一種提升風電消納的柔性負荷優化調度方法與流程
2023-09-12 03:42:10
本發明涉及風力發電技術領域，是一種提升風電消納的柔性負荷優化調度方法。
背景技術：
中國東北、華北和西北地區，即「三北」地區風能資源豐富，風電裝機容量呈爆發式增長，截止2016年底，風電累計併網裝機容量1.49億千瓦，約佔發電裝機容量的9％。風電快速發展的同時，棄風問題日益突出，中國風能資源豐富的「三北」地區由於系統調峰不足等原因，導致電網棄風嚴重，成為制約風電發展的主要瓶頸。研究表明：供熱期負荷低谷時段，熱電機組調峰裕度為額定容量的20％，嚴重擠壓風電上網空間，導致大量棄風；供熱期棄風電量約佔全年棄風電量93％，且風電滲透率與熱負荷水平較高、電負荷水平較低是目前影響風電消納的主要因素。
根據當前中國「三北」地區嚴重棄風問題，通過引入柔性負荷來提高系統運行靈活性，提高風電消納。因此，提出一種提升風電消納的柔性負荷優化調度方法，可為制定有效風電消納措施提供理論指導。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，提供一種科學合理，適用性強，效果佳，能夠有效提升風電消納的柔性負荷優化調度方法。
解決其技術問題所採用的技術方案是：一種提升風電消納的柔性負荷優化調度方法，其特徵是，在電-熱能源綜合調度的基礎上，分析柔性負荷消納風電系統構成及控制策略；在考慮電-熱能源綜合調度約束條件和柔性負荷運行約束條件下，建立包含柔性負荷的電網調度模型，分析不同作用方式下風電接納情況，具體包括的內容是：
1)柔性負荷消納風電系統構成與控制策略
(a)柔性負荷消納風電系統構成
柔性負荷主要是指用電量可在指定區間內變化或在不同時間段轉移的負荷，其中，儲熱式電鍋爐通過配置儲熱裝置，棄風時段電鍋爐滿足供熱的同時進行儲熱，非棄風時段儲熱放熱，實現能量在時間上的轉移；電池儲能系統利用其響應速度快、能量雙向流動，能夠實時響應電網調度指令進行充放電；通過負荷側引入儲熱式電鍋爐和電池儲能作為柔性負荷用於提高風電接納；
(b)柔性負荷消納風電控制策略
由於儲熱式電鍋爐存在供熱約束，因此，將其作為風電消納主體，電池儲能協調動作；電池儲能協調儲熱式電鍋爐的分時段運行控制策略為：以22時至次日22時作為一個調度周期，起始調度時間為負荷低谷時段；初始低谷時段，電鍋爐動作供熱同時儲熱，儲熱量滿足峰平時段熱負荷需求，棄風不足則消納火電電量；低谷時段系統中還存在棄風時，電池儲能動作進行充電消納棄風；峰平時段儲熱動作滿足熱負荷需求，電池儲能為增加峰谷價差收益，其主要在尖峰時段放電至初始荷電狀態，且電池儲能峰平時段不充電；
2)包含柔性負荷的電網調度模型
(a)調度模型目標函數
含風電電網經濟調度以系統發電成本最小為調度目標，但棄風嚴重；因此，為提高風電消納水平，目標函數中增加考慮棄風成本及常規機組汙染排放的懲罰函數；該目標函數在增加風電消納的同時對環境保護意義重大，柔性負荷調峰補償成本由系統內部常規火電、熱電機組與風電場分攤，所以，目標函數中不計及補償費用，因此，目標函數為(1)式：
式中，s目標函數；sc(i,t)火電機組發電成本函數；se(k,t)熱電聯產機組發電成本函數；m、n各類機組臺數；λ棄風成本懲罰係數；pw,qf(t)為t時刻棄風功率；β汙染排放懲罰係數；sp(t)汙染排放懲罰函數；t調度時間；
①常規火電機組發電成本函數
對於純凝式火電機組，發電成本函數sc(i,t)為式(2)：
