風(fēng)電經(jīng)濟(jì)消納的電力電量混合優(yōu)化模型

風(fēng)電經(jīng)濟(jì)消納的電力電量混合優(yōu)化模型

1研究問(wèn)題的提出由于水電流暢性和平均性，水電站的輸出不確定性增加了電氣系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，增加了輔助服務(wù)的需求。為保證風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,需在原來(lái)電網(wǎng)運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上,安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應(yīng)風(fēng)功率的隨機(jī)波動(dòng),維持電力系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定。在含風(fēng)電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用配置方面,目前已經(jīng)進(jìn)行了很多研究。文獻(xiàn)分析了風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響,建立了綜合考慮風(fēng)電節(jié)能環(huán)保綜合效益的機(jī)組組合模型,并對(duì)幾種不同備用容量確定方案進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)從電力系統(tǒng)可靠性的角度,并分析了風(fēng)電并入前后系統(tǒng)的備用情況差異性。文獻(xiàn)從經(jīng)濟(jì)調(diào)度角度,研究了如何通過(guò)優(yōu)化常規(guī)火電機(jī)組出力,實(shí)現(xiàn)風(fēng)功率全額上網(wǎng)。文獻(xiàn)建立了計(jì)及風(fēng)電備用風(fēng)險(xiǎn)的多目標(biāo)最優(yōu)值與期望值混合優(yōu)化調(diào)度模型,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的分解交替求解策略,用于求解含風(fēng)電系統(tǒng)的日調(diào)度的發(fā)電計(jì)劃與旋轉(zhuǎn)備用計(jì)劃。文獻(xiàn)在混合整數(shù)規(guī)劃得機(jī)組組合模型基礎(chǔ)之上,提出了考慮風(fēng)電不確定性的隨機(jī)優(yōu)化方法,建立了考慮風(fēng)電波動(dòng)性的發(fā)電計(jì)劃模型。文獻(xiàn)在優(yōu)化模型中引入了上、下旋轉(zhuǎn)備用,以此應(yīng)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差給系統(tǒng)調(diào)度帶來(lái)的波動(dòng),以此研究了風(fēng)電并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)短期動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。上述文獻(xiàn)有側(cè)重地研究了旋轉(zhuǎn)備用決策、發(fā)電計(jì)劃形成、旋轉(zhuǎn)備用和發(fā)電計(jì)劃的統(tǒng)一建模等問(wèn)題,對(duì)進(jìn)一步研究常規(guī)能源備用對(duì)風(fēng)電消納的影響具有參考意義和借鑒作用。從數(shù)學(xué)模型角度看,以上文獻(xiàn)主要考慮日前電力優(yōu)化模型,而忽略了電力系統(tǒng)運(yùn)行中非常重要的電量約束,從而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果在月度以及季度時(shí)間尺度上沒有可行性;從算例驗(yàn)證角度看,上述文獻(xiàn)均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行算例仿真,缺乏實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)支撐。另一方面,從電力市場(chǎng)的角度看,定量分析常規(guī)能源所提供的旋轉(zhuǎn)備用對(duì)風(fēng)電消納影響,是輔助服務(wù)定價(jià)的前提;為進(jìn)一步研究反映市場(chǎng)供求關(guān)系、資源稀缺價(jià)值、電能服務(wù)品質(zhì)和環(huán)境保護(hù)成本的清潔能源市場(chǎng)交易機(jī)制以及交易價(jià)格打下基礎(chǔ)。本文在備用優(yōu)化決策現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,定量分析常規(guī)能源所提供的旋轉(zhuǎn)備用對(duì)風(fēng)電消納影響。