CN113255984A - 一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，包括：建立海水淡化单元运行模型，计算海水淡化单元的产水量V_t、储水箱淡水量R_V,t；根据居民用水需求、储水箱的淡水量及储水箱的储水体积计算海水淡化单元运行功率极限

与

以海水淡化厂能耗成本C_desal最低为目标函数，以弃风电量利用率、电网购电功率、海水淡化负荷能耗、海水淡化单元启停、储水箱的储水体积作为约束条件，构建海水淡化单元集群调度模型。能最大化消纳弃风电量、降低生产淡水的能耗成本、以及提高海水淡化设备的利用率，最终实现“清洁淡水”。

Description

一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法

技术领域

本发明属于清洁能源消纳方法技术领域，涉及一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法。

背景技术

助力“双碳”能源战略，必将迎来一个崭新的以新能源为主力电源的电力系统。在保证电力系统安全稳定运行前提下，大规模风电并网消纳瓶颈亟待突破。在风电消纳与负荷波动背景下，调峰矛盾本质上体现为火电、负荷与风电三者间功率平衡。未来，风电在电网中渗透率持续增长的背景下，向负荷侧挖掘调峰资源是一种经济可行的方式。在建设新一代电力系统的大背景下，用户侧参与电力市场的程度不断加深，用户不再仅作为电能的消费者，而是向产消者过度。负荷侧多元化的发展趋势为负荷参与主动配电网消纳风电提供了可能性。柔性负荷作为一种新的可调度资源，极大缓解了主动配电网的调度压力，同时可以为风电消纳和负荷削峰填谷提供良好的支撑作用。

反渗透海水淡化负荷作为一种能源密集型产业，是消纳风电的宝贵资源。海水淡化工厂中配备的高压变速泵与储水库的结合，使得其运行过程具有一定程度的灵活调节能力，能够有效适应风电发电的不确定性，并且在参与调峰辅助服务市场方面展现出巨大潜力。然而，目前海水淡化厂都是全天24小时连续运行，浪费了海水淡化负荷的操作灵活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，解决了现有技术中存在的海水淡化能耗成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，包括以下步骤：

步骤1、建立海水淡化单元运行模型，计算海水淡化单元的产水量V_t、储水箱淡水量R_V,t；

步骤2、根据居民用水需求、储水箱的淡水量及储水箱的储水体积计算海水淡化单元运行功率极限

与

步骤3、以海水淡化厂能耗成本C_desal最低为目标函数，以弃风电量利用率、电网购电功率、海水淡化负荷能耗、海水淡化单元启停、储水箱的储水体积作为约束条件，构建海水淡化单元集群调度模型。

本发明的特点还在于：

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、建立海水淡化单元运行模型：

上式中，V_t为t时刻的产水体积，P_ro,i为第i台海水淡化单元的运行功率，N_D为海水淡化单元的数量，G_i为第i台海水淡化单元产水比能耗，u_i,t为t时刻第i台海水淡化单元的运行状态，其计算过程如下：

步骤1.2、根据海水淡化单元运行模型得到的海水淡化单元的产水量V_t，计算储水箱t时刻淡水量R_V,t：

R_V,t＝R_V,t-1+V_t-R_want,t (3)；

上式中，R_want,t为居民在t时刻用水需求。

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、按照最小比能耗计算电能消耗上限，则海水淡化单元最大运行功率

计算如下：

上式中，G^min为海水淡化单元最小比能耗，

为储水箱的最大储水体积，R_V,t-1为上一时刻储水箱的淡水量，R_0,t为t时刻全部淡化单元运行时的淡水储量，其计算过程如下所示：

步骤2.2、按照最大比能耗计算电能消耗下限，则海水淡化单元最小运行功率

计算如下：

上式中，G^max为海水淡化单元最大比能耗，

为储水箱的最小储水体积。

步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、海水淡化调度周期内能耗成本C_desal计算如下：

上式中，N为一个调度周期的时刻数，P_W,t为海水淡化厂消耗的弃风功率，g_w,t为t时刻弃风功率的电价，P_G,t为海水淡化厂在时刻t向公共电网的购电功率，g_g,t为时刻t的电网的购电电价；

