一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型的制作方法

本发明涉及风电联网协调调度领域，是一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型。

背景技术：

近年来，中国风电主要以大规模风电场群的形式迅猛发展，截止2015年年底，风电总装机容量已达129gw，占总装机容量的8.6％。然而弃风问题愈渐严重，2015年中国全年弃风电量339亿千瓦时，其中北方地区的总弃风电量达337亿千瓦时，占全国总弃风电量的99.41％，其冬季供暖期弃风量巨大的问题尤为突出。造成该问题的主要原因有三点：电能生产和消费的不对称性、电网传输通道限制以及热电联产机组的热电耦合生产方式。热电联产机组因其效率高的特点成为解决能源危机的有效途径，但广泛利用热电联产机组进行热电联供与大规模可再生能源接入之间的矛盾却对未来能源系统的运行造成挑战。

在直接供热系统中，热电联产机组的电热耦合特性是电力系统和热力系统联系的关键，然而，在大规模间歇式能源接入以及高热电联产机组占比的场景下，系统消纳间歇式能源的能力需进一步提升。因此，从解耦电热耦合约束的角度出发，在电热联合系统中加入储热装置是一个较好的解决途径。此外，利用电锅炉、热泵等设备增加地区用电负荷也是解决风电消纳问题的有效途径。随着储热、电锅炉和热泵等装置在电热联合系统中的逐渐应用，促使电热联合系统形成新的能源调度管理机制以适应系统的运行。在单独考虑储热装置和电锅炉对于消纳弃风的作用基础上，对储热装置与电锅炉协调供热时的弃风消纳效果进行深入的分析可为调度部门制定调度计划提供理论依据。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提出一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型，该模型采用含精英策略遗传算法(ega)与内点法(ipm)相结合的方法求解，旨在通过在热电联产机组侧配置储热装置以及在电网负荷侧配置电锅炉的方式解耦热电耦合约束，提升风电上网空间。

本发明的目的是由以下技术方案来是实现的：一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型，其特征是，利用场景划分的方法处理热电联产机组的电热关联约束，采用分场景ega-ipm法进行电热联合经济调度，外层采用ega确定储热装置最佳工作计划，设置各个时段的储、放热功率，内层采用分场景hessian矩阵内点法得到最佳电热联合调度计划，具体包括以下步骤：

1)电热综合系统结构确立

电热综合系统由风电场群、常规火电机组、含储热热电联产机组和电锅炉组成，储热装置设置在热电联产机组侧以解耦电热耦合约束，增加其出力的灵活性；电锅炉设置在电负荷侧，在弃风时接入供热以消纳弃风；

2)弃风消纳协调调度模型优化目标的建立

电热联合经济调度通常以系统发电成本最小为调度目标，为检验储热装置及电锅炉消纳弃风功率的效果，在成本中加入弃风成本，故模型的目标函数包含机组运行成本和弃风成本两部分如式(1)-式(3)所示：

cost＝costopr+costwcur(1)

其中：m为热电联产机组总台数；

n为常规火电机组总台数；

ai,bi,ci,di,ei,fi为热电联产机组运行成本系数；

pi为第i台机组的电出力；

p^hi为第i台热电联产机组的热出力；

ε为弃风成本系数；

k为风电场个数；

pw为第w个风电场的出力；

pl为系统总负荷；

当使用内点法对上述目标进行优化时，参照内点法求解非线性规划的一般形式，按照弃风发生与否，不包含常数项的内点法优化目标分别为：

无弃风时的优化目标：

g0＝[b1,b2,bn,bn+1,…bm+n,en+1,…em+n]^t(7)

有弃风时的优化目标：

g1＝[b1+ε,…bn+ε,bn+1+ε,…,bm+n+ε,en+1,…em+n]^t(9)

由于电锅炉仅在弃风时刻接入系统消纳弃风，故不单独设置变量，但须在弃风时刻找到电锅炉接入供热比例与总调度成本之间的关系，以确定电锅炉在弃风时刻的最佳供热量；

3)弃风消纳协调调度模型运行约束条件分析及求解

含储热与电锅炉电热综合系统的弃风消纳调度模型的约束条件包含不依赖场景的约束和依赖场景的约束两大部分；

不依赖场景的约束：

电负荷平衡约束：

其中：pi,t表示第i台常规火电或热电联产机组t时刻的发电功率；

pw,t表示第w台风电机组t时刻的预测出力；

peb,t表示t时刻接入电锅炉供热所消耗的电功率；

pwcur,t表示t时刻的弃风功率；

le,t表示系统t时刻的电负荷；

机组出力约束：

pi,min≤pi,t≤pi,max(11)

