[发明专利]基于电源互补特性分析的多能源电力系统优化运行方法

摘要

本发明的一种基于电源互补特性分析的多能源电力系统优化运行方法，其特点是，包括：建立多能源电力系统中多能互补协调发电的互补机制、基于该互补机制构建互补性指标体系和互补性需求的数学模型、定义可再生能源互补电源、计算以互补性需求最小为目标的可再生能源互补电源中所需匹配水电容量配比、根据互补性指标制定多异质能源电源的分层优化运行策略、利用粒子群算法对各优化层对应的优化目标函数进行求解，计算出能够使互补性指标达到最优所对应的多异质能源电源在各时段的输出功率值等步骤，该方法具有科学、合理，简单、实用，能够提升可再生能源消纳水平的优点。

主权项

1.一种基于电源互补特性分析的多能源电力系统优化运行方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)建立多能源电力系统中多能互补协调发电的互补机制①在多能源电力系统中包含多种输出功率特性各不相同的异质能源电源，是多能互补协调发电的前提条件，其中各电源之间的互补特性具有多能源、多时空、多维度的特点，电源互补特性是针对各异质能源电源之间能够进行互济互助发电特点而言的，用公式(1)将电源互补特性表示为各种电源输出功率满足系统负荷的特性，式中，为多能源电力系统在第t个时段的负荷值；为多能源电力系统中第i个火电机组在第t个时段的输出功率值，i＝1,2,3…N_th，N_th为多能源电力系统中在第t个时段火电机组的在役数量；为多能源电力系统中第j个水电机组在第t个时段的输出功率值，j＝1,2,3...N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量；为多能源电力系统中第k个光伏机组在第t个时段的输出功率值，k＝1,2,3...N_pv，N_pv为多能源电力系统在第t个时段光伏机组的在役数量；为多能源电力系统中第g个风电机组在第t个时段的输出功率值，g＝1,2,3...N_w，N_w为多能源电力系统在第t个时段风电机组的在役数量；t＝1,2,3…T，T为时段数，Δt为时间步长，②建立多能源电力系统中多能互补协调发电的互补机制为：以各种电源天然的互补特性为基础，依靠火电、气电、可调节性水电具有的良好调节能力来平抑风电、光伏这些自然资源约束型电源输出功率的波动性，充分利用清洁的可再生能源电源，降低火电在电力系统中所占比例，实现电力系统资源的合理配置，最终达到系统总发电与总负荷之间实时平衡的优化运行目的，2)分别构建互补性指标体系、互补性需求的数学模型①构建互补性指标体系定义互补性指标为多能源电力系统所追求的互补效果的量化指标，即其优化的方向，结合多能源电力系统中多能互补协调发电的互补机制，从提升系统可再生能源消纳能力和节能增效的角度考虑，构建互补性指标体系，A、计算多能源电力系统中可再生能源穿透率指标定义r_pe(t)为多能源电力系统在第t个时段可再生能源电源输出功率与负荷的比值，主要反映可再生能源电源在电力系统中的地位，可再生能源电源输出功率的穿透率越大，证明多能源电力系统越清洁，用公式(2)计算多能源电力系统中可再生能源穿透率指标，式中，为多能源电力系统中可再生能源穿透率指标，表示多能源电力系统中可再生能源电源在第t个时段的输出功率值，P_l^t表示多能源电力系统在第t个时段的负荷值，T为时段数，Δt为时间步长，t＝1,2,3…T，B、计算火电的煤耗量指标在多能源电力系统中，火电的煤耗量越小说明火电的经济性与环保性越好，用公式(3)计算火电机组的煤耗量指标，式中，a_i、b_i、c_i为第i个火电机组的三个燃料消耗特征系数，i＝1,2,3…N_th，N_th为多能源电力系统中在第t个时段火电机组的在役数量，f_i.t为第i个火电机组在第t个时段的煤耗量指标，P_th.i.t为第i个火电机组在第t个时段的输出功率值，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，C、计算火电所承担负荷的波动幅度指标为了减少火电机组的输出功率的频繁改变，降低煤耗量，提高利用效率，应尽量减少火电所承担负荷的波动幅度，采用负荷值的标准差来表示负荷的波动幅度，用公式(4)计算火电机组承担负荷的波动幅度指标，式中，δ_th为多能源电力系统中火电机组所承担负荷的波动幅度指标，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，为多能源电力系统中全部火电在第t个时段承担的负荷值，为多能源电力系统中全部火电在T个时段内承担负荷的平均值，D、用公式(5)计算水电的发电量，式中，W_H为在T个时段