CN107276127B - 考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法：确定问题研究的时间周期和步长，收集各省的计算数据；统计系统火电机组的数据，将具有相同运行参数的机组归为同一类型，统计各个类型机组的数量；建立多省互联电力系统风电消纳优化的优化模型；使用求解器CPLEX求解该优化模型，得到最优解，计算各省风电消纳电量和弃风电量。本发明极大地减少了变量的个数，显著地提高了问题求解速度；引入弃风分段惩罚因子，通过设置各段惩罚因子的值，可以控制弃风发生的顺序；考虑到联络线的电力交易计划，通过优化联络线功率，在多省内实现资源优化配置，实现全网风电优先消纳。

Description

考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳 优化方法

技术领域

本发明属于电力系统新能源消纳领域，具体涉及一种考虑联络线电力交易计划的多区域(例如，省)互联电力系统的风电消纳优化方法。

背景技术

近年来，风力发电技术发展迅猛，装机容量逐年上涨。但是，由于我国采取大规模集中式发展模式，风电消纳问题突出，多个地区甚至出现了严重的弃风现象。为了促进风电等新能源的并网消纳，实现能源可持续发展，我国先后出台了相关政策，确保风电等新能源的优先调度。国家能源局在《关于有序放开发用电计划的实施意见》中明确指出：在确保供电安全的前提下，优先保障水电和规划内的风能、太阳能、生物质能等清洁能源发电上网，促进清洁能源多发满发。另外，在跨区跨省更大范围内协调风电消纳，可以通过优化省间联络线的交换功率，充分利用不同地区负荷和发电资源的互补特性，提高风电等新能源的消纳水平。

分析和优化多省区风电的消纳水平对于风电的规划运行具有重要意义，可以为跨省区风电交易提供具有实践意义的消纳方案和交易预案。目前，风电消纳优化模型一般是基于机组组合模型，通过优化安排机组的启停时间和出力，在满足调峰约束的条件下，为风电留出消纳空间。但是，描述机组启停状态涉及到整数变量，而实际的省级电网往往涉及到成百上千台发电机组，这使得多省互联电力系统的风电消纳优化模型成为一个大规模的混合整数问题，难以在短时间内得到最优解。另外，为了促进风电的优先调度，现有的模型中一般在目标函数中追加弃风惩罚项，并设置惩罚因子，该因子一般为固定值。这时，模型无法区分弃风发生的地方，可能会导致同一个地方反复承担弃风，这不符合公平性原则。此外，传统联络线计划一般是电力交易合同的简单叠加，与省内发电计划相对独立，没有充分发挥资源全局配置的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

1)确定问题研究的时间周期和步长，收集系统各区域的计算数据，包括：火电机组的运行参数和个数、相应时间周期内负荷的预测序列和风电的预测序列；

2)统计系统火电机组的数据，将具有相同运行参数的火电机组归为同一类型，统计系统内各个类型机组的数量；本发明所述的火电机组运行参数包括额定容量、最大技术出力、最小技术出力、最小开机时间、最小停机时间和爬坡率；

3)建立多区域互联电力系统风电消纳优化模型，该模型的目标函数为最小化全周期内的弃风电量，该模型的约束条件包括：各类火电机组运行约束、各区域电网风电出力约束、各区域电网功率平衡约束、各区域电网备用约束和区域间联络线电力交易约束；

4)使用求解器CPLEX求解该优化模型，得到最优解，计算系统各区域电网风电消纳电量和弃风电量。

所述的多区域互联电力系统风电消纳优化模型属于混合整数线性规划问题(MixInteger Linear Programming,MILP)，可以在相对较短的时间内求解，符合实际工程计算的要求。

所述的目标函数中引入弃风分段惩罚因子，相应的目标函数为：

式中：T(t)表示时间周期(索引)，A(a)表示区域电网个数(索引)，S(s)表示弃风量分段数(索引)，表示区域电网a第s段的弃风惩罚因子，表示区域电网a第s段的弃风功率。求解结果包括各段弃风功率各时段火电机组运行台数S_g(t)、各时段火电机组输出功率P_g(t)。全网弃风电量和风电消纳电量计算如式(12)所示。

