CN114139953A - 一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，所述库容分配方法包括如下步骤：以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数；确定所述第一目标函数的约束条件；以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数；确定所述第二目标函数的约束条件；结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价；将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。本发明首先基于第一目标函数求解边际电价，然后结合边际电价求解第二目标函数，以确定收益最大的最优库容分配方案。

Description

一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法及系统
技术领域
本发明涉及混合式抽水蓄能电站管理技术领域，特别是涉及一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法及系统。
背景技术
为了平抑风电、光伏等不确定性电源对电力系统运行的影响，作为现阶段最为成熟的灵活性调节技术，抽水蓄能将是未来高比例可再生能源供给体系的重要组成部分。因此，抽水蓄能电站将会持续扮演重要角色。
抽水蓄能电站分为纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站。混合式抽水蓄能电站相较于纯抽水蓄能电站有两个特点：混合式抽水蓄能电站上水库具有天然径流汇入；其电站厂房内所安装的机组由两部分组成，一部分是常规水轮发电机组，另一部分是抽水蓄能机组。
相应地，混合式抽水蓄能电站比纯抽水蓄能电站多一部分的发电量，即天然径流发电量，而天然径流的来水流量已达到能安装常规水轮发电机组来承担系统的负荷。因此，混合式抽水蓄能电站同时兼具常规水电站和纯抽水蓄能电站的特点，目前已建成白山、潘家口等混合式抽蓄电站。
混合式抽水蓄能电站无论是在分散式电力市场还是集中式电力市场环境下均能实现生存，但在不同市场模式中运营模式存在明显差异。在分散式电力市场中，水电机组发电采用峰谷电价机制，为保障抽水蓄能机组的合理生存，采用两部制电价机制；而在集中式市场环境中，水电机组发电和抽水蓄能机组发电均可作为独立个体参与市场竞争，通常也不需为抽水蓄能机组发电设计单独的保障机制。
因此，如何结合混合式抽水蓄能电站其本身的结构、多市场模式和多电价机制特点，实现混合式抽水蓄能电站的库容分配的优化，成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法及系统，以实现混合式抽水蓄能电站的库容分配的优化。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，所述库容分配方法包括如下步骤：
以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数；
确定所述第一目标函数的约束条件；
以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数；
确定所述第二目标函数的约束条件；
结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价；
将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。
可选的，所述第一目标函数为：
Figure BDA0003387162160000021
Figure BDA0003387162160000022
其中，
Figure BDA0003387162160000023
表示节点i的单位生产成本；
Figure BDA0003387162160000024
表示t时刻节点i的火电机组发电量；ΔT表示时间间隔，ai和bi表示节点i的单位生产成本与t时刻节点i的火电机组发电量的关系的一次项系数和常数项系数，ΩG表示火电机组集合，ΩT表示时间集合。
可选的，第一目标函数的约束条件包括：
线路潮流约束：
Figure BDA0003387162160000025
其中，
Figure BDA0003387162160000026
表示最大线路潮流；Gk-i表示节点功率转移分布因子，ΩG、ΩRG、ΩHP和ΩLD分别表示火电机组集合、可再生能源发电机组集合、混合抽蓄电站机组集合和节点负荷集合，
Figure BDA0003387162160000031
表示t时刻节点i的火电机组发电量，
Figure BDA0003387162160000032
表示t时刻节点i的可再生能源机组发电量，
Figure BDA0003387162160000033
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure BDA0003387162160000034
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA0003387162160000035
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i按照两部制电价结算的发电量，
Figure BDA0003387162160000036
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA0003387162160000037
表示t时刻节点i的负荷总量；
机组爬坡约束式：
Figure BDA0003387162160000038
Figure BDA0003387162160000039
其中，
Figure BDA00033871621600000310
表示t-1时刻节点i的发电功率，
Figure BDA00033871621600000311
和
Figure BDA00033871621600000312
表示火电机组上爬坡能力和下爬坡能力；
机组运行上下限约束：
Figure BDA00033871621600000313
其中，
Figure BDA00033871621600000314
和
Figure BDA00033871621600000315
表示节点最小发电功率和最大发电功率。
可选的，所述结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价，具体包括：
将所述第一目标函数的约束条件转换成拉格朗日算法的等式约束条件和互补松弛条件；
构建包含所述等式约束条件、所述互补松弛条件和所述第一目标函数的拉格朗日函数；
求解所述拉格朗日函数，确定混合式抽水蓄能电站的每个节点的边际电价。
可选的，所述等式约束条件为：
Figure BDA00033871621600000316
所述互补松弛条件为：
Figure BDA0003387162160000041
Figure BDA0003387162160000042
Figure BDA0003387162160000043
Figure BDA0003387162160000044
Figure BDA0003387162160000045
Figure BDA0003387162160000046
其中，λj为拉格朗日乘子，j＝1,2,3,4,5,6；
可选的，所述拉格朗日函数为：