内多能源电力系统中全部水电的总发电量；为第j个水电机组在第t个时段发电的用水量，为第j个水电机组在第t个时段的水头高度，j＝1,2,3…N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量，η为水电转换效率；t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，E、用公式(6)计算水电的弃水量指标，式中，ΔQ为全部水电在T个时段内的弃水量指标，Q_jmax为第j个水电机组在T个时段内的最大分配用水量，为第j个水电机组在第t个时段的用水量，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，j＝1,2,3…N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量，②构建描述多异质电源互补性需求的数学模型定义多异质电源互补性需求为在一定时间内，各异质电源间的输出功率相互补充后与负荷的匹配程度，互补性需求中的两个要素为电源和负荷，通过各种异质电源之间的互补性需求指标和电源与负荷之间的互补性需求指标来量化，A、计算各种异质电源之间的互补性需求指标A1、用公式(7)计算电源输出功率的变化率，式中，为第i种电源在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率，P_i^t为第i种电源在第t个时段的输出功率值，P_i^t‑1为第i种电源在第t‑1时段的输出功率值，i＝1,2,3…n，n为所考察的电源种类数，t＝1,2,3…T；Δt为时间步长，T是总时段数，A2、用公式(8)计算火电、水电、光伏、风电各时段输出功率变化率之和的绝对值的集合，式中，S_s为在T个时段内火电、水电、光伏、风电各时段输出功率变化率之和的绝对值的集合，β_t为火电、水电、光伏、风电在第t‑1个时段到第t个时段输出功率变化率之和的绝对值，为火电在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率，为水电在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率，为光伏在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率，为风电在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，A3、用公式(9)计算各种异质电源之间的互补性需求指标，式中，D_ss为在T个时段内各种异质电源之间的互补性需求指标，β_t为火电、水电、光伏、风电在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率之和的绝对值，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，各种异质电源之间的互补性需求指标的值越小，表明在所考察的时间尺度内风光水火电源之间的相互支撑作用越强，即互补效果越好，否则风光水火电源之间的相互支撑作用越弱，B、计算电源与负荷之间的互补性需求指标B1、用公式(10)计算电源输出功率的相对变化率，式中，为所有电源总输出功率在第t‑1个时段到第t个时段的相对变化率，为所有电源总输出功率在第t‑1个时段到第t个时段的输出功率变化率，P_sc为所有电源中在役发电机组的装机容量，T为时段数，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，B2、用公式(11)计算负荷的相对变化率，式中，为在第t‑1个时段到第t个时段系统负荷的相对变化率，P_lmax.T为在T个时段中最大的负荷值，为在第t‑1个时段到第t个时段系统负荷的变化率，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，B3、用公式(12)计算所有电源的输出功率与系统负荷之间各时段的相对变化率和的绝对值的集合，式中，S_l为在T个时段内所有电源的输出功率与系统负荷之间各时段的相对变化率和的绝对值的集合，α_t为电源的输出功率与系统负荷之间在第t‑1个时段到第t个时段的相对变化率和的绝对值，为所有电源在第t‑1个时段到第t个时段的总输出功率的相对变化率，为系统负荷在第t‑1个时段到第t个时段的相对变化率，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，B4、用公式(13)计算电源与负荷之间的互补性需求指标，式中，D