一種水光互補系統中光伏電站容量優化方法與流程
2023-12-01 16:14:11
本發明涉及一種基於機會約束規劃的水光互補系統中光伏電站容量優化方法，屬於新能源及高效節能領域。
背景技術：
水電站雖然因調度水量受限而使其發電量受限，但是其調峰容量不受限，將調度水量受限的水電站與併網困難的光伏電站組成水光互補發電系統，既可以使水電站擺脫運營困難的處境，又可以使電網接納更多的光伏電源。在設計和規划水光互補系統時，需要確定接入系統的光伏電站容量，這不僅關係到整個系統運行的經濟性，還有可能影響到整個電網運行的安全性。水光互補系統中光伏電站容量的配置屬於多能源發電系統的容量優化問題。目前的研究中，多能源系統的容量優化模型可分為單目標優化模型和多目標優化模型兩種。單目標優化模型以系統成本最小或者系統最大經濟效益作為優化目標，約束條件一般包括供電可靠性約束、環境保護約束、電源自身的約束，另外還有n-1潮流約束、多能源互補性約束等。而多目標優化模型除以系統最小成本為優化目標，還將單目標優化模型中的部分約束作為目標函數，如可靠性、環保效益。此外，還會根據應用對象的特點添加目標函數，如最大可再生能源利用比例。但現有的研究成果大多針的是對含有風電、光伏發電及儲能的多能源微電網或虛擬電廠。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種水光互補系統中光伏電站容量優化方法，考慮了光伏出力的隨機性，不僅能夠充分利用水電站的調節能力，增加光伏電站的接入容量，而且對水電站運行不會產生不利影響。
本發明的技術方案如下：
一種水光互補系統中光伏電站容量優化方法，其特徵在於該方法包括如下步驟：
1)建立光伏電站容量優化模型的目標函數：
式(1)中，f為目標函數，pr{·}表示{·}中事件成立的概率，β是事先給定的目標函數的置信水平，是目標函數f在保證置信水平至少是β時所取得最大值，t表示調度周期的時段個數，δt表示時段歷時，phy,t表示t時段的水電站有功出力，chy表示水電站的上網電價，ppv,t表示t時段的光伏電站有功出力，pdrop,t表示t時段的光伏電站的棄光功率，cpv表示光伏電站的上網電價，pre,t表示t時段的備用機組有功出力，wre表示備用機組的出力偏離懲罰係數；
2)建立光伏電站容量優化模型的約束條件：
2.1)、系統的功率平衡約束：
peq＝(ppv,t-pdrop,t)+pre,t+phy,t(2)
式中，peq表示水光互補系統的等效開機容量；
2.2)機組備用出力約束：
0≤pre,t≤peq(3)
2.3)與光伏電站相關約束：
cpv≥0(4)
式(4)中，cpv是光伏電站裝機容量，式(4)表示光伏容量大於等於0；
ppv,t＝ppv,base,tcpv(5)
式(5)為光伏出力與光伏容量的關係式，ppv,base,t表示t時段的基準功率值，假設光伏電站的出力服從正態分布μt、ζt分別為t時段光伏電站出力的均值和標準差，通過模擬得到t時段的基準功率值ppv,base,t；
0≤pdrop,t≤ppv,t(6)
式(6)表示t時段的棄光功率pdrop,t應小於該時刻的光伏電站的有功出力ppv,t；
式(7)表示t時段的光伏出力波動率小於統計波動率εpv,t的概率至少大於置信度αt，αt為與εpv,t對應的概率值，tpv表示光伏開機時段集合，即tpv時段內的光伏出力大於0；
2.4)棄光率約束：
式(8)中γpv表示光伏電站的棄光率，表示光伏電站的棄光率約束上限；
2.5)與水電站相關的約束：
式(9)是水電機組出力約束，phy是水電機組有功出力下限，是水電機組有功出力上限；式(10)是下洩流量約束，qt是t時段的下洩流量，q是下洩流量下限，是下洩流量上限；式(11)是庫容大小約束，vt是t時段的庫容，v和分別是水庫庫容下限和水庫庫容上限，v和分別取所選調度周期內的最大、最小庫容；式(12)是水量平衡約束，vt+1是t+1時段的庫容，qstream,t是t時段的自然來水，下洩流量等於水電機組的發電流量，vt取t時段初的水庫庫容大小作為該時段的庫容值；
2.6)水光互補運行周期內調度用水量約束：
|vt-vplan|≤δhy(15)
式(15)的約束表示水光互補運行周期內調度用水量保持在庫容變化要求內；
式中，vt表示調度時段末的庫容，vplan表示調度時段末計劃削減到的庫容值，δhy表示庫容控制精度要求；
2.7)轉換成線性約束後的水電轉換關係約束：
式(16)至式(20)為轉換成線性約束後的水電轉換關係的約束,
其中，r表示水頭區間分段數，r為水頭區間分段數集合，hr、hr-1分別為r段水頭區間的最大、最小值，sr,t表示t時段水庫庫容位於r段水頭區間的0或1狀態變量，qr,t表示t時段位於r段水頭區間的水電機組下洩流量，kr為位於r段水頭區間下水電機組出力與下洩流量的線性係數；