其中，f1火電機組運行成本函數；f2火電機組啟停成本函數；火電機組運行成本與啟停成本主要是其煤耗成本，因此，火電機組運行成本函數與煤耗量函數相似，均為發電出力的二次形式，如式(3)：
式中，ai、bi、ci機組i發電成本係數；機組i在t時刻啟停狀態；si機組i啟動成本；
②熱電聯產機組發電成本函數
假設系統中熱電聯產機組均為抽汽式熱電機組，發電成本函數se(k,t)為：
式中，ak、bk、ck熱電機組k發電成本係數；熱電機組k熱出力；熱電機組k電出力；
③懲罰函數
懲罰函數主要包括棄風成本和常規機組汙染排放治理成本，通過增加目標函數的懲罰項來提高風電消納水平，如下式(5)所示：
式中，汙染排放懲罰函數主要與機組發電量與供熱量有關；
(b)運行約束條件
電力系統約束：
①電力電量平衡約束
式中，為t時刻火電機組與熱電聯產機組出力總和，為t時刻併網風電功率；為t時刻儲能系統放電功率；為t時刻電鍋爐功率；為t時刻電負荷需求；為t時刻儲能系統充電功率；
②機組出力約束
抽汽式機組k約束：
式中，pe,min,k抽汽式機組k在凝汽工況下最小電出力，pe,max,k抽汽式機組k在凝汽工況下最大電出力；cm,k、cv,k、kk機組參數；
純凝式機組i出力約束：
式中，pe,min,i·純凝式機組i最小電出力，pe,max,i純凝式機組i最大電出力；
③機組爬坡約束
式中，pup,i純凝式機組i向上爬坡速率，pdown,i純凝式機組i向下爬坡速率，熱電機組出力變化通過改變鍋爐狀態實現，故其電、熱出力爬坡速率約束折算為純凝工況下的電功率約束；
熱力系統約束：
①熱力熱量平衡約束
式中，供熱機組供熱總功率；ηeh電鍋爐效率，取0.98；儲熱裝置儲熱功率；儲熱裝置放熱功率；熱負荷總需求；
②機組熱出力約束
式中，熱電機組最大供熱出力；
儲熱式電鍋爐系統約束：
①電鍋爐運行功率約束
式中，pgl,max電鍋爐運行功率最大值；
②儲熱裝置運行約束
式中，分別為儲熱裝置最大儲放熱功率；
③儲熱裝置儲熱狀態約束
式中，為t時刻儲熱裝置儲熱狀態；sh,max為儲熱裝置最大儲熱量；為t-1時刻儲熱裝置儲熱狀態；ηtes,in為儲熱儲熱效率，取0.92；ηtes,out儲熱放熱效率，取0.92；由於蓄熱罐日內總熱損失不超過1％，因此，不考慮儲熱裝置熱損失；
④儲熱始末狀態約束
式中，儲熱裝置調度周期始狀態、儲熱裝置調度周期末狀態；
儲能系統約束：
①儲能運行功率約束
式中，pess,in,max、pess,out,max為儲能系統最大充放電功率；
②儲能系統荷電狀態
式中，為t時刻儲能荷電狀態；儲能初始時刻荷電狀態；xt、yt為儲能充放電狀態，其值為0、1；ηess,cha儲能充電效率，取0.9；ηess,dis儲能放電效率，取0.9；eb儲能系統額定容量；
③儲能充放電狀態約束
xt×yt＝0(18)
(18)式表明儲能不能同時處於充電和放電狀態；
④儲能系統荷電狀態約束
式中，socess,max儲能荷電狀態上限值，socess,min儲能荷電狀態下限值；
⑤儲能始末荷電狀態約束
式中，儲能調度周期始荷電狀態，儲能調度周期末荷電狀態。
本發明的一種提升風電消納的柔性負荷優化調度方法，在電-熱能源綜合調度的基礎上，分析柔性負荷消納風電系統構成及運營規則；在考慮電-熱能源綜合調度約束條件和柔性負荷運行約束條件下，建立包含柔性負荷的電網調度模型，分析不同作用方式下風電接納情況，具有科學合理，適用性強，效果佳等優點。
