CN111969591B - 一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，先构建离网式混合能源系统的出力模型、经济性目标函数和约束条件，再基于离网式混合能源系统的出力模型和约束条件，采用分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数，得到最大经济效益maxR以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率

光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率

Description

一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，更为具体地讲，涉及一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法。

背景技术

随着人民生活质量的提升，环境污染问题也被大家所重视。可再生能源发电在缓解全球变暖压力、能源短缺和环境污染等方面具有重要的战略意义。然而，由于其波动性，目前的电力系统一直面临着挑战。安全性、可靠性和稳定性问题，在一定程度上阻止了可再生能源大规模发电的发展。由于现社会的快速发展，电力负荷需求不断增加，峰谷差不断扩大，用户对用电质量等的要求也不断增加。据IEA PVPS的数据，到2017年底，光伏装机容量从2016年的338.5GW增长了28.95％至2017年的402.5GW。近年来，并网光伏发电是发展最快的可再生能源发电技术。然而，光伏发电的特点是波动和不确定性，对电网造成巨大的负面影响。随着光伏发电所占份额的不断增加，对电网的负面影响将逐步显现。抽水蓄能电站作为一个电力系统，提供了一个可行的解决方案，它具有独特的调峰填谷的特性，从而有利于对电网运行的稳定以及对电力系统节能的帮助。所以抽水蓄能电站将成为电力系统有效以及不可或缺的调节工具。与欧美等发达国家相比，我国的抽水蓄能电站发展起步较晚，发展历史较为短，但九十年代后发展十分迅速，如今已建成多座世界领先的抽水蓄能电站。

随着抽水蓄能电站的发展，国内外对抽水蓄能电站的研究也不断增加，在对抽水蓄能电站动态运行的研究也很多。例如，文献“Wen-Wu L I,Xi-Xi W U,Huang J,etal.Mid-long term optimization of reservoir operation for hybrid pumpedstorage power station based on stochastic dynamic programming[J].Power SystemProtection&Control,2013,41(9):86-93.”针对水库自然径流的不确定性，在描述水库径流随机过程的基础上，建立了以最大发电期望为目标的混合抽水蓄能电站水库中长期运行随机优化模型。文献“Liang Z,Yu L,Hua W.The operation optimization model ofpumped-hydro power storage station based on approximate dynamic programming[C]//International Conference on Power System Technology.2014.”基于抽水蓄能电站可进行多日优化调整的假设，提出了一种基于近似动态规划(ADP)的抽水蓄能电站长期运行优化模型。在动态规划中，由于实时电价随时间变化幅度较大，实时电价完全影响光蓄能水电站离网式混合能源系统经济收益，因此需要提供一种考虑实时电价变化的光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统的最优经济动态运行的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，在考虑市场实时电价变化的同时构建了光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统动态运行模型，并将经济性指标作为系统的优化目标，实现离网式混合能源系统的优化。

为实现上述发明目的，本发明一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、构建离网式混合能源系统的出力模型；

(1.1)、构建离网式混合能源系统的光伏模块出力模型；

其中，

表示t时刻光伏模块的输出功率，P^PV,max表示光伏模块的最大输出功率，η^PV,conv表示光伏模块和电解槽之间的转换器效率，ζ_t表示t时刻的太阳辐射值，G^REF表示参考条件下的太阳辐射值，k^P表示峰值功率下的温度系数，

表示t时刻光伏模块的温度，T^REF表示参考条件下的光伏模块温度，

表示t时刻的环境温度，a为常数；

表示t时刻光伏模块传输给抽水蓄能水电的功率，

表示t时刻光伏模块传输给电力市场的功率，

表示t时刻光伏模块输出功率超过线路约束的削减功率；

(1.2)、构建离网式混合能源系统中抽水蓄能水电站抽水蓄能出力模型；

其中，

表示t时刻抽水蓄能水电站的充电功率，

和

分别表示t+1时刻和t时刻抽水蓄能水电站的水库储量，η₂为抽水蓄能水电站抽水泵的转换效率，Δt相邻两时刻的间隔时间，ρ为水库水密度，g重力加速度，h为水库深度，

和

表示在一天的始末抽水蓄能水电站的水库储量；

(1.3)、构建离网式混合能源系统中抽水蓄能水电站抽水蓄能排水放电模型；

其中，

表示t时刻抽水蓄能水电站的放电功率，η₁为抽水蓄能水电站水轮机的转换效率；

(2)、构建离网式混合能源系统的经济性目标函数；

其中，EP_t表示t时刻的实时电价，K_pv为光伏发电消减惩罚系数，R为24小时的系统总收入；

(3)、根据电能的供需求平衡，确定离网式混合能源系统的约束条件；

其中，

为电网系统传输线路约束的最大功率，

为抽水蓄能水电站水轮机工作的最大功率，

为抽水蓄能水电站的最大库容，Pr{·}表示条件价值风险模型，δ₁为违反概率，

为抽水蓄能水电站的抽水泵的最大功率；

(4)、基于离网式混合能源系统的出力模型和约束条件，采用分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数，得到最大经济效益maxR以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率