步骤3.2、以海水淡化厂能耗成本C_desal最低为目标，确定目标函数如下：

min C_desal(P_W,t,P_G,t) (8)；

步骤3.3、确定约束条件如下：

P_G,t≥0 (10)；

R_V,N≥R_V0 (13)；

上式中，

为风电场在t时刻的最大弃风功率，

为海水淡化单元的最大启停次数，R_V,N为N时刻储水箱淡水含量，R_V0为储水箱初始淡水含量，P_ro,t为t时刻海水淡化负荷能耗，计算过程如下：

步骤3.4、海水淡化负荷能耗P_ro,t还应满足如下等式约束条件：

P_G,t+P_W,t＝P_ro,t (15)；

步骤3.5、根据公式(8)-(15)，构建海水淡化单元集群优化调度模型如下：

上式中：g_i(t)≥0为公式(9)-公式(13)的不等式约束集合，h_j(t)＝0为公式(14)和公式(15)的等式约束集合，i为不等式约束的数量，j为等式约束的数量。

本发明的有益效果是：

本发明一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，通过考虑海水淡化技术的运行特性，对海水淡化单元的能耗、产水量与用水需求和储水箱水位的时空变化关系进行建模，其次，结合海水淡化系统的运行边界、电网售电峰谷电价等参数，以最大化消纳弃风为目标，确定海水淡化单元的最佳运行方案；充分考虑了海水淡化负荷的可时移特性以及海水淡化负荷与弃风的耦合关系，能最大化消纳弃风电量、降低生产淡水的能耗成本、以及提高海水淡化设备的利用率，最终实现“清洁淡水”。

附图说明

图1是本发明一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法的生产淡水分时购电情况；

图2本发明一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法的储水箱淡水量水位变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，包括以下步骤：

步骤1、建立海水淡化单元运行模型，计算海水淡化单元的产水量V_t、储水箱淡水量R_V,t；

步骤1.1、使海水淡化装置处于最佳回收率，使产水比能耗最低，当海水淡化单元启动运行后，产水率恒定于最佳运行点；建立上述运行状态时的海水淡化单元运行模型：

上式中，V_t为t时刻的产水体积，P_ro,i为第i台海水淡化单元的运行功率，N_D为海水淡化单元的数量，G_i为第i台海水淡化单元产水比能耗，u_i,t为t时刻第i台海水淡化单元的运行状态，其计算过程如下：

步骤1.2、储水箱用于存储海水淡化厂除满足负荷外额外生产的淡水。根据海水淡化单元运行模型得到的海水淡化单元的产水量V_t，计算储水箱t时刻淡水量R_V,t：

R_V,t＝R_V,t-1+V_t-R_want,t (3)；

上式中，R_want,t为居民在t时刻用水需求。

步骤2、根据居民用水需求、储水箱的淡水量及储水箱的储水体积计算海水淡化单元运行功率极限

与

步骤2.1、海水淡化单元功率灵活调节区间上限

受居民用水需求R_want,t、上一时刻储水箱的淡水量R_V,t-1和储水箱的最大储水体积

的影响。并且考虑到海水淡化装置的产水效率不同、产水比能耗不同，所以为保证所有时刻储水箱水量在最大体积范围内，采取保守策略，按照最小比能耗计算电能消耗上限，则海水淡化单元最大运行功率

计算如下：

上式中，G^min为海水淡化单元最小比能耗，

为储水箱的最大储水体积，R_V,t-1为上一时刻储水箱的淡水量，R_0,t为t时刻全部淡化单元运行时的淡水储量，其计算过程如下所示：

步骤2.2、海水淡化单元负荷能耗下限

受居民用水需求R_want,t、上一时刻储水箱的淡水量R_V,t-1和储水箱的最小储水体积

的影响。并且为保证能够满足居民用水需求，按照最大比能耗计算电能消耗下限，则海水淡化单元最小运行功率

计算如下：

上式中，G^max为海水淡化单元最大比能耗，

为储水箱的最小储水体积。

步骤3、构建海水淡化单元能耗成本C_desal模型，以最大化消纳弃风电量为目标对海水淡化单元集群进行优化调度。

步骤3.1、海水淡化调度周期内能耗成本C_desal计算如下：

上式中，N为一个调度周期的时刻数，P_W,t为海水淡化厂消耗的弃风功率，g_w,t为t时刻弃风功率的电价，P_G,t为海水淡化厂在时刻t向公共电网的购电功率，g_g,t为时刻t的电网的购电电价；

