CN112993992B - 一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法。本发明根据火电机组有偿调峰方案，考虑常规调峰最低负荷率、不投油深度调峰最低负荷率以及投油深度调峰最低负荷率与深度调峰补偿分档区间上限的关系，通过设置原则，建立灵活可配置的火电机组辅助调峰惩罚与运行成本系数矩阵；然后根据需要平衡的净负荷曲线建立分段状态变量矩阵；通过将火电机组出力切分成各分段区间的出力之和，建立考虑不同调峰参数分档的优化模型，利用线性规划方法优化得到最优的火电机组出力曲线和储能充放电功率曲线。本发明支持灵活配置调峰阶梯数量和调峰运行参数，可适用于全国各地区的储能辅助调峰运行优化。

Description

一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法
技术领域
本发明属于储能优化运行领域，具体地说是一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法。
背景技术
为促进能源结构的转型升级，实现清洁低碳发展，目前全国正在大力开展清洁能源的建设，装机容量占比日益提高。随着新能源发电并网的容量不断增加，新能源发电输出的波动性和间歇性对电网稳定运行的影响日益严重。火电厂需频繁参与深度调峰来保证电网运行的安全性，导致火电厂的调峰压力急剧增加。但是频繁、大幅度的调节会降低使用寿命。
为此，各地区相继出台了辅助服务机制，充分调度火电厂参与调峰的积极性，但收效有限。近几年快速发展的储能技术具有较快的响应速度，能够优化电源结构，增加调峰容量，引入储能系统参与调峰服务，可减少并优化火电机组的频繁增减处理，从而有效缓解火电厂的调峰压力，有利于提高新能源消纳能力，减少弃风/弃光量。
如何实现储能辅助火电联合调峰优化运行是充分发挥储能应用价值的重要手段，然而目前的研究方法大多数未充分考虑全国各地区的调峰辅助服务方案的差异性，甚至有些未考虑深度调峰参数分档的影响，难以指导目前的火电联合储能调峰的运行计划。
在储能辅助深度调峰市场，不同的省市地区存在不同的运行参数分档以及不同的深度调峰补偿，常规火电机组参与调峰存在不同的调峰阶段(常规调峰、不投油深度调峰以及投油深度调峰)，如果不考虑这些因素的影响，将无法指导储能火电机组辅助调峰优化运行。因此，需要建立考虑不同省份地区深度调峰参数分档以及火电机组不同深度调峰阶段(常规调峰、不投油深度调峰以及投油深度调峰)的储能辅助调峰优化运行模型，得到火电机组的最优出力曲线以及储能的最优充放电计划曲线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其通过将火电机组出力切分成各分段区间的出力之和，建立考虑不同调峰参数分档的优化模型，采用线性规划优化方法对优化模型进行优化求解，以获得最优的火电机组出力曲线以及储能充放电功率曲线。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其包括：
根据火电机组有偿调峰方案，考虑常规调峰最低负荷率、不投油深度调峰最低负荷率以及投油深度调峰最低负荷率与深度调峰补偿分档区间上限的关系，通过设置原则，建立灵活可配置的火电机组辅助调峰惩罚与运行成本系数矩阵As*r；然后根据需要平衡的净负荷曲线建立分段状态变量矩阵B(s+1)*n；
通过将火电机组出力切分成各分段区间的出力之和，建立考虑不同调峰参数分档的优化模型的统一目标函数，同时建立优化模型中的不等式和等式约束条件，将分段混合整数优化模型简化为线性规划优化模型，利用线性规划方法优化得到最优的火电机组出力曲线和储能充放电功率曲线。
进一步地，所述的火电机组辅助调峰惩罚与运行成本系数矩阵As*r满足：As*r＝[Pr，Ccomp，Cdeep，Coil]，
式中，s代表深度调峰的分档数，根据火电机组有偿调峰方案动态设置；r代表系数矩阵的维度；Pr为深度调峰补偿分档区间上限，单位为％；Ccomp为调峰补偿，单位为元/MWh；Cdeep为不投油深度调峰运行成本，单位为元/MWh；Coil为投油深度调峰运行成本，单位为元/MWh。
