[发明专利]考虑电源灵活性裕度的风光水火互补协调优化调度方法

摘要

本发明是一种考虑电源灵活性裕度的风光水火互补协调优化调度方法，其特点是，包括的步骤有：建立计算电源上调灵活性裕度和下调灵活性裕度的数学模型；构建以系统中燃煤费用和污染气体排放治理费用之和最小为目标，考虑电源灵活性裕度的风光水火互补协调优化调度模型；制定“优先全额消纳风电、光伏，跟进水电调节来平抑系统净负荷波动，最后由火电承担系统剩余净负荷”的分层调度策略。采用传统粒子群算法计算水电整体最优输出功率，运用启发式优先顺序法确定火电机组组合，并通过改进粒子群算法来计算火电机组的最优输出功率，安排风光水火4种异质能源电源在调度周期内的发电计划。该方法能够有效提升电源灵活性裕度，促进可再生能源消纳。

主权项

1.一种考虑电源灵活性裕度的风光水火互补协调优化调度方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)构建计算多能源电力系统电源灵活性裕度的数学模型①建立下一时段的系统灵活性需求模型定义系统灵活性需求为系统净负荷变化量，系统净负荷是系统中总负荷与全部风电、光伏输出功率、水电强迫出力、以及火电最小经济技术出力之差，用公式(1)来计算，L_net.t＝L_t‑P_W.t‑P_PV.t‑P_TH.min‑P_HD.min       (1)式中，L_net.t是第t个时段的系统净负荷；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；L_t是第t个时段的系统总负荷；P_W.t是第t个时段的系统全部风电输出功率；P_PV.t是第t个时段的系统全部光伏输出功率；P_TH.min是系统火电最小经济技术出力；P_HD.min是系统水电强迫出力；系统净负荷变化量是指既定时间尺度下，下一时段的系统净负荷与当前时段的系统净负荷之差，计及下一时段风电、光伏输出功率和负荷的最大反向预测误差的系统灵活性需求模型为公式(2)，式中，是第t+1个时段的系统上调灵活性需求；是第t+1个时段的系统下调灵活性需求；L_net.t是第t个时段的系统净负荷；L_net.t+1是第t+1个时段的系统净负荷；ω_u1是系统负荷预测误差导致的上调灵活性需求系数；ω_u2是系统风电输出功率预测误差导致的上调灵活性需求系数；ω_u3是系统光伏输出功率预测误差导致的上调灵活性需求系数；ω_d1是系统负荷预测误差导致的下调灵活性需求系数；ω_d2是系统风电输出功率预测误差导致的下调灵活性需求系数；ω_d3是系统光伏输出功率预测误差导致的下调灵活性需求系数；L_t+1是系统第t+1个时段的总负荷；P_W.t+1是系统第t+1个时段的风电输出功率预测值；P_PV.t+1是系统第t+1个时段光伏输出功率预测值；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；②建立当前时段的电源灵活性供给模型电源灵活性供给是灵活性电源能够为系统提供的灵活调节容量，灵活性电源是具有灵活调节能力的电源，将水电和火电作为灵活性电源，针对电源灵活性供给上调、下调两种情况，分别建立公式(3)所示的电源上调灵活性供给模型、公式(4)所示的电源下调灵活性供给模型，式中，F_t⁺是第t个时段电源上调灵活性供给，t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；F_t^‑是第t个时段电源下调灵活性供给；是第i个火电机组在第t个时段的上调灵活性供给；是第i个火电机组在第t个时段的下调灵活性供给；是第j个水电机组在第t个时段的上调灵活性供给；是第j个水电机组在第t个时段的下调灵活性供给；i＝1,2,3…I，I是系统中火电机组的总数；j＝1,2,3…J，J是系统中水电机组的总数；P_TH.i.max是第i个火电机组的最大输出功率；P_HD.j.max是第j个水电机组的最大输出功率；P_TH.i.min是第i个火电机组的最小经济技术出力；P_HD.j.min是第j个水电机组的强迫出力；P_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的输出功率；P_HD.j.t是第j个水电机组在第t个时段的输出功率；是第i个火电机组的上爬坡率；是第j个水电机组的上爬坡率；是第i个火电机组的下爬坡率；是第j个水电机组的下爬坡率；③建立电源灵活性裕度的计算模型电源灵活性裕度是电源灵活性供给与系统灵活性需求之差，用公式(5)计算电源上调灵活性裕度，用公式(6)计算电源下调灵活性裕度，式中，ΔF_t⁺是第t个时段的电源上调灵活性裕度；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；ΔF_t^‑是第t个时段的电源下调灵活性裕度；F_t⁺是第t个时段的电源上调灵活性供给；F_t^‑是第t个时段的电源下调灵活性供给；是第t+1个时段的系统上调灵活性需求；是第t+1个时段的系统下调灵活性需求；2)构建考虑电源灵活性裕度的风光水火互补协调优化调度模型以系统内污染气体治理费用和燃煤费用之和最小为目标，建立风光水火互补协调优化调度的优化目标函数为公式(7)，min C＝C₁+C₂       (7)式中，C是调度周期内的总费用；C₁是调度周期内污染气体排放治理费用；C₂是调度周期内燃煤费用；①建立污染气体排放治理费用计算模型用公式(8)计算调度周期内的污染气体排放治理费用，式中，C₁是调度周期内的污染气体治理费用；α_TH.i，β_TH.i，γ_TH.i，ζ_TH.i，λ_TH.i是第i个火电机组的污染气体排放系数；P_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的输出功率；σ是单位污染气体治理费用；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；②建立燃煤费用计算模型用公式(9)计算调度周期内的燃煤费用，式中，C₂是调度周期内的燃煤费用；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；a_i、b_i、c_i是第i个火电机组的燃煤费用系数；P_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的输出功率；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；③根据公式(10)～(17)确定该互补协调优化调度模型需要满足的约束条件A.