步骤3.2、由于弃风电价低于从电网购电电价，所以海水淡化厂优先使用弃风电量时，生产淡水的成本最低，因此最大化消纳弃风目标等同于海水淡化厂能耗成本最低目标。以海水淡化厂能耗成本C_desal最低为目标，确定目标函数如下：

min C_desal(P_W,t,P_G,t) (8)；

步骤3.3、构建优化调度约束条件如下：

P_G,t≥0 (10)；

R_V,N≥R_V0 (13)；

上式中，

为风电场在t时刻的最大弃风功率，

为海水淡化单元的最大启停次数，R_V,N为N时刻储水箱淡水含量，R_V0为储水箱初始淡水含量，P_ro,t为t时刻海水淡化负荷能耗，计算过程如下：

步骤3.4、海水淡化负荷满足功率平衡约束，所以海水淡化负荷能耗P_ro,t还应满足如下等式约束条件：

步骤3.5、根据公式(8)-(15)，构建海水淡化单元集群优化调度模型如下：

上式中：g_i(t)≥0为公式(9)-公式(13)的不等式约束集合，h_j(t)＝0为公式(14)和公式(15)的等式约束集合，i为不等式约束的数量，j为等式约束的数量。

通过以上方式，本发明一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，通过考虑海水淡化技术的运行特性，对海水淡化单元的能耗、产水量与用水需求和储水箱水位的时空变化关系进行建模，其次，结合海水淡化系统的运行边界、电网售电峰谷电价等参数，以最大化消纳弃风为目标，确定海水淡化单元的最佳运行方案；充分考虑了海水淡化负荷的可时移特性以及海水淡化负荷与弃风的耦合关系，能最大化消纳弃风电量、降低生产淡水的能耗成本、以及提高海水淡化设备的利用率，最终实现“清洁淡水”。

实施例

为验证本发明的海水淡化集群优化调度方法的有效性，设置以下两种对比方案：

方案1(传统方式)：传统海水淡化厂生产模式，即各海水淡化厂全天24小时产水量保持恒定。

方案2(本发明方式)：考虑弃风情况下，海水淡化单元的集群优化调度，即，除电网购电以外，弃风功率被用于海水淡化，并且以海水淡化厂的能耗成本最小进行优化调度。

以辽宁省四个海水淡化厂为研究对象，对海水淡化集群调度进行优化。表1给出了辽宁省四个海水淡化厂淡化单元的详细参数。表2给出了辽宁省某市峰谷电价实施办法。从表2可以看出，电网的高峰电价与低谷电价差距较大，表明本发明在经济上是可行的。

表1辽宁省海水淡化厂的详细参数

表2 2019年12月辽宁省某市峰谷电价实施办法

从图1中可以看出，海水淡化单元利用其灵活调节能力减少能耗成本，在普通时段，海水淡化功率会响应电网的峰谷电价，在23点至次日5点负荷低谷时段，淡化单元几乎满功率生产淡水，在6点至8点、18点至22点负荷高峰时段，淡化单元少量运行或退出运行，居民用水量由储水箱提供，避免能耗成本过高。在9点至15点弃风发生时段，由于弃风电价低于电网低谷单价，为降低能耗成本，海水淡化单元会增加运行功率生产并存储淡水。表3列出了不同运行方式海水淡化单元优化运行情况，可以看出本发明能提高海水淡化技术本体装置利用率、降低运行成本和缓解弃风消纳困境，其中能耗成本比传统方式节省了27.63％，而且弃风消纳率提高至94.8％，比传统方式高了32.7％。