进一步地，所述As*r矩阵的设置原则遵循如下：
1)Pr[1]＝minConvLR，Pr[k]根据辅助调峰参数分档情况设置，k＝2，...，s，minConvLR代表常规调峰最低负荷率；
2)如果Pr[k]≥minLRwithNoil，则Cdeep[k-1]＝dConp，则Coil[k-1]＝0，k＝2，...，s，其中，minLRwithNoil为不投油深度调峰最低负荷率，dConp为不投油深度调峰运行成本；
3)如果Pr[k]＞minLRwithoil且Pr[k]＜minLRwithNoil，则Cdeep[k-1]＝dConp，Coil[k-1]＝oilConp，k＝2，...，s，其中，minLRwithoil为投油深度调峰最低负荷率，oilConp为投油深度调峰运行成本；
4)Ccomp根据当地深度调峰参数设置分档补偿。
进一步地，所述的分段状态变量矩阵B(s+1)*n，s代表深度调峰的分档数，根据火电机组有偿调峰方案动态设置；其中n代表一天内的优化时段数，与净负荷的维度相同；
B(s+1)*n矩阵的设置原则遵循如下：
1)如果NetLd[i]≥minConvLR*thmRatedP，i＝1，...，n，则B[1，i]＝1，否则B[1，i]＝0，其中thmRatedP为火电机组额定发电功率；NetLd[i]代表i时刻的净负荷功率值；
2)如果NetLd[i]＞Pr[k]*thmRatedP且NetLd[i]＜Pr[k-1]*thmRatedP，则B[k，i]＝1，否则B[k，i]＝1。
进一步地，优化模型的统一目标函数表达式如下式，包括火电机组上网电费、联合深度调峰补贴和深度调峰运行成本：
Figure BDA0002967763550000041
Other由下式计算得到：
Figure BDA0002967763550000042
其中，coalConsp为煤耗量，单位为kg/kWh；fuelUcost为燃料单价，单位为元/kg；Pout为储能辅助火电机组调峰联合出力，thmToGPrice为火电机组上网电价，ΔT为优化时段步长，Pthm为火电机组单独出力功率，
Figure BDA0002967763550000044
为Pthm在分档区间(Pr[k+1]，Pr[k])中的出力功率，满足：
Figure BDA0002967763550000043
进一步地，所述优化模型中的不等式和等式约束条件包括功率平衡等式约束、储能能量平衡等式约束以及火电机组爬坡率和输出功率不等式约束。
进一步地，所述的功率平衡等式约束条件如下：
Figure BDA0002967763550000051
Pout[i]＝NetLd[i]
Figure BDA0002967763550000052
Pbat[i]＝Pc[i]/eff-Pd[i]/eff，i＝1，...，n
其中，Pbat为储能系统的出口功率，Pc为储能系统电池充电功率，Pd为储能系统电池放电功率，eff为储能系统逆变器充放电效率。
进一步地，所述的储能能量平衡等式约束条件如下：
SOC[i+1]-SOC[i]＝(Pc[i]-Pd[i])*ΔT/Cap，i＝1，...，n
SOC[n]＝SOC[1]
其中，SOC代表储能系统剩余容量比例，Cap代表储能系统的额定容量。
进一步地，所述火电机组爬坡率和输出功率等不等式约束如下：
Figure BDA0002967763550000053
Figure BDA0002967763550000054
Figure BDA0002967763550000055
Figure BDA0002967763550000056
Pc[i]≤Pbatmmax*(1-B[1，i])
Pd[i]≤Pbatmmax*(1-B[1，i])
Pthm[i+1]-Pthm[i]≤thmMaxUp
Pthm[i]-Pthm[i+1]≤thmMaxDown
其中，Pbatmmax为储能系统最大功率，thmMaxUp为火电机组时间步长ΔT内的最大向上爬坡功率，thmMaxDown为火电机组时间步长ΔT内的最大向下爬坡功率。