确定电源灵活性约束电源灵活性约束是在调度周期内电源上调灵活性裕度和电源下调灵活性裕度都大于0，a.用公式(10)表示上调灵活性约束ΔF_t⁺＞0       (10)式中，ΔF_t⁺是第t个时段电源上调灵活性裕度；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；b.用公式(11)表示下调灵活性约束ΔF_t^‑＞0       (11)式中，ΔF_t^‑是第t个时段电源下调灵活性裕度；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；B.确定系统功率平衡约束用公式(12)表示系统功率平衡约束，式中，L_t是第t个时段的系统总负荷预测值；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；P_W.t是第t个时段的系统风电输出功率预测值；P_PV.t是第t个时段的系统光伏输出功率预测值；P_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段计划安排的发电功率；P_HD.j.t是第j个水电机组在第t个时段计划安排的发电功率；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；j＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；将公式(12)转换为公式(13)，式中，L_t是第t个时段的系统负荷预测值；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；P_W.t是第t个时段系统风电输出功率预测值；P_PV.t是第t个时段的系统光伏输出功率预测值；ΔP_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的可调节输出功率；ΔP_HD.j.t是第j个水电机组在第t个时段的可调节输出功率；P_TH.i.min是第i个火电组的最小经济技术出力；P_HD.j.min是第j个水电组的强迫出力；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；j＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；C.确定电源约束a.用公式(14)表示火电机组输出功率约束P_TH.i.min+ΔP_TH.i.t≤P_TH.i.max      (14)式中，P_TH.i.min是第i个火电组的最小经济技术出力；ΔP_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段可调节输出功率；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；P_TH.i.max是第i个火电机组的最大输出功率；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；b.用公式(15)表示火电机组爬坡能力约束式中，P_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的输出功率；P_TH.i.t‑1是第i个火电机组在第t‑1个时段的输出功率；是第i个火电机组的上爬坡率；是第i个火电机组的下爬坡率；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；c.用公式(16)表示水电输出功率约束P_HD.j.min+ΔP_HD.j.t≤P_HD.j.max       (16)式中，P_HD.j.min是第j个水电机组的强迫出力；ΔP_HD.j.t是第j个水电机组在第t个时段的可调节输出功率；P_HD.j.max是第j个水电机组的最大输出功率；j＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；d.用公式(17)表示水电输出功率和用水量、水头高度的关系P_HD.j.t＝9.81η_jQ_j.th_t       (17)式中，P_HD.j.t是第j个水电机组在第t个时段的输出功率；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；η_j是第j个水电机组的发电效率；h_t是水库在第t个时段的水头高度；Q_j.t是第j个水电机组在第t个时段的用水量；i＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；e.