CN113394818A - 一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法，包括：分别以总风光消纳量最大化、总运行成本最小化为目标，建立第一子目标函数和第二子目标函数；采用线性加权法和min‑max归一化法，将两个目标函数转化为归一化单目标函数；使用归一化单目标函数和预设的约束条件构建电力系统优化调度模型；求解电力系统优化调度模型的最优解并将最优解用于调度。本发明以运行总成本最小化、总风光消纳量最大化为优化目标，综合考虑特定约束条件，充分利用风光水火之间的互补特性，在一定程度上平滑广义负荷曲线，在满足负荷平衡和系统旋转备用要求的前提下，提高了风光消纳量，减少了不可再生能源(化石燃料)的使用，减轻了环境污染。

Description

一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法

技术领域

本发明涉及新能源并网控制技术领域，尤其涉及一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法。

背景技术

随着现代社会经济的迅速发展，对电能需求日益增多，由此导致化石燃料消耗殆尽、生态环境恶化等亟待解决的问题。风能、光能、水能等可再生能源发电获得了广泛应用。由于风电、光伏发电存在随机性、间歇性、波动性和反调峰特性，弃风、弃光问题十分严重，造成大量自然资源浪费。风光水火等多种异质能源的互补特性可在一定程度上缓解风、光发电的随机性等问题，为其有效利用带来了新的解决思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法，以提高风光消纳量，减少化石燃料的使用。

风光水火等多种异质能源之间的互补特性分析：

风能和光能具有很好的时间互补特性。通常情况下，夏季、晴天和白天光能较强，风能较弱，而冬天、阴天和夜晚风能较强，光能较弱。同样地，风能和水能也具有良好的时间互补特性，我国降水集中在夏季，冬季降水较少，而风能主要集中在冬季和春季，夏季风能较少。

火电机组具有良好的调峰能力，可以通过调节机组出力平滑风光出力曲线，但火电机组启停成本高、时间长，水电机组弥补了火电机组的缺点，启停迅速、调节速度快。

综上所述，将风光水火多种异质能源间的互补特性应用于联合运行中，可提高电力系统运行可靠性，提高经济效益，减少环境污染，产生较大的综合效益。

为解决上述问题，本发明所述的一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法包括：

分别以总风光消纳量P_wp最大化、总运行成本C最小化为目标，建立第一子目标函数maxP_wp和第二子目标函数minC；

采用线性加权法和min-max归一化法，将两个目标函数转化为归一化单目标函数minW；

其中，m₁和m₂为权重系数，且m₁+m₂＝1；

使用所述归一化单目标函数minW和预设的约束条件构建电力系统优化调度模型；其中，所述预设的约束条件包括系统负荷平衡约束、系统旋转备用容量约束和风光水火电机组运行约束；

求解所述电力系统优化调度模型的最优解，并将所述最优解用于调度即可。

优选地，所述第一子目标函数为

其中，P_w,t、P_p,t分别为t时间段内风电机组和光伏发电机组的平均出力；

所述第二子目标函数为：

其中，C_bi,t为t时间段内火电机组i的发电成本；C_hi,t、C_w,t、C_p,t为t时间段内水电机组i、风电、光伏发电机组的维护成本；N_b、N_h分别为火电、水电机组数；u_bi,t为t时间段内火电机组i的运行状态，当u_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内为运行状态，u_bi,t＝0时为停机状态；SU_i、SD_i分别为火电机组i启停成本；y_bi,t、z_bi,t分别为t时间段内火电机组i的启停状态，当y_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内开机，当z_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内关机；a_i、b_i、c_i分别为火电机组i发电成本的常数项、一次项和二次项系数；c_hi、c_w、c_p分别为水电机组i、风电机组、光伏发电机组维护的费用系数；P_bi,t、P_hi,t分别为t时间段内火电机组i、水电机组i的平均出力。