Figure BDA0003387162160000047
其中，
Figure BDA0003387162160000048
表示拉格朗日函数，μ表示拉格朗日乘子。
可选的，所述第二目标函数为：
Figure BDA0003387162160000049
其中，
Figure BDA00033871621600000410
表示节点i的峰谷电价，
Figure BDA00033871621600000411
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure BDA00033871621600000412
表示节点i的边际电价，
Figure BDA00033871621600000413
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA00033871621600000414
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，λPS表示容量电价，
Figure BDA00033871621600000415
表示节点i初始时刻抽蓄机组参与两部制电价的容量，
Figure BDA00033871621600000416
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场抽水量。
可选的，所述第二目标函数的约束条件包括：
混合抽蓄电站固定容量约束：
Figure BDA0003387162160000051
Figure BDA0003387162160000052
Figure BDA0003387162160000053
其中，
Figure BDA0003387162160000054
表示节点i的实际总库容，
Figure BDA0003387162160000055
表示节点i的最大初始常规水电机组库容，
Figure BDA0003387162160000056
表示节点i的最大初始抽蓄机组库容，
Figure BDA0003387162160000057
表示常规水电机组划分给抽蓄机组的库容，
Figure BDA0003387162160000058
表示节点i的划分后的最大常规水电机组的库容，
Figure BDA0003387162160000059
表示抽蓄机组参与两部制电价的最大库容，
Figure BDA00033871621600000510
表示抽蓄机组参与现货市场的最大库容；
混合抽蓄电站实时物理库容模型约束：
Figure BDA00033871621600000511
Figure BDA00033871621600000512
Figure BDA00033871621600000513
Figure BDA00033871621600000514
其中，Si,t为t时刻的节点i的混合抽蓄电站实时库容，Si,t-1为t-1时刻的节点i的混合抽蓄电站实时库容，
Figure BDA00033871621600000515
表示t时刻的节点i的常规水电机组天然径流，
Figure BDA00033871621600000516
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场抽水量，
Figure BDA00033871621600000517
表示节点i的抽蓄机组对应于两部制电价的抽水量；
Figure BDA00033871621600000518
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure BDA00033871621600000519
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA00033871621600000520
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA00033871621600000521
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i按照两部制电价结算的发电量，ηH、ηPc和ηPd分别表示常规水电机组机组发电效率，抽水蓄能机组抽水效率和抽水蓄能机组发电效率；
Figure BDA0003387162160000061
和
Figure BDA0003387162160000062
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的常规水电机组的可交易库容，
Figure BDA0003387162160000063
和
Figure BDA0003387162160000064
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的两部制电价型抽水蓄能机组的可交易库容，
Figure BDA0003387162160000065
和
Figure BDA0003387162160000066
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的现货市场型抽水蓄能机组的可交易库容；
初始容量约束：
Figure BDA0003387162160000067
Figure BDA0003387162160000068
Figure BDA0003387162160000069
Figure BDA00033871621600000610
Si,0＝Si,t；
其中，
Figure BDA00033871621600000611
表示初始时刻节点i的划分后的常规水电机组的库容，
Figure BDA00033871621600000612
表示初始时刻节点i的划分前的常规水电机组的库容，
Figure BDA00033871621600000613
表示初始时刻常规水电机组划分给抽蓄机组的库容，
Figure BDA00033871621600000614
表示初始时刻节点i的两部制电价型抽蓄机组的库容，
Figure BDA00033871621600000615
表示初始时刻节点i的现货市场型抽蓄机组的库容，
Figure BDA00033871621600000616
表示初始时刻节点i的抽蓄机组库容，Si,0表示初始时刻节点i的总库容；
库容上下限约束：
0≤Si.t≤Smax；
Figure BDA00033871621600000617
Figure BDA00033871621600000618
Figure BDA00033871621600000619
其中，Smax表示最大总库容，SHmax表示常规水电机组最大可交易库容，SPTmax表示两部制电价型抽蓄机组的最大可交易库容，SPMmax表示现货市场型的抽蓄机组最大可交易库容；
变量约束：
Figure BDA00033871621600000620
Figure BDA0003387162160000071
Figure BDA0003387162160000072
Figure BDA0003387162160000073
Figure BDA0003387162160000074
Figure BDA0003387162160000075
其中，uH表示价格机制选择变量，M表示一个足够大的数，
Figure BDA0003387162160000076
表示工况选择变量；
机组运行约束：
Figure BDA0003387162160000077
