[發(fā)明專利]考慮電源靈活性和互補(bǔ)性的多能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111557472.3
• 申請日: 2021-12-19
• 公開（公告）號: CN114221338B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖白;張博;姜卓
• 申請（專利權(quán)）人: 東北電力大學(xué)
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/46;H02J3/48;H02J3/24;G06Q10/04;G06Q10/0631;G06Q50/06
• 代理公司: 吉林市達(dá)利專利事務(wù)所 22102
• 代理人: 陳傳林

1.一種考慮電源靈活性和互補(bǔ)性的多能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是，它包括：建立電源靈活性和互補(bǔ)性供需模型、建立優(yōu)化調(diào)度模型、制定多能源電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度的調(diào)度策略及求解方法，具體內(nèi)容為：

1)建立電源靈活性供需和互補(bǔ)性需求模型

電力系統(tǒng)靈活性和互補(bǔ)性體現(xiàn)在電源側(cè)，因此在電源側(cè)引入應(yīng)用于多能源電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行的靈活性和互補(bǔ)性模型；

①建立電源靈活性供需模型

參與并網(wǎng)所有發(fā)電單元各個時段可調(diào)出力之和即為系統(tǒng)在該時段能夠提供的靈活性，稱為電源靈活性供給，在空間上分為向上靈活性供給和向下靈活性供給，見公式(1)和公式(2)；

式中，和分別為系統(tǒng)在t時段的上、下調(diào)靈活性供給量；分別為火電g、氣電r、水電h在t時段的上、下調(diào)靈活性供給量；P_th,g,t、P_mt,r,t、P_hy,h,t分別為在t時段火電g、氣電r、水電h的出力值；P_th,g,max、P_th,g,min、P_mt,r,max、P_mt,r,min、P_hy,h,max、P_hy,h,min分別為火電機(jī)組g、氣電機(jī)組r、水電機(jī)組h出力的上、下限值；分別為火電g、氣電r、水電h的上、下爬坡值；N_G、N_R、N_H分別為火電機(jī)組、氣電機(jī)組、水電機(jī)組的個數(shù)；

多能源電力系統(tǒng)對靈活性的需求來自于可再生能源的不確定性，負(fù)荷的波動性以及預(yù)測誤差，分為系統(tǒng)的上調(diào)靈活性需求供給量和下調(diào)靈活性需求供給量，見公式(3)；

式中，為系統(tǒng)在t時段的上、下靈活性需求供給量；q_u、q_d分別為因光伏功率預(yù)測誤差引起的上、下調(diào)靈活性系數(shù)；w_u、w_d分別為因風(fēng)電功率預(yù)測誤差引起的上、下調(diào)靈活性系數(shù)；e_u、e_d分別為因系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測誤差引起的上、下調(diào)靈活性系數(shù)；P_wd,t+1，P_pv,t+1、P_l,t+1分別為在t+1時間段光伏、風(fēng)電、負(fù)荷功率的預(yù)測值；P_l,t為t時間段內(nèi)負(fù)荷功率的預(yù)測值；ΔP_l,t為t+1時段負(fù)荷與t時段負(fù)荷功率的差值；

評估總體靈活性余量；靈活性供給和靈活性需求的差值為電力系統(tǒng)電源靈活性裕度，分為上調(diào)靈活性裕度和下調(diào)靈活性裕度，見公式(4)；

式中，分別為系統(tǒng)在t時段的上調(diào)靈活性裕度和下調(diào)靈活性裕度；

②建立電源互補(bǔ)性需求模型

多能源電力系統(tǒng)電源的互補(bǔ)需求利用可控電源來補(bǔ)充和支持不可控電源；從電源輸出與系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系出發(fā)，引入互補(bǔ)需求的數(shù)學(xué)模型；目標(biāo)是多能源電力系統(tǒng)所追求的互補(bǔ)效應(yīng)和優(yōu)化方向；基于多能源電力系統(tǒng)的互補(bǔ)機(jī)理，從提高可再生能源適應(yīng)性和消納能力的角度，引入電源互補(bǔ)需求的數(shù)學(xué)模型，電源、負(fù)荷的功率變化率計算見公式(5)-(6)；

