CN112583051B - 变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，采用容量分割的方法建立变速抽水蓄能电站全天的多应用模式优化配置模型，模型的优化目标为系统最小经济成本，约束条件的构建包括变速抽水蓄能机组调频和备用预留容量约束、变速抽水蓄能机组调频和备用预留能量约束、功率‑电能等式约束；在调度模型的构建中，主要考虑变速抽水蓄能机组的抽水发电功率约束、电能约束、功率‑电能转化损耗约束、爬坡约束和备用约束。此种模型构建方法可为电网调峰和调频提供精细化调节手段，提高电网的安全稳定运行水平和资源利用率。

Description

变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型。

背景技术

随着风电、光伏发电等间歇性可再生能源的大规模接入以及电网内核电的大规模投运，电网的安全稳定运行面临着巨大的挑战，电网频率控制尤其是夜间频率控制变得更加困难。电网频率控制的高要求与频率控制手段的匮乏(特别是精细化控制手段的匮乏)形成了一对矛盾。传统的定速抽水蓄能机组在抽水工况下不能调节功率，这在一定程度上影响了电网频率调节的精细程度，在区域电网中还将影响到新能源的消纳水平。变速抽水蓄能机组是交流励磁的异步化运行的同步双馈电机，在泵运行工况下可以在一定范围内进行输入功率的快速调节，为电网调峰和调频提供了精细化调节手段，无论是提高电网安全稳定运行水平还是提高资源利用率，均具有现实意义。

随着大功率电力电子器件技术发展，以及交流励磁控制等技术的进步，国内变速抽水蓄能技术得到了很大的发展。国内外关于变速抽水蓄能机组的研究较多，但在变速抽水蓄能机组与新能源的协调配合控制策略以及优化调度等方面还有待进一步深入。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，其可为电网调峰和调频提供精细化调节手段，提高电网的安全稳定运行水平和资源利用率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，采用容量分割的方法建立变速抽水蓄能电站全天的多应用模式优化配置模型，模型的优化目标为系统最小经济成本，约束条件的构建包括变速抽水蓄能机组调频和备用预留容量约束、变速抽水蓄能机组调频和备用预留能量约束、功率-电能等式约束。

在调度模型的构建中，主要考虑变速抽水蓄能机组的抽水发电功率约束、电能约束、功率-电能转化损耗约束、爬坡约束和备用约束。

其中，抽水发电功率约束是指变速抽水蓄能电站的抽水发电功率受发电机组及水泵功率约束、上下库容量、水资源等因素影响；所述电能约束是指变速抽水蓄能电站总的抽水发电功率必须满足上下库容量及总能量的约束；所述功率-电能转化损耗约束是指变速抽水蓄能电站自身存在一定的电能损耗，用抽水能量效率系数和发电能量效率系数来表示；所述爬坡约束类似火电机组，区别在于其功率值可以为负；所述备用约束是指变速抽水蓄能电站所能提供的备用容量一方面受其在不同时段的最大抽水发电功率值影响，另一方面受变速抽水蓄能电站在不同时段所剩容量值的影响，二者共同决定了变速抽水蓄能电站在不同时段所能提供的备用容量值。

模型的建立与求解包括如下步骤：

步骤1，基础数据准备，包括电网模型、设备参数、机组运行参数、计算参数等；

步骤2，对目标函数和部分约束条件进行线性或近似线性化处理，将模型转化为混合整数线性优化问题，并利用商业优化软件包HUST_Pro进行求解；采用混合整数规划方法进行安全约束机组组合优化计算，得到满足目标函数和各类约束的常规机组的开停状态和出力计划，其中风、光等间歇性能源取其期望值；

步骤3，结果展示和输出，包括变速抽水蓄能机组的发电/抽水状态、变速抽水蓄能机组的出力计划、风-光-水-火机组的出力计划以及支路和输电断面潮流曲线等。

采用上述方案后，本发明的优势在于，通过合理制定变速抽水蓄能机组在区域电网中的出力策略，可使变速抽水蓄能机组的功率与风-光-水-火能源的出力形成一定的互补。

附图说明

图1是本发明所述变速抽水蓄能机组的容量分配策略示意图；

图2是本发明所述变速抽水蓄能机组与新能源的出力曲线；

图3是本发明涉及变速抽水蓄能机组的整体架构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供一种变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，如图3所示，涉及的变速抽水蓄能机组不同于传统的火电机组，在电力系统中既可作为电源，又可作为负荷；本发明提供的模型构建方法采用容量分割的方法，建立起变速抽水蓄能电站全天的多应用模式优化配置模型，模型具体地包括优化目标和约束条件两部分。

1)目标函数

所述变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型以系统经济成本最小为优化目标，其数学表达式如下式所示：

上式中，F_ci(P_i)为火电机组煤耗费用，F_sd(P_wd)为系统弃风惩罚函数，F_f(P_i,t)为t时刻机组i参与调频的配置惩罚费用，F_r(P_i,t)为t时刻机组i提供备用的配置惩罚费用，F_g(P_sg,t)为风光功率波动偏差惩罚函数，F_c(P_sw,t+P_sf,t+P_sr,t)为变速抽水蓄能电站t时刻的运行成本，T为一天的时刻总数，以15分钟为一个时刻点，T等于96。

2)约束条件

①所述变速抽水蓄能电站需要为调频和备用预留容量，其数学表达式如下所示：

P_sw,t+0.5P_sf,t+P_sr,t≤P_s,max (2)

P_sw,t-0.5P_sf,t≥-P_s,max (3)

上式中，P_sw,t为风电场的运行功率，P_sf,t为变速抽水蓄能机组配置的调频功率，P_s,max为调频所需备用功率，P_sr,t为光伏电站的运行功率。

②所述变速抽水蓄能电站需要为调频和备用预留能量，其数学表达式如下所示：

Q_s,t≥0.5P_sf,tl_f+P_sr,tl_r (4)