用公式(18)表示用于发电的水流量限制约束式中，Q_j.min是调度周期内第j个水电机组的最小用水量；Q_j.max是调度周期内第j个水电机组的最大用水量；Q_j.t是第j个水电机组在第t个时段的用水量；j＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；3)制定风光水火互补协调发电的优化调度策略采用分层调度策略，分为风光调度层、水电调度层和火电调度层，①风光调度层发电安排优先安排风电和光伏发电，并全额消纳，即风电和光伏发电不作为调度中的优化变量，②水电调度层发电安排以经过水电调节后的系统净负荷峰谷差最小与弃水量最小为目标安排水力发电，用公式(19)～(21)表示水电调节后的净负荷峰谷差最小，minΔL'_net＝L'_net.max‑L'_net.min         (19)式中，L_net.t是未经水电调节的第t个时段的系统净负荷；t＝1,2,3...T，T是时段数；ΔL'_net是在调度周期内经过水电调节后系统净负荷的最大值与最小值之差；P_HD.j.t是第j个水电机组在第t个时段的输出功率；j＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；L'_net.max是在调度周期内经过水电调节后的系统净负荷最大值；L'_net.min是在调度周期内经过水电调节后的系统净负荷最小值；用公式(22)表示弃水量最小，式中，ΔQ是调度周期内总弃水量；Q_j.max是调度周期内第j个水电机组的最大用水量；Q_j.t是第j个水电机组在第t个时段的用水量；j＝1,2,3...J，J是系统中水电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；Δt是每个时段的时间长度；③火电调度层发电安排安排火电机组承担经过水电调节后的系统净负荷，并满足步骤2)中公式(7)建立的互补协调优化调度目标；4)对各个调度层分别求解①风光调度层求解预测出未来一个调度周期内的风电、光伏输出功率，计算系统净负荷，②水电调度层求解将所有水电机组等效为一个整体，把弃水量最小转化为约束条件，将弃水量限制在要求的范围内，采用传统粒子群算法对水电调度优化目标函数进行求解，③火电调度层求解A.采用启发式优先顺序法确定火电机组的机组组合，a.计算系统中火电机组的最小比耗量，按照最小比耗量由小到大的顺序对机组进行经济性排序，最小比耗量用公式(23)计算，式中，μ_i.min是第i个火电机组的最小比耗量；P_TH.i是第i个火电机组的输出功率；a_i、b_i、c_i分别是第i个火电机组的燃煤费用系数；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；其中P_TH.i需满足公式(24)中的关系式，式中，P_TH.i.min是第i个火电组的最小经济技术出力；P_TH.i是第i个火电机组的输出功率；P_TH.i.max是第i个火电机组的最大输出功率；a_i、b_i、c_i分别是第i个火电机组的燃煤费用系数；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；b.依据机组排序表中的顺序，逐次累加各火电机组最大可调节输出功率，直至满足最高净负荷及上调灵活性需求，用公式(25)表示，式中，P_TH.i.max是第i个火电机组的最大输出功率；P_TH.i.min是第i个火电机组的最小经济技术出力；L'_net.max是调度周期内水电调节后的系统最大净负荷；L_max是系统总负荷最大预测值；P_W.max是调度周期内系统风电输出功率最大预测值；P_PV.max是调度周期内系统光伏输出功率最大预测值；ω_u1是系统负荷预测误差导致的上调灵活性需求系数；ω_u2是系统风电输出功率预测误差导致的上调灵活性需求系数；ω_u3是系统光伏输出功率预测误差导致的上调灵活性需求系数；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；c.采用公式(26)对火电机组最小经济技术出力进行验证，判断其是否满足系统各个时段的下调灵活性需求；某时段不满足就说明在该时段无法实现可再生能源的完全消纳，有必要在该时段附近采取弃风、弃光措施，直至约束满足，0≤L'_net.min‑ω_d1L_min‑ω_d2P_W.max‑ω_d3P_PV.max      (26)式中，L'_net.min是调度周期内水电调节后的系统最小净负荷；L_min是系统总负荷最小预测值；ω_d1是系统负荷预测误差导致的下调灵活性需求；ω_d2是系统风电输出功率预测误差导致的下调灵活性需求；ω_d3是系统光伏输出功率预测误差导致的下调灵活性需求；P_W.max是调度周期内系统风电输出功率最大预测值；P_PV.max是调度周期内系统光伏输出功率最大预测值；B.改进粒子群算法a.调整机组输出功率使其满足机组输出功率上下限约束，用公式(27)表示，式中，P_TH.i.min是第i个火电组的最小经济技术出力；ΔP_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的可调节输出功率；P_TH.i.max是第i个火电机组的最大输出功率；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；b.如果违反机组爬坡速率约束，则按公式(28)原则调整，式中，P_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的输出功率；P_TH.i.t‑1是第i个火电机组在第t‑1个时段的输出功率；是第i个火电机组的上爬坡率；是第i个火电机组的下爬坡率；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；c.当在第t个时段违反功率平衡约束时，用公式(29)计算功率偏差值，该功率差值即是第t个时段系统无法满足的灵活性需求，式中，ΔP_t是系统功率偏差值；ΔP_TH.i.t是第i个火电机组在第t个时段的可调节输出功率；L'_net.t是未经火电调节的第t个时段的系统净负荷；i＝1,2,3...I，I是系统中火电机组的总数；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数；d.在适应度函数中加入功率平衡约束和灵活性约束的罚函数，保证在下次迭代时将粒子尽可能限制在可行解的范围内，用公式(30)表示，式中，f是适应度函数；C是调度周期内污染气体治理费用和燃煤费用之和；ΔP_t是系统功率偏差值；ΔF_t⁺是第t个时段电源上调灵活性裕度；ΔF_t^‑是第t个时段电源下调灵活性裕度；λ_ph是功率平衡约束惩罚因子，λ_TH.u是电源上调灵活性约束惩罚因子，λ_TH.d是电源下调灵活性约束惩罚因子；t＝1,2,3...T，T是调度周期内的时段数。