Figure BDA0003387162160000078
Figure BDA0003387162160000079
表示t时刻节点i的抽水上限，
Figure BDA00033871621600000710
表示t时刻节点i的发电上限。
一种混合式抽水蓄能电站的库容分配系统，所述库容分配系统包括：
第一目标函数构建模块，用于以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数；
第一约束条件确定模块，用于确定所述第一目标函数的约束条件；
第二目标函数构建模块，用于以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数；
第二约束条件确定模块，用于确定所述第二目标函数的约束条件；
第一目标函数求解模块，用于结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价；
第二目标函数求解模块，用于将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。
可选的，所述第一目标函数为：
Figure BDA00033871621600000711
Figure BDA0003387162160000081
其中，
Figure BDA0003387162160000082
表示节点i的单位生产成本；
Figure BDA0003387162160000083
表示t时刻节点i的火电机组发电量；ΔT表示时间间隔，ai和bi表示节点i的单位生产成本与t时刻节点i的火电机组发电量的关系的一次项系数和常数项系数，ΩG表示火电机组集合，ΩT表示时间集合。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，所述库容分配方法包括如下步骤：以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数；确定所述第一目标函数的约束条件；以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数；确定所述第二目标函数的约束条件；结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价；将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。本发明首先基于第一目标函数求解边际电价，然后结合边际电价求解第二目标函数，以确定收益最大的最优库容分配方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法的原理图；
图2为本发明提供的混合式抽水蓄能电站库容分配结果的结构示意图；
图3为本发明提供的一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法及系统，以实现混合式抽水蓄能电站的库容分配的优化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明针对混合式抽水蓄能电站其本身的结构、多市场模式和多电价机制特点，本发明提出一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法及系统，通过调控混合式抽水蓄能电站的库容的占比，达到混合式抽水蓄能电站获得最大收益的目标。
将混合式抽水蓄能库容分配成水电专用、抽水蓄能专用以及水电-抽蓄库容日划分比例方法。在上层模型中，为使抽水蓄能电站获得最大收益，根据不同的电价机制，将库容划分为四个部分：抽水蓄能机组两部制电价的库容、抽水蓄能机组参与现货市场的库容、水电峰谷电价的库容、水电参与现货市场的库容，其中，水电的部分库容可以分配给抽水蓄能；
混合式抽水蓄能电站在给定库容分配下的日前水电、抽水蓄能日内分时电功率优化方法。下层模型完成日前电力市场清算，得到各市场参与主体各时段市场出清价格，上层模型根据下层模型制定的日前节点边际电价优化混合式抽水蓄能电站各部分水量发电的占比；
用KKT条件将下层模型转化为KKT方程组作用于上层模型的方法。本发明的下层模型为线性规划问题，满足Slater条件，通过Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优性条件计算出日前节点边际电价，从而将双层模型转化为单层模型。
本发明提出一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，通过建立模型调控混合式抽水蓄能电站库容的占比，达到混合式抽水蓄能电站获得最大收益的目标。
本发明构建的市场双层模型，上层模型是混合抽水蓄能电站模型，以计算混合式抽水蓄能电站的最大收益为目标函数；下层为水电市场交易模型及日前现货市场出清模型。下层模型为线性规划问题，满足Slater条件，通过Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优性条件将双层模型转化为单层模型。模型的流程图如图1所示。
根据混合式抽水蓄能电站的库容分配分别计算各个部分的收益。总的来讲，其收益分为两部分，一部分来自抽水蓄能机组，一部分来自常规水电机组，其中，水电的库容可以分配一部分库容给抽水蓄能。混合式抽水蓄能电站库容分配图如图2所示。
抽水蓄能机组的收益分为两部分，一部分是两部制电价的收益，一部分是参与现货市场的收益，同时还要考虑抽水成本。由于抽水蓄能的电量电价带来的收益完全用于弥补变动成本，因此可将该部分收益与部分抽水成本相抵消，未抵消部分即参与现货市场的电量对应的抽水成本。
常规水电机组的收益可以来自四个部分，分别是：分配给抽水蓄能机组两部制电价的收益、分配给抽水蓄能机组参与现货市场的收益、峰谷电价的收益、现货市场的收益。
两部制电价：两部制电价由容量电价和电量电价构成，由国家政府价格主管部门核定。其中，电量电价体现抽水蓄能电站提供调峰服务的价值，抽水蓄能电站通过电量电价回收抽水、发电的运行成本；容量电价体现抽水蓄能电站提供调频、调压、系统备用和黑启动等辅助服务的价值，抽水蓄能电站通过容量电价回收抽发运行成本外的其他成本并获得合理收益。两部制电价模式可以明确抽水蓄能电站在电网中的重要作用，计算出抽水蓄能电站在电网中的价值。
峰谷电价：峰谷电价是按高峰用电和低谷用电分别计算电费的一种电价制度。高峰用电，一般指用电单位较集中，供电紧张时的用电，如在白天，收费标准较高；低谷用电，一般指用电单位较少、供电较充足时的用电，如在夜间，收费标准较低。实行峰谷电价有利于促使用电单位错开用电时间，充分利用设备和能源。它将一天24小时划分成两个时间段，8：00—22：00共14小时称为峰段，执行峰电价；22：00—次日8：00共10个小时称为谷段，执行谷电价。
节点边际电价：节点边际电价是电力现货的一种定价模型。这种定价模型设计的合理或者精妙之处在于将市场与系统运营相结合，依赖电网的物理模型(潮流模型)，遵从安全约束机组组合和安全约束经济调度程序，提倡按边际成本报价，对诚实投标者予以激励以防止市场博弈，最终以市场化手段保障电力实时平衡的同时实现了经济调度(购电成本最小)。
峰谷电价和两部制电价是固定的，不需要再额外计算，节点边际电价需要下层模型市场出清计算得到。
如图3所示，本发明提供一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，所述库容分配方法包括如下步骤：
步骤301，以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数。
