CN114465226A - 一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法 - Google Patents

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CN114465226A CN202111277761.8A CN202111277761A CN114465226A CN 114465226 A CN114465226 A CN 114465226A CN 202111277761 A CN202111277761 A CN 202111277761A CN 114465226 A CN114465226 A CN 114465226A
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黎量子
曹晓璐
张忠
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Abstract

本发明提供了一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，包括以下步骤：1）根据电力系统运行控制过程，定义四个时间尺度上的备用需求；2）获取火电、水电机组的运行参数，建立火电、水电机组各级备用容量约束模型；3）获取锂电池储能的运行参数，建立锂电池储能运行与备用约束模型；4）在满足火电机组、水电机组、锂电池储能的运行约束及各级备用容量约束的条件下，建立多级备用获取联合优化模型，本发明通过激励火电、水电、储能提供不同时间尺度的备用，实现各级备用的优化获取，确保电力系统各级备用充足，提高电网的安全性；同时确保各级备用获取的整体经济性，提高电力系统运行效率。

Description

一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法
技术领域
本发明涉及电力系统运行领域，尤其涉及一种电力系统多级备用获取的联合优化方法。
背景技术
在能源转型背景下，风电、光伏得到了快速迅猛的发展。同时，为了实现电能的大范围配置与运输，特高压线路正逐渐成为区域互联的主网架。单条特高压线路容量远超传统发电机组最大容量。大规模间歇式新能源的并网由于其高不确定性带来了巨大的调节备用需求，而特高压线路故障带来的大容量功率缺额也带了了巨大的事故备用需求。然而，随着新能源电源对传统电源的替代作用，传统电源在运行容量中的占比将持续下降。如何在能源转型背景下，保证电力系统备用容量的充裕性，已经成为电力转型亟待解决的问题。
在能源转型过程中，随着能源互联网的建设，尽管电源测备用资源下降，但在网、荷、储层面产生了大量的可供利用的潜在备用资源。未来在系统各环节中的广泛配置多类型集中和分布式储能系统，若能充分利用储能等备用资源，将极大缓解电网备用容量不足问题，提高系统备用的充裕性。此外，通过设计新型备用体系，开发多目标的资源配置优化策略与模型，可实现多元备用的有序调用与管理，支撑电网安全稳定运行。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电力系统多级备用获取的联合优化方法，激励火电、水电、储能提供不同时间尺度的备用，实现各级备用的优化获取，确保电力系统各级备用充足，提高电网的安全性；同时确保各级备用获取的整体经济性，提高电力系统运行效率。
本发明采用如下的技术方案。
一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，主要包括以下步骤：
1)根据电力系统运行控制过程，定义四个时间尺度上的备用需求；
2)获取火电、水电机组的运行参数，建立火电、水电机组各级备用容量约束模型；
3)获取锂电池储能的运行参数，建立锂电池储能运行与备用约束模型；
4)在满足火电机组、水电机组、锂电池储能的运行约束及各级备用容量约束的条件下，建立多级备用获取联合优化模型。
进一步的，所述四个时间尺度备用分别为：秒级的一次调频备用、分钟级的二次调频备用、10min快速可调用备用、30min慢速可调动备用。
进一步的，所述火电机组提供各级备用容量间的约束为：
Figure RE-GDA0003533227640000021
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000022
为火电机组i提供的第j(j＝1,2,3,4)类备用容量，
Figure RE-GDA0003533227640000023
为火电提供第j类备用的最大容量；
Figure RE-GDA0003533227640000024
表示火电机组的运行状态变量；
所述水电机组提供各级备用容量间的约束为：
Figure RE-GDA0003533227640000025
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000026
为水电机组i提供的第j类备用容量，j＝1,2,3,4，
Figure RE-GDA0003533227640000027
为火电提供第j类备用的最大容量；
Figure RE-GDA0003533227640000028
表示火电机组的运行状态变量。
进一步的，锂电池储能提供多级备用与其充、放电功率之间的功率约束为：
Figure RE-GDA0003533227640000029
Figure RE-GDA00035332276400000210
式中，
Figure RE-GDA00035332276400000211
分别为储能的充、放电功率；