进一步地，根据火电机组和储能系统的基本参数以及运行参数配置上述优化模型中的边界参数，包括最大向上爬坡率、最大向下爬坡率和储能最大功率，采用线性规划优化方法对优化模型进行优化求解，获得最优的火电机组出力曲线以及储能充放电功率曲线。
本发明充分考虑了深度调峰惩罚与运行成本不同的分档方式，通过建立分段状态变量矩阵和成本系数矩阵实现分档方式和运行优化的灵活调节，同时考虑到常规调峰、不投油深度调峰以及投油深度调峰最低负荷率以及成本的不同，将复杂多变的分段混合整数优化模型简化为线性规划优化模型，实现储能与火电机组相互间的协调运行优化简便计算；同时支持灵活修改惩罚与运行成本以及分档数量，可适应不同省份的不同辅助调峰方案。
相比其他启发式搜索算法，本发明建立了普适性强而且求解简便的储能辅助火电调峰的线性优化模型，具有很好的应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其步骤如下：
步骤(1)：建立火电机组辅助调峰惩罚与运行成本系数矩阵As*r。其中s代表深度调峰服务的分档数，根据目前全国各省的调峰方案来动态设置；r代表系数矩阵的维度，包括深度调峰补偿分档区间上限Pr(单位：％)，调峰补偿Ccomp(单位：元/MWh)，不投油深度调峰运行成本Cdeep(单位：元/MWh)，投油深度调峰运行成本Coil(单位：元/MWh)，满足：A＝Pr,Ccomp,Cdeep,Coil]，r＝4。
A矩阵的设置原则遵循如下：
1)Pr[1]＝minConvLR，Pr[k](k＝2，...，s)根据当地省份辅助调峰参数分档情况设置，minConvLR代表常规调峰最低负荷率。
2)如果Pr[k]≥minLRwithNoil，则Cdeep[k-1]＝dConp，则Coil[k-1]＝0，(k＝2，...，s)其中minLRwithNoil为不投油深度调峰最低负荷率，dConp为不投油深度调峰运行成本。
3)如果Pr[k]＞minLRwithoil且Pr[k]＜minLRwithNoil，则Cdeep[k-1]＝dConp，则Coil[k-1]＝oilConp，(k＝2，...，s)，其中minLRwithoil为投油深度调峰最低负荷率，oilConp为投油深度调峰运行成本。
4)Ccomp根据当地深度调峰参数设置分档补偿。
步骤(2)：根据净负荷NetLd曲线值计算建立分段状态变量矩阵B(s+1)*n。其中n代表一天内的优化时段数，与净负荷的维度相同。
B矩阵的设置原则遵循如下：
1)如果NetLd[i]≥minConvLR*thmRatedP，(i＝1，...，n)，则B[1，i]＝1，否则B[1，i]＝0，其中thmRatedP为火电机组额定发电功率。
2)如果NetLd[i]＞Pr[k]*thmRatedP且NetLd[i]＜Pr[k-1]*thmRatedP，则B[k，i]＝1，否则B[k，i]＝1。
步骤(3)：建立基于调峰价格灵活分档的储能辅助调峰运行优化目标函数ObjCal。目标函数表达式如下式，包括火电机组上网电费、联合深度调峰补贴和深度调峰运行成本：
Figure BDA0002967763550000081
Other由下式计算得到：
Figure BDA0002967763550000082
其中，coalConsp为煤耗量(kg/kWh)，fuelUcost为燃料单价(元/kg)，Pout为储能辅助火电机组调峰联合出力，thmToGPrice为火电机组上网电价，ΔT为优化时段步长，Pthm为火电机组单独出力功率，
Figure BDA0002967763550000083
为Pthm在分档区间(Pr[k+1]，Pr[k])中的出力功率，满足：
Figure BDA0002967763550000084
步骤(4)：建立储能辅助火电机组深度调峰的优化运行约束条件，包括功率平衡等式约束、储能能量平衡等式约束以及火电机组爬坡率和输出功率不等式约束。具体表达式如下：
1)建立功率平衡等式约束条件：
Figure BDA0002967763550000085