其中：pi,min表示常规火电或热电联产机组t时刻的最小发电功率；

pi,max表示常规火电或热电联产机组t时刻的最大发电功率；

常规火电机组爬坡约束：

-pd,i≤pi,t-pi,t-1≤pu,i(12)

其中：pd,i表示第i台常规火电机组向上的爬坡率，pu,i表示第i台常规火电机组向下的爬坡率；

pi,t表示第i台常规火电机组t时刻的发电功率；

供热平衡约束：

其中：为第i台热电联产机组t时刻的供热功率；

peb,t为t时刻电锅炉供热功率；

η为电锅炉电热转换效率，取0.99；

为第i台储热装置t时刻的热出力，该热出力正值为供热，负值为储热；

lh,t为系统t时刻的热负荷；

出于可持续运行的考虑，储热装置运行时需满足调度周期蓄热容量不变的约束，即一个调度周期后储热装置的蓄热量需保持给定初值，因此其需要满足的所有运行约束包括储、放热功率约束、容量上限约束和周期容量不变约束：

其中：为第i台储热装置在t时刻的储热量；

为第i台储热装置的最大储热功率，为第i台储热装置的最大放热功率；

si.max为第i台储热装置的蓄热容量；

为第i台储热装置在t时刻的储、放热功率；

q为储热装置的总数量；

依赖场景的约束：

由于根据热电联产机组的电热特性划分了若干场景，而热电联产机组的爬坡约束为归算到纯凝工况下的爬坡约束，故不同场景下的爬坡约束公式将不同，以下分别给出两台热电联产机组的分场景爬坡约束公式：

对于场景1和场景2下的爬坡约束如式(15)所示：

其中：pg为出力归算值；

pe为任意电出力；

pgxx为热电联产机组出力归算值的下限；

pgsx为热电联产机组出力归算值的上限；

pu,chp、pd,chp分别为热电联产机组的向上和向下爬坡速率；

pg,t-1为前一个时段热电联产机组出力的归算值；

对于场景3下的爬坡约束如式(16)所示：

对于场景4和场景5下爬坡约束如式(17)所示：

其中：pg1、pg0为典型运行点的出力归算值；

pmin0为热电联产机组不供热时的最小电出力；

ph为任意热出力；

cv1、cv2、cv3为热电联产机组的固定参数，值分别为0.151、0.068及4.958；

δ1、δ2、δ3为热电联产机组固定参数，值分别为130.698、45.076及-34.825；

爬坡约束自求解第2个时刻起加入模型求解，每个时刻基于前一个时刻求得的最优结果以及不同场景下的爬坡约束公式，确定该时刻特定场景下的热电联产机组爬坡范围；

采用分场景内点法进行电热联合经济调度的特点是具有时序性，而在每个单独时段，储热装置放热将引起热电联产机组等效总供热负荷的减少从而导致其耦合电出力下限的降低，进而引起弃风时段风电上网增加，而非弃风时段系统中经济性更好的机组承担更多负荷，均有利于减少总调度负荷，然而，这与储热装置周期性蓄热量不变约束相矛盾，储热时段将无法确定，为解决该问题，外层采用ega确定储热装置最佳工作计划，进而得到热电联产机组的等效总供热负荷，随后在内层采用分场景hessian矩阵内点法得到最佳电热联合调度计划及外层种群的适应度，最后按照ega的惯用流程迭代寻优。

本发明的一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型，是针对中国北方地区冬季供暖期热电联产机组热电耦合约束导致的弃风问题，利用场景划分的方法处理热电联产机组的电热关联约束，采用ega-ipm法对调度模型进行求解，分析电锅炉供热比例与包含弃风成本和运行费用在内的系统总调度成本的关系，对比储热装置不同工作方式以及含储热热电联产与电锅炉系统调供热时的经济性，具有最大程度消纳弃风同时取得最佳经济性等优点，为电网调度部门制定日前调度计划提供依据。

附图说明

图1是含有风电场和热电联产机组的ieee30节点拓扑结构示意图；

图2是电热联合系统的电、热负荷预测曲线示意图；

图3是风速及风电出力预测曲线示意图；

图4是电热综合系统的结构示意图；

图5是含精英策略遗传算法求解流程示意图；

图6是不同供热方式时系统各时刻的调度成本示意图；

图7是不同供热方式时系统各时刻的弃风情况对比示意图；

图8是弃风时刻电锅炉供热比例和系统总调度成本的关系示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型作进一步说明。

本发明是一种基于场景划分的电热综合系统弃风消纳协调调度模型，利用场景划分的方法处理热电联产机组的电热关联约束，采用分场景ega-ipm法进行电热联合经济调度，外层采用ega确定储热装置最佳工作计划(设置各个时段的储、放热功率)，内层采用分场景hessian矩阵内点法得到最佳电热联合调度计划，具体包括以下步骤：

