CN112803479B - 一种计及深度调峰的火电机组建模方法及模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了本发明公开一种计及深度调峰的火电机组建模方法及模型，该方法包括：①根据火电机组在深度调峰时的运行状态和数据，提出火电机组在深度调峰阶段的爬坡特性；②根据火电机组的爬坡特性，推导出计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式；③根据火电机组爬坡约束通用表达式，求解任意一确定火电机组的爬坡约束；④建立该确定火电机组的数学模型。本发明提供的计及深度调峰的火电机组建模方法及模型，充分考虑了火电机组参与深度调峰时的运行特征，能够更精确的反映计及深度调峰火电机组的运行特性，提高了计及深度调峰火电机组建模的准确性。

Description

一种计及深度调峰的火电机组建模方法及模型
技术领域
本发明涉及电力系统建模领域，具体指一种计及深度调峰的火电机组建模方法及模型。
背景技术
我国北方地区风、光等资源丰富，水电、燃机等灵活可调电源占比少，可再生能源高比例接入的灵活性需求目前主要通过调峰辅助服务市场。一般的机组只具备常规调峰的能力，但是为了给可再生能源让出力，有的大机组就要求具备深度调峰的能力，需要以低于常规调峰正常运行时的最小值的出力去运行，这个时候就属于深度调峰。
利用火电机组灵活性改造、深度调峰等措施适应可再生能源出力变化。但是传统的火电机组建模方法及模型未考虑机组在深度调峰时的运行特性，不适用于可进行深度调峰的火电机组，因此，需对火电机组的传统建模方法及模型进行改进，以提高计及深度调峰的火电机组建模准确性。
火电机组的运行状态包括常规调峰和深度调峰。当火电机组进行深度调峰时，随着机组负荷降低，锅炉燃烧、水动力等工况逐渐变差，容易引起锅炉灭火、水循环停滞或倒流等事故，此时，为了保证机组的稳定运行，机组出力不宜随意波动。但现阶段在电力系统有关火电机组建模的问题中，一般未察觉到火电机组在深度调峰时的爬坡特性，所建立的火电机组模型无法准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种计及深度调峰的火电机组建模方法，解决如何提高计及深度调峰火电机组的建模准确性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种计及深度调峰的火电机组建模方法，包括以下步骤：
1)根据火电机组的运行状态和数据，分析火电机组在不同运行状态下的爬坡率，包括常规调峰阶段、深度调峰第一阶段与深度调峰第二阶段，在深度调峰阶段爬坡率会小于其在常规调峰时的爬坡率，且机组负荷越低，爬坡率越小，从而得到火电机组的阶梯式爬坡特性；
2)根据火电机组的阶梯式爬坡特性，推导出计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式；
3)根据火电机组爬坡约束通用表达式，求解任意一确定火电机组的爬坡约束；
4)结合该确定火电机组的爬坡约束、火电机组出力约束、火电机组旋转备用约束、火电机组最小启停时间约束以及火电机组各调峰阶段内的最小运行时间约束，建立用于仿真该确定火电机组的运行状态的数学模型。
本发明还提供一种计及深度调峰的火电机组数学模型，采用本发明的计及深度调峰的火电机组建模方法进行建立，包括所述爬坡约束、所述火电机组出力约束、所述火电机组旋转备用约束、所述火电机组最小启停时间约束以及所述火电机组各调峰阶段内的最小运行时间约束。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
1、本发明充分考虑了火电机组参与深度调峰时的运行特征，能够更精确的反映计及深度调峰火电机组的运行特性，提高了计及深度调峰火电机组建模的准确性。本发明首先分析出火电机组的阶梯式爬坡特性，在深度调峰阶段爬坡率会小于其在常规调峰时的爬坡率，且机组负荷越低，爬坡率越小。
2、火电机组的阶梯式爬坡特性是火电机组的共性，本发明还考虑到火电机组的个性，来求解任意一确定火电机组的爬坡约束，更加符合火电机组在深度调峰时的实际运行情况。
附图说明
图1为计及深度调峰的火电机组建模方法的步骤图；
图2为计及深度调峰火电机组的负荷与爬坡率关系；
图3为不同调度时间尺度下计及深度调峰火电机组相邻调度时段的出力关系。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种可用于计及深度调峰火电机组的建模方法及模型，本发明提供的计及深度调峰的火电机组建模方法及模型，充分考虑了火电机组参与深度调峰时的运行特征，能够更精确的反映计及深度调峰火电机组的运行特性，并提高了计及深度调峰火电机组建模的准确性。首先根据火电机组在深度调峰时的运行状态和数据，提出火电机组在深度调峰阶段的爬坡特性；其次根据火电机组的爬坡特性，推导出计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式；然后根据火电机组爬坡约束通用表达式，求解任意一确定火电机组的爬坡约束；最后基于求得的火电机组爬坡约束，建立该确定火电机组的数学模型。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
参考图1所示，本发明实施例包括如下步骤：
