CN111817321B - 计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法 - Google Patents

计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，包括获取抽水蓄能电站库区在不同时段的降水量数据；建立抽水蓄能水量模型，将抽水蓄能电站的各个时段的降水量计入抽水蓄能电站上水库模型和下水库模型；将步骤二建立的抽水蓄能水量模型引入抽水蓄能工作状态模型与约束条件，建立抽水蓄能电站调峰模型；将抽水蓄能电站调峰模型应用于微电网系统的约束条件，并根据微电网系统模型的目标函数，建立计及降水影响的微电网系统模型。本发明能够充分考虑在丰水季或降水量较大的地区，对抽水蓄能电站调节能力进行精细化建模和分析，并在此基础上对电网的新能源消纳进行分析，提高抽水蓄能电站的建模精度。

Description

计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，更具体的说是涉及一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法。
背景技术
我国新能源资源丰富、分布广泛，大力发展新能源发电对保障我国能源安全、节能减排、实现可持续发展具有重要的战略意义。随着新能源装机组容量的不断增大，尤其是风电、光伏等分布式电源DG(distributed generation)的发展，DG出力不确定性对电网安全稳定运行造成了不利的影响。
DG出力的随机性以及风电自身“反调峰”的特性，负荷往往难以响应新能源机组的出力导致新能源无法实现消纳，从而“弃风弃光”的现象十分严重。采用储能装置可以有效改善新能源的消纳，实现能量在时间上“转移”。相比于其他储能方式，抽水蓄能以其资金投入少、设备寿命长、储能规模大、转换效率高、技术成熟、运行条件简便、清洁环保等特点，因而得到了快速发展和广泛应用，是目前电力系统中最成熟、最实用的大规模储能方式。
分析制约新能源消纳的关键因素，主要考虑的有火电机组出力范围以及爬坡能力，抽水蓄能电站的“抽发”功率范围，而抽水蓄能电站的出力范围受到上下水库库容约束。
由于现有抽水蓄能电站考虑往往默认抽水蓄能电站的水库水量不发生改变，而实际中由于水库受到降水等影响往往存在水量上升的情况。当水量增加超过一定量的情况下，由于受到库容量约束的影响，这会对抽水蓄能的调节能力造成限制和约束，会导致抽水蓄能电站调节能力下降，从而影响新能源的消纳情况，进而导致整个电网运行经济性下降。
因此，如何提供一种计量手段计算降水对抽水蓄能电站调峰能力和新能源消纳能力的影响，从而提高抽水蓄能电站的建模精度是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，能够充分考虑在丰水季或降水量较大的地区，对抽水蓄能电站调节能力进行精细化建模和分析，并在此基础上对电网的新能源消纳进行分析，为电网的经济优化调度提供基础支撑。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，包括如下步骤：
步骤一，获取抽水蓄能电站库区在不同时段的降水量数据；
步骤二，建立抽水蓄能水量模型，将抽水蓄能电站的各个时段的降水量计入抽水蓄能电站上水库模型和下水库模型；
步骤三，将步骤二建立的抽水蓄能水量模型引入抽水蓄能工作状态模型与约束条件，建立抽水蓄能电站调峰模型；
步骤四，将抽水蓄能电站调峰模型应用于微电网系统的约束条件，并根据微电网系统模型的目标函数，建立计及降水影响的微电网系统模型。
优选的，所述步骤二中，抽水蓄能电站降水量对于水库水量影响的模型为：
Q(pr,k)＝E(pr,k)S
Q(pr,k)为单位时间内的水库水量降水增加的值；S为计算时段内的平均水库面积；
上水库的模型：V(u,k)＝Q(pr,k)+Q(pump,k)-Q(tur,k)+V(u,k-1)
下水库的模型：V(d,k)＝Q(pr,k)-Q(pump,k)-Q(tur,k)+V(d,k-1)
重力势能与能量转换模型：
P(pump,k)＝ηpumpρQ(pump,k)h
P(tur,k)＝ηturρQ(tur,k)h
V(u,k)和V(d,k)为k时段上水库和下水库的实际库容；Q(pr,k),Q(pump,k),Q(tur,k)分别为k时段降水，抽水，放水的水量；ηpump为水泵效率；P(pump,k)为k时段水泵功率；ηtur为发电机组效率；P(tur，k)为k时段发电机组功率；ρ为水密度；g为重力加速度；h为水库的水头高度。