Figure RE-GDA00035332276400000212
分别为储能的最大充放电功率，rt es,j为锂电池储能供的第j(j＝1,2,3,4)类备用容量，
Figure RE-GDA00035332276400000213
为表示锂电池储能是否处于充电状态的“0-1”变量。
进一步的，所述多级备用获取联合优化模型的目标函数为：
Figure RE-GDA00035332276400000214
Figure RE-GDA00035332276400000215
Figure RE-GDA00035332276400000216
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000031
为电能量市场中的总购电费用，
Figure RE-GDA0003533227640000032
为第j种备用的购买费用，nR为备用种类数量，ng为传统火电机组个数，K为火电机组分段报价的段数，
Figure RE-GDA0003533227640000033
为火电机组第k段报价价格，
Figure RE-GDA0003533227640000034
对应第k段报价发电功率，
Figure RE-GDA0003533227640000035
为为火电机组的启动费用，
Figure RE-GDA0003533227640000036
为火电机组的启动状态，
Figure RE-GDA0003533227640000037
分别为火电机组提供第j种备用的报价、报量，nh为水电机组个数，
Figure RE-GDA0003533227640000038
为水电机组的第j种备用的报价、报量，
Figure RE-GDA0003533227640000039
rt es,j为储能组提供第j种备用的报价、报量。
进一步的，所述多级备用联合优化模型的约束条件还包括电量平衡约束和各级备用的容量需求约束：
电量平衡约束：
Figure RE-GDA00035332276400000310
式中，
Figure RE-GDA00035332276400000311
为火电机组出力，为K个分段报价出力
Figure RE-GDA00035332276400000312
之和，，
Figure RE-GDA00035332276400000313
为水电机组出力，Lt为计划性用户负荷与售电公司下的用户负荷之和,
Figure RE-GDA00035332276400000314
为电能量出清价格；
各级备用容量需求约束：
Figure RE-GDA00035332276400000315
式中，
Figure RE-GDA00035332276400000316
为系统各类备用需求量,
Figure RE-GDA00035332276400000317
为各级备用出清价格。
进一步的，求解所述多级备用联合优化模型的目标函数，基于边界成本原则确定各级备用产品的价格，将各级备用容量需求约束的影子价格作为各级备用产品的市场出清价格
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种电力系统多级备用获取的联合优化方法，通过定义不同时间尺度的备用需求，利于火电、水电、储能等合理配置其调节容量，并激励电力系统中各类灵活资源提供备用从而提高电网的弹性；通过建立各级备用的联合优化调度模型，降低电力系统整体备用成本，同时，储能单元可以通过提供各级备用而获利，缩短储能投资回收周期。
附图说明
图1为本发明电力系统多级备用获取的联合优化方法流程图；
图2为本发明测试算例中风电、光伏、负荷曲线；
图3为本发明不同时间段系统负荷需求和各机组出力关系；
图4为本发明一次调频需求和各类机组提供一次调频容量情况；
图5为本发明二次调频需求和各类机组提供二次调频容量情况；
图6为本发明10min快速可调用备用需求和各类机组提供备用情况；
图7为本发明30min慢速可调动备用需求和各类机组提供备用情况；
图8为本发明四种时间尺度上的备用的出清价格。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种电力系统多级备用获取的联合优化方法，包括以下步骤：
步骤1、根据电力系统运行控制过程，定义电力系统四个时间尺度的备用与备用需求量：
四个时间尺度备用分别为：秒级的一次调频备用、分钟级的二次调频备用、 10min快速可调用备用(用于置换二次调频备用容量和应对10min内净负荷波动)、 30min慢速可调动备用(用于应对30min内的净负荷波动)，其中：
各时段一次调频备用需求量
Figure RE-GDA0003533227640000041
应不低于系统最大一台机组容量、且不低于任意直流通道送入功率；各时段二次调频备用需求量
Figure RE-GDA0003533227640000042
应不低于系统最大一台机组容量、且不低于任意直流通道送入功率减去向量电网所能提供的二次调频容量；各时段10min快速可调用备用需求量
Figure RE-GDA0003533227640000043
应不低于二次调频备用需求容量、且以一定置信水平不低于10min内系统净负荷波动量；各时段30min慢速可调用备用需求量
Figure RE-GDA0003533227640000044
应以一定置信水平不低于30min内系统净负荷波动量；t为时段索引。
步骤2，获取火电、水电机组的运行参数，建立火电、水电机组运行与备用约束模型；
2.1、获取的火电机组的运行参数包括：最大、最小技术出力、爬坡速率；最小开、停机时间、各级备用容量、发电报价、各级备用报价，根据上述运行参数建立火电机组运行与各级备用容量约束模型。