式中，和分別為電源、負(fù)荷的功率變化率；和分別為t時段電源、負(fù)荷的功率；和分別為是t-1時段電源、負(fù)荷的功率；Δt為時間間隔；

電源功率相對變化率和負(fù)荷輸出功率相對變化率的計算見公式(7)和公式(8)；

式中，是電源的輸出功率相對變化率；是負(fù)荷的輸出功率相對變化率；和分別為電源和負(fù)荷的功率變化率；P_SC是電源的裝機(jī)容量；P_lmax,T是負(fù)荷的最大值，T為時段數(shù)；

通過負(fù)荷功率和電源功率相對變化率得到電源和負(fù)載之間的互補(bǔ)需求指標(biāo)，見公式(9)；

式中，D_sl為互補(bǔ)需求指標(biāo)；

2)建立優(yōu)化調(diào)度模型

①建立目標(biāo)函數(shù)

為激勵電源充分發(fā)揮多元化作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、對環(huán)境的友好性和火電出力的平穩(wěn)性，構(gòu)建以總運(yùn)行成本最低、污染氣體排放量最小和火電出力方差最小的多目標(biāo)函數(shù)；

總運(yùn)行成本最低，由于風(fēng)電、光伏、水電屬于清潔能源，只有火電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組消耗化石燃料，系統(tǒng)運(yùn)行是產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性一部分取決于燃煤和燃?xì)赓M(fèi)用，另一部分是儲能系統(tǒng)的運(yùn)行成本，見公式(10)-(13)；

f₁＝C_TH+C_MT+C_S (13)

式中，f₁為總運(yùn)行成本；C_TH為火電機(jī)組燃煤成本；C_MT為燃?xì)鈾C(jī)組燃?xì)獬杀荆籆_S為儲能系統(tǒng)運(yùn)行成本；u_th,g,t、u_mt,r,t分別為火電機(jī)組g、燃?xì)鈾C(jī)組r的運(yùn)行狀態(tài)變量；a_g、b_g、c_g為火電機(jī)組g的燃煤費(fèi)用系數(shù)；a_r，b_r，c_r為燃?xì)鈾C(jī)組r的燃?xì)赓M(fèi)用系數(shù)；c_s為儲能系統(tǒng)的成本系數(shù)；為別為儲能系統(tǒng)t時刻的充、放電功率；

對于污染物排放總量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)污染物排放總量最小，見公式(14)；

式中，f₂為污染物排放總量；a_p、b_p、c_p、ξ_p、λ_p為火電機(jī)組g的污染物排放系數(shù)；

為保證各火電機(jī)組在調(diào)度周期內(nèi)出力平穩(wěn)，避免頻繁調(diào)節(jié)，見公式(15)，優(yōu)化目標(biāo)式(15)不僅能減小單臺火電機(jī)組的出力波動，又能夠使火電總體出力平穩(wěn)，火電出力方差f₃最小；

②確定約束條件

系統(tǒng)功率平衡約束，見公式(16)

式中，P_s,t為儲能系統(tǒng)在時段t的出力值；

燃?xì)鈾C(jī)組約束，在制定和安排燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電計劃時必須充分考慮各臺機(jī)組的發(fā)電特性以及爬坡約束，燃?xì)鈾C(jī)組上升和下降爬坡率相等；為保證燃?xì)鈾C(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，將75％的負(fù)荷率設(shè)置為燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行的出力下限，見公式(17)；

式中，P_mt,r,t-1和P_mt,r,t分別為燃?xì)鈾C(jī)組r在t-1時間段和t時間段的功率；

柔性約束見公式(18)

火電機(jī)組約束由于火電機(jī)組容量大，穩(wěn)定性強(qiáng)，大型火電機(jī)組從停機(jī)到投入使用需要1至3天時間，因此調(diào)度模型中不考慮火電機(jī)組日內(nèi)啟停，見公式(19)：

式中，P_th,g,t-1和P_th,g,t分別為火電機(jī)組g在t-1時間段和t時間段的功率；

儲能約束見公式(20)

S_ocmin≤S_oc,t≤S_ocmax (20)

式中，S_ocmin、S_ocmax分別儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的最小值，最大值，S_oc,t為t時刻的荷電狀態(tài)，除要滿足荷電狀態(tài)約束外，還要保證充放電不超過上、下限值；