1)电热综合系统结构确立

电热综合系统由风电场群、常规火电机组、含储热热电联产机组和电锅炉组成。储热装置设置在热电联产机组侧以解耦电热耦合约束，增加其出力的灵活性；电锅炉设置在电负荷侧，在弃风时接入供热以消纳弃风；

2)弃风消纳协调调度模型优化目标的建立

电热联合经济调度通常以系统发电成本最小为调度目标，为检验储热装置及电锅炉消纳弃风功率的效果，在成本中加入弃风成本，故模型的目标函数包含机组运行成本和弃风成本两部分如式(1)-式(3)所示：

cost＝costopr+costwcur(1)

其中：m为热电联产机组总台数，n为常规火电机组总台数，ai,bi,ci,di,ei,fi为热电联产机组运行成本系数，pi为第i台机组的电出力，p^hi为第i台热电联产机组的热出力，ε为弃风成本系数，k为风电场个数，pw为第w个风电场的出力pl为系统总负荷；

当使用内点法对上述目标进行优化时，参照内点法求解非线性规划的一般形式，按照弃风发生与否，不包含常数项的内点法优化目标分别为：

无弃风时的优化目标：

g0＝[b1,b2,bn,bn+1,…bm+n,en+1,…em+n]^t(7)

有弃风时的优化目标：

g1＝[b1+ε,…bn+ε,bn+1+ε,…,bm+n+ε,en+1,…em+n]^t(9)

由于电锅炉仅在弃风时刻接入系统消纳弃风，故不单独设置变量，但须在弃风时刻找到电锅炉接入供热比例与总调度成本之间的关系，以确定电锅炉在弃风时刻的最佳供热量；

3)弃风消纳协调调度模型运行约束条件分析及求解

含储热与电锅炉电热综合系统的弃风消纳调度模型的约束条件包含不依赖场景的约束和依赖场景的约束两大部分；

不依赖场景的约束：

电负荷平衡约束：

其中：pi,t表示第i台常规火电或热电联产机组t时刻的发电功率，pw,t表示第w台风电机组t时刻的预测出力，peb,t表示t时刻接入电锅炉供热所消耗的电功率，pwcur,t表示t时刻的弃风功率，le,t表示系统t时刻的电负荷；

机组出力约束：

pi,min≤pi,t≤pi,max(11)

其中：pi,min表示常规火电或热电联产机组t时刻的最小发电功率，pi,max表示常规火电或热电联产机组t时刻的最大发电功率；

常规火电机组爬坡约束：

-pd,i≤pi,t-pi,t-1≤pu,i(12)

其中：pd,i表示第i台常规火电机组向上的爬坡率，pu,i表示第i台常规火电机组向下的爬坡率，pi,t表示第i台常规火电机组t时刻的发电功率；

供热平衡约束：

其中：为第i台热电联产机组t时刻的供热功率，peb,t为t时刻电锅炉供热功率，η为电锅炉电热转换效率，取0.99，为第i台储热装置t时刻的热出力，该热出力正值为供热，负值为储热，lh,t为系统t时刻的热负荷；

出于可持续运行的考虑，储热装置运行时需满足调度周期蓄热容量不变的约束，即一个调度周期后储热装置的蓄热量需保持给定初值，因此其需要满足的所有运行约束包括储、放热功率约束、容量上限约束和周期容量不变约束：

其中：为第i台储热装置在t时刻的储热量，为第i台储热装置的最大储热功率、为第i台储热装置的最大放热功率，si.max为第i台储热装置的蓄热容量，为第i台储热装置在t时刻的储、放热功率，q为储热装置的总数量；

依赖场景的约束：

由于根据热电联产机组的电热特性划分了若干场景，而热电联产机组的爬坡约束为归算到纯凝工况下的爬坡约束，故不同场景下的爬坡约束公式将不同，以下分别给出两台热电联产机组的分场景爬坡约束公式：

对于场景1和场景2下的爬坡约束如式(15)所示：

其中：pg为出力归算值，pe为任意电出力，pgxx为热电联产机组出力归算值的下限，pgsx为热电联产机组出力归算值的上限，pu,chp为热电联产机组的向上爬坡速率，pd,chp为热电联产机组的向下爬坡速率，pg,t-1为前一个时段热电联产机组出力的归算值；

对于场景3下的爬坡约束如式(16)所示：

对于场景4和场景5下爬坡约束如式(17)所示：

其中：pg1、pg0为典型运行点的出力归算值，pmin0为热电联产机组不供热时的最小电出力，ph为任意热出力，cv1、cv2、cv3为热电联产机组的固定参数，值分别为0.151、0.068及4.958，δ1、δ2、δ3为热电联产机组固定参数，值分别为130.698、45.076及-34.825；