附圖說明
圖1為電網結構示意圖；
圖2為新增用電負荷情況下風電接納情況圖；
圖3為電能替代情況下風電接納情況圖；
圖4為新增用電負荷情況下熱電機組出力圖；
圖5為新增用電負荷情況下熱電機組出力圖；
圖6為不同運行方式下柔性負荷調峰效果圖。
具體實施方式
下面利用附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
本發明的一種提升風電消納的柔性負荷優化調度方法，在電-熱能源綜合調度的基礎上，分析柔性負荷消納風電系統構成及運營規則；在考慮電-熱能源綜合調度約束條件和柔性負荷運行約束條件下，建立包含柔性負荷的電網調度模型，分析不同作用方式下風電接納情況，具體包括的內容是：
1)柔性負荷消納風電系統構成與控制策略
(a)柔性負荷消納風電系統構成
柔性負荷主要是指用電量可在指定區間內變化或在不同時間段轉移的負荷，其中，儲熱式電鍋爐通過配置儲熱裝置，棄風時段電鍋爐滿足供熱的同時進行儲熱，非棄風時段儲熱放熱，實現能量在時間上的轉移；電池儲能系統利用其響應速度快、能量可雙向流動的特點，可實時響應電網調度指令進行充放電；通過負荷側引入儲熱式電鍋爐和電池儲能作為柔性負荷協調作用增強系統運行靈活性，可有效提高風電接納；
(b)柔性負荷消納風電控制策略
由於儲熱式電鍋爐存在供熱約束，因此，這裡將其作為風電消納主體，電池儲能協調動作；為發揮儲熱式電鍋爐與電池儲能各自優勢，電池儲能協調儲熱式電鍋爐的分時段運行控制策略為：以22時-次日22時作為一個調度周期，起始調度時間為負荷低谷時段；初始低谷時段，電鍋爐動作供熱同時儲熱，儲熱量滿足峰平時段熱負荷需求，棄風不足則消納火電電量；低谷時段系統中還存在棄風時，電池儲能動作進行充電消納棄風；峰平時段儲熱動作滿足熱負荷需求，電池儲能為增加峰谷價差收益，其主要在尖峰時段放電至初始荷電狀態，且電池儲能峰平時段不充電；
2)包含柔性負荷的電網調度模型
(a)調度模型目標函數
含風電電網經濟調度以系統發電成本最小為調度目標，但棄風嚴重；因此，為提高風電消納水平，目標函數中增加考慮棄風成本及常規機組汙染排放的懲罰函數；該目標函數在增加風電消納的同時對環境保護意義重大。柔性負荷調峰補償成本由系統內部其餘機組或風電場分攤，所以，目標函數中不計及補償費用，因此，目標函數為(1)式：
式中，s目標函數；sc(i,t)火電機組發電成本函數；se(k,t)熱電聯產機組發電成本函數；m、n各類機組臺數；λ棄風成本懲罰係數；pw,qf(t)為t時刻棄風功率；β汙染排放懲罰係數；sp(t)汙染排放懲罰函數；t調度時間；
①常規火電機組發電成本函數
對於純凝式火電機組，發電成本函數sc(i,t)為式(2)：
其中，f1火電機組運行成本函數；f2火電機組啟停成本函數；火電機組運行成本與啟停成本主要是其煤耗成本，因此，火電機組運行成本函數與煤耗量函數相似，均為發電出力的二次形式，如式(3)：
式中，ai、bi、ci機組i發電成本係數；機組i在t時刻啟停狀態；si機組i啟動成本；
②熱電聯產機組發電成本函數
假設系統中熱電聯產機組均為抽汽式熱電機組，發電成本函數se(k,t)為：
式中，ak、bk、ck熱電機組k發電成本係數；熱電機組k熱出力；熱電機組k電出力；
③懲罰函數
懲罰函數主要包括棄風成本和常規機組汙染排放治理成本，通過增加目標函數的懲罰項來提高風電消納水平，如下式(5)所示：