_sl为在T个时段内多能源电力系统的电源与负荷之间的互补性需求指标，α_t为电源的输出功率与系统负荷之间在第t‑1个时段到第t个时段的相对变化率和的绝对值，T为时段数，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，电源与负荷之间的互补性需求指标的值越小，表明电源与负荷在所考察的时间尺度内变化趋势越相近；否则，电源与负荷的变化趋势越相异，电源之间、电源与负荷之间的互补性越好，互补性需求越小，即互补性需求指标值越接近于零；3)定义可再生能源互补电源将互补后能够满足互补性需求的可再生能源电源聚合为一种电源，定义为可再生能源互补电源(Renewable Energy Complementary Power Supply，RECPS)，可再生能源互补电源由全部风光电源及所需匹配水电聚合而成，主要目的是为了减少风光电源给多能源电力系统带来的功率波动，聚合的基本规则为在多能源电力系统中多能互补协调发电的互补机制下，满足系统互补性需求，以节能环保为准则，对可再生能源电源进行聚合，计算以互补性需求最小为目标的水电容量配比，形成可再生能源互补电源后，其输出功率可跟随负荷的波动，在多能源电力系统中，可再生能源互补电源看作为一种电源，与其它常规电源一起进行优化运行，且系统负荷值不变时，可再生能源互补电源的输出功率也保持不变；4)制定多异质能源电源的分层优化运行策略多异质能源电源的分层优化运行策略以多能源电力系统中多能互补协调发电的互补机制为基础，优先全额接纳风电与光伏发电；充分利用可调节水电应对风光这些不确性电源所带来的随机性与间歇性以及反调峰特性，本发明将水电、风电、光伏聚合成可再生能源互补电源，可再生能源互补电源输出功率相对稳定且可以跟随负荷波动，能够提高多能源电力系统对风光的消纳能力、减小风光资源不确定性给系统稳定运行带来的不利影响，所选取的多能源电力系统的优化目标为让多能源电力系统的互补性指标达到最优并实现电力系统资源的合理配置，根据互补性指标制定多异质能源电源的分层优化运行策略，其中包含互补电源优化层、剩余水电优化层、火电优化层，①互补电源优化层在多能源电力系统优化运行中首先对可再生能源互补电源进行优化，采用风电、光伏、水电聚合得到可再生能源互补电源，以互补性需求最小为目标，基于风电与光伏的输出功率预测值，得到可再生能源互补电源中所需匹配水电与风光的聚合容量配比，进而确定各时段内风电、光伏、所需匹配水电的输出功率，可再生能源互补电源优化层的主要目标为确定风光水的聚合比例，用公式(14)计算互补性需求最小的目标函数，式中，D_sl为多能源电力系统在T个时段内的电源与负荷之间的互补性需求，为负荷的在第t‑1个时段到第t个时段的相对变化率，为可再生能源互补电源输出功率在第t‑1个时段到第t个时段的相对变化率，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，②剩余水电优化层将多能源电力系统的负荷值减去可再生能源互补电源输出功率后得到净负荷曲线，在保证净负荷平稳的条件下，以弃水量最小为目标利用剩余水电进行发电，用公式(15)计算水电弃水量最小的目标函数，式中，ΔQ为剩余水电在T个时段内的弃水量，Q_jmax为第j个水电机组在T个时段内的最大分配用水量，为第j个水电机组在第t个时段的用水量，j＝1,2,3…N_rhy，N_rhy为剩余水电机组总数量，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，③火电优化层在净负荷曲线上减去剩余水电输出功率得到剩余负荷，在可再生能源互补电源和剩余水电双重作用下，剩余负荷的波动幅度较小，以煤耗量最小为目标安排火电机组的输出功率，当火电机组的输出功率达到最小，各种异质电源总的输出功率仍大于负荷时，则需舍弃部分可再生能源电源输出功率，用公式(16)计算火电煤耗量最小的目标函数，式中，F为火电机组总煤耗量，u_i.t为火电开停机系数，开机时值为1，停机时为0，f_i.t为第i个火电机组在第t个时段的煤耗量，i＝1,2,3…N_th，N_th为火电机组总数量，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，5)确定约束条件多能源电力系统的优化运行需要满足式(17)～式(23)的约束方程式，①确定功率平衡约束功率平衡约束用公式(17)表示，式中，为第t个时段的全部火电输出功率，为第t个时段剩余水电输出功率，为第t个时段全部水电输出功率，为第t个时段可再生能源互补电源中水电机组总输出功率，为第t个时段可再生能源互补电源输出功率，P_l^t为多能源电力系