优选地，所述系统负荷平衡约束为：

其中，P_load,t为t时间段内的平均预测负荷。

优选地，所述系统旋转备用容量约束为：

其中，R_t为系统旋转备用容量，P_bimax、P_himax分别为火电、水电机组i的出力上限，α、β、γ分别为系统负荷、风电、光伏发电预测误差对旋转备用的要求。

优选地，风电、光电机组运行约束为：

0≤P_w,t≤min{p_wt,P_wmax}

0≤P_p,t≤min{p_pt,P_pmax}

其中，p_wt、p_pt分别为t时间段内风电、光伏发电的预测最大出力，P_wmax、P_pmax分别为风电、光伏发电的出力上限。

优选地，水电机组运行约束为：

Ⅰ.水能发电约束

P_hi,t＝9.81η_hq_i,th_t

其中，η_h为水电转换效率，q_i,t为t时间段内水电机组i的流量，h_t为t时间段内水电站平均水头高度；

Ⅱ.水电出力约束

0≤P_hi,t≤u_hi,tP_himax

其中，u_hi,t为t时间段内水电机组i的运行状态，当u_hi,t＝1时，水电机组i在t时间段内为运行状态，u_hi,t＝0时为停机状态。

Ⅲ.流量约束

u_hi,tq_imin≤q_i,t≤u_hi,tq_imax

其中，q_imin、q_imax分别为水电机组i的流量上下限。

Ⅳ.水电站库容约束

其中，V_t为t时间段内水电站平均库容；V_min、V_max分别为水电站库容上下限；V₀、V_T分别为初始和T时刻的水电站库容；Q_t为t时间段内的径流量。

优选地，火电机组运行约束为：

Ⅰ.火电机组出力约束

u_bi,tP_bimin≤P_bi,t≤u_bi,tP_bimax

其中，P_bimin、P_bimax分别为火电机组i的出力上、下限；

Ⅱ.火电机组爬坡约束

其中，UR_i、DR_i分别为火电机组i的单位时间内上、下最大爬坡率；

Ⅲ.最小开停机时间约束

其中，ut_i、nt_i分别为火电机组i的最小开、关机时间。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

多种异质能源优化调度是一个多目标、多变量、多约束的非线性混合整数规划问题，本发明以运行总成本最小化、总风光消纳量最大化为优化目标，考虑系统负荷平衡约束、系统旋转备用容量约束和风光水火各种异质能源发电机组相关约束，充分利用风光水火之间的互补特性，在一定程度上平滑广义负荷曲线，在满足负荷平衡和系统旋转备用要求的前提下，提高了风光消纳量，提高了可再生能源利用率，减少了不可再生能源(化石燃料)的使用，减轻了环境污染。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的流程图。

具体实施方式

参考图1，本发明一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法，应用于风光水火联合发电系统并网运行，该优化调度方法具体包括如下步骤：

步骤S100、分别以总风光消纳量最大化、总运行成本最小化为目标，建立第一子目标函数和第二子目标函数。

其中，总风光消纳量P_wp指风电、光伏发电并网的总有功电量，总运行成本C包括火电机组发电，水电、风电和光伏发电机组维护产生的费用。

第一子目标函数为：

其中，P_w,t、P_p,t分别为t时间段内风电机组和光伏发电机组的平均出力。

第二子目标函数为：

其中，C_bi,t为t时间段内火电机组i的发电成本；C_hi,t、C_w,t、C_p,t为t时间段内水电机组i、风电、光伏发电机组的维护成本；N_b、N_h分别为火电、水电机组数；u_bi,t为t时间段内火电机组i的运行状态，当u_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内为运行状态，u_bi,t＝0时为停机状态；SU_i、SD_i分别为火电机组i启停成本；y_bi,t、z_bi,t分别为t时间段内火电机组i的启停状态，当y_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内开机，当z_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内关机；a_i、b_i、c_i分别为火电机组i发电成本的常数项、一次项和二次项系数；c_hi、c_w、c_p分别为水电机组i、风电机组、光伏发电机组维护的费用系数；P_bi,t、P_hi,t分别为t时间段内火电机组i、水电机组i的平均出力。