Q_s,t≤Q_s,max-(P_sw,tl_w+0.5P_sf,tl_f)η (5)

上式中：Q_s,t为t时刻变速抽水蓄能电站的剩余容量，l_f为变速抽水蓄能电站参与调频的时间间隔，一般为15分钟，l_r为变速抽水蓄能电站参与提供备用的时间间隔，一般为1小时。Q_s,max为变速抽水蓄能电站的容量上限，l_w为变速抽水蓄能电站参与消纳风电的时间长度，η为充电效率。

③功率-电能等式约束，其数学表达式如下式所示：

Q_s,t＝Q_s,t-1+P_sw,tlη-λ_rP_sr,tl-λ_fP_sf,t(1-η)l (6)

上式中：l为1个时间间隔，即15分钟。Q_s,t为t时刻变速抽水蓄能电站的剩余容量，Q_s.t-1为上一时刻变速抽水蓄能电站的剩余容量，P_sw.t为风机的实时出力。P_sf,t为变速抽水蓄能机组配置的调频功率。P_sr,t为光伏电站的运行功率；λ_f为变速抽水蓄能机组配置的能量占比，λ_r为光伏电站的能量占比。

3)求解步骤

本发明所述的优化调度模型中存在大量变量和时段之间的耦合约束，传统的求解方法存在困难。从数学本质来看，模型属于混合整数规划问题，因此，模型通过对目标函数和部分约束条件式进行线性或近似线性化处理，转化为混合整数线性优化问题，并利用商业优化软件包HUST_Pro进行求解。求解步骤具体地包括：

步骤1：基础数据准备，包括电网模型、设备参数、机组运行参数、计算参数等；

步骤2：采用混合整数规划方法进行安全约束机组组合优化计算，得到满足目标函数和各类约束的常规机组的开停状态和出力计划，其中风、光等间歇性能源取其期望值。

步骤3：结果展示和输出，包括变速抽水蓄能机组的发电/抽水状态、变速抽水蓄能机组的出力计划、风-光-水-火机组的出力计划以及支路和输电断面潮流曲线等。

4)结果展示

本发明所述联合优化调度模型在图1所示的变速抽水蓄能机组容量分配策略下的一种可能的出力曲线如图2所示，图中综合了负荷、外部受电、系统开机等因素。图2中，上为新能源的出力曲线，下为变速抽水蓄能机组的出力曲线。从图中可见，通过联合优化调度，变速抽水蓄能机组的功率与新能源出力形成了一定的互补。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，其特征在于：采用容量分割的方法建立变速抽水蓄能电站全天的多应用模式优化配置模型，模型的优化目标为系统最小经济成本，约束条件的构建包括变速抽水蓄能机组调频和备用预留容量约束、变速抽水蓄能机组调频和备用预留能量约束、功率-电能等式约束；

所述模型的优化目标表示为：

其中，F_ci(P_i)为火电机组煤耗费用，F_sd(P_wd)为系统弃风惩罚函数，F_f(P_i,t)为t时刻机组i参与调频的配置惩罚费用，F_r(P_i,t)为t时刻机组i提供备用的配置惩罚费用，F_g(P_sg,t)为风光功率波动偏差惩罚函数，F_c(P_sw,t+P_sf,t+P_sr,t)为变速抽水蓄能电站t时刻的运行成本，T为一天的时刻总数。

2.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，其特征在于：所述变速抽水蓄能机组调频和备用预留容量约束的表达式为：

P_sw,t+0.5P_sf,t+P_sr,t≤P_s,max

P_sw,t-0.5P_sf,t≥-P_s,max

其中，P_sw,t为风电场的运行功率，P_sf,t为变速抽水蓄能机组配置的调频功率，P_s,max为调频所需备用功率，P_sr,t为光伏电站的运行功率。

3.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，其特征在于：所述变速抽水蓄能机组调频和备用预留能量约束的表达式为：

Q_s,t≥0.5P_sf,tl_f+P_sr,tl_r

Q_s,t≤Q_s,max-(P_sw,tl_w+0.5P_sf,tl_f)η

其中，Q_s,t为t时刻变速抽水蓄能电站的剩余容量，l_f为变速抽水蓄能电站参与调频的时间间隔，P_sf,t为变速抽水蓄能机组配置的调频功率，P_sr,t为光伏电站的运行功率；l_r为变速抽水蓄能电站参与提供备用的时间间隔；Q_s,max为变速抽水蓄能电站的容量上限，P_sw,t为风电场的运行功率，l_w为变速抽水蓄能电站参与消纳风电的时间长度，η为充电效率。

4.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，其特征在于：所述功率-电能等式约束的表达式为：

Q_s,t＝Q_s,t-1+P_sw,tlη-λ_rP_sr,tl-λ_fP_sf,t(1-η)l

其中，l为1个时间间隔；Q_s,t为t时刻变速抽水蓄能电站的剩余容量，Q_s.t-1为上一时刻变速抽水蓄能电站的剩余容量，P_sw.t为风机的实时出力，η为充电效率；P_sf,t为变速抽水蓄能机组配置的调频功率，P_sr,t为光伏电站的运行功率；λ_f为变速抽水蓄能机组配置的能量占比，λ_r为光伏电站的能量占比。

5.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组在区域电网中的优化调度模型构建方法，其特征在于：所述模型的求解过程是：对目标函数和部分约束条件进行线性或近似线性化处理，将模型转化为混合整数线性优化问题，并利用商业优化软件包HUST_Pro进行求解；采用混合整数规划方法进行安全约束机组组合优化计算，得到满足目标函数和各类约束的常规机组的开停状态和出力计划。

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