水電站約束包含上下游水位關(guān)系、水電平衡約束、水庫水位約束、終端水位約束、流量約束、電站輸出的上限和下限約束，見公式(21)；

式中，W_max和W_min分別為水庫調(diào)度部門根據(jù)防洪、灌溉綜合利用后當(dāng)日的最大和最小發(fā)電水量，η_hy是水力發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，h_h,t是水力發(fā)電站h在t時間段的水頭高度，Q_hy,h,t為第h個水電機(jī)組在t時間段內(nèi)的發(fā)電引用流量；

3)制定多能源電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度的調(diào)度策略及求解方法

采用分層調(diào)度策略，將調(diào)度模型分為可再生能源調(diào)度層、水電調(diào)度層、氣電調(diào)度層、儲能系統(tǒng)調(diào)度層和火電調(diào)度層；各調(diào)度層通過更新凈負(fù)荷和靈活性裕度連接；利用風(fēng)電、光伏和水電之間的互補(bǔ)，減少系統(tǒng)凈負(fù)荷的波動，間接提高系統(tǒng)的靈活性，再發(fā)揮氣電和儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，平抑剩余負(fù)荷波動；

①制定可再生能源調(diào)度層策略

為滿足多能源電力系統(tǒng)的互補(bǔ)需求，將風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和水電，不同類型的電源聚合成為可再生能源互補(bǔ)電源(RECPS)；當(dāng)互補(bǔ)需求指標(biāo)為最優(yōu)時，得到風(fēng)電、光伏和水電的綜合比例；因此本層以互補(bǔ)需求D_IR最小為目標(biāo)函數(shù)，并將剩余凈負(fù)荷傳遞給下一層，見公式(22)；

式中，為可再生能源互補(bǔ)電源的輸出功率相對變化率；

②制定水電調(diào)度層策略，為平抑凈負(fù)荷波動，水電調(diào)度層以水電站調(diào)峰后剩余負(fù)荷峰谷差ΔP_vl最小為目標(biāo)，同時為實(shí)現(xiàn)可再生能源消納的最大化，表現(xiàn)為水電站的總剩余水量ΔW最小，最終將水電調(diào)度層的兩個目標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到水電層的等效優(yōu)化目標(biāo)Q，公式見(23)-(26)；

P_sl,t＝P_l,t-P_RECPS,t (24)

式中，P_sl.t為總負(fù)荷扣除可再生能源調(diào)度層出力后在t時段的凈負(fù)荷；P_RECPS,t為滿足互補(bǔ)需求最優(yōu)的聚合后風(fēng)電，光電和參與聚合水電的出力和；

③制定氣電調(diào)度層和儲能系統(tǒng)調(diào)度層策略，由于燃?xì)鈾C(jī)組相比火電機(jī)組便于控制，可用于調(diào)峰，因此對于氣電調(diào)度層，以系統(tǒng)調(diào)峰為目標(biāo)，以水電調(diào)度層的剩余凈負(fù)荷方差最小為優(yōu)化目標(biāo)先確定各時刻的燃?xì)鈾C(jī)組的總出力，再求解各機(jī)組出力，見公式(27)-(28)；儲能系統(tǒng)具有快速吞吐跟隨的負(fù)荷波動的能力，可用于削峰填谷；因此對于儲能系統(tǒng)調(diào)度層，采取和氣電調(diào)度層同樣的策略，以上一層傳遞剩余凈負(fù)荷的方差最小為本層的優(yōu)化目標(biāo)，并將優(yōu)化后的剩余負(fù)荷傳遞給下一層；

式中，P′_sl,t為扣除風(fēng)電、光電、水電后在t時段的凈負(fù)荷；P′_hy,t為水電調(diào)度層中水電輸出功率；

④制定火電調(diào)度層策略，因火電機(jī)組的啟停時間長，難以完成日內(nèi)啟停狀態(tài)轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度分為兩階段；第一段采用啟發(fā)式優(yōu)先順序法確定火電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，第二段再對各機(jī)組出力進(jìn)行求解；優(yōu)先順序法是根據(jù)火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)先順序進(jìn)行排序；為降低污染物排放，采用啟發(fā)式優(yōu)先順序法來決定火電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)；