S1：根据火电机组在深度调峰时的运行状态和数据，提出火电机组在深度调峰阶段的爬坡特性：
当火电机组进行深度调峰时，随着机组负荷降低，锅炉燃烧、水动力等工况逐渐变差，容易引起锅炉灭火、水循环停滞或倒流等事故。因此，为了保证机组的稳定运行，在深度调峰时，火电机组的爬坡率会随着负荷降低而减小。火电机组负荷与爬坡率的对应关系可归纳为3个阶段：常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段。假设火电机组n在以上三种状态对应的爬坡率依次为R1,n、R2,n和R3,n，则计及深度调峰火电机组的负荷与爬坡率的关系可以表示为：
式中，和/>分别为火电机组n的最小发电功率、最大发电功率和第t个调度时段内的发电功率；xn和yn分别为深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段中火电机组负荷最大值与/>的比值；/>为火电机组n在第t个调度时段内的爬坡率。火电机组在深度调峰阶段的爬坡特性可参见图2。
S2：计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式：
火电机组n在某一调度时段所能达到的输出功率，除了与上一调度时段的输出功率和爬坡率有关以外，还和调度时间尺度ΔT、火电机组的启停状态、以及火电机组各调峰阶段的负荷取值范围有关。以爬坡率和各调峰阶段负荷取值范围固定不变的火电机组为例，对于四种不同的调度时间尺度，和/>的关系可参见图3所示的4种情形。其中，黑色线段围成的区域表示在给定条件下/>所有可能的取值范围。此外，火电机组运行在深度调峰状态时，可直接进行停机，而当火电机组启动时，不能直接进入深度调峰状态，必须达到常规调峰状态的最小输出功率。
由图3可知，ΔT不同时，的取值范围相差很大。同理，对于不同的火电机组，其爬坡率、各调峰阶段的负荷取值范围不同，也会对火电机组每个调度时段可输出功率的范围造成影响。因此，综合考虑以上因素，可以推导出计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式为：
式中，αn,t为0-1变量，表示第t个调度时段内第n台火电机组的启停状态，αn,t＝1表示处于启动状态，αn,t＝0表示处于停机状态。
式(2)可分为四个部分：其中，①～③为第一部分，④～⑤为第二部分，⑥～⑧为第三部分，⑨为第四部分，分别表示处于常规调峰阶段、深度调峰第一阶段、深度调峰第二阶段和停机状态时/>和/>应满足的爬坡约束。
S3：任意一确定火电机组的爬坡约束：
对于任意一确定的火电机组，其爬坡率和各调峰阶段的负荷取值范围为该机组的固有属性，是确定的。因此，当系统的调度时间尺度需求确定后，就可以根据式(2)求出该火电机组的爬坡约束。但是，在求解过程中，可能出现不满足其对应区间范围的情形，此时需按照以下详细步骤对式(2)进行调整：
1)对于式(2)第一部分，当根据①～③求出其区间范围后，只保留满足在范围内的区间部分及其对应的约束，其余不满足的区间部分及约束均舍去；
2)对于式(2)第二部分，存在两种情形需要讨论：和当/>时，④～⑤保持不变；当时，④～⑤将合并为以下约束：
3)对于式(2)第三部分，当根据⑥～⑧求出其区间范围后，只保留满足在范围内的区间部分及其对应的约束，其余不满足的区间部分及约束均舍去。
S4：计及深度调峰的火电机组模型：
计及深度调峰的火电机组模型，除上述机组爬坡约束外，还应包括机组出力约束、机组旋转备用约束，机组启停约束和机组各调峰阶段内的最小运行时间约束。
1)火电机组出力约束
火电机组在每个调度时段的出力应在其允许的出力范围内，即
2)火电机组旋转备用约束
由于火电机组在深度调峰运行时，其出力不宜随意波动，因此，只有运行在常规调峰状态下的火电机组可提供旋转备用。
式中，和/>分别为第t个调度时段内火电机组n在常规调峰阶段的最大和最小可用出力；Pt SR.U和Pt SR.D分别为系统的正、负旋转备用容量需求，包括应对可再生能源出力不确定性，负荷波动等需求；/>为火电机组n在常规调峰阶段的机组出力区间。
3)火电机组最小启停时间约束
火电机组最小启停时间约束包括机组最小停机时间和机组最小连续运行时间：
式中，和/>分别为第n台火电机组在第t个调度时段时已经连续运行和停机的时间；/>和/>分别为第n台火电机组的最小连续运行和停机时间。
4)火电机组各调峰阶段内的最小运行时间约束
为避免火电机组在不同调峰阶段间频繁切换，需对火电机组在不同调峰阶段内的最小运行时间进行限制。
式中：和/>分别为火电机组n在第t个调度时段时已在常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段内的连续运行时间；/>和/>分别为火电机组n在常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段内的最小连续运行时间。/>和/>均为0-1变量，分别表示第t个调度时段内火电机组n在常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段的运行状态，等于1表示机组运行在当前调峰阶段，等于0表示机组不运行在当前调峰阶段，且/>和/>应满足