式中，汙染排放懲罰函數主要與機組發電量與供熱量有關；
(b)運行約束條件
電力系統約束：
①電力電量平衡約束
式中，為t時刻火電機組與熱電聯產機組出力總和，為t時刻併網風電功率；為t時刻儲能系統放電功率；為t時刻電鍋爐功率；為t時刻電負荷需求；為t時刻儲能系統充電功率；
②機組出力約束
抽汽式機組k約束：
式中，pe,min,k抽汽式機組k在凝汽工況下最小電出力，pe,max,k抽汽式機組k在凝汽工況下最大電出力；cm,k、cv,k、kk機組參數；
純凝式機組i出力約束：
式中，pe,min,i·純凝式機組i最小電出力，pe,max,i純凝式機組i最大電出力；
③機組爬坡約束
式中，pup,i純凝式機組i向上爬坡速率，pdown,i純凝式機組i向下爬坡速率，熱電機組出力變化通過改變鍋爐狀態實現，故其電、熱出力爬坡速率約束折算為純凝工況下的電功率約束；
熱力系統約束：
①熱力熱量平衡約束
式中，供熱機組供熱總功率；ηeh電鍋爐效率，取0.98；儲熱裝置儲熱功率；儲熱裝置放熱功率；熱負荷總需求；
②機組熱出力約束
式中，熱電機組最大供熱出力；
儲熱式電鍋爐系統約束：
①電鍋爐運行功率約束
式中，pgl,max電鍋爐運行功率最大值；
②儲熱裝置運行約束
式中，分別為儲熱裝置最大儲放熱功率；
③儲熱裝置儲熱狀態約束
式中，為t時刻儲熱裝置儲熱狀態；sh,max為儲熱裝置最大儲熱量；為t-1時刻儲熱裝置儲熱狀態；ηtes,in為儲熱儲熱效率，取0.92；ηtes,out儲熱放熱效率，取0.92；由於蓄熱罐日內總熱損失不超過1％，因此，不考慮儲熱裝置熱損失；
④儲熱始末狀態約束
式中，儲熱裝置調度周期始狀態、儲熱裝置調度周期末狀態；
儲能系統約束：
①儲能運行功率約束
式中，pess,in,max、pess,out,max為儲能系統最大充放電功率；
②儲能系統荷電狀態
式中，為t時刻儲能荷電狀態；儲能初始時刻荷電狀態；xt、yt為儲能充放電狀態，其值為0、1；ηess,cha儲能充電效率，取0.9；ηess,dis儲能放電效率，取0.9；eb儲能系統額定容量；
③儲能充放電狀態約束
xt×yt＝0(38)
(18)式表明儲能不能同時處於充電和放電狀態；
④儲能系統荷電狀態約束
式中，socess,max儲能荷電狀態上限值，socess,min儲能荷電狀態下限值；
⑤儲能始末荷電狀態約束
式中，儲能調度周期始荷電狀態，儲能調度周期末荷電狀態。
下面以中國東北地區的某區域電網為例，簡化電源裝機結構，基於上述柔性負荷調度方法，分析風電接納情況。
表1不同機組裝機容量
假設該區域熱負荷基本不變為2150mw，其中，熱電廠1向a地區500mw熱負荷供熱，熱電廠2向b地區850mw熱負荷供熱，熱電廠3向c地區800mw熱負荷供熱；電廠4為火電廠；電負荷數據為該區域電網實際負荷需求，風電出力則由歷史風速數據求得，假設該區域電網與外電網沒有能量交換。假設，儲熱式電鍋爐配置200mw/1000mwh，調度周期始末儲熱狀態均為零；電池儲能配置100mw/300mwh，且soc為0.1-0.9之間。電網結構如圖1所示。
算例分別採用如下不同運行方式提高風電消納：
方式1：儲熱式電鍋爐與儲能均不參與電網調度。此時，風電接納空間受熱電聯產機組「以熱定電」運行方式的影響，棄風現象較為嚴重。
方式2：儲熱式電鍋爐參與電網調度。電網中電負荷水平增加，且電鍋爐配置儲熱後，其運行控制靈活，在滿足供熱的前提下，儘量消納棄風電量進行供熱。