火电机组运行约束模型为：
火电机组出力上、下限约束：
Figure RE-GDA0003533227640000051
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000052
为机组出力；
Figure RE-GDA0003533227640000053
表示机组运行状态的0/1变量；
Figure RE-GDA0003533227640000054
分别为机组的最小、最大技术出力；
最小开、停机时间约束：
Figure RE-GDA0003533227640000055
Figure RE-GDA0003533227640000056
式中，Ti,on、Ti,off分别为机组的最小开停机时间约束，N为调度周期内的总时段数，t为时段序列编号，N-t+1表示距离调度周期结束的时段数；
Figure RE-GDA0003533227640000057
为1时，表示机组由运行状态转入停机状态，式(2)表示机组转入停机状态前，连续运行时段数不小于Ti,on或距离调度周期结束的时段数；同样，式 (3)表示机组转入开机状态前，连续停机时段数不小于Ti,off或距离调度周期结束的时段数。
爬坡约束：
Figure RE-GDA0003533227640000058
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000059
分别为机组单个调度时段内的向上、向下爬坡速率，
Figure RE-GDA00035332276400000510
为火电机组出力。
火电机组各级备用容量约束模型为：
Figure RE-GDA00035332276400000511
式中，
Figure RE-GDA00035332276400000512
为火电机组i提供的第j(j＝1,2,3,4)类备用容量，
Figure RE-GDA00035332276400000513
为火电提供第j类备用的最大容量；
Figure RE-GDA00035332276400000514
表示火电机组的运行状态变量。
火电机组的一次调频过程对应气门的调节，是一种快速响应过程，其他三种备用调用过程与机组的燃烧情况有关，因此火电机组备用容量与机组当前出力存在如下的约束关系：
Figure RE-GDA0003533227640000061
式(6)为火电机组的各级备用间的耦合约束。
2.2、获取水电机组的运行参数，包括最大、最小技术出力、各级备用容量、各级备用报价，进而建立其运行与备用约束模型。
水电机组运行约束模型为：
水电机组出力上、下限约束：
Figure RE-GDA0003533227640000062
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000063
为机组出力；
Figure RE-GDA0003533227640000064
表示机组运行状态的0/1变量；
Figure RE-GDA0003533227640000065
分别为机组的最小、最大技术出力；
水电机组提供各级备用过程与进水量有关，因此水电机组备用容量与机组当前出力存在如下的约束关系：
Figure RE-GDA0003533227640000066
水电机组提供各级备用容量间的约束为：
Figure RE-GDA0003533227640000067
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000068
为水电机组i提供的第j类备用容量，j＝1,2,3,4，
Figure RE-GDA0003533227640000069
为火电提供第j类备用的最大容量；
Figure RE-GDA00035332276400000610
表示火电机组的运行状态变量。
步骤3：获取锂电池储能的运行参数，进而建立锂电池运行与备用约束模型：
锂电池的运行参数包括：最大充、放电功率，最大、最小核电状态，锂电池储能在运行调度建模中的最大充/放电功率约束、荷电状态的连续性约束、以及荷电状态上、下限约束如下：
Figure RE-GDA00035332276400000611
Figure RE-GDA00035332276400000612
bch,t+bdch,t≤1 (12)
Figure RE-GDA00035332276400000613
Figure RE-GDA00035332276400000614
式中：
Figure RE-GDA00035332276400000615
分别为储能的充、放电功率；
Figure RE-GDA00035332276400000616
分别为储能的最大充放电功率；bch,t、bdch,t分别表示锂电池储能处于充、放电状态的“0-1”变量，
Figure RE-GDA0003533227640000071
为储能的荷电状态；ηch、ηdch分别为储能的充放电效率；
Figure RE-GDA0003533227640000072
Figure RE-GDA0003533227640000073
分别为储能允许荷电状态的上、下限；ΔT为调度的时间步长。
电池储能可运行充电、放电运行状态，从电池安全运行的角度考虑，其提供一次、二次调频备用时不进行充、放电状态的切换，提供10min快速可调用备用、 30min慢可调用备用时可以进行充、放电状态切换。综上，锂电池储能提供多级备用与其充、放电功率之间存在如下的功率约束：
Figure RE-GDA0003533227640000074