式中：WS为全网(系统)弃风电量，WC为全网(系统)风电消纳电量。

所述的各类火电机组运行约束包括：

5.1)机组运行台数约束：

式中：S_g(t)为整数变量，表示时间周期内第t个时段第g个类型火电机组开机台数；N_g表示第g个类型火电机组的总台数；SY_g(t)表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组启动台数；SZ_g(t)表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组停机台数；Y_g(t)为二进制变量，1表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组有启动机组，0表示没有启动机组；Z_g(t)为二进制变量，1表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组有停机机组，0表示没有停机机组。可证明系统内火电机组的启停情况(Y_g(t)和Z_g(t)的取值和组合)均符合约束，如表1所示：

表1.机组启停台数变化情况

5.2)机组输出功率约束：

式中：P_g(t)表示第t个时段第g个类型火电机组的总输出功率；P_g ^min是第g个类型火电机组的最小技术出力；P_g ^max是第g个类型火电机组的最大技术出力。

5.3)机组爬坡约束：

-RD_g·S_g(t)≤P_g(t)-P_g(t-1)≤RU_g·S_g(t) (15)

式中：RD_g是第g个类型火电机组的下爬坡率；RU_g是第g个类型火电机组的上爬坡率。

5.4)最小启\停机时间约束：

式中：MU_g是第g个类型火电机组的最小启机时间；MD_g是第g个类型火电机组的最小停机时间。

所述的风电出力约束包括：

6.1)弃风功率约束：

式中：表示第t个时段区域电网a风电功率预测值。

6.2)弃风功率分段约束：

式中：表示第t个时段区域电网a第s段弃风功率的最大值。

所述的区域间联络线电力交易约束包括：

7.1)交易电量约束，表示为：

式中：是第t个时段区域电网a、b的联络线交换功率；td是联络线交易电量约束周期，一般为1天；表示联络线交易电量；

7.2)交易功率变化速率约束，表示为：

式中：是区域电网a、b联络线功率下降速率限制；是区域电网a、b联络线功率上升速率限制；

7.3)联络线功率曲线峰谷差约束，表示为：

式中：D表示电量约束周期的时长，当计算步长为1h，电量约束周期为1天时，D取24；α表示允许峰谷差率，2α为允许的峰谷差占平均功率的比例。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明将具有相同参数的机组归并为同一类机组，从而可以采用相应的变量(例如S_g(t)、SY_g(t)、SZ_g(t)、Y_g(t)、Z_g(t)和P_g(t))描述同类机组的运行过程，这极大地减少了变量的个数，显著地提高了问题求解速度。本发明考虑到联络线的电力交易计划，提出了省间联络线电力交易约束，通过优化联络线功率，在多区域(省)内实现资源优化配置，可实现全网风电优先消纳。

2、为了确保风电的优先消纳，本发明以最小化风电弃风量为目标函数，并引入弃风分段惩罚因子，通过设置各段惩罚因子的值，可以控制弃风发生的顺序。

附图说明

图1为本发明实施例中考虑联络线电力交易计划的多省互联电力系统的风电消纳优化方法的流程图。

图2为两省互联电力系统示意图；G表示火电机组。

图3为两省弃风功率分段惩罚因子变化图。

图4为两省间联络线交换功率曲线(a)和风电消纳功率曲线(b)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。显然，所描述的仅仅是本发明的一个较优的实施例。

在现有研究的基础上，本发明提出一种考虑联络线电力交易计划的多省互联电力系统的风电消纳优化方法。首先，不同于现有的机组组合模型，对每一台机组一般涉及3个整数变量或二进制变量，本发明考虑到我国电力工业标准化要求，大多数火电机组具有相同运行参数，因而可以对具有相同参数的机组归并为同一类机组，并采用相应的变量描述同类机组的运行过程，这极大地减少了变量的个数，显著地提高了问题求解速度。其次，为了确保风电的优先消纳，本发明以最小化风电弃风量为目标函数，并引入弃风分段惩罚因子，通过设置各段惩罚因子的值，可以控制弃风发生的顺序。最后，本发明考虑到联络线的电力交易计划，提出了省间联络线电力交易约束，通过优化联络线功率，在多省内实现资源优化配置，实现全网风电优先消纳。