步骤S101、采用线性加权法和min-max归一化法，将上述两个子目标函数转化为归一化单目标函数。

具体地，采用线性加权法，将多目标函数转化为单目标函数。在转化过程中，为保证各子目标函数的同等偏好，采用min-max归一化法，得到的归一化单目标函数为：

其中，m₁和m₂为权重系数，且m₁+m₂＝1；

步骤S102、设定约束条件。

本发明中，优化调度模型的约束条件包括系统负荷平衡约束、系统旋转备用容量约束和风光水火电机组运行约束。

步骤S103、使用步骤S101确定的归一化单目标函数和步骤S102确定的约束条件，构建电力系统优化调度模型。

步骤S104、使用CPLEX求解器求解上述电力系统优化调度模型的最优解，并将最优解用于调度。

本发明中，步骤S102中各约束条件具体内容如下。

(1)系统负荷平衡约束

电力系统平稳可靠安全地运行，首先需要保证系统负荷平衡：

其中，P_load,t为t时间段内的平均预测负荷。

(2)系统旋转备用容量约束

由于无法精确地预测风光出力，且风电和光伏发电具有随机性和不可控性，因此在系统平稳运行的基础上需要增加系统旋转备用容量，即：

其中，R_t为系统旋转备用容量，P_bimax、P_himax分别为火电、水电机组i的出力上限，α、β、γ分别为系统负荷、风电、光伏发电预测误差对旋转备用的要求。

(3)风电、光电机组运行约束

风电、光伏发电机组的运行需要满足机组的出力上下限约束：

0≤P_w,t≤min{p_wt,P_wmax}

0≤P_p,t≤min{p_pt,P_pmax}

其中，p_wt、p_pt分别为t时间段内风电、光伏发电的预测最大出力，P_wmax、P_pmax分别为风电、光伏发电的出力上限。

(4)水电机组运行约束

Ⅰ.水能发电约束

P_hi,t＝9.81η_hq_i,th_t

其中，η_h为水电转换效率，q_i,t为t时间段内水电机组i的流量，h_t为t时间段内水电站平均水头高度；

Ⅱ.水电出力约束

水力发电机组的运行需要满足机组的出力上、下限约束：

0≤P_hi,t≤u_hi,tP_himax

其中，u_hi,t为t时间段内水电机组i的运行状态，当u_hi,t＝1时，水电机组i在t时间段内为运行状态，u_hi,t＝0时为停机状态。

Ⅲ.流量约束

水电站的流量过大将威胁下游的安全，流量过小，下游的用水无法得到保证，需要对其流量加以限制：

u_hi,tq_imin≤q_i,t≤u_hi,tq_imax

其中，q_imin、q_imax分别为水电机组i的流量上下限。

Ⅳ.水电站库容约束

为保证水电站的安全运行，需要对库容施加如下约束：

其中，V_t为t时间段内水电站平均库容；V_min、V_max分别为水电站库容上下限；V₀、V_T分别为初始和T时刻的水电站库容；Q_t为t时间段内的径流量。

(5)火电机组运行约束

Ⅰ.火电机组出力约束

火力发电机组的运行需要满足机组的出力上、下限约束：

u_bi,tP_bimin≤P_bi,t≤u_bi,tP_bimax

其中，P_bimin、P_bimax分别为火电机组i的出力上、下限；

Ⅱ.火电机组爬坡约束

由于技术限制，火电机组出力的变化速率被限制在一定范围内：

其中，UR_i、DR_i分别为火电机组i的单位时间内上、下最大爬坡率；

Ⅲ.最小开停机时间约束

对于火电机组，一旦开机，需要持续一段时间(最小开机时间)才可以关机，同样，一旦关机，则需要持续一段时间(最小关机时间)才可以开机：

其中，ut_i、nt_i分别为火电机组i的最小开、关机时间。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于异质能源互补性的电力系统优化调度方法，其特征在于，该优化调度方法包括：