Figure RE-GDA0003533227640000075
式中，rt es,j为锂电池储能供的第j(j＝1,2,3,4)类备用容量。
步骤4：在满足火电机组、水电机组、锂电池储能的运行约束及各级备用容量约束的条件下，建立多级备用获取联合优化模型
多级备用联合优化模型的目标函数为：
Figure RE-GDA0003533227640000076
Figure RE-GDA0003533227640000077
Figure RE-GDA0003533227640000078
式(17)中，第一项为基于传统火电机组分段报价的发电侧费用，当火电机组采用二次成本曲线报价时，将
Figure RE-GDA0003533227640000079
替换为发电成本二次函数即可
Figure RE-GDA00035332276400000710
为电能量市场中的总购电费用，
Figure RE-GDA00035332276400000711
为第j种备用的购买费用，nR为备用种类数量，ng为传统火电机组个数，K为为火电机组分段报价的段数，，
Figure RE-GDA00035332276400000712
为为火电机组第k段报价价格，
Figure RE-GDA00035332276400000713
为对应第k段报价发电功率，
Figure RE-GDA00035332276400000714
为为火电机组的启动费用，
Figure RE-GDA00035332276400000715
为火电机组的启动状态，
Figure RE-GDA00035332276400000716
分别为火电机组提供第j种备用的报价、报量，nh为水电机组个数，
Figure RE-GDA00035332276400000717
为水电机组的第j种备用的报价、报量，
Figure RE-GDA00035332276400000718
rt es,j为储能组提供第j种备用的报价、报量。
约束条件除了满足火电机组、水电机组、锂电池储能的运行约束和各级备用容量约束之外，还包括电量平衡约束和各级备用容量需求约束：
电量平衡约束：
Figure RE-GDA0003533227640000081
式中，Lt为计划性用户负荷与售电公司下的用户负荷之和,
Figure RE-GDA0003533227640000082
为电能量出清价格；
各级备用容量需求约束：
Figure RE-GDA0003533227640000083
式中，
Figure RE-GDA0003533227640000084
为系统各类备用需求量,
Figure RE-GDA0003533227640000085
为各级备用出清价格。
求解步骤四中多级备用获取联合优化模型，基于边界成本原则确定各级备用产品的价格，将各级备用容量需求约束即式(21)的影子价格
Figure RE-GDA0003533227640000086
作为各级备用产品的价格。
实施例
结合某省电网数据设计算例，开展电力系统多级备用获取的模拟分析。该算例中电源结构如表1，其中，火电机组总装机容量31580MW，包含72台机组；水电总装机容量为450MW，包含7台机组；某日风电、光伏、负荷功率曲线如图2所示。
表1测试系统电源结构
Figure RE-GDA0003533227640000087
电力系统多级备用获取的运行结果如下所示：
图3中展示了一天内不同时段系统的负荷需求和各个机组所提供的功率之间的关系，可以看出，总体上以火电、风电机组出力为主，其中火电机组出力约为总需求的82.81％，风电机组出力约为总需求的15.04％，火电机组出力占比最大。水电和光伏出力较小，分别占总需求的1.5％和0.65％。而抽蓄在本算例中不提供功率。
图4中展示了一次调频各机组备用提供情况，火电机组提供大部分所需一次备用容量，占总需求的97.34％。水电和抽蓄只提供小部分，分别占总需求的 1.43％和1.22％。一次调频备用总需求为24720MW。
图5中展示了二次调频各机组备用提供情况，火电机组提供大部分所需二次调频容量，占总需求的94.3％。水电机组出力较一次调频有所提升，占总需求的5.7％。抽蓄不提供二次调频容量。二次调频备用总需求为24720MW。
图6中展示了10min快速可调用备用需求及备用提供情况，其中下午和晚间备用需求量升高，14:00-16:00达到峰值。火电机组仍提供大部分所需10min 备用容量，占总需求的78.4％。抽蓄出力占比较一、二次调频显著增大，为总需求量的21.18％。水电机组出力占总需求的0.42％。10min快速可调用备用总需求为40840MW。
图7中展示了30min慢速可调动备用需求及备用提供情况，其中下午和晚间备用需求量更高，14:00-16:00达到峰值。火电机组仍提供大部分所需30min 备用容量，占总需求的81.44％。抽蓄备用容量占比较一、二次调频显著增大，为总需求量的18.24％。水电机组出力很少，占总需求的0.32％。30min慢速可调动备用总需求为78939MW。
图8中展示了四种时间尺度上的备用的出清价格。图中可以看出，AGC调频以及10min快速可调备用的价格在20:00会出现较大波动，其他时间电价波动不大。

Claims (7)

1.一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)根据电力系统运行控制过程，定义四个时间尺度上的备用需求；
2)获取火电、水电机组的运行参数，建立火电、水电机组各级备用容量约束模型；
3)获取锂电池储能的运行参数，建立锂电池储能运行与备用约束模型；