3)光伏電站容量優化模型的求解：
3.1)輸入水電站、光伏電站以及系統的基本參數；
3.2)據各個時段光伏電站出力的統計數據，擬合得到各個時段光伏電站出力的均值μt和標準差ζt，隨機生成n個滿足正態分布的光伏電站出力序列，對於任意光伏出力序列，t時刻光伏電站出力ppv,t服從正態分布
3.3)設置計數變量n，置n＝0，檢驗n個光伏電站出力序列是否滿足約束式(7)；若滿足，則n＝n+1，否則n＝0；
3.4)若對於n/n≥αt均成立，則模擬成功；不成立則返回步驟3.2)和步驟3.3)重新產生n個光伏出力序列並檢驗約束式(7)；
3.5)對於n個光伏出力序列，代入光伏電站容量優化模型，使用線性規劃方法求解，得到目標函數值fi，i＝1,2,···n；對n個目標函數值排序，取n0＝int(βn)，int為取整函數，第n0個最大目標函數值即為所求解。
本發明具有以下優點及突出性的技術效果：①本發明的基於機會約束規劃的水光互補系統中光伏電站容量優化方法與其他確定性的多能源系統電源容量配置方法相比，能夠充分利用水電站的調節能力，增加光伏電站的接入容量。②本發明的基於機會約束規劃的水光互補系統中光伏電站容量優化方法在多能互補系統中應用後，當多能互補系統運行在光水互補狀態時，系統等效開機容量是水電站獨立運行的開機容量的兩倍以上，顯著增強了系統的調峰能力。③本發明的基於機會約束規劃的水光互補系統中光伏電站容量優化方法在實現水光互補運行的同時，水電站不會受到較大影響，將本發明方法應用於水光互補運行系統具有可行性。
附圖說明
圖1是應用本發明的水光互補系統中光伏電站容量優化方法的實際算例結果。
具體實施方式
本發明提出了一種基於機會約束規劃的水光互補系統中光伏電站容量優化方法，考慮了光伏出力的隨機性，目標函數中加入了水光互補系統無法滿足負荷要求而調用系統備用機組的費用。本發明提出的一種水光互補系統中光伏電站容量優化方法，其具體包括如下步驟：
1)建立光伏電站容量優化模型的目標函數：
式(1)中，f目標函數，pr{·}表示{·}中事件成立的概率，β是事先給定的目標函數的置信水平，是目標函數f在保證置信水平至少是β時所取得最大值，t表示調度周期的時段個數，δt表示時段歷時，phy,t表示t時段的水電站有功出力，chy表示水電站的上網電價，ppv,t表示t時段的光伏電站有功出力，pdrop,t表示t時段的光伏電站的棄光功率，cpv表示光伏電站的上網電價，pre,t表示t時段的備用機組有功出力，wre表示備用機組的出力偏離懲罰係數；
式(1)中第一項phy,tchy為水電站的實際發電收益；第二項(ppv,t-pdrop,t)cpv為光伏電站的實際發電收益，由光伏電站應發電量收益與棄光費用做差得到。棄光費用表示光伏電站主動棄光而損失的電量費用，允許主動棄光主要是使光伏電站具備一定的調節能力；第三項pre,tcpvwre表示當水光互補系統的出力無法達到系統等效開機容量時，需要其他發電機組提供備用而產生的費用，備用機組只提供正備用。需要注意的是，處於蓄水期的常規水電站調節能力受限，不能與光伏電站互補運行，故本發明所建立的模型針對的是處於供水期的常規水電站，且調節能力為日以上。
2)建立光伏電站容量優化模型的約束條件：由於採用機會約束規劃建模，約束條件在一定置信水平下成立，表現為概率形式。置信水平的高低表示水光互補系統對此約束要求的嚴格程度，當置信水平為1時，此時的約束等同於確定性規劃方法下的約束，即任何條件下均應滿足約束。
peq＝(ppv,t-pdrop,t)+pre,t+phy,t(2)
系統的功率平衡約束如式(2)所示，peq表示水光互補系統的等效開機容量；
0≤pre,t≤peq(3)
其他機組備用出力約束如式(3)所述；
下式(4)至(7)是與光伏電站相關約束；
cpv≥0(4)
式(4)中，cpv是光伏電站裝機容量，式(4)表示光伏容量大於等於0；
ppv,t＝ppv,base,tcpv(5)
式(5)為光伏出力與光伏容量的關係式，ppv,base,t表示t時段的基準功率值，假設光伏電站的出力服從正態分布μt、ζt分別為t時段光伏電站出力的均值和標準差，通過模擬得到t時段的基準功率值ppv,base,t；
0≤pdrop,t≤ppv,t(6)
式(6)表示t時段的棄光功率pdrop,t應小於該時刻的光伏電站的有功出力ppv,t；
式(7)表示t時段的光伏出力波動率小於統計波動率εpv,t的概率至少大於置信度αt，tpv表示光伏開機時段集合，即tpv時段內的光伏出力大於0，統計波動率εpv,t可根據該時段多年曆時出力數據進行統計，得到概率分布函數，αt為與εpv,t對應的概率值；