爬坡约束自求解第2个时刻起加入模型求解，每个时刻基于前一个时刻求得的最优结果以及不同场景下的爬坡约束公式，确定该时刻特定场景下的热电联产机组爬坡范围。

采用分场景内点法进行电热联合经济调度的特点是具有时序性，而在每个单独时段，储热装置放热将引起热电联产机组等效总供热负荷的减少从而导致其耦合电出力下限的降低，进而引起弃风时段风电上网增加，而非弃风时段系统中经济性更好的机组承担更多负荷，均有利于减少总调度负荷。然而，这与储热装置周期性蓄热量不变约束相矛盾，储热时段将无法确定。为解决该问题，外层采用ega确定储热装置最佳工作计划，进而得到热电联产机组的等效总供热负荷，随后在内层采用分场景hessian矩阵内点法得到最佳电热联合调度计划及外层种群的适应度，最后按照ega的惯用流程迭代寻优。

如图1所示，本实施例采用ieee30节点模型，将原5节点和8节点处的常规机组改为热电联产机组，并在15节点处接入风电机组，系统#8节点处的热电联产机组配置储热装置，其最大充、放热功率为50mw，最大储热容量为400mw·h。风电场装机容量为298.5mw，含348台850kw风机。通过仿真分析加入储热装置与电锅炉(前后系统消纳弃风能力以及调度经济性的变化)，验证所建立的模型对于进一步拓展电网弃风消纳空间、节约调度成本的效果。热电联产机组及其他机组的参数如表1所示，电热联合系统的电、热负荷预测曲线如图2所示，风速及出力预测曲线如图3所示。

表1热电联产机组及其它机组的参数

1.电热综合系统结构确立

电热综合系统的结构如图4所示，系统由风电场群、常规火电机组、含储热热电联产机组和电锅炉组成。储热装置设置在热电联产机组侧以解耦电热耦合约束，增加其出力的灵活性；电锅炉设置在电负荷侧，在弃风时接入供热以消纳弃风。

2.弃风消纳协调调度模型优化目标的建立

电热联合经济调度通常以系统发电成本最小为调度目标。为检验储热装置及电锅炉消纳弃风功率的效果，在成本中加入弃风成本，故模型的目标函数包含机组运行成本和弃风成本两部分。

3.弃风消纳协调调度模型运行约束条件分析及求解

含储热与电锅炉电热综合系统的弃风消纳调度模型的约束条件包含不依赖场景的约束和依赖场景的约束两大部分。弃风消纳协调调度模型求解过程如图5所示。

本实施例中的电锅炉为集中供热式，设置在负荷侧，仅在出现弃风的时刻接入系统供热以消纳弃风。算例对比了以下三种供热方式的经济性：

方式1：储热装置与电锅炉均不工作

系统由传统热电联产机组供热，热电耦合约束压缩了风电上网空间。

方式2：热电联产机组设置储热

#3机组加装储热装置，不考虑电锅炉供热，通过储热装置可灵活调节热电联产机组的出力，提供一定的消纳弃风空间。

方式3：电锅炉与储热装置协同供热

#3机组为含储热热电联产机组，并在弃风时段接入电锅炉，可进一步拓展电网弃风消纳空间。

不同供热方式时系统各时刻的调度成本和弃风情况对比分别如图6、图7所示，经济调度性能比较如表2所示。

表2三种供热方式的经济调度性能比较

显然，仅依靠储热装置并不能完全消纳风电，故电锅炉需要与储热装置协调工作以使风电上网空间最大化。

弃风时刻接入电锅炉供热时，其供热比例与总调度成本之间存在一定关系，图8给出了第3～5时段出现弃风时，当该时刻前的所有弃风时刻按最优供热比例供热后，该时刻电锅炉供热比例与总调度成本的关系。

该曲线在最优供热比例点左侧的部分近似呈线性递减，原因在于随着电锅炉供热比例的增大，传统供热方式可能产生的弃风电量逐渐被电锅炉所消耗，两者近似成线性关系；曲线在最优供热比例点右侧的部分先增后减，拐点处系统的机组组合状态发生改变。电锅炉供热比例到达小于1的某极限值后，将无法再增加。总之，当储热装置无法完全消纳弃风时，采用电锅炉与含储热热电联产机组协同供热的方式，系统的总经济调度成本可达到最小值348389.91$，无弃风且比不加入储热装置和电锅炉时的调度成本减少了9.01％。可见，采用协同供热的方式可进一步拓展电网消纳弃风空间、降低系统调度成本。

本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。