光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，先构建离网式混合能源系统的出力模型、经济性目标函数和约束条件，再基于离网式混合能源系统的出力模型和约束条件，采用分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数，得到最大经济效益maxR以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率

光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率

同时，本发明一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法还具有以下有益效果：

(1)、提出了对于抽蓄蓄能水电站抽水泵功率的机会约束，大多数现有研究集中在严格的不等式限制上，而实际上，抽蓄蓄能水电站抽水泵的功率具有一定的过载运行能力，因此不能集中在严格的不等式限制；

(2)、将光伏电站中，其太阳辐射由于具有随机性，本发明将其设为一个随机变量，并通过例如模糊集等方法来描述该随机变量；

(3)、提出了分布式鲁棒优化的方法，对光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统进行调度，此方法相比于随机优化和鲁棒优化而言，比随机优化易解，并且不会像鲁棒优化那样保守。

附图说明

图1是一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统框图；

图2是本发明一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法流程图；

图3是某一天的太阳辐射值后的输出功率；

图4是某一天的电价变化趋势图；

图5是分布式鲁棒优化算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统框图。

本发明一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统，主要包括三个工作环节：1)、光伏模块的发电环节，2)、抽水蓄能水电站的抽水蓄能环节，3)、抽水蓄能水电站的排水放电环节；如图1所示，其中，光伏模块和抽水蓄能水电站与主电网连接，为主电网供电。

在本实施例中，如图2所示，本发明一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，包括以下步骤：

S1、构建离网式混合能源系统的出力模型；

离网式混合能源系统，主要包括三个工作环节：1)、光伏模块的发电环节，2)、抽水蓄能水电站的抽水蓄能环节，3)、抽水蓄能水电站的排水放电环节；三个工作环节的出力模型如下：

S1.1、构建离网式混合能源系统的光伏模块出力模型；

其中，

表示t时刻光伏模块的输出功率，P^PV,max表示光伏模块的最大输出功率，η^PV,conv表示光伏模块和电解槽之间的转换器效率，ζ_t表示t时刻的太阳辐射值，G^REF表示参考条件下的太阳辐射值，k^P表示峰值功率下的温度系数，

表示t时刻光伏模块的温度，T^REF表示参考条件下的光伏模块温度，

表示t时刻的环境温度，a＝0.0256；

表示t时刻光伏模块传输给抽水蓄能水电的功率，

表示t时刻光伏模块传输给电力市场的功率，

表示t时刻光伏模块输出功率超过线路约束的削减功率；

在该实施例中参考条件下的光伏模块温度为25℃，参考条件下的太阳辐射值为1000W/m²，光伏模块的最大输出功率为1100KW，转换率为90％，温度系数为-0.005 1/℃。t时刻的太阳辐射值是一个随机变量，我们可根据历年数据构建其模糊集，该实施例中一天的太阳辐射值后的输出功率如图3所示。

S1.2、构建离网式混合能源系统中抽水蓄能水电站抽水蓄能出力模型；

其中，

表示t时刻抽水蓄能水电站的充电功率，

和

分别表示t+1时刻和t时刻抽水蓄能水电站的水库储量，η₂为抽水蓄能水电站抽水泵的转换效率，取0.95；Δt相邻两时刻的间隔时间，ρ为水库水密度，g重力加速度，h为水库深度，

和

表示在一天的始末抽水蓄能水电站的水库储量；

S1.3、构建离网式混合能源系统中抽水蓄能水电站抽水蓄能排水放电模型；

其中，

表示t时刻抽水蓄能水电站的放电功率，η₁为抽水蓄能水电站水轮机的转换效率；

S2、构建离网式混合能源系统的经济性目标函数；

其中，EP_t表示t时刻的实时电价，K_pv为光伏发电消减惩罚系数，R为24小时的系统总收入，在此实例中，我们取一天的电价变化如图4所示；

S3、根据电能的供需求平衡，确定离网式混合能源系统的约束条件；

其中，

为电网系统传输线路约束的最大功率，取1000KW；

为抽水蓄能水电站水轮机工作的最大功率取450KW，

为抽水蓄能水电站的最大库容取1000m³；Pr{·}表示条件价值风险模型，δ₁为违反概率，

为抽水蓄能水电站的抽水泵的最大功率，取450KW；提出了对于抽蓄蓄能水电站抽水泵功率的机会约束，此机会约束模型更贴合实际，符合其有一定的可超载运行的能力。

S4、基于离网式混合能源系统的出力模型和约束条件，采用分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数，得到最大经济效益maxR以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率