优选的，所述步骤三中，工作状态模型为：
U(tur,k)+U(pump,k)≤1
U(pump,k)P(pump,k)＝P(pump,k)
U(tur,k)P(tur,k)＝P(tur,k)
抽水蓄能电站水量的水量变换约束条件为：
Figure BDA0002524932020000031
Vumin，Vumax，Vdmin，Vdmax分别为上、下水库的库容上、下边界；ΔVumax，ΔVdmax为抽水蓄能电站的库容日变化范围最大值；U(tur,k)，U(pump,k)分别为抽水蓄能电站抽水、发电的工作状态，值为1表示处于该状态，0表示不属于该状态。
优选的，所述步骤四中，计及降水影响的微电网系统模型的目标函数为：
F＝min∑(C(c,k)P(c,k)+C(N,k)P(N,k))
C(c,k)与C(N,k)分别为火电厂发电成本与新能源弃用成本值，新能源弃用成本值为弃风成本与弃光成本之和；P(c,k)与P(N,k)分别火电厂的发电量与新能源的弃用电量。
微电网系统模型的约束条件为：
Figure BDA0002524932020000041
P(j,k)，
Figure BDA0002524932020000042
与
Figure BDA0002524932020000043
分别为电厂的j参量在k时刻的发电量，理论出力最大值与最小值，其中j包括火电c，风电wind或光伏PV。
本发明设计的一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法与现有技术相比的优点在于：
本发明对抽水蓄能电站调节能力进行精细化建模和分析，以更为精确的计量手段计算降水对抽水蓄能电站调峰能力和新能源消纳能力的影响，提高抽水蓄能电站的建模精度，从而对电网运行策略提供参考；同时该方案弥补了现有抽水蓄能电站建模中因模型不够精确造成的运行成本计算误差与计算新能源消纳量的误差，可以更好评价含抽水蓄能电站模型的运行经济性。若将该方法应用到设计规划评估中，其对抽水蓄能电站选址定容等规划提供经济上的参考依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的工况一各机组的出力图；
图3为本发明实施例提供的工况一新能源的消纳图；
图4为本发明实施例提供的工况二各机组的出力图；
图5为本发明实施例提供的工况二新能源的消纳图；
图6为本发明实施例提供的工况三各机组的出力图；
图7为本发明实施例提供的工况三新能源的消纳图；
图8为本发明实施例提供的是否考虑成本对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，为精确评估抽水蓄能电站的新能源消纳能力以及含抽水蓄能电站电网的运行经济性提供一种可行的分析方法，该方法通过历史数据统计分析，建立了考虑丰水季降水影响的抽水蓄能电站水量模型。该方法可适用于不同地区含抽水蓄能电站电力系统调峰能力分析。
一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，分析方法包括下述步骤：
S1、确定库区气候条件，进行抽水蓄能电站库区以及附近地区历史年份区间的每月降水数据进行累加平均，从而得到该抽水蓄能电站库区每月降水量的加权平均值。从而得到第i个月降水量的值为E1，E2，...，Ei，...，E12。比较E1，…，E12的大小。
S2、求出各个时间段的降水量值，时间间隔为15min。选择各个月的降水量的加权平均值，平均到每一个时间段上，得到每一个时间段的平均降水量，并乘以降水概率，从而求得每一个时刻的降水量情况。具体公式如(1)所示。
Figure BDA0002524932020000061
其中E(pr,k)为抽水蓄能电站库区k时段的降水量，Ei为月平均降水量，D为该月总时间段数，Ppr为历史年份区间日降水概率的平均值(数据有气象局网站提供)。
S3、建立抽水蓄能水量模型。抽水蓄能电站降水量对于水库水量影响的模型采用公式2计算。将抽水蓄能电站的各个时间段的降水量计入抽水蓄能电站上、下水库模型，这样可以有效的提高抽水蓄能电站模型的水量精度。
Q(pr,k)＝E(pr,k)S (2)
Q(pr,k)为单位时间内的水库水量降水增加的值(m3)；S为计算时段内的平均水库面积(m2)。
上水库的模型：
V(u,k)＝Q(pr,k)+Q(pump,k)-Q(tur,k)+V(u,k-1) (3)
