一种提高风电消纳能力的多热源协调调度策略制定方法与流程

本发明涉及新能源与高效节能技术领域，尤其涉及一种用于提高风电消纳能力的包含一级热网、电锅炉及储热等多热源协调调度策略制定方法。

背景技术：

在北方供暖季，谷荷时段是保证系统频率稳定和功率平衡的关键时段。然而，随着以风电为代表的间歇性能源大规模接入电网，其波动、间歇和反调峰特性会增加电网对电源参与调峰能力的需求，其表现为传统机组在非经济运行区间运行，系统备用不足，机组深度调峰和停机频率上升，大容量长时间弃风等。

在电力负荷高峰及腰荷时段，由于较高的电力需求，“以热定电”对热电联产机组的影响并不明显，此时电力系统的消纳风电能力也并不紧张，但随着进入电力谷荷时段，电网负荷下降，对电源出力要求降低，而因室外温度影响，此时段热负荷要求却逐步上升，电、热出力矛盾显现，外加“以热定电”政策及热电机组热电耦合限制，热电机组电出力无法降低，只能通过弃风来保持电网功率平衡，因此，大部分的弃风发生在电力谷荷时段，该时段的弃风电量明显高于其他时段。同时，在日常实际运行中，由于风速和电力负荷预测技术的限制，实际系统净负荷与预测值相比偏差较大，较大的净负荷预测误差恶化了电力系统对风电的消纳能力，而这种恶化在电力谷荷时段更加剧了弃风的发生。因此，如何通过一级热网、热电联产机组与附加热源的协调调度，实现更好的风电消纳效果，已成为一个关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术由于风速和电力负荷预测技术的限制，实际系统净负荷与预测值相比偏差较大，较大的净负荷预测误差恶化了电力系统对风电的消纳能力，而这种恶化在电力谷荷时段更加剧了弃风的发生的问题，而提出一种提高风电消纳能力的多热源协调调度策略制定方法。

一种提高风电消纳能力的多热源协调调度策略制定方法包括以下步骤：

步骤一：获取电-热联合系统内电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的技术参数，根据其技术参数及技术特点制定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的调控方式；所述技术参数包括电锅炉、热储和热电联产机组的额定功率、热储的储热容量等；

步骤二：获取电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的运行成本参数，确定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网参与协调调度的调度成本；所述运行成本参数包括热电机组二次电输出功率成本系数α、热电机组一次电输出功率成本系数β、拟合常数c、热电机组二次热输出功率成本系数δ、热电机组一次热输出功率成本系数θ、电热输出功率成本系数ξ；

步骤三：根据步骤一和步骤二建立以风电消纳量最高及总协调调度成本最低为目标函数的两级式多热源协调调度优化模型，两级式多热源协调调度优化模型以超短时(超短时可以为5分钟)风电功率预测值、电力负荷预测值和热力负荷预测值为输入，输出多热源滚动发电计划和供暖计划；所述多热源包括电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网。

本发明的有益效果为：

1)本发明设计明确了用于提高风电消纳能力的包含电锅炉、热储、一级热网储热和热电联产机组在内的各种热源控制方式，为实现多种热源的协调调度提供技术基础。

2)本发明设计利用多种热源技术，可以在不同时间级上实现对电力谷荷时段过剩风电的消纳。

3)本发明设计在利用多热源提高供暖期电力谷荷时段风电消纳能力的同时，充分考虑了多种热源的经济运行方式，保证了本发明设计的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例的电锅炉调度方法流程图；

图2为本发明实施例的储热装置调度方法流程图；

图3为本发明实施例的热电联产机组调度方法流程图；

图4为本发明实施例的一级供热管网储热调度方法流程图；

图5为本发明实施例的两级式多热源优化调度方法流程图；

图6为动态规划法计算流程图；

图7为一年内各周内电力负荷变化曲线图；

图8为不同季节日内电力负荷变化曲线图；

图9为对供暖期内每日的热负荷强度进度进行统计的结果图；

图10为在第一层次系统级对风电消纳能力的优化结果图；

图11为供暖期电力谷荷时段热储的储放热功率变化及热储储能状态图；

图12为电力谷荷时段供暖系统各热源的出力情况；

图13为电力谷荷时段各热电联产机组出力分配图；

图14为电力谷荷时段各供暖区域一级热网储能变化情况；

图15为电力谷荷时段各热储剩余热量图；

图16为供暖期电力谷荷时段附加热源各电锅炉用电情况。

具体实施方式

具体实施方式一：一种提高风电消纳能力的多热源协调调度策略制定方法包括以下步骤：

步骤一：获取电-热联合系统内电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的技术参数，根据其技术参数及技术特点制定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的调控方式；所述技术参数包括电锅炉、热储和热电联产机组的额定功率、热储的储热容量等；