方式3：儲熱式電鍋爐與儲能均參與電網調度。通過配置儲能來增強負荷側系統靈活性，減小負荷峰谷差。
為分析電池儲能協調儲熱式電採暖與電池儲能單獨作用不同效果，將單獨配置電池儲能與混合柔性負荷進行對比。綜合考慮電池儲能運行特性及價格因素，當電池儲能與儲熱式電鍋爐作用效果相同時，電池儲能功率與容量配置為儲熱式電鍋一半的水平。所以，電池儲能配置為200mw/800mwh。
算例分析柔性負荷不同作用效果如下：
作用效果1：新增用電負荷。系統中增加儲熱式電鍋爐用電負荷增加風電消納。通過對燃煤供暖用戶進行改造，以儲熱式電鍋爐進行供暖；對於新建建築，直接採用電供暖。假設，系統新增熱負荷需求功率恆為60mw。
作用效果2：考慮電能替代。一方面，增加用電負荷，消納更多棄風；另一方面，解耦熱電聯產機組熱出力，增加熱電機組調峰裕度，接納更多風電。假設，儲熱式電鍋爐替代各供熱區域20mw的熱電機組供熱負荷，減少熱電機組熱負荷水平。
模型求解及分析：
①風電接納情況分析
考慮新增用電負荷情況下(作用效果1)，風電接納情況如圖2所示，未配置柔性負荷的方式1，棄風電量為1669mwh，棄風率為21.67％；配置儲熱式電鍋爐的方式2，棄風電量為395.5mwh，棄風率為5.1％；配置電池儲能與儲熱式電鍋爐的方式3，棄風電量為128.83mwh，棄風率為1.67％；電池儲能單獨作用時，棄風電量為957.88mwh，棄風率為12.43％。由上述運行結果可知，配置儲熱式電鍋爐可減少16.57％棄風，風電消納效果明顯；電池儲能協調儲熱式電鍋爐消納棄風效果最好；單獨配置電池儲能減少9.24％棄風，風電消納能力有限。
考慮電能替代情況下(作用效果2)，風電接納情況如圖3，配置儲熱式電鍋爐的方式2，棄風電量為170.5mwh，棄風率為2.2％；配置電池儲能與儲熱式電鍋爐的方式3，棄風電量為0mwh。因此，考慮電能替代的風電消納效果明顯優於新增用電負荷的情況。
②柔性負荷調峰效果分析
考慮新增用電負荷情況下，如圖4為不同運行方式下熱電機組出力曲線，新增用電負荷情況下，對於熱電聯產機組解耦沒有作用，僅通過增加電負荷的形式提高風電消納；僅當電池儲能動作時，在尖峰時段可減少熱電機組出力。
考慮電能替代情況下，如圖5所示，以電能替代的方式增加儲熱式電鍋爐在負荷低谷時段可解耦45mw熱電機組調峰容量，電池儲能在峰時段最大可減小52.74mw熱電機組出力。儲熱式電鍋爐作用一方面增加用電負荷，另一方面解耦熱電聯產機組供熱負荷水平，負荷低谷時段可以解耦熱電聯產機組「以熱定電運行方式」，增強下調峰能力提高風電消納；電池儲能低谷時段充電提高風電消納，尖峰時段放電減小供電壓力。
③柔性負荷調峰效果分析
通過上述對比結果可知，考慮電能替代情況對於風電消納效果最好，且對於改變負荷出力特性作用較大。配置柔性負荷後，等效電負荷特性曲線如圖6所示，原始電負荷曲線最大峰谷差為695mw，配置儲熱電鍋爐之後可提高負荷低谷時段的電負荷水平，此時最大峰谷差為495mw；配置儲熱電鍋爐與電池儲能，最大峰谷差為424.5mw；單獨配置電池儲能後，最大峰谷差為536mw。因此，考慮電能替代情況下，儲熱式電鍋爐與電池儲能協調作用調峰效果最好。
本發明實施例中的計算條件、圖例、表等僅用於對本發明作進一步的說明，並非窮舉，並不構成對權利要求保護範圍的限定，本領域技術人員根據本發明實施例獲得的啟示，不經過創造性勞動就能夠想到其它實質上等同的替代，均在本發明保護範圍內。