本发明实施例提供了一种计及深度调峰的火电机组建模方法及模型，可以通过上述方法对任一确定的计及深度调峰的火电机组进行建模，用于电力系统机组组合问题的求解，更加符合火电机组在深度调峰时的实际运行情况。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种计及深度调峰的火电机组建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据火电机组的运行状态和数据，分析火电机组在不同运行状态下的爬坡率，包括常规调峰阶段、深度调峰第一阶段与深度调峰第二阶段，在深度调峰阶段爬坡率会小于其在常规调峰时的爬坡率，且机组负荷越低，爬坡率越小，从而得到火电机组的阶梯式爬坡特性；
2)根据火电机组的阶梯式爬坡特性，推导出计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式；
3)根据火电机组爬坡约束通用表达式，求解任意一确定火电机组的爬坡约束；
4)结合该确定火电机组的爬坡约束、火电机组出力约束、火电机组旋转备用约束、火电机组最小启停时间约束以及火电机组各调峰阶段内的最小运行时间约束，建立用于仿真该确定火电机组的运行状态的数学模型；
其中，火电机组的阶梯式爬坡特性的表达式如下：
式中，和/>分别为火电机组n的最小发电功率、最大发电功率和第t个调度时段内的发电功率；xn和yn分别为深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段中火电机组负荷最大值与/>的比值；/>为火电机组n在第t个调度时段内的爬坡率；
火电机组n在某一调度时段所能达到的输出功率除了与上一调度时段的输出功率和爬坡率有关以外，还和调度时间尺度、火电机组的启停状态、以及火电机组各调峰阶段的负荷取值范围有关；针对/>处于常规调峰阶段、深度调峰第一阶段、深度调峰第二阶段和停机状态时，分别建立/>和/>应满足的爬坡约束；
计及深度调峰的火电机组爬坡约束通用表达式如下：
式中，αn,t为0-1变量，表示第t个调度时段内第n台火电机组的启停状态，αn,t＝1表示处于启动状态，αn,t＝0表示处于停机状态；①～③为第一部分，④～⑤为第二部分，⑥～⑧为第三部分，⑨为第四部分，分别表示处于常规调峰阶段、深度调峰第一阶段、深度调峰第二阶段和停机状态时/>和/>应满足的爬坡约束。
2.根据权利要求1所述的计及深度调峰的火电机组建模方法，其特征在于：对于任意一确定的火电机组，其爬坡率和各调峰阶段的负荷取值范围为该机组的固有属性，是确定的；当系统的调度时间尺度需求确定后，根据式(2)求出该火电机组的爬坡约束。
3.根据权利要求2所述的计及深度调峰的火电机组建模方法，其特征在于：在求解过程中，当出现不满足其对应区间范围的情形时，按照以下详细步骤对式(2)进行调整：
1)对于式(2)第一部分，当根据①～③求出其区间范围后，只保留满足在范围内的区间部分及其对应的约束，其余不满足的区间部分及约束均舍去；
2)对于式(2)第二部分，存在两种情形需要讨论：和当/>时，④～⑤保持不变；当时，④～⑤将合并为以下约束：
3)对于式(2)第三部分，当根据⑥～⑧求出其区间范围后，只保留满足在范围内的区间部分及其对应的约束，其余不满足的区间部分及约束均舍去。
4.根据权利要求1所述的计及深度调峰的火电机组建模方法，其特征在于：
1)火电机组出力约束
火电机组在每个调度时段的出力应在其允许的出力范围内，即
2)火电机组旋转备用约束
由于火电机组在深度调峰运行时，其出力不宜随意波动，因此，只有运行在常规调峰状态下的火电机组可提供旋转备用：
式中，和/>分别为第t个调度时段内火电机组n在常规调峰阶段的最大和最小可用出力；Pt SR.U和Pt SR.D分别为系统的正、负旋转备用容量需求，包括应对可再生能源出力不确定性，负荷波动等需求；/>为火电机组n在常规调峰阶段的机组出力区间；
3)火电机组最小启停时间约束
火电机组最小启停时间约束包括机组最小停机时间和机组最小连续运行时间：
式中，和/>分别为第n台火电机组在第t个调度时段时已经连续运行和停机的时间；/>和/>分别为第n台火电机组的最小连续运行和停机时间；
4)火电机组各调峰阶段内的最小运行时间约束
为避免火电机组在不同调峰阶段间频繁切换，需对火电机组在不同调峰阶段内的最小运行时间进行限制：
式中：和/>分别为火电机组n在第t个调度时段时已在常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段内的连续运行时间；/>和/>分别为火电机组n在常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段内的最小连续运行时间；且/>和/>应满足下式：
和/>均为0-1变量，分别表示第t个调度时段内火电机组n在常规调峰阶段、深度调峰第一阶段和深度调峰第二阶段的运行状态，等于1表示机组运行在当前调峰阶段，等于0表示机组不运行在当前调峰阶段。
5.一种计及深度调峰的火电机组数学模型，其特征在于：采用权利要求4所述的计及深度调峰的火电机组建模方法进行建立，包括所述爬坡约束、所述火电机组出力约束、所述火电机组旋转备用约束、所述火电机组最小启停时间约束以及所述火电机组各调峰阶段内的最小运行时间约束。
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