下水库的模型：
V(d,k)＝Q(pr,k)-Q(pump,k)-Q(tur,k)+V(d,k-1) (4)
重力势能与能量转换模型：
P(pump,k)＝ηpumpρQ(pump,k)h (5)
P(tur,k)＝ηturρQ(tur,k)h (6)
V(u,k)和V(d,k)为k时段上下水库的实际库容；Q(pr,k)，Q(pump,k)，Q(tur,k)为k时段降水，抽水，放水的水量；ηpump为水泵效率；P(pump,k)为k时水泵功率；ηtur为发电机组效率；P(tur，k)为发电机组功率；ρ为水密度，取为1000kg/m3；g为重力加速度；h为水库的水头高度；采样时间为15min。由上水库模型和下水库模型得到降水对水库水量的计算模型，结合重力势能与能量转换模型得到抽水蓄能发电与抽水出力与水库水量之间的关系，最终得到抽水蓄能发电对计及降水影响的水库水量的控制关系。
S4、建立抽水蓄能电站调峰模型。将S3建立的抽水蓄能水量模型引入抽水蓄能工作状态模型与约束条件，由于抽水蓄能电站不可以同时工作运行在水泵模式与发电机模式，但是可以同时处于待机状态，工作状态可以用数学关系表达。见公式(7-9)
U(tur,k)+U(pump,k)≤1 (7)
U(pump,k)P(pump,k)＝P(pump,k) (8)
U(tur,k)P(tur,k)＝P(tur,k) (9)
为了抽水蓄能电站能够满足安全稳定正常的运行，抽水蓄能电站需要满足库容约束，同时抽水蓄能电站水量的每日水量变换，抽水蓄能电站水量的水量变换约束条件公式如(10)所示。其中V(u,k)和V(d,k)的值为S3中考虑水量损失后的值，对于以往不考虑水量损失的建模，该模型精确度更高。
Figure BDA0002524932020000071
Vumin，Vumax，Vdmin，Vdmax分别为上、下水库的库容上、下边界；ΔVumax，ΔVdmax为抽水蓄能电站的库容日变化范围最大值，U(tur,k)、U(pump,k)分别为抽水蓄能电站抽水、发电的工作状态，值为1表示处于该状态，0表示不属于该状态，采样时间为15min。
S5、将S4中的抽水蓄能调节模型应用于微电网系统进行调峰能力分析，同时与采用常规不考虑降水影响的模型得到新能源消纳结果进行对比。
应用的系统模型由新能源—抽水蓄能—火电机组成，计及降水影响的微电网系统模型目标函数如式(11)所示。本模型中认为新能源与抽水蓄能电站运行不产生发电成本。
F＝min∑(C(c,k)P(c,k)+C(N,k)P(N,k)) (11)
C(c,k)与C(N,k)分别为火电厂发电成本与新能源弃用成本值，新能源弃用成本值为弃风成本与弃光成本之和；P(c,k)与P(N,k)分别火电厂的发电量与新能源的弃用电量。
模型如图所示约束条件如式12所示
Figure BDA0002524932020000081
该计及降水影响的微电网系统，通过调节P(pump,k)，P(tur,k)的大小，即抽水蓄能电站的出力大小(包括蓄能与发电)以及U(tur,k)，U(pump,k)的值，即抽水蓄能的工作状态，根据(7)(8)(9)(12)等公式，使得优化目标(11)最优。
系统的新能源消纳能力如式13所示：
Figure BDA0002524932020000082
在此基础上比较增设抽水蓄能电站与未增设抽水蓄能电站的新能源运行时长内的总弃用电量PN的值，从而比较新能源电站的消纳情况。
Figure BDA0002524932020000083
是k时段机组j的理论最大出力值，P(j,k)是k时段机组j的实际出力值，两者相减为k时段的总弃用电量。PN值越大则新能源弃用量越大，系统的新能源消纳能力越低。
同时比较比较增设抽水蓄能电站与未增设抽水蓄能电站的F的值即系统运行成本情况。
以某地区含抽水蓄能电站的微电网为例，设该区域内含火电机组，风电机组，光伏机组，抽水蓄能机组。本算例设置以15min为时间精度，一天共计96个点，计算周期为10天，则获取该微电网10天运行周期内，各主变下的新能源及负荷时序功率曲线。分析并计算三种工况条件下的新能源的消纳情况以及运行成本情况，并根据计算结果，分析对丰水期天气因素对于抽水蓄能电站的影响。
各机组情况如表1所示：
表1
Figure BDA0002524932020000091
选择的典型工况如下：
工况一：考虑抽水蓄能电站不出力时，微电网运行情况。
工况二：考虑抽水蓄能电站出力但未考虑降水影响时，微电网运行情况。
工况三：考虑抽水蓄能电站出力也考虑降水影响时，微电网运行情况。