上述风电消纳优化方法包括如下步骤(图1)：

1)确定问题研究的时间周期和步长，收集各省的计算数据，包括：火电机组的运行参数和个数、相应时间周期内负荷的预测序列和风电的预测序列。

2)统计系统火电机组的数据，将具有相同运行参数的机组归为同一类型，统计各个类型机组的数量；

3)建立多省互联电力系统风电消纳优化模型，该模型的目标函数为最小化全周期内的弃风电量，该模型的约束条件包括：各类火电机组运行约束、各省级电网风电出力约束、各省级电网功率平衡约束、各省级电网备用约束和省间联络线电力交易约束；

4)使用求解器CPLEX求解该优化模型，得到最优解，计算各省风电消纳电量和弃风电量。

具体的，确定问题的研究时间范围为1个星期(168小时)，步长为1小时。所研究的互联电力系统如图2所示，省I和省II两个省级电网(即两个区域电网)通过联络线连接，构成互联电力系统的两个区域(本发明所述方法可以拓展为更多省，只要相互联通即可，实施例中以两个省级电网组成互联系统为例是为了说明本发明的使用，而不是仅限于两个区域电网)。两省火电机组数据如表2所示。

表2.各类型发电机组数据

具体的，所述的多省互联电力系统风电消纳优化模型描述如下：

1)目标函数：引入弃风分段惩罚因子，最小化全周期内弃风量，即

2)约束条件：

各类火电机组运行约束

各省级电网风电出力约束

各省级电网功率平衡约束

式中：D_a(t)表示第t个时段区域电网a(省I电网或省II电网)的负荷需求；G_a表示区域电网a包含的火电机组类型；N_a表示与区域电网a相连的其他区域电网。

各省级电网备用约束

式中：RP_a表示区域电网a正备用容量；RN_a表示区域电网a负备用容量。

省间联络线电力交易约束

本发明将具有相同参数的机组归并为同一类机组，并采用相应的变量描述同类机组的运行过程，这极大地减少了变量的个数，显著地提高了问题求解速度。

为了确保风电的优先消纳，本发明以最小化风电弃风量为目标函数，并引入弃风分段惩罚因子，通过设置各段惩罚因子的值，可以控制弃风发生的顺序。具体的，参见图3，两省风电场各段风电惩罚因子的按升序排列依次是：省I第1段、省II第1段、省I第2段、省II第2段……因而，在发生弃风时，根据目标函数的需要，省I会先进行弃风，当省I第1段全部弃风之后，对省II进行弃风，当省II第1段全部弃风之后，对省I第2段进行弃风……依次类推，弃风惩罚因子越小，弃风顺序越靠前。两省各段惩罚因子值设置如表3所示。

表3.分段弃风功率惩罚因子

弃风功率段	0～50MW	50～100MW	100～150MW	150～200MW	200MW以上
						省I	1	2	3	4	5
省II	1.5	2.5	3.5	4.5	5.5

为了说明本发明所述的优化方法(联络线功率优化方法)对提高全网风电消纳能力的作用，采用两种方案来安排火电机组出力和联络线交换功率。

方案一：不优化联络线功率。为了保证每日交易电量不变，联络线交换功率保持为每日平均功率。

方案二：优化联络线。联络线功率为优化变量，并且满足本发明所述的联络线电力交易约束。

两个方案联络线交换功率和风电消纳功率的变化曲线如图4所示。一周内全网的风电消纳情况如表4所示，方案二与方案一相比，弃风功率减少了14.4％。可见，通过优化联络线功率可以显著减少弃风现象的发生，提高风电利用水平和电网风电消纳水平，对于电网经济运行和可再生能源的有效利用都具有积极意义。

