[发明专利]一种基于直流传输的风火电打捆发输电系统优化规划方法

摘要

本发明属于电力系统规划技术领域，具体涉及一种基于直流传输的风火电打捆发输电系统优化规划方法，将火电机组补偿能力、直流输电系统容量等作为约束条件，以整个打捆系统的单位发电成本最小为目标函数，采用模拟退火算法求解，该方法弥补了现有打捆系统优化规划模型和算法的不足，所建立的模型考虑的因素更为全面，为我国能源基地外送的混合规划提供了坚实、有效的理论指导。

主权项

一种基于直流传输的风火电打捆发输电系统优化规划方法，其特征在于：步骤1：表征风火电出力由于风电机组出力依赖于风速，因此其出力在时序上具有很强的波动性，考虑其宏观出力变化规律，采用持续出力曲线来表征风电出力特性；步骤2：确定波动功率上、下限时间对于风火电打捆发输电系统，考虑到机组运行约束，允许其输送功率在某一范围内波动，采用含上下限约束的功率输送模式，即在风电出力较大时，允许打捆系统的输送功率向上波动+δ％，当风电出力较小时，允许打捆系统的输送功率向下波动–δ％；其对应的向上、下波动持续时间T1和T2则根据风电出力较大时段向下波动–δ％和较小时段向上波动+δ％确定，并由式(1)和(2)计算：T1=t|Pw(t)=Pw,max-δ%×pT---(1)]]>T2=t|Pw(t)=δ%×pT---(2)]]>其中，pT表示风火电打捆系统的基准输送功率，Pw,max表示风电的最大出力，Pw(t)为风电t时刻出力，T表示年小时数；步骤3：构建基于直流传输的风火电打捆发输电系统优化规划模型假设风电场已知，则基于直流输送的风火电打捆发输电系统优化规划涉及的规划内容包括：火电机组配置、直流输电系统和系统输送功率的选择，该模型的决策变量包括：火电机组的安装容量(数量)、直流输电系统的电压等级、换流站额定容量以及整个打捆系统的输送功率；3.1模型的目标函数基于直流传输的风火电打捆发输电系统优化规划模型的目标函数如下：min UGC＝(Cfuel+Ccapi+Cmaint)/Erec              (3)其中，UGC表示打捆发输电系统的单位发电成本；Cfuel为打捆系统的运行成本，由式(4)～(7)计算；Ccapi为打捆系统的投资成本，由式(8)计算；Cmaint为打捆系统的维护成本，由式(9)计算；Erec为受端系统在打捆系统规划期内接受的总电量，由式(10)～(12)计算；①燃料成本计算风火电打捆发输电系统的燃料成本为火电机组在规划期内各年煤炭消耗成本之和：Cfuel=Σj=1M(1+rcoal)j-1×Kcoal×f×(Ej-∫0TPjw(t)dt)(1+rd)j-1---(4)]]>Ej＝(1+δ％)pTT1,j+pT(T2,j‑T1,j)+(1‑δ％)pT(T‑T2,j)             (5)Pjw(t)=Σk=1NwPj,kWTG(t)---(6)]]>Pj,kWTG(t)=Pw,r[A+B×Vj(t)+C×Vj(t)2]Vci≤Vj(t)<VrPw,rVr≤Vj(t)<Vco0otherwise---(7)]]>其中，M为打捆系统规划周期；rcoal为煤炭价格增长率；Kcoal为规划水平年煤炭价格；f为火电机组单位煤耗；Ej为风火电打捆发输电系统在第j年的总发电量，由式(5)计算；T为年小时数，为风电在第j年t时刻的出力，由式(6)计算；rd为贴现率；δ为打捆系统输送功率允许波动的上、下限；pT表示打捆输电系统的基准输送功率；T1,j为第j年输送功率向上波动持续时间，T2,j为第j年输送功率向下波动持续时间；Nw为风电场中风电总装机数；为第k台风机在第j年t时刻的出力，由式(7)计算，Pw,r为风机的额定功率；A，B，C为风机系数，Vci，Vr和Vco为风机的切入风速，额定风速和切出风速；Vj(t)为第j年t时刻风速；②投资成本计算风火电打捆发输电系统的投资成本为火电机组、换流站、直流输电线路及风电场投资成本之和：Ccapi＝Cther,capi+Cstat,capi+Cln,capi+Cw,capi                    (8)其中，Cther,capi为打捆系统中的火电机组投资成本；Cstat,capi为打捆系统中的换流站投资成本；Cln,capi为打捆系统中直流输电系统投资成本；Cw,capi为打捆系统中的风电场投资成本；③维护成本计算风火电打捆发输电系统的年维护成本取为投资成本的百分比，并计入考虑设备老化及人工成本增加的年维护成本增长率和资金时间价值额贴现率：Cmaint=Σj=1Mτ×Ccapi×(1+rmaint)j-1(1+rd)j-1---(9)]]>其中，τ为维护成本占投资成本百分比，rmaint为维护成本增长率；④受端总电量计算风火电打捆发输电系统受端所接受的总电量为打捆发电系统送端总电量减去直流输电系统的损耗电量：Erec＝Egen×(1‑2σstat‑2L×σln)                       (10)Egen=Σj=1MEj---(11)]]>σln=rlnPln(Pln2vstat)2---(12)]]>其中，Egen为风火电打捆发输电系统在规划期内总发电量；σstat为单个换流站损耗；L为送受端距离；σln为单极直流输电线路单位长度线损，由式(12)计算，rln为直流输电线单位长度电阻；Pln为直流输电线路流过功率；vstat为直流输电系统电压；3.2模型的约束条件基于直流传输的风火电打捆发输电系统优化规划模型需满足的约束条件如下：①火电机组最小装机容量约束cther≥(1‑δ)pT                           (13)其中，cther为打捆系统中火电机组装机容量，式(13)表示火电机组的装机容量需大于波动输送功率的下限；②打捆系统基准输送功率上限约束(1+δ)pT≤cstat                            (14)其中，cstat为直流换流站额定容量，式(14)表示打捆系统在运行中所采取的输送功率上限需小于直流换流站的额定容量；③打捆系统基准输送功率下限约束(1+δ)pT≥Cw,inst+ρ×cther                       (15)其中，Cw,inst为风电机组安装容量，ρ为火电机组最小出力百分比，式(15)表示打捆系统在运行中所采取的输送功率上限需大于风电最大出力与火电机组最小出力之和；④火电机组每分钟补偿能力约束CPminutether≥Fminutew---(16)]]>CPminutether=γ1×cther---(17)]]>Fminutew=γ2×Cw,inst---(18)]]>其中，为火电机组每分钟补偿能力；为风电每分钟波动量；γ1和γ2分别为火电机组的补偿率和99％概率下的风电变化速率，式(16)表示火电机组每分钟的功率变化值需大于风电每分钟的波动值；⑤火电机组总补偿能力约束CPtotalther≥Cw,inst---(19)]]>CPtotalther=(1-ρ)×cther---(20)]]>其中，为火电机组总补偿能力，式(19)表示火电机组总的功率变容量需大于风电机组的安装容量；步骤4：优化规划模型的求解算法采用模拟退火算法求解该规划模型，其算法步骤如下：Step 1读入系统初始数据；Step 2随机产生初始可行解，并将此可行解定义为X1，X1代表基于直流传输的风火电打捆发电系统规划方案，将X1代入目标函数计算得出该规划方案下打捆发电系统的单位发电成本UGC1，令Y1＝UGC1；Step 3初始化退火温度Temp0，令当前温度Temp等于Temp0；Step 4判断是否达到该温度下终止条件，即预先给定迭代次数；若是，转Step 7，否则，转Step 5；Step 5随机产生当前规划方案的邻近可行解X2，即X2＝X1+△x，计算X2对应的单位发电成本UGC2，令Y2＝UGC2；Step 6若Y2<Y1，接受X2作为新的规划方案，令X1＝X2、Y1＝Y2，返回Step 5；否则，生成一个服从0～1均匀分布的随机数ζ，根据Metropolis准则判断是否接受此劣化解X2：若ζ满足式，则接受X2，令X1＝X2、Y1＝Y2，返回Step 4；否则，拒绝X2，返回Step 4；exp(Y1-Y2kBTemp)≥ζ---(21)]]>Step 7判断是否满足算法终止条件，即当前温度Temp是否小于终止温度Tempf，若是，转Step 8；否则，根据式(22)降温，返回Step 5；Temp＝Temp×α               (22)其中，α为降温系数；Step 8输出结果。