从图2中可以看出，储水箱在低电价时段与弃风时段储水箱储存淡水，高电价时段排放淡水满足用户需求。在第一个负荷低谷时段，0点开始储存淡水，至5点接近最大容量，之后的三小时淡水储量下降。此后9点至15点弃风时段，淡水储量开始增加，14点淡水储量接近最大容量，此后淡水储量持续保持高位，18点至22点负荷高峰时段，淡水储量减少并补偿居民用水需求，避免了高电价时段的高功率运行。

结合图2与表3，可以看出在传统运行方式下，海水淡化单元运行模式单一，未能充分发挥储水箱用以缓冲淡水的供需平衡的作用。本发明中储水箱运行灵活，淡水储量变化幅度较大，并且多次接近最大体积，整体利用率最高达到了94.23％，比传统运行方式提高了36.8％，储水箱的灵活缓冲作用更加凸显。

表3不同运行方式海水淡化单元优化运行情况

Claims (4)

1.一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立海水淡化单元运行模型，计算海水淡化单元的产水量V_t、储水箱淡水量R_V,t；

步骤2、根据居民用水需求、储水箱的淡水量及储水箱的储水体积计算海水淡化单元运行功率极限

与

步骤3、以海水淡化厂能耗成本C_desal最低为目标函数，以弃风电量利用率、电网购电功率、海水淡化负荷能耗、海水淡化单元启停、储水箱的储水体积作为约束条件，构建海水淡化单元集群调度模型。

2.根据权利要求1所述的一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、建立海水淡化单元运行模型：

上式中，V_t为t时刻的产水体积，P_ro,i为第i台海水淡化单元的运行功率，N_D为海水淡化单元的数量，G_i为第i台海水淡化单元产水比能耗，u_i,t为t时刻第i台海水淡化单元的运行状态，其计算过程如下：

步骤1.2、根据所述海水淡化单元运行模型得到的海水淡化单元的产水量V_t，计算储水箱t时刻淡水量R_V,t：

R_V,t＝R_V,t-1+V_t-R_want,t (3)；

上式中，R_want,t为居民在t时刻用水需求。

3.根据权利要求1所述的一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、按照最小比能耗计算电能消耗上限，则海水淡化单元最大运行功率

计算如下：

上式中，G^min为海水淡化单元最小比能耗，

为储水箱的最大储水体积，R_V,t-1为上一时刻储水箱的淡水量，R_0,t为t时刻全部淡化单元运行时的淡水储量，其计算过程如下所示：

步骤2.2、按照最大比能耗计算电能消耗下限，则海水淡化单元最小运行功率

计算如下：

上式中，G^max为海水淡化单元最大比能耗，

为储水箱的最小储水体积。

4.根据权利要求1所述的一种海水淡化负荷消纳弃风电量的集群优化调度方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、海水淡化调度周期内能耗成本C_desal计算如下：

上式中，N为一个调度周期的时刻数，P_W,t为海水淡化厂消耗的弃风功率，g_w,t为t时刻弃风功率的电价，P_G,t为海水淡化厂在时刻t向公共电网的购电功率，g_g,t为时刻t的电网的购电电价；

步骤3.2、以海水淡化厂能耗成本C_desal最低为目标，确定目标函数如下：

minC_desal(P_W,t,P_G,t) (8)；

步骤3.3、确定约束条件如下：

P_G,t≥0 (10)；

R_V,N≥R_V0 (13)；

上式中，

为风电场在t时刻的最大弃风功率，

为海水淡化单元的最大启停次数，R_V,N为N时刻储水箱淡水含量，R_V0为储水箱初始淡水含量，P_ro,t为t时刻海水淡化负荷能耗，计算过程如下：

步骤3.4、所述海水淡化负荷能耗P_ro,t还应满足如下等式约束条件：

P_G,t+P_W,t＝P_ro,t (15)；

步骤3.5、根据公式(8)-(15)，构建海水淡化单元集群优化调度模型如下：

minC_desal(P_W,t,P_G,t)

上式中：g_i(t)≥0为公式(9)-公式(13)的不等式约束集合，h_j(t)＝0为公式(14)和公式(15)的等式约束集合，i为不等式约束的数量，j为等式约束的数量。

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