4)在满足火电机组、水电机组、锂电池储能的运行约束及各级备用容量约束的条件下，建立多级备用获取联合优化模型。
2.如权利要求1所述的一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，其特征在于，所述四个时间尺度备用分别为：秒级的一次调频备用、分钟级的二次调频备用、10min快速可调用备用、30min慢速可调动备用。
3.如权利要求1所述的一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，其特征在于：
所述火电机组提供各级备用容量间的约束为：
Figure RE-FDA0003533227630000011
式中，
Figure RE-FDA0003533227630000012
为火电机组i提供的第j(j＝1,2,3,4)类备用容量，
Figure RE-FDA0003533227630000013
为火电提供第j类备用的最大容量；
Figure RE-FDA0003533227630000014
表示火电机组的运行状态变量；
所述水电机组提供各级备用容量间的约束为：
Figure RE-FDA0003533227630000015
式中，
Figure RE-FDA0003533227630000016
为水电机组i提供的第j类备用容量，j＝1,2,3,4，
Figure RE-FDA0003533227630000017
为火电提供第j类备用的最大容量；
Figure RE-FDA0003533227630000018
表示火电机组的运行状态变量。
4.如权利要求1所述的一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，
其特征在于锂电池储能提供多级备用与其充、放电功率之间的功率约束为：
Figure RE-FDA0003533227630000019
Figure RE-FDA00035332276300000110
式中，
Figure RE-FDA00035332276300000111
分别为储能的充、放电功率；
Figure RE-FDA00035332276300000112
分别为储能的最大充放电功率，
Figure RE-FDA0003533227630000021
为锂电池储能供的第j(j＝1,2,3,4)类备用容量，
Figure RE-FDA0003533227630000022
为表示锂电池储能是否处于充电状态的“0-1”变量。
5.如权利要求1所述的一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，
其特征在于，所述多级备用获取联合优化模型的目标函数为：
Figure RE-FDA0003533227630000023
Figure RE-FDA0003533227630000024
Figure RE-FDA0003533227630000025
式中，
Figure RE-FDA0003533227630000026
为电能量市场中的总购电费用，
Figure RE-FDA0003533227630000027
为第j种备用的购买费用，nR为备用种类数量，ng为传统火电机组个数，K为火电机组分段报价的段数，
Figure RE-FDA0003533227630000028
为火电机组第k段报价价格，
Figure RE-FDA0003533227630000029
对应第k段报价发电功率，
Figure RE-FDA00035332276300000210
为为火电机组的启动费用，
Figure RE-FDA00035332276300000211
为火电机组的启动状态，
Figure RE-FDA00035332276300000212
分别为火电机组提供第j种备用的报价、报量，nh为水电机组个数，
Figure RE-FDA00035332276300000213
为水电机组的第j种备用的报价、报量，
Figure RE-FDA00035332276300000214
为储能组提供第j种备用的报价、报量。
6.如权利要求1所述的一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，其特征在于，所述多级备用联合优化模型的约束条件还包括电量平衡约束和各级备用的容量需求约束：
电量平衡约束：
Figure RE-FDA00035332276300000215
式中，
Figure RE-FDA00035332276300000216
为火电机组出力，为K个分段报价出力
Figure RE-FDA00035332276300000217
之和，，
Figure RE-FDA00035332276300000218
为水电机组出力，Lt为计划性用户负荷与售电公司下的用户负荷之和,
Figure RE-FDA00035332276300000219
为电能量出清价格；
各级备用容量需求约束：
Figure RE-FDA00035332276300000220
式中，
Figure RE-FDA0003533227630000031
为系统各类备用需求量,
Figure RE-FDA0003533227630000032
为各级备用出清价格。
7.如权利要求5所述的一种电力系统多级备用获取联合优化模型的建立方法，其特征在于，求解所述多级备用联合优化模型的目标函数，基于边界成本原则确定各级备用产品的价格，将各级备用容量需求约束的影子价格作为各级备用产品的市场出清价格。
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