统第t个时段的负荷值，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，②确定机组有功输出功率约束用公式(18)表示机组有功输出功率约束，式中，为多能源电力系统中第i个火电机组在第t个时段的输出功率值，i＝1,2,3…N_th，N_th为多能源电力系统中在第t个时段火电机组的在役数量；为多能源电力系统中第j个水电机组在第t个时段的输出功率值，j＝1,2,3...N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量；为多能源电力系统中第k个光伏机组在第t个时段的输出功率值，k＝1,2,3...N_pv，N_pv为多能源电力系统在第t个时段光伏机组的在役数量；为多能源电力系统中第g个风电机组在第t个时段的输出功率值，g＝1,2,3...N_w，N_w为多能源电力系统在第t个时段风电机组的在役数量；P_max.i为多能源电力系统中第i个火电机组的输出功率上限，P_max.j为多能源电力系统中第j个水电机组的输出功率上限，P_max.k为多能源电力系统中第k个光伏机组的输出功率上限，P_max.g为多能源电力系统中第g个风电机组的输出功率上限；P_min.i为多能源电力系统中第i个火电机组的输出功率下限，P_min.j为多能源电力系统中第j个水电机组的输出功率下限，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，③确定系统旋转备用容量约束系统旋转备用容量约束用公式(19)表示，式中：为系统在第t个时段的旋转备用容量，为第i个火电机组在第t个时段的旋转备用容量，i＝1,2,3…N_th，N_th为多能源电力系统中在第t个时段火电机组的在役数量；为第j个水电机组在第t个时段的旋转备用容量，j＝1,2,3...N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量；α为系统负荷预测误差对旋转备用的需求系数，β为风电输出功率预测误差对旋转备用的需求系数；γ为光伏输出功率预测误差对旋转备用的需求系数，为多能源电力系统在第t个时段的负荷值；为多能源电力系统中第k个光伏机组在第t个时段的输出功率值，k＝1,2,3...N_pv，N_pv为多能源电力系统在第t个时段光伏机组的在役数量；为多能源电力系统中第g个风电机组在第t个时段的输出功率值，g＝1,2,3...N_w，N_w为多能源电力系统在第t个时段风电机组的在役数量，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，④确定机组上爬坡约束、下爬坡约束机组上爬坡约束、下爬坡约束用公式(20)～(21)表示，P_i^t+1‑P_i^t≤ΔP_i^up     (20)P_i^t‑P_i^t+1≤ΔP_i^down     (21)式中，P_i^t+1为多能源电力系统中第i个机组在第t+1时段的输出功率，P_i^t为多能源电力系统中第i个机组在第t个时段的输出功率，ΔP_i^up为多能源电力系统中第i个机组上爬坡最大值，ΔP_i^down为为多能源电力系统中第i个机组下爬坡最大值，i＝1,2,3…N，N为多能源电力系统中的在役机组数，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，⑤确定水电发电量约束水电发电量约束用公式(22)表示，式中：为多能源电力系统中第j个水电机组在第t个时段的输出功率值，j＝1,2,3…N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量，W_H为多能源电力系统中所有水电机组在T个时段内的总发电量，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，⑥确定水电流量约束水电流量约束用公式(23)表示，式中：Q_jmin为第j个水电机组在T个时段内的最小分配用水量，Q_jmax为第j个水电机组在T个时段内的最大分配用水量，为第j个水电机组在第t个时段的用水量，j＝1,2,3…N_hy，N_hy为多能源电力系统在第t个时段水电机组的在役数量，t＝1,2,3…T，Δt为时间步长，T为时段数，6)通过1)～5)步骤，利用所构建的互补性指标体系与互补性需求的数学模型，结合多能源电力系统实际运行约束，对可再生能源互补电源的输出功率与负荷最匹配、剩余水电的弃水量最小、火电的煤耗量最小的目标函数，利用粒子群算法进行求解，最终计算出能够使互补性指标达到最优所对应的多异质能源电源在各时段的输出功率值。