表4.一周内全网风电消纳情况

	消纳电量	弃风电量
			方案一	617341MWh	23857MWh
方案二	620774MWh	20425MWh

本发明考虑到联络线的电力交易计划，提出了省间联络线电力交易约束，具体的，联络线交换满足联络线功率曲线峰谷差约束、交易功率变化速率约束和交易电量约束。通过优化联络线功率，在多省内实现资源优化配置，实现全网风电优先消纳。

Claims (6)

1.一种考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)统计系统火电机组的数据，将具有相同运行参数的火电机组归为同一类型，统计各个类型火电机组的数量；

2)建立多区域互联电力系统风电消纳优化模型，该多区域互联电力系统风电消纳优化模型的目标函数为最小化全周期内的弃风电量，该多区域互联电力系统风电消纳优化模型的约束条件包括：各类火电机组运行约束、各区域电网风电出力约束、各区域电网功率平衡约束、各区域电网备用约束和区域间联络线电力交易约束；

所述的目标函数表示为：

式中：T表示时间周期，A表示区域电网个数，S表示弃风量分段数，表示区域电网a第s段的弃风惩罚因子，表示第t个时段区域电网a第s段的弃风功率；

3)求解该多区域互联电力系统风电消纳优化模型，根据求解得到的最优解计算各区域风电消纳电量和弃风电量。

2.根据权利要求1所述的考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法，其特征在于：所述火电机组的运行参数包括额定容量、最大技术出力、最小技术出力、最小开机时间、最小停机时间和爬坡率。

3.根据权利要求1所述的考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法，其特征在于：所述多区域互联电力系统风电消纳优化模型属于混合整数线性规划问题。

4.根据权利要求1所述的考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法，其特征在于：所述的各类火电机组运行约束包括：

5.1)机组运行台数约束，表示为：

式中：S_g(t)表示第t个时段第g个类型火电机组开机台数；N_g表示第g个类型火电机组的总台数；SY_g(t)表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组启动台数；SZ_g(t)表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组停机台数；Y_g(t)为二进制变量，取1表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组有启动机组，取0表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组没有启动机组；Z_g(t)为二进制变量，取1表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组有停机机组，取0表示第t个时段开始时刻第g个类型火电机组没有停机机组；

5.2)机组输出功率约束，表示为：

式中：P_g(t)表示第t个时段第g个类型火电机组的总输出功率；P_g ^min是第g个类型火电机组的最小技术出力；P_g ^max是第g个类型火电机组的最大技术出力；

5.3)机组爬坡约束，表示为：

-RD_g·S_g(t)≤P_g(t)-P_g(t-1)≤RU_g·S_g(t) (4)

式中：RD_g是第g个类型火电机组的下爬坡率；RU_g是第g个类型火电机组的上爬坡率；

5.4)最小启\停机时间约束，表示为：

式中：MU_g是第g个类型火电机组的最小启机时间；MD_g是第g个类型火电机组的最小停机时间。

5.根据权利要求1所述的考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法，其特征在于：所述的各区域电网风电出力约束包括：

6.1)弃风功率约束，表示为：

式中：表示第t个时段区域电网a风电功率预测值；表示第t个时段区域电网a第s段的弃风功率；

6.2)弃风功率分段约束，表示为：

式中：表示第t个时段区域电网a第s段弃风功率的最大值。

6.根据权利要求1所述的考虑联络线电力交易计划的多区域互联电力系统的风电消纳优化方法，其特征在于：所述的区域间联络线电力交易约束包括：

7.1)交易电量约束，表示为：

式中：是第t个时段区域电网a、b的联络线交换功率；td是联络线交易电量约束周期；表示区域电网a、b的联络线交易电量；

7.2)交易功率变化速率约束，表示为：

式中：是区域电网a、b联络线功率下降速率限制；是区域电网a、b联络线功率上升速率限制；

7.3)联络线功率曲线峰谷差约束，表示为：

式中：D表示电量约束周期的时长；α表示允许峰谷差率。