下层模型根据上层模型中混合抽蓄电站申报发电量及节点处负荷需求进行出清计算得到节点边际电价。电力市场中参与发电侧竞争的主体包括火电机组、RE发电机组及混合抽蓄电站，分别以集合ΩG、ΩRG、ΩMP表示，并以ΩLD、ΩT表示节点负荷及时间集合。
a.目标函数
Figure BDA0003387162160000111
Figure BDA0003387162160000112
目标函数式(1)仅包含火电机组生产成本。其中，
Figure BDA0003387162160000113
表示火电机组单位生产成本；
Figure BDA0003387162160000114
表示t时刻火电机组的发电功率；ΔT表示时间间隔。式(2)规定了火电机组单位生产成本
Figure BDA0003387162160000115
为功率
Figure BDA0003387162160000116
的一次函数，ai和bi为其系数。
步骤302，确定所述第一目标函数的约束条件。
等式约束条件
Figure BDA0003387162160000117
式(3)为功率平衡约束，其中Pt L表示负荷总量；
Figure BDA0003387162160000118
表示可再生能源机组发电量。
c.互补松弛条件
Figure BDA0003387162160000119
Figure BDA0003387162160000121
Figure BDA0003387162160000122
Figure BDA0003387162160000123
Figure BDA0003387162160000124
Figure BDA0003387162160000125
λi≥0 i＝1,2,3,4,5,6为拉格朗日乘子。 (10)
式(4)和式(5)由线路潮流约束式(11)得到，其中
Figure BDA0003387162160000126
表示最大线路潮流；Gk-i表示节点功率转移分布因子。
Figure BDA0003387162160000127
式(6)和式(7)分别由机组爬坡约束式(12)和式(13)得到，其中
Figure BDA0003387162160000128
Figure BDA0003387162160000129
表示火电机组上下爬坡能力。
Figure BDA00033871621600001210
Figure BDA00033871621600001211
式(8)和式(9)由机组运行上下限约束式(14)得到。
Figure BDA00033871621600001212
步骤303，以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数。
本发明以1h为调度时长，共24个时段，以实际07：00及次日07：00为调度起止时刻。本发明只考虑抽水成本，抽水价格与现货市场节点边际电价
Figure BDA00033871621600001213
保持一致，由于抽水蓄能电站电量电价带来的收益完全用于弥补变动成本，因此可将该部分收益与部分抽水成本相抵消，未抵消部分即用于参与现货市场的抽水电量对应的抽水成本则写入目标函数。
Figure BDA00033871621600001214
式(18)目标函数包括四部分，第一部分为常规水电机组按峰谷电价
Figure BDA0003387162160000131
结算电量
Figure BDA0003387162160000132
获得的收益，第二部分为混合抽蓄电站根据下层市场模型出清得到的节点边际电价结算常规水电机组参与现货市场电量
Figure BDA0003387162160000133
和抽水蓄能电站参与现货市场电量
Figure BDA0003387162160000134
获得的收益，第三部分为抽水蓄能电站按容量电价λPS结算部分的收益，第四部分为未抵消抽水成本，即抽水价格与抽水蓄能电站参与现货市场电量对应的抽水耗电
Figure BDA0003387162160000135
的乘积。
步骤304，确定所述第二目标函数的约束条件。
a.混合抽蓄电站固定容量划分
Figure BDA0003387162160000136
Figure BDA0003387162160000137
Figure BDA0003387162160000138
式(19)将实际总库容大小
Figure BDA0003387162160000139
划分为最大初始常规水电机组库容
Figure BDA00033871621600001310
和最大抽蓄机组库容
Figure BDA00033871621600001311
两部分，式(20)、(21)解释了本发明重新定义的混合抽蓄电站的运行方式，即常规水电机组在初始库容基础上可划分一部分
Figure BDA00033871621600001312
给抽蓄机组作为抽蓄库容。
b.混合抽蓄电站实时物理库容模型
Figure BDA00033871621600001313
Figure BDA00033871621600001314
Figure BDA00033871621600001315
Figure BDA00033871621600001316
式(22)为混合抽蓄电站实时库容Si,t物理模型，来水包括常规水电机组天然径流
Figure BDA00033871621600001317
和抽水蓄能机组抽水两部分，其中抽水又划分为对应于现货市场
Figure BDA00033871621600001318
和两部制电价
Figure BDA00033871621600001319
两部分；出水则用于常规水电机组发电和抽水蓄能机组发电，各自又划分为按传统价格机制即常规水电机组采取峰谷电价结算电量、抽蓄采取两部制电价结算电量
Figure BDA00033871621600001320
和参与现货市场电量
Figure BDA00033871621600001321
两种类型，ηH、ηPc、ηPd分别表示常规水电机组机组发电效率，抽水蓄能机组抽水、发电效率。
式(23)、(24)、(25)分别表示常规水电机组
Figure BDA0003387162160000141
两部制电价型抽水蓄能
Figure BDA0003387162160000142
现货市场型
Figure BDA0003387162160000143
可交易库容模型。
c.初始容量限制
Figure BDA0003387162160000144
Figure BDA0003387162160000145
Figure BDA0003387162160000146
Figure BDA0003387162160000147
Si,0＝Si,T (30)
式(29)保证容量非负；式(30)保证了水库实时库容日内始末状态一致。
d.库容上下限约束
0≤Si.t≤Smax (31)
Figure BDA0003387162160000148
Figure BDA0003387162160000149
Figure BDA00033871621600001410
3.相关变量约束的计算：
Figure BDA00033871621600001411
Figure BDA00033871621600001412
Figure BDA00033871621600001413
Figure BDA00033871621600001414
Figure BDA00033871621600001415
Figure BDA00033871621600001416