Pout[i]＝NetLd[i]
Figure BDA0002967763550000091
Pbat[i]＝Pc[i]/eff-Pd[i]/eff，i＝1，...，n
其中，Pbat为储能系统的出口功率，Pc为储能系统电池充电功率，Pd为储能系统电池放电功率，eff为储能系统逆变器充放电效率。
2)建立储能能量平衡等式约束条件：
SOC[i+1]-SOC[i]＝(Pc[i]-Pd[i])*ΔT/Cap，i＝1，...，n
SOC[n]＝SOC[1]
其中，SOC代表储能系统剩余容量比例，Cap代表储能系统的额定容量。
3)建立火电机组爬坡率和输出功率等不等式约束：
Figure BDA0002967763550000092
Figure BDA0002967763550000093
Figure BDA0002967763550000094
Figure BDA0002967763550000095
Pc[i]≤Pbatmmax*(1-B[1，i])
Pd[i]≤Pbatmmax*(1-B[1，i])
Pthm[i+1]-Pthm[i]≤thmMaxUp
Pthm[i]-Pthm[i+1]≤thmMaxDown
其中，Pbatmmax为储能系统最大功率，thmMaxUp为火电机组时间步长ΔT内的最大向上爬坡功率，thmMaxDown为火电机组时间步长ΔT内的最大向下爬坡功率。
步骤(5)：根据火电机组和储能系统的基本参数以及运行参数配置上述优化模型中的参数，包括最大向上爬坡率、最大向下爬坡率、储能最大功率等边界参数，采用线性规划优化方法对优化模型进行优化求解，获得最优的火电机组出力以及储能充放电功率曲线，指导辅助调峰的最优运转。

Claims (6)

1.一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其特征在于，包括：
根据火电机组有偿调峰方案，考虑常规调峰最低负荷率、不投油深度调峰最低负荷率以及投油深度调峰最低负荷率与深度调峰补偿分档区间上限的关系，通过设置原则，建立灵活可配置的火电机组辅助调峰惩罚与运行成本系数矩阵As*r；然后根据需要平衡的净负荷曲线建立分段状态变量矩阵B(s+1)*n；
通过将火电机组出力切分成各分段区间的出力之和，建立考虑不同调峰参数分档的统一目标函数，同时建立优化模型中的不等式和等式约束条件，将优化模型简化为线性规划优化模型，利用线性规划方法优化得到最优的火电机组出力曲线和储能充放电功率曲线；
所述的火电机组辅助调峰惩罚与运行成本系数矩阵As*r满足：As*r＝[Pr，Ccomp，Cdeep，Coil]，
式中，s代表深度调峰的分档数，根据火电机组有偿调峰方案动态设置；r代表系数矩阵的维度；Pr为深度调峰补偿分档区间上限，单位为％；Ccomp为调峰补偿，单位为元/MWh；Cdeep为不投油深度调峰运行成本，单位为元/MWh；Coil为投油深度调峰运行成本，单位为元/MWh；
所述As*r矩阵的设置原则遵循如下：
1)Pr[1]＝minConvLR，Pr[k]根据辅助调峰参数分档情况设置，k＝2，...，s，minConvLR代表常规调峰最低负荷率；
2)如果Pr[k]≥minLRwithNoil，则Cdeep[k-1]＝dConp，则Coil[k-1]＝0，k＝2，...，s，其中，minLRwithNoil为不投油深度调峰最低负荷率，dConp为不投油深度调峰运行成本；
3)如果Pr[k]＞minLRwithoil且Pr[k]＜minLRwithNoil，则Cdeep[k-1＝dConp，Coilk-1＝oilConp，k＝2，...，s，其中，minLRwithoil为投油深度调峰最低负荷率，oilConp为投油深度调峰运行成本；
4)Ccomp根据当地深度调峰参数设置分档补偿；
所述的分段状态变量矩阵B(s+1)*n，s代表深度调峰的分档数，根据火电机组有偿调峰方案动态设置；其中n代表一天内的优化时段数，与净负荷的维度相同；
B(s+1)*n矩阵的设置原则遵循如下：