a.對火電機(jī)組依據(jù)最小比耗量由小到大的順序進(jìn)行經(jīng)濟(jì)排序；

b.按照機(jī)組單位污染氣體排放量由小到大對火電機(jī)組排序，第一步機(jī)組比耗量相同時，單位污染氣體排放量低的機(jī)組優(yōu)先投入使用；

c.剔除a和b排序中的檢修機(jī)組和即將超發(fā)機(jī)組以及停機(jī)機(jī)組，將剩余機(jī)組依次累加火電機(jī)組最大出力，根據(jù)峰荷時段的負(fù)荷確定機(jī)組；

d.計算火電機(jī)組的最小出力能否滿足系統(tǒng)最低負(fù)荷備用需求；在第三步依據(jù)峰荷時段確定的開機(jī)數(shù)在一些時段無法滿足負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，對開機(jī)機(jī)組集合進(jìn)行修正；考慮極端情況，其他電源不能提供備用容量，則進(jìn)行棄風(fēng)、棄光操作以滿足負(fù)荷；

⑤采用適應(yīng)度差量排序法求解多目標(biāo)函數(shù)，通過計算各單目標(biāo)函數(shù)間的差量，得出綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、清潔性和穩(wěn)定性的權(quán)系數(shù)；

a.求出目標(biāo)函數(shù)式(13)、式(14)和式(15)的最優(yōu)解，并將所求的子目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解代入其他子目標(biāo)函數(shù)，求得對應(yīng)的適應(yīng)度值，見公式(29)；

f_i,j＝f_i(x^j) (29)

式中，f_i,j表示將第j個目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集帶入到第i個目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度值，f_i(x^j)為其表現(xiàn)形式；x^j為第j個目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集；i,j＝1,2,3；

b.比較適應(yīng)度值與單目標(biāo)的最優(yōu)解適應(yīng)度值，求得對應(yīng)的差量Δf_i,j越大，說明離最優(yōu)解差距越大，見公式(30)；

Δf_i,j＝f_i,j-f_i,i (30)

式中，f_i,i為目標(biāo)函數(shù)i的最優(yōu)適應(yīng)度值；

c.求取第i個目標(biāo)函數(shù)的偏差均值η_i，計算權(quán)系數(shù)λ_i；因偏差的取值均是與各子目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，即最小值比較，均大于0；因此差量均值與權(quán)系數(shù)均為正，且權(quán)系數(shù)總和為1，見公式(31)-(32)；

式中，n為目標(biāo)函數(shù)個數(shù)，因目標(biāo)函數(shù)自身最優(yōu)解的偏差為0，故按n-1個子目標(biāo)函數(shù)求取平均偏差；η_i為第i個目標(biāo)函數(shù)的差量值；λ_i為權(quán)系數(shù)；

d.配比各子目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)；根據(jù)偏差均值確定權(quán)系數(shù)，對于偏差均值大的子目標(biāo)給予小的權(quán)系數(shù)，偏差均值小的子目標(biāo)給予大的權(quán)系數(shù)，再通過線性加權(quán)重新構(gòu)造多目標(biāo)聚合函數(shù)f，見公式(33)

⑥采用改進(jìn)的人工蜂群算法(Improve Dynamic Artificial Bee Colony algorithm，IDABC)，且采用動態(tài)概率和最優(yōu)引導(dǎo)策略，使位置更新參數(shù)隨迭代次數(shù)變化而變化，增加收斂性和收斂精度，具體公式見(34)-(36)；采用目標(biāo)函數(shù)適應(yīng)度差量排序法確定系統(tǒng)運(yùn)行成本最低、火電出力方差最小和污染物排放總量最小三個子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)后，以總的目標(biāo)函數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)的人工蜂群算法求得各機(jī)組最優(yōu)出力，在獲取初始解和每次迭代更新時，對不滿足約束條件的粒子進(jìn)行修正，使其滿足約束條件，對于部分難以修正的約束，采用罰函數(shù)法，使下次迭代時將蜂群吸引到有可行解的區(qū)域中；

式中，r₁,r₂,r₃,i_A∈{1,2,…SN}，SN為食物源的個數(shù)；r₁≠r₂≠r₃≠i_A，j_A∈{1,2,…D}；D為問題的維數(shù)；λ_A和α_A為相關(guān)控制參數(shù)；為食物源位置參數(shù)；是此次迭代過程中具有最優(yōu)適應(yīng)度的個體；為更新后食物源的位置；maxN_A是最大迭代次數(shù)；n_A是當(dāng)前迭代次數(shù)。