式(35)-(36)借助0-1变量uH确保常规水电机组一天内只能固定选择一种价格机制运行，且不可划分，M为一个足够大的数。式(37)-(40)借助0-1变量
Figure BDA0003387162160000151
确保抽水蓄能机组不能同时处于抽水和发电两种工况下运行。
4.机组运行约束的计算：
Figure BDA0003387162160000152
Figure BDA0003387162160000153
式(41)、(42)为机组运行约束，总抽水量抽水上限，总发电量不能超过发电上限。
步骤305，结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价。
拉格朗日函数：
Figure BDA0003387162160000154
拉格朗日函数由目标函数、等式约束条件和互补松弛条件构成。
e.最优解处：
Figure BDA0003387162160000155
Figure BDA0003387162160000156
f.得到节点边际电价
Figure BDA0003387162160000157
式(40)描述的节点边际电价计算公式可以通过市场出清优化中的功率平衡及线路潮流约束的拉格朗日乘子
Figure BDA0003387162160000158
得到。其中，
Figure BDA0003387162160000159
表示节点边际电价。
步骤306，将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。
其中，公式中各个字母的含义如表1所示。
表1字母含义表
Figure BDA0003387162160000161
Figure BDA0003387162160000171
本发明还提供一种混合式抽水蓄能电站的库容分配系统，所述库容分配系统包括：
第一目标函数构建模块，用于以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数。
第一约束条件确定模块，用于确定所述第一目标函数的约束条件。
第二目标函数构建模块，用于以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数。
第二约束条件确定模块，用于确定所述第二目标函数的约束条件。
第一目标函数求解模块，用于结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价。
第二目标函数求解模块，用于将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。
其中，所述第一目标函数为：
Figure BDA0003387162160000181
Figure BDA0003387162160000182
其中，
Figure BDA0003387162160000183
表示节点i的单位生产成本；
Figure BDA0003387162160000184
表示t时刻节点i的火电机组发电量；ΔT表示时间间隔，ai和bi表示节点i的单位生产成本与t时刻节点i的火电机组发电量的关系的一次项系数和常数项系数，ΩG表示火电机组集合，ΩT表示时间集合。
第一目标函数的约束条件包括：
线路潮流约束：
Figure BDA0003387162160000185
其中，
Figure BDA0003387162160000186
表示最大线路潮流；Gk-i表示节点功率转移分布因子，ΩG、ΩRG、ΩHP和ΩLD分别表示火电机组集合、可再生能源发电机组集合、混合抽蓄电站机组集合和节点负荷集合，
Figure BDA0003387162160000187
表示t时刻节点i的火电机组发电量，
Figure BDA0003387162160000188
表示t时刻节点i的可再生能源机组发电量，
Figure BDA0003387162160000191
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure BDA0003387162160000192
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA0003387162160000193
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i按照两部制电价结算的发电量，
Figure BDA0003387162160000194
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA0003387162160000195
表示t时刻节点i的负荷总量；
机组爬坡约束式：
Figure BDA0003387162160000196
Figure BDA0003387162160000197
其中，
Figure BDA0003387162160000198
表示t-1时刻节点i的发电功率，
Figure BDA0003387162160000199
和
Figure BDA00033871621600001910
表示火电机组上爬坡能力和下爬坡能力；
机组运行上下限约束：
Figure BDA00033871621600001911
其中，
Figure BDA00033871621600001912
和
Figure BDA00033871621600001913
表示节点最小发电功率和最大发电功率。
其中，结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价，具体包括：将所述第一目标函数的约束条件转换成拉格朗日算法的等式约束条件和互补松弛条件；构建包含所述等式约束条件、所述互补松弛条件和所述第一目标函数的拉格朗日函数；求解所述拉格朗日函数，确定混合式抽水蓄能电站的每个节点的边际电价。
，所述等式约束条件为：
Figure BDA00033871621600001914
所述互补松弛条件为：
Figure BDA00033871621600001915
Figure BDA0003387162160000201
Figure BDA0003387162160000202
Figure BDA0003387162160000203
Figure BDA0003387162160000204
Figure BDA0003387162160000205
其中，λj为拉格朗日乘子，j＝1,2,3,4,5,6；
所述拉格朗日函数为：
Figure BDA0003387162160000206
其中，
Figure BDA0003387162160000207
表示拉格朗日函数，μ表示拉格朗日乘子。
所述第二目标函数为：
Figure BDA0003387162160000208
其中，
Figure BDA0003387162160000209
表示节点i的峰谷电价，
Figure BDA00033871621600002010
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure BDA00033871621600002011
表示节点i的边际电价，
Figure BDA00033871621600002012
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA00033871621600002013
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，λPS表示容量电价，
Figure BDA00033871621600002014