1)如果NetLd[i]≥minConvLR*thmRatedP，i＝1，...，n，则B[1，i]＝1，否则B[1，i]＝0，其中thmRatedP为火电机组额定发电功率；NetLd[i]代表i时刻的净负荷功率值；
2)如果NetLd[i]＞Pr[k]*thmRatedP且NetLd[i]＜Pr[k-1]*thmRatedP，则B[k，i]＝1，否则B[k，i]＝1；
优化模型的统一目标函数表达式如下式，包括火电机组上网电费、联合深度调峰补贴和深度调峰运行成本：
Figure FDA0003635476210000021
Other由下式计算得到：
Figure FDA0003635476210000031
其中，coalConsp为煤耗量，单位为kg/kWh；fuelUcost为燃料单价，单位为元/kg；Pout为储能辅助火电机组调峰联合出力，thmToGPrice为火电机组上网电价，ΔT为优化时段步长，Pthm为火电机组单独出力功率，
Figure FDA0003635476210000032
为Pthm在分档区间(Pr[k+1]，Pr[k])中的出力功率，满足：
Figure FDA0003635476210000033
2.根据权利要求1所述的一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其特征在于，所述优化模型中的不等式和等式约束条件包括功率平衡等式约束、储能能量平衡等式约束以及火电机组爬坡率和输出功率不等式约束。
3.根据权利要求2所述的一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其特征在于，所述的功率平衡等式约束条件如下：
Figure FDA0003635476210000034
Pout[i]＝NetLd[i]
Figure FDA0003635476210000035
Pbat[i]＝Pc[i]/eff-Pd[i]/eff，i＝1，...，n
其中，Pbat为储能系统的出口功率，Pc为储能系统电池充电功率，Pd为储能系统电池放电功率，eff为储能系统逆变器充放电效率。
4.根据权利要求3所述的一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其特征在于，所述的储能能量平衡等式约束条件如下：
SOC[i+1]-SOC[i]＝(Pc[i]-Pd[i])*ΔT/Cap，i＝1，…，n
SOC[n]＝SOC[1]
其中，SOC代表储能系统剩余容量比例，Cap代表储能系统的额定容量。
5.根据权利要求4所述的一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其特征在于，所述火电机组爬坡率和输出功率等不等式约束如下：
Figure FDA0003635476210000041
Figure FDA0003635476210000042
Figure FDA0003635476210000043
Figure FDA0003635476210000044
Pc[i]≤Pbatmax*(1-B[1，i])
Pd[i]≤Pbatmax*(1-B[1，i])
Pthm[i+1]-Pthm[i]≤thmMaxUp
Pthm[i]-Pthm[i+1]≤thmMaxDown
其中，Pbatmax为储能系统最大功率，thmMaxUp为火电机组时间步长ΔT内的最大向上爬坡功率，thmMaxDown为火电机组时间步长ΔT内的最大向下爬坡功率。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于调峰参数灵活分档的储能辅助调峰运行优化方法，其特征在于，
根据火电机组和储能系统的基本参数以及运行参数配置上述优化模型中的边界参数，包括最大向上爬坡率、最大向下爬坡率和储能最大功率，采用线性规划优化方法对优化模型进行优化求解，获得最优的火电机组出力曲线以及储能充放电功率曲线。
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