
Zi,min≤Fi(Wi,t)≤Zi,max
其中，Zi，min表示水电厂i的水位下限，Zi，max表示水电厂i的水位上限。
(3)流量上下限约束
Figure RE-GDA0002637653650000045
其中，Qi，min表示水电厂i的出库流量下限，Qi，max表示水电厂i的出库流量上限。
(4)水位变幅约束
|Fi(Wi,t)-Fi(Wi,t-1)|≤ΔZi,max
其中，ΔZi，max表示水电厂i的水位变幅上限。
(5)末水位控制约束
Fi(Wi,T)＝Zi,end
其中，Zi，end表示水电厂i的末水位控制目标，T表示出清周期的末时段。
步骤S130，基于水电厂的全厂振动区，对水电厂全厂出力避开振动区约束进行建模。
水电厂的全厂振动区是综合考虑水电厂内机组检修计划和水头范围后，通过合并水电厂内多个机组的振动区从而形成的，其给出了水电厂全厂出力需要避开的运行区域。
对水电厂全厂出力避开振动区约束进行建模，具体包括：
Figure RE-GDA0002637653650000051
其中，
Figure RE-GDA0002637653650000052
表示水电厂i第m个可运行区域的上限，
Figure RE-GDA0002637653650000053
表示水电厂i第m 个可运行区域的下限，POSM是一个远大于电厂出力范围的正数，λi，m，t是0-1 变量，表示水电厂i在t时段的出力是否位于第m个可运行区域，Mi表示水电厂i的可运行区域数量。
步骤S140，对水电厂弃水电量约束进行建模，并基于惩罚因子对弃水电量惩罚函数进行建模。
水电厂如因未充分利用发电能力而导致弃水，则该部分弃水相应的电量被当作弃水电量。如果水电厂已经充分利用了发电能力，仍然弃水，则超出发电能力部分的弃水不作为弃水电量。
对水电厂弃水电量约束进行建模，并基于惩罚因子对弃水电量惩罚函数进行建模，还包括：
(1)对弃水电量计算方法进行建模，如下：
Figure RE-GDA0002637653650000054
其中，Es表示所有水电厂在出清计算全周期范围内的弃水电量总和，
Figure RE-GDA0002637653650000055
是电厂i的出力上限，I是水电厂总数，μi，t是0-1变量。
(2)基于惩罚因子对弃水电量惩罚函数进行建模。
Epun＝Mpun·Es
其中，Epun表示对弃水电量的惩罚，Mpun是弃水电量惩罚因子。惩罚因子的大小一般需要根据市场交易规则进行设计，惩罚因子越大则弃水导致的成本就越高，弃水就能被更严格地限制，但如果惩罚因子过大也会导致某些时段的出清价格出现不合理的情况，因此需要在市场交易规则制定阶段进行充分设计和考虑。
步骤S150，将以上建立的水电厂水位流量约束、梯级水力联系约束、振动区约束、弃水电量约束和弃水电量惩罚函数添加到电力现货市场出清模型中，形成考虑水电厂参与电力现货市场出清计算的完整数学模型。
最终，应用上述模型对水电厂参与的电力现货市场进行出清计算。
在不考虑水电参与电力现货市场时，电力现货市场出清模型中并不考虑水电厂的水位流量约束、梯级水力联系约束、振动区约束、弃水电量约束、和弃水电量惩罚函数。而在考虑水电厂参与电力现货市场时，则需要将以上水电相关约束和惩罚函数加入到出清计算过程中。

Claims (6)

1.一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对水电厂的水位库容曲线、尾水位流量曲线和水电机组水头耗水率曲线分别进行分段进行线性化处理；
(2)以水电厂全厂出力和弃水流量作为决策变量，对水电厂的水位流量约束及梯级水力联系约束进行建模；
(3)对水电厂全厂出力避开振动区约束进行建模；
(4)对水电厂弃水电量约束进行建模，并基于惩罚因子对弃水电量惩罚函数进行建模；
(5)将以上建立的水电厂水位流量约束、梯级水力联系约束、振动区约束、弃水电量约束和弃水电量惩罚函数添加到电力现货市场出清模型中，形成完整模型；
(6)应用上述模型对电力现货市场出清计算。
2.根据权利要求1所述的一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的线性化处理为：根据曲线的斜率变化特征，以每个分段内的斜率接近固定值为原则，选取分段点，将曲线转化为分段线性化的曲线。
3.根据权利要求2所述的一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，其特征在于，所述所述步骤(1)的具体包括以下步骤：