分别以总风光消纳量P_wp最大化、总运行成本C最小化为目标，建立第一子目标函数maxP_wp和第二子目标函数minC；

采用线性加权法和min-max归一化法，将两个目标函数转化为归一化单目标函数minW；

其中，m₁和m₂为权重系数，且m₁+m₂＝1；

使用所述归一化单目标函数minW和预设的约束条件构建电力系统优化调度模型；其中，所述预设的约束条件包括系统负荷平衡约束、系统旋转备用容量约束和风光水火电机组运行约束；

求解所述电力系统优化调度模型的最优解，并将所述最优解用于调度即可。

2.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于：

所述第一子目标函数为

其中，P_w,t、P_p,t分别为t时间段内风电机组和光伏发电机组的平均出力；

所述第二子目标函数为：

其中，C_bi,t为t时间段内火电机组i的发电成本；C_hi,t、C_w,t、C_p,t为t时间段内水电机组i、风电、光伏发电机组的维护成本；N_b、N_h分别为火电、水电机组数；u_bi,t为t时间段内火电机组i的运行状态，当u_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内为运行状态，u_bi,t＝0时为停机状态；SU_i、SD_i分别为火电机组i启停成本；y_bi,t、z_bi,t分别为t时间段内火电机组i的启停状态，当y_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内开机，当z_bi,t＝1时，火电机组i在t时间段内关机；a_i、b_i、c_i分别为火电机组i发电成本的常数项、一次项和二次项系数；c_hi、c_w、c_p分别为水电机组i、风电机组、光伏发电机组维护的费用系数；P_bi,t、P_hi,t分别为t时间段内火电机组i、水电机组i的平均出力。

3.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于，所述系统负荷平衡约束为：

其中，P_load,t为t时间段内的平均预测负荷。

4.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于，所述系统旋转备用容量约束为：

其中，R_t为系统旋转备用容量，P_bimax、P_himax分别为火电、水电机组i的出力上限，α、β、γ分别为系统负荷、风电、光伏发电预测误差对旋转备用的要求。

5.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于，风电、光电机组运行约束为：

0≤P_w,t≤min{p_wt,P_wmax}

0≤P_p,t≤min{p_pt,P_pmax}

其中，p_wt、p_pt分别为t时间段内风电、光伏发电的预测最大出力，P_wmax、P_pmax分别为风电、光伏发电的出力上限。

6.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于，水电机组运行约束为：

Ⅰ.水能发电约束

P_hi,t＝9.81η_hq_i,th_t

其中，η_h为水电转换效率，q_i,t为t时间段内水电机组i的流量，h_t为t时间段内水电站平均水头高度；

Ⅱ.水电出力约束

0≤P_hi,t≤u_hi,tP_himax

其中，u_hi,t为t时间段内水电机组i的运行状态，当u_hi,t＝1时，水电机组i在t时间段内为运行状态，u_hi,t＝0时为停机状态。

Ⅲ.流量约束

u_hi,tq_imin≤q_i,t≤u_hi,tq_imax

其中，q_imin、q_imax分别为水电机组i的流量上下限。

Ⅳ.水电站库容约束

其中，V_t为t时间段内水电站平均库容；V_min、V_max分别为水电站库容上下限；V₀、V_T分别为初始和T时刻的水电站库容；Q_t为t时间段内的径流量。

7.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于，火电机组运行约束为：

Ⅰ.火电机组出力约束

u_bi,tP_bimin≤P_bi,t≤u_bi,tP_bimax

其中，P_bimin、P_bimax分别为火电机组i的出力上、下限；

Ⅱ.火电机组爬坡约束

其中，UR_i、DR_i分别为火电机组i的单位时间内上、下最大爬坡率；

Ⅲ.最小开停机时间约束

其中，ut_i、nt_i分别为火电机组i的最小开、关机时间。

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