光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率

其中，如图5所示，分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数的具体过程为：

1)、构造惩罚函数，其一般表达式为：

其中，

r为惩罚因子，f(X)＝maxR，g_i(X)为构造的不等式约束项，m为不等式约束项数量；

2)、初始化惩罚因子r⁽⁰⁾＞0，允许误差∈＞0；

3)、在可行域D内选取初始点X⁽⁰⁾，令迭代次数k＝1；

4)、构造第k次迭代时的惩罚函数

从X^(k-1)点出发用无约束优化方法求惩罚函数

的极值点(X^*,r^(k))；

5)、判断迭代是否终止；

如果前后两次迭代后的极值点满足：||(X^*,r^(k))-(X^*,r^(k-1))||≤∈，则停止迭代计算，∈的取值范围为：10^-5～10^-7，并以(X^*,r^(k))作为f(X)的约束最优解，进入步骤7)；否则进入步骤6)；

6)、取r^(k+1)＝cr^(k)，c为递减系数，取值范围为：0.1～0.5，本实施例中取0.1，X⁽⁰⁾＝X^*r^(k)，k＝k+1，再返回至步骤4)；

7)、提取f(X)的约束最优解，得到最大经济效益maxR以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率

光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率

在本实施例中，分布式鲁棒优化方法，相较于随机优化和鲁棒优化而言，比随机优化算法易解，并且不会像鲁棒优化那样保守，因此更具有鲁棒性和简易性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、构建离网式混合能源系统的出力模型；

(1.1)、构建离网式混合能源系统的光伏模块出力模型；

其中，P_t ^PV表示t时刻光伏模块的输出功率，P^PV,max表示光伏模块的最大输出功率，η^PV,conv表示光伏模块的转换器效率，ζ_t表示t时刻的太阳辐射值，G^REF表示参考条件下的太阳辐射值，k^P表示峰值功率下的温度系数，T_t ^C表示t时刻光伏模块的温度，T^REF表示参考条件下的光伏模块温度，T_t ^AMB表示t时刻的环境温度，a为常数；P_t ^PV-PHS表示t时刻光伏模块传输给抽水蓄能水电的功率，P_t ^PV-EM表示t时刻光伏模块传输给电力市场的功率，P_t ^PV+cur表示t时刻光伏模块输出功率超过线路约束的削减功率；

(1.2)、构建离网式混合能源系统中抽水蓄能水电站抽水蓄能出力模型；

其中，P_t ^PHS-ch表示t时刻抽水蓄能水电站的充电功率，

和V_t ^PHS分别表示t+1时刻和t时刻抽水蓄能水电站的水库储量，η₂为抽水蓄能水电站抽水泵的转换效率，Δt相邻两时刻的间隔时间，ρ为水库水密度，g重力加速度，h为水库深度，

和

表示在一天的始末抽水蓄能水电站的水库储量；

(1.3)、构建离网式混合能源系统中抽水蓄能水电站抽水蓄能排水放电模型；

其中，P_t ^PHS-dis表示t时刻抽水蓄能水电站的放电功率，η₁为抽水蓄能水电站水轮机的转换效率；

(2)、构建离网式混合能源系统的经济性目标函数；

其中，EP_t表示t时刻的实时电价，K_pv为光伏发电消减惩罚系数，R为24小时的系统总收入；

(3)、根据电能的供需求平衡，确定离网式混合能源系统的约束条件；

其中，

为电网系统传输线路约束的最大功率，

为抽水蓄能水电站水轮机工作的最大功率，

为抽水蓄能水电站的最大库容，Pr{·}表示条件价值风险模型，δ₁为违反概率，

为抽水蓄能水电站的抽水泵的最大功率；

(4)、基于离网式混合能源系统的出力模型和约束条件，采用分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数，得到最大经济效益maxR以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率P_t ^PV-EM，光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率P_t ^PV-cur。

2.根据权利要求1所述的一种光蓄能水电站互补的离网式混合能源系统优化方法，其特征在于，所述分布式鲁棒优化算法优化经济性目标函数的具体过程为：

(2.1)、构造惩罚函数，其表达式为：

其中，X＝(P_t ^PV-EM,P_t ^PV-cur,P_t ^PHS-EM)^T，r为惩罚因子，f(X)＝max R，g_i(X)为构造的不等式约束项，m为不等式约束项数量；

(2.2)、初始化惩罚因子r⁽⁰⁾＞0，允许误差∈＞0；

(2.3)、在可行域D内选取初始点X⁽⁰⁾，令迭代次数k＝1；

(2.4)、构造第k次迭代时的惩罚函数

从X^(k-1)点出发用无约束优化方法求惩罚函数

的极值点(X^*,r^(k))；

(2.5)、判断迭代是否终止；

如果前后两次迭代后的极值点满足：||(X^*,r^(k))-(X^*,r^(k-1))||≤∈，则停止迭代计算，并以(X^*,r^(k))作为f(X)的约束最优解，进入步骤(2.7)；否则进入步骤(2.6)；

(2.6)、取r^(k+1)＝cr^(k)，c为递减系数，X⁽⁰⁾＝X^*r^(k)，k＝k+1，再返回至步骤(2.4)；

(2.7)、提取f(X)的约束最优解，得到最大经济效益max R以及对应的抽水蓄能装置每时刻的最优充放电功率P_(t)，光伏电站传输给电力市场的功率P_t ^PV-EM,光伏电站输出功率超过线路约束的最优削减功率P_t ^PV-cur。

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