计算评价指标结果如表2所示：
表2
Figure BDA0002524932020000092
Figure BDA0002524932020000101
图2，图4，图6分别为工况一二三各类电源的出力面积图可以看出增加抽水蓄能可以使火电机组出力下降以提高微电网的运行经济性；同时风电光伏的出力面积增加，新能源消纳能力上升；将图4与图6相比可以看出，降水量对抽水蓄能电站会导致火电机组爬坡速度上升，由于爬坡速度是有上限的，爬坡速度上升不利于火电机组安全稳定运行。
图3，图5，图7分别为工况一二三的新能源消纳曲线。比较新能源理论出力与实际出力，抽水蓄能电站可有效降低弃电率，提高新能源消纳能力。
如表2所示，抽水蓄能电站可以有效提高新能源消纳能力；在较为恶劣的天气条件(出现连续降雨，降水概率较高)下，经过本发明所提出的模型，计算得到新能源的弃用率上升，消纳能力下降，系统运行成本上升，所以考虑降水影响的建模对于抽水蓄能电站的使用效应评估与优化运行策略的提出有重要意义。
图8可以看出如果不考虑降水微电网总运行成本计算将出现较大误差，如果可以合理的利用降水将使运行成本下降。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取抽水蓄能电站库区在不同时段的降水量数据；
步骤二，建立抽水蓄能水量模型，将抽水蓄能电站的各个时段的降水量计入抽水蓄能电站上水库模型和下水库模型；抽水蓄能电站降水量对于水库水量影响的模型为：
Q(pr,k)＝E(pr,k)S
Q(pr,k)为单位时间内的水库水量降水增加的值；E(pr,k)为抽水蓄能电站库区k时段的降水量；S为计算时段内的平均水库面积；
上水库的模型：V(u,k)＝Q(pr,k)+Q(pump,k)-Q(tur,k)+V(u,k-1)
下水库的模型：V(d,k)＝Q(pr,k)-Q(pump,k)-Q(tur,k)+V(d,k-1)
重力势能与能量转换：
P(pump,k)＝ηpumpρQ(pump,k)h
P(tur,k)＝ηturρQ(tur,k)h
V(u,k)和V(d,k)为k时段上水库和下水库的实际库容；Q(pr,k),Q(pump,k),Q(tur,k)分别为k时段降水，抽水，放水的水量；ηpump为水泵效率；P(pump,k)为k时段水泵功率；ηtur为发电机组效率；P(tur，k)为k时段发电机组功率；ρ为水密度；h为水库的水头高度；
步骤三，将步骤二建立的抽水蓄能水量模型引入抽水蓄能工作状态模型与约束条件，建立抽水蓄能电站调峰模型；
步骤四，将抽水蓄能电站调峰模型应用于微电网系统的约束条件，并根据微电网系统模型的目标函数，建立计及降水影响的微电网系统模型。
2.根据权利要求1所述的一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，其特征在于，所述步骤三中，工作状态模型为：
U(tur,k)+U(pump,k)≤1
U(pump,k)P(pump,k)＝P(pump,k)
U(tur,k)P(tur,k)＝P(tur,k)
抽水蓄能电站水量的水量变换约束条件为：
Figure FDA0003258846620000021
Vumin，Vumax，Vdmin，Vdmax分别为上、下水库的库容上、下边界；ΔVumax，ΔVdmax为抽水蓄能电站的库容日变化范围最大值；U(tur,k)，U(pump,k)分别为抽水蓄能电站抽水、发电的工作状态，值为1表示处于该状态，0表示不属于该状态。
3.根据权利要求1所述的一种计及降水影响的抽水蓄能电站调峰能力分析方法，其特征在于，所述步骤四中，计及降水影响的微电网系统模型的目标函数为：
F＝min∑(C(c,k)P(c,k)+C(N,k)P(N,k))
C(c,k)与C(N,k)分别为火电厂发电成本与新能源弃用成本值，新能源弃用成本值为弃风成本与弃光成本之和；P(c,k)与P(N,k)分别为火电厂的发电量与新能源的弃用电量；
计及降水影响的微电网系统模型的约束条件为：
Figure FDA0003258846620000022
P(j,k)，
Figure FDA0003258846620000023
与
Figure FDA0003258846620000024
分别为电厂的j参量在k时刻的发电量，理论出力最大值与最小值，其中j包括火电c，风电wind，光伏PV。
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