表示节点i初始时刻抽蓄机组参与两部制电价的容量，
Figure BDA00033871621600002015
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场抽水量。
所述第二目标函数的约束条件包括：
混合抽蓄电站固定容量约束：
Figure BDA0003387162160000211
Figure BDA0003387162160000212
Figure BDA0003387162160000213
其中，
Figure BDA0003387162160000214
表示节点i的实际总库容，
Figure BDA0003387162160000215
表示节点i的最大初始常规水电机组库容，
Figure BDA0003387162160000216
表示节点i的最大初始抽蓄机组库容，
Figure BDA0003387162160000217
表示常规水电机组划分给抽蓄机组的库容，
Figure BDA0003387162160000218
表示节点i的划分后的最大常规水电机组的库容，
Figure BDA0003387162160000219
表示抽蓄机组参与两部制电价的最大库容，
Figure BDA00033871621600002110
表示抽蓄机组参与现货市场的最大库容；
混合抽蓄电站实时物理库容模型约束：
Figure BDA00033871621600002111
Figure BDA00033871621600002112
Figure BDA00033871621600002113
Figure BDA00033871621600002114
其中，Si,t为t时刻的节点i的混合抽蓄电站实时库容，Si,t-1为t-1时刻的节点i的混合抽蓄电站实时库容，
Figure BDA00033871621600002115
表示t时刻的节点i的常规水电机组天然径流，
Figure BDA00033871621600002116
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场抽水量，
Figure BDA00033871621600002117
表示节点i的抽蓄机组对应于两部制电价的抽水量；
Figure BDA00033871621600002118
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure BDA00033871621600002119
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA00033871621600002120
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure BDA00033871621600002121
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i按照两部制电价结算的发电量，ηH、ηPc和ηPd分别表示常规水电机组机组发电效率，抽水蓄能机组抽水效率和抽水蓄能机组发电效率；
Figure BDA00033871621600002122
和
Figure BDA00033871621600002123
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的常规水电机组可交易库容，
Figure BDA00033871621600002124
和
Figure BDA00033871621600002125
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的两部制电价型抽水蓄能的可交易库容，
Figure BDA0003387162160000221
和
Figure BDA0003387162160000222
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的现货市场型的可交易库容；
初始容量约束：
Figure BDA0003387162160000223
Figure BDA0003387162160000224
Figure BDA0003387162160000225
Figure BDA0003387162160000226
Si,0＝Si,t；
其中，
Figure BDA0003387162160000227
表示初始时刻节点i的划分后的常规水电机组的库容，
Figure BDA0003387162160000228
表示初始时刻节点i的划分前的常规水电机组的库容，
Figure BDA0003387162160000229
表示初始时刻常规水电机组划分给抽蓄机组的库容，
Figure BDA00033871621600002210
表示初始时刻节点i的两部制电价型抽蓄机组的库容，
Figure BDA00033871621600002211
表示初始时刻节点i的现货市场型抽蓄机组的库容，
Figure BDA00033871621600002212
表示初始时刻节点i的抽蓄机组库容，Si,0表示初始时刻节点i的总库容；
库容上下限约束：
0≤Si.t≤Smax；
Figure BDA00033871621600002213
Figure BDA00033871621600002214
Figure BDA00033871621600002215
其中，Smax表示最大总库容，SHmax表示常规水电机组最大可交易库容，SPTmax表示两部制电价型抽蓄机组的最大可交易库容，SPMmax表示现货市场型的抽蓄机组最大可交易库容；
变量约束：
Figure BDA00033871621600002216
Figure BDA00033871621600002217
Figure BDA00033871621600002218
Figure BDA0003387162160000231
Figure BDA0003387162160000232
Figure BDA0003387162160000233
其中，uH表示价格机制选择变量，M表示一个足够大的数
Figure BDA0003387162160000234
表示工况选择变量；该足够大的数大于预设阈值。
机组运行约束：
Figure BDA0003387162160000235
Figure BDA0003387162160000236
Figure BDA0003387162160000237
表示t时刻节点i的抽水上限，
Figure BDA0003387162160000238
表示t时刻节点i的发电上限。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，有效的提高了混合式抽水蓄能电站的工作效率。
本发明所建模型以促进可再生能源消纳为前提，最小化火电出力成本，最终优化的结果可以促进可再生能源消纳。
本发明提出的模型是在现有的价格机制体系中，没有增加新的价格机制，不会导致市场难以接受。
本发明所提出的混合式抽水蓄能电站在给定库容分配下的日前水电、抽水蓄能日内分时电功率优化方法。通过建模调控混合式抽水蓄能电站的库容优化各部分的占比，使混合式抽水蓄能电站达到最大收益。
本发明所提出的用KKT条件将下层模型转化为KKT方程组作用于上层模型的方法，将双层模型转化为单层模型。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述库容分配方法包括如下步骤：