為此,本文針對(duì)以上需求,建立了風(fēng)電經(jīng)濟(jì)消納電力、電量混合優(yōu)化模型,模型考慮了網(wǎng)絡(luò)約束、常規(guī)火電機(jī)組三公進(jìn)度約束以及機(jī)組組合常用約束;模型在滿足電力約束,滿足火電機(jī)組“三公進(jìn)度”電量約束,系統(tǒng)電量平衡約束,確保優(yōu)化結(jié)果的實(shí)用性;利用該模型針對(duì)常規(guī)火電承擔(dān)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用的幾種情形,采用某電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算和分析。2混合優(yōu)化模型的原理2.1發(fā)電資源模型風(fēng)電消納能力受系統(tǒng)負(fù)荷大小、負(fù)荷特性、電源結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)能力、外來(lái)(外送)電規(guī)模以及運(yùn)行方式、電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平、風(fēng)電出力特性、風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)特性等因素的影響。為研究風(fēng)電并網(wǎng)后,常規(guī)能源承擔(dān)備用對(duì)風(fēng)電消納的影響,建立如下的風(fēng)電經(jīng)濟(jì)消納電力電量混合優(yōu)化模型。目標(biāo)函數(shù)式中F1———發(fā)電成本,包括出力運(yùn)行成本、啟動(dòng)成本部分;Pi(t)———加粗i在t時(shí)刻的出力;Si———機(jī)組在t時(shí)刻的出力;Si———火電機(jī)組i啟動(dòng)成本;Ci———機(jī)組i的運(yùn)行成本,火電機(jī)組采用分段微增運(yùn)行成本,為了盡可能消納風(fēng)電,假設(shè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火電等常規(guī)能源機(jī)組的運(yùn)行成本;F2———棄風(fēng)電量成本;ExpectWindEnergy———預(yù)計(jì)的風(fēng)電總電量;ΔT(t)———t、t-1兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔;price_cur———單位棄風(fēng)電量的懲罰系數(shù);W———系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組數(shù)。2.2電價(jià)約束式(1)系統(tǒng)電力平衡約束式中TieP(t)———t時(shí)刻的聯(lián)絡(luò)線出力總加(聯(lián)絡(luò)線輸入功率為正,輸出功率為負(fù));L(t)———t時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷。(2)旋轉(zhuǎn)備用約束(3)發(fā)電機(jī)組輸出功率上下限約束(4)最小運(yùn)行時(shí)間和最小停運(yùn)時(shí)間約束式中ConRuni(t)———機(jī)組i在t時(shí)刻的連續(xù)運(yùn)行時(shí)段;(5)支路有功潮流約束(6)三公進(jìn)度電量約束式中EnergyFinishedi(t-1)———機(jī)組i在t-1時(shí)刻的已完成電量;progi(t)———機(jī)組i在t時(shí)刻的三公進(jìn)度。(7)電廠計(jì)劃電量約束式中EnergyPlanp———電廠p在優(yōu)化周期的計(jì)劃電量;G———電廠p中的機(jī)組數(shù)。(8)系統(tǒng)電量平衡約束3機(jī)組運(yùn)行成本分析本文基于中國(guó)北方某地區(qū)的實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,該系統(tǒng)中風(fēng)電總裝機(jī)336萬(wàn)kW,火電機(jī)組48臺(tái)、水電機(jī)組30臺(tái),系統(tǒng)通過(guò)三條跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線與其他電網(wǎng)相連,系統(tǒng)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)見圖1。算例主要已知數(shù)據(jù)如下:(1)負(fù)荷數(shù)據(jù)圖2顯示取該地區(qū)某月每八小時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為負(fù)荷數(shù)據(jù)。(2)風(fēng)電量預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)該地區(qū)近四年來(lái)該月同期風(fēng)電利用情況,按照風(fēng)電同期利用小時(shí)的平均值381小時(shí)預(yù)計(jì)風(fēng)電量預(yù)測(cè)值。(3)機(jī)組成本基于機(jī)組運(yùn)行微增成本測(cè)算的困難性,機(jī)組運(yùn)行成本采用以下方法簡(jiǎn)化處理。