(11)分段线性化后的水位库容曲线如下：
Figure FDA0002467221080000011
其中，
Figure FDA0002467221080000012
表示水电厂i的水位，Vi表示水电厂i的库容，Fi()是水电厂i的水位库容曲线分段线性化函数；
(12)分段线性化后的尾水位流量曲线如下：
Figure FDA0002467221080000013
其中，
Figure FDA0002467221080000014
表示水电厂i的尾水位，Qi表示水电厂i的出库流量，Gi()是水电厂i的尾水位流量曲线分段线性化函数；
(13)分段线性化后的水头耗水率曲线如下：
Ki＝Li(Hi)
其中，Ki表示水电厂i的耗水率，Hi表示水电厂i的水头，Li()是水电厂i的水头耗水率曲线分段线性化函数。
4.根据权利要求1所述的一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)水量平衡约束
Figure FDA0002467221080000021
其中，Wi，t表示水电厂i在时段t末的蓄水量，Wi，t-1表示水电厂i在时段t-1末的蓄水量，Ri，t表示水电厂i在时段t自然入库流量，Pi_up，t-τ(i)表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的发电出力，τ(i)表示水电厂i与其上游电厂的水流滞时，Li_up表示水电厂i的上游电厂的水头耗水率，
Figure FDA0002467221080000022
表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的水位，
Figure FDA0002467221080000023
表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的尾水位，Si_up，t-τ(i)表示水电厂i的上游电厂在时段t-τ(i)的弃水流量，Pi，t表示水电厂i在时段t的发电出力，Li表示水电厂i的水头耗水率，
Figure FDA0002467221080000024
表示水电厂i在时段t的水位，
Figure FDA0002467221080000025
表示水电厂i在时段t的尾水位，Si，t表示水电厂i在时段t的弃水流量，Δt表示时段长度；
(22)水位上下限约束
Zi,min≤Fi(Wi,t)≤Zi,max
其中，Zi，min表示水电厂i的水位下限，Zi，max表示水电厂i的水位上限；
(23)流量上下限约束
Figure FDA0002467221080000026
其中，Qi，min表示水电厂i的出库流量下限，Qi，max表示水电厂i的出库流量上限；
(24)水位变幅约束
|Fi(Wi,t)-Fi(Wi,t-1)|≤ΔZi,max
其中，ΔZi，max表示水电厂i的水位变幅上限；
(25)末水位控制约束
Fi(Wi,T)＝Zi,end
其中，Zi，end表示水电厂i的末水位控制目标，T表示出清周期的末时段。
5.根据权利要求1所述的一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
Figure FDA0002467221080000031
其中，
Figure FDA0002467221080000032
表示水电厂i第m个可运行区域的上限，
Figure FDA0002467221080000033
表示水电厂i第m个可运行区域的下限，POSM为远大于电厂出力范围的正数，λi，m，t是0-1变量，表示水电厂i在t时段的出力是否位于第m个可运行区域，Mi表示水电厂i的可运行区域数量。
6.根据权利要求1所述的一种水电厂参与电力现货市场出清计算的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：
(41)对弃水电量计算方法进行建模，如下：
Figure FDA0002467221080000034
其中，Es表示所有水电厂在出清计算全周期范围内的弃水电量总和，
Figure FDA0002467221080000035
是电厂i的出力上限，I是水电厂总数，μi，t是0-1变量；
(42)基于惩罚因子对弃水电量惩罚函数进行建模：
Epun＝Mpun·Es
其中，Epun表示对弃水电量的惩罚，Mpun是弃水电量惩罚因子。
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