以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数；
确定所述第一目标函数的约束条件；
以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数；
确定所述第二目标函数的约束条件；
结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价；
将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。
2.根据权利要求1所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述第一目标函数为：
Figure FDA0003387162150000011
Figure FDA0003387162150000012
其中，
Figure FDA0003387162150000013
表示节点i的单位生产成本；
Figure FDA0003387162150000014
表示t时刻节点i的火电机组发电量；ΔT表示时间间隔，ai和bi表示节点i的单位生产成本与t时刻节点i的火电机组发电量的关系的一次项系数和常数项系数，ΩG表示火电机组集合，ΩT表示时间集合。
3.根据权利要求2所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，第一目标函数的约束条件包括：
线路潮流约束：
Figure FDA0003387162150000015
其中，
Figure FDA0003387162150000016
表示最大线路潮流；Gk-i表示节点功率转移分布因子，ΩG、ΩRG、ΩHP和ΩLD分别表示火电机组集合、可再生能源发电机组集合、混合抽蓄电站机组集合和节点负荷集合，
Figure FDA0003387162150000017
表示t时刻节点i的火电机组发电量，
Figure FDA0003387162150000018
表示t时刻节点i的可再生能源机组发电量，
Figure FDA0003387162150000021
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure FDA0003387162150000022
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure FDA0003387162150000023
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i按照两部制电价结算的发电量，
Figure FDA0003387162150000024
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure FDA0003387162150000025
表示t时刻节点i的负荷总量；
机组爬坡约束式：
Figure FDA0003387162150000026
Figure FDA0003387162150000027
其中，
Figure FDA0003387162150000028
表示t-1时刻节点i的发电功率，
Figure FDA0003387162150000029
和
Figure FDA00033871621500000210
表示火电机组上爬坡能力和下爬坡能力；
机组运行上下限约束：
Figure FDA00033871621500000211
其中，
Figure FDA00033871621500000212
和
Figure FDA00033871621500000213
表示节点最小发电功率和最大发电功率。
4.根据权利要求3所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价，具体包括：
将所述第一目标函数的约束条件转换成拉格朗日算法的等式约束条件和互补松弛条件；
构建包含所述等式约束条件、所述互补松弛条件和所述第一目标函数的拉格朗日函数；
求解所述拉格朗日函数，确定混合式抽水蓄能电站的每个节点的边际电价。
5.根据权利要求4所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述等式约束条件为：
Figure FDA00033871621500000214
所述互补松弛条件为：
Figure FDA0003387162150000031
Figure FDA0003387162150000032
Figure FDA0003387162150000033
Figure FDA0003387162150000034
Figure FDA0003387162150000035
Figure FDA0003387162150000036
其中，Pt L表示负荷总量，ΩMP表示混合抽蓄电站的集合，λj为拉格朗日乘子，j＝1,2,3,4,5,6。
6.根据权利要求5所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述拉格朗日函数为：
Figure FDA0003387162150000037
其中，
Figure FDA0003387162150000038
表示拉格朗日函数，μ表示拉格朗日乘子。
7.根据权利要求1所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述第二目标函数为：
Figure FDA0003387162150000039
其中，B表示目标函数值，T表示调度周期，
Figure FDA00033871621500000310
表示节点i的峰谷电价，
Figure FDA00033871621500000311
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure FDA00033871621500000312
表示节点i的边际电价，
Figure FDA00033871621500000313
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure FDA0003387162150000041
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，λPS表示容量电价，
Figure FDA0003387162150000042
表示节点i初始时刻抽蓄机组参与两部制电价的容量，
Figure FDA0003387162150000043
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场抽水量。
8.根据权利要求1所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配方法，其特征在于，所述第二目标函数的约束条件包括：
混合抽蓄电站固定容量约束：
Figure FDA0003387162150000044
Figure FDA0003387162150000045
Figure FDA0003387162150000046
其中，
Figure FDA0003387162150000047
表示节点i的实际总库容，
Figure FDA0003387162150000048
表示节点i的最大初始常规水电机组库容，
Figure FDA0003387162150000049
表示节点i的最大初始抽蓄机组库容，