上式(8)表示棄光率約束，γpv表示光伏電站的棄光率，本發明選用棄光電量與光伏電站應發電量的比值作為棄光率，表示光伏電站的棄光率約束上限；
下式(9)至式(12)是與水電站相關的約束；式(9)是水電機組出力約束，phy是水電機組有功出力下限，是水電機組有功出力上限；式(10)是下洩流量約束，qt是t時段的下洩流量，q是下洩流量下限，是下洩流量上限；式(11)是庫容大小約束，vt是t時段的庫容，v是水庫庫容下限，是水庫庫容上限，水庫庫容上、下限為所選調度周期內的最大、最小庫容；式(12)是水量平衡約束，vt+1是t+1時段的庫容，qstream,t是t時段的自然來水，下洩流量等於水電機組的發電流量，vt取t時段初的水庫庫容大小作為該時段的庫容值；
計算尾水位時，認為其與下洩流量的關係是線性的，其計算式如下式(13)，zdown,t表示尾水位，b1、b2為常數，zt是t時段的水位，zt取t+1時段的水位，ht是t時段的水頭，zt取t時段初的水庫水位值作為該時段的水庫水位值；
水庫庫容與水位關係認為近似線性如下式(14)，其中a1、a2為常數；
vt＝a1zt+a2(14)
下式(15)的約束表示水光互補運行周期內調度用水量保持在庫容變化要求內，其中，t表示調度周期的最後一個時段，vt表示調度時段末的庫容，vplan表示調度時段末計劃削減到的庫容值，δhy表示庫容控制精度要求；
|vt-vplan|≤δhy(15)
下式(16)至式(20)為轉換成線性約束後的水電轉換關係約束。式中，r表示水頭區間分段數，r為水頭區間分段數集合，hr、hr-1分別為r段水頭區間的最大、最小值，h的初始值為0，sr,t表示t時段水庫庫容位於r段水頭區間的0或1狀態變量，qr,t表示t時段位於r段水頭區間的水電機組下洩流量，kr為位於r段水頭區間下，水電機組出力與下洩流量的線性係數；
3)光伏電站容量優化模型的求解：當不考慮光伏電站出力的隨機性時，本發明所提模型為混合整數線性規劃模型。採用機會約束規劃建模後，可採用隨機模擬和傳統的線性規劃方法求解。模型求解流程為：
3.1)輸入水電站、光伏電站以及系統的基本參數。系統參數包括調度時段、時段歷時、系統等效開機容量。光伏電站的參數包括：棄光率、光伏電站出力波動率及對應概率值。水電站的參數包括：水電機組出力上下限、下洩流量上下限、水庫庫容上下限、來水流量、計劃削減庫容以及各種關係常數等。
3.2)據各個時段光伏電站出力的統計數據，擬合得到各個時段光伏電站出力的均值μt和標準差ζt，隨機生成n個滿足正態分布的光伏電站出力序列，對於任意光伏出力序列，t時刻光伏電站出力ppv,t服從正態分布
3.3)設置計數變量n，置n＝0，檢驗n個光伏電站出力序列是否滿足約束式(7)。若滿足，則n＝n+1，否則n＝0；
3.4)若對於n/n≥αt均成立，則模擬成功；不成立則返回步驟3.2)和步驟3.3)重新產生n個光伏出力序列並檢驗約束式(7)；
3.5)對於n個光伏出力序列，代入光伏電站容量優化模型，使用線性規劃求解器cplex求解，得到目標函數值fi，i＝1,2,···n；對n個目標函數值排序，取n0＝int(βn)，int為取整函數，第n0個最大目標函數值即為所求解。
實施例：
以下是應用本發明的水光互補系統中光伏電站容量優化方法的實際算例。
以某地區的一座年調節水電站為例，水電站裝有4臺水電機組，單機容量700mw，共2800mw。水電機組日開機時間為08:00-00:00，共16個小時；日開機容量，豐/平水年為2100mw，枯水年為600mw。由於多年持續乾旱天氣的影響，該水電站長期處於枯水年運行。將其與該地區的某一光伏電站組成水光互補系統，系統調度周期為4天，以1小時為1個調度時段，共96個調度時段；水光互補系統的等效開機容量為1400mw，開機時間不變。
設定t時段的光伏出力波動率小於統計波動率εpv,t的概率至少大於αt，即式(7)中的置信度αt＝0.5，模擬次數n＝2000次。目標函數置信度β＝0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9時的優化結果如圖1所示。圖1中的結果可見，隨著β值的減少，系統收益越來越大，說明風險越大，系統收益越高。選取置信度β＝0.9的結果作為優化結果，即水光互補系統中光伏電站裝機容量為1900mw。在確定性的規劃方法下，根據水電站的開機容量，按照1:1的比例配置光伏電站裝機容量，結果為600mw，比本發明方法的優化結果少1300mw的光伏電站裝機容量。由此，可見發明所方法能夠增加光伏電站的接入容量。