從購(gòu)電方的角度看,目前風(fēng)電機(jī)組以所在省火電標(biāo)桿電價(jià)上網(wǎng),因此包括風(fēng)電機(jī)組在內(nèi)的機(jī)組運(yùn)行成本由上網(wǎng)電價(jià)折算而得;假定機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)對(duì)應(yīng)于其額定容量,基于此線性化得到機(jī)組微增運(yùn)行成本?；痣姍C(jī)組啟動(dòng)成本按照不同容量等級(jí)取經(jīng)驗(yàn)值。水電以及風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)成本為零成本。風(fēng)電棄風(fēng)成本price_cur數(shù)值取政府對(duì)風(fēng)電量的單位電量補(bǔ)貼價(jià)格。(4)系統(tǒng)電量平衡數(shù)據(jù)電廠計(jì)劃電量取該月電廠計(jì)劃電量值。系統(tǒng)電量需求取該月電量平衡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)321億kW·h,售出電量40億kW·h。(5)系統(tǒng)備用容量配置方案算例假定由調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的常規(guī)火電機(jī)組系統(tǒng)承擔(dān)備用。根據(jù)系統(tǒng)為風(fēng)電配置備用容量方式的不同,本文采用文獻(xiàn)中論述的備用配置方案,為了突出研究重點(diǎn),備用確定方法不再贅述,備用容量確定方案如表1所示。方案1是把風(fēng)電當(dāng)做“負(fù)”隨機(jī)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度時(shí)的典型備用模式。方案2,3和4是基于預(yù)測(cè)誤差安排備用的方式。此外,各方案均在保證電網(wǎng)安全的情況下,默認(rèn)按全額收購(gòu)風(fēng)電的原則調(diào)度風(fēng)電。常規(guī)機(jī)組在發(fā)電計(jì)劃的基礎(chǔ)上按調(diào)節(jié)能力下調(diào)出力,盡可能多地接納風(fēng)電,超出常規(guī)機(jī)組下調(diào)能力的部分,由風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)棄風(fēng)解決。利用CPLEX進(jìn)行算例計(jì)算,共6.2萬(wàn)優(yōu)化變量,超過(guò)11萬(wàn)約束條件。計(jì)算得到不同備用方案,系統(tǒng)風(fēng)電電力曲線如圖4。不同備用方案,系統(tǒng)月度消納的風(fēng)電電量分別為12.11億kW·h、12.55億kW·h、12.78億kW·h、11.89億kW·h。4不同備用設(shè)置方案風(fēng)電市場(chǎng)的關(guān)系從電力角度看,因方案1、2、4風(fēng)電電力曲線波動(dòng)大,而方案3電力交易相對(duì)平穩(wěn)。分析其原因,備用方案1只考慮了負(fù)荷的波動(dòng),未考慮風(fēng)功率波動(dòng)性;方案4更多的是從系統(tǒng)可靠性角度,按照某個(gè)確定值考慮風(fēng)功率波動(dòng)性,沒有風(fēng)電考慮波動(dòng)的時(shí)變性;方案2考慮了風(fēng)電時(shí)變波動(dòng),但是因風(fēng)功率變化的隨機(jī)性極強(qiáng),不具備利用風(fēng)功率誤差統(tǒng)計(jì)去歸納演繹未來(lái)風(fēng)電波動(dòng)。從電量角度看,由圖3不同備用方案系統(tǒng)備用空間數(shù)量關(guān)系,方案1系統(tǒng)備用空間<方案2<方案3<方案4。對(duì)比表2不同備用方案系統(tǒng)消納的風(fēng)電量,常規(guī)火電機(jī)組承擔(dān)不同的備用時(shí),系統(tǒng)消納的風(fēng)電量不同,方案1系統(tǒng)消納的風(fēng)電量<方案2<方案3,可以看出隨著常規(guī)火電承擔(dān)備用的增加,系統(tǒng)消納風(fēng)電量也逐漸增加;對(duì)比方案3和方案4系統(tǒng)消納的風(fēng)電量,隨著系統(tǒng)備用的增加,更多的火電機(jī)組承擔(dān)備用,火電承擔(dān)的基荷相應(yīng)增加,在系統(tǒng)負(fù)荷不變時(shí),系統(tǒng)消納的風(fēng)電量反而變小。常規(guī)能源備用保證了含風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性;備用設(shè)置方案本身對(duì)風(fēng)電消納量也有非常重要影響;從電力市場(chǎng)角度看,常規(guī)能源所提供的輔助服務(wù)往往是以犧牲自身運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的,如何通過(guò)市場(chǎng)交易機(jī)制以及