Figure FDA00033871621500000410
表示常规水电机组划分给抽蓄机组的库容，
Figure FDA00033871621500000411
表示节点i的划分后的最大常规水电机组的库容，
Figure FDA00033871621500000412
表示抽蓄机组参与两部制电价的最大库容，
Figure FDA00033871621500000413
表示抽蓄机组参与现货市场的最大库容；
混合抽蓄电站实时物理库容模型约束：
Figure FDA00033871621500000414
Figure FDA00033871621500000415
Figure FDA00033871621500000416
Figure FDA00033871621500000417
其中，Si,t为t时刻的节点i的混合抽蓄电站实时库容，Si,t-1为t-1时刻的节点i的混合抽蓄电站实时库容，
Figure FDA00033871621500000418
表示t时刻的节点i的常规水电机组天然径流，
Figure FDA00033871621500000419
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场抽水量，
Figure FDA00033871621500000420
表示节点i的抽蓄机组对应于两部制电价的抽水量；
Figure FDA00033871621500000421
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i按传统峰谷电价结算的发电量，
Figure FDA00033871621500000422
表示抽水蓄能电站常规水电机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure FDA0003387162150000051
表示表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i参与现货市场的发电量，
Figure FDA0003387162150000052
表示抽水蓄能电站抽蓄机组t时刻节点i按照两部制电价结算的发电量，ηH、ηPc和ηPd分别表示常规水电机组机组发电效率，抽水蓄能机组抽水效率和抽水蓄能机组发电效率；
Figure FDA0003387162150000053
和
Figure FDA0003387162150000054
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的常规水电机组可交易库容，
Figure FDA0003387162150000055
和
Figure FDA0003387162150000056
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的两部制电价型抽水蓄能的可交易库容，
Figure FDA0003387162150000057
和
Figure FDA0003387162150000058
分别表示t时刻和t-1时刻的节点i的现货市场型的可交易库容；
初始容量约束：
Figure FDA0003387162150000059
Figure FDA00033871621500000510
Figure FDA00033871621500000511
Figure FDA00033871621500000512
Si,0＝Si,t；
其中，
Figure FDA00033871621500000513
表示初始时刻节点i的划分后的常规水电机组的库容，
Figure FDA00033871621500000514
表示初始时刻节点i的划分前的常规水电机组的库容，
Figure FDA00033871621500000515
表示初始时刻常规水电机组划分给抽蓄机组的库容，
Figure FDA00033871621500000516
表示初始时刻节点i的两部制电价型抽蓄机组的库容，
Figure FDA00033871621500000517
表示初始时刻节点i的现货市场型抽蓄机组的库容，
Figure FDA00033871621500000518
表示初始时刻节点i的抽蓄机组库容，Si,0表示初始时刻节点i的总库容；
库容上下限约束：
0≤Si.t≤Smax；
Figure FDA00033871621500000519
Figure FDA00033871621500000520
Figure FDA00033871621500000521
其中，Smax表示最大总库容，SHmax表示常规水电机组最大可交易库容，SPTmax表示两部制电价型抽蓄机组的最大可交易库容，SPMmax表示现货市场型的抽蓄机组最大可交易库容；
变量约束：
Figure FDA0003387162150000061
Figure FDA0003387162150000062
Figure FDA0003387162150000063
Figure FDA0003387162150000064
Figure FDA0003387162150000065
Figure FDA0003387162150000066
其中，uH表示价格机制选择变量，M表示一个足够大的数
Figure FDA0003387162150000067
表示工况选择变量；该足够大的数大于预设阈值；
机组运行约束：
Figure FDA0003387162150000068
Figure FDA0003387162150000069
Figure FDA00033871621500000610
表示t时刻节点i的抽水上限，
Figure FDA00033871621500000611
表示t时刻节点i的发电上限。
9.一种混合式抽水蓄能电站的库容分配系统，其特征在于，所述库容分配系统包括：
第一目标函数构建模块，用于以火电机组生产成本最小化为目标，构建第一目标函数；
第一约束条件确定模块，用于确定所述第一目标函数的约束条件；
第二目标函数构建模块，用于以混合式抽水蓄能电站的收益最大化为目标，构建第二目标函数；
第二约束条件确定模块，用于确定所述第二目标函数的约束条件；
第一目标函数求解模块，用于结合所述第一目标函数的约束条件，采用拉格朗日算法求解所述第一目标函数，获得混合式抽水蓄能电站的节点边际电价；
第二目标函数求解模块，用于将所述节点边际电价代入所述第二目标函数，并结合所述第二目标函数的约束条件，求解所述第二目标函数，获得收益最大时的库容分配方案。
10.根据权利要求9所述的混合式抽水蓄能电站的库容分配系统，其特征在于，所述第一目标函数为：
Figure FDA0003387162150000071
Figure FDA0003387162150000072
其中，
Figure FDA0003387162150000073
表示节点i的单位生产成本；
Figure FDA0003387162150000074
表示t时刻节点i的火电机组发电量；ΔT表示时间间隔，ai和bi表示节点i的单位生产成本与t时刻节点i的火电机组发电量的关系的一次项系数和常数项系数，ΩG表示火电机组集合，ΩT表示时间集合。
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CN117791663A (zh) * 2024-02-27 2024-03-29 华北电力大学 一种梯级混合式抽水蓄能电站调控方法、系统及电子设备

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