步骤二：获取电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的运行成本参数，确定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网参与协调调度的调度成本；所述运行成本参数包括热电机组二次电输出功率成本系数α、热电机组一次电输出功率成本系数β、拟合常数c、热电机组二次热输出功率成本系数δ、热电机组一次热输出功率成本系数θ、电热输出功率成本系数ξ；

步骤三：根据步骤一和步骤二建立以风电消纳量最高及总协调调度成本最低为目标函数的两级式多热源协调调度优化模型，以已制定的日前发电、供热计划为基础，根据超短时风电功率与电力负荷预测信息对日内滚动发电及供暖计划进行调整。两级式多热源协调调度优化模型以超短时(超短时可以为5分钟)风电功率预测值、电力负荷预测值和热力负荷预测值为输入，输出多热源滚动发电计划和供暖计划；所述多热源包括电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网。

本发明包括：获取电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的技术特点，以确定其对应的调控方式；获取电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的运行成本参数，以确定其参与协调调度的调度成本；建立以风电消纳量最高及总协调调度成本最低为决策变量的两级式多热源协调调度优化模型，以已制定的日前发电、供热计划为基础，根据超短时风电功率与电力负荷预测信息对日内滚动发电及供暖计划进行调整。本发明以风电消纳量和多热源总调度成本作为多热源协调调度策略制定的决策变量，在保证最大程度避免弃风条件下实现多热源的经济性运行。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中获取电-热联合系统内电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的技术参数，根据其技术参数制定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的调控方式的具体过程为：

(1)如图1所示，电锅炉技术特点及控制方式：电锅炉根据电网负荷水平与风电输出功率超短时预测，预设运行功率，并实时跟踪实测电力负荷和风电功率与电力负荷和风电功率预测值之间的误差；根据每台电锅炉对应热储剩余热量状态，确定各电锅炉的输入功率，根据过剩风电是否消纳确定各电锅炉转化的热能是存储于热储还是直送热网；

(2)如图2所示，热储技术特点及控制方式：热储并不能直接调节电网的调峰能力，它要通过作用热网，进而影响热电联产机组运行状态的方式，来增强电网的调峰能力。因此，热储在每个调度周期区间开始前，设置本调度周期内各调度时段的热储储放状态，在为接纳热能留有适当空间的同时，储备一定的热能参与对热电联产机组的运行调整。根据预测的电网等效负荷水平、电锅炉额定总功率以及热储剩余能量水平确定热储储放热功率；所述热储储放状态分为储热和放热；

(3)如图3所示，热电联产机组技术特点及控制方式：热电联产机组不仅负责为电网供电，还担负热网的热源，在电网谷荷时段对热电联产机组电出力进行调节时需要保证热网热源的稳定。在电网谷荷时段，对热电联产机组的电输出功率由电-热联合系统的电力负荷水平和风电输出功率以及电锅炉电输入功率决定；对热电联产机组的热输出功率由电-热联合系统的热力负荷水平和热储的热输出功率以及电锅炉的热输出功率决定；因此，在电网谷荷时段，对热电联产机组的电出力调度需要外部附加热源和热网与其配合；

(4)如图4所示，一级热网储热技术特点及控制方式：利用热网中热媒蕴含的巨量内能，实现热负荷与热源间的柔性连接。因此，一级热网的调度方式(与热储相似)为：当电力系统发生弃风时，若一级热网内热媒温度高于规定下限(规定下限为供热公司规定)，则通过向二级热网释放热媒内能的方式降低热电机组热出力，提高热电机组调峰能力消纳更多风电。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中获取电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的运行成本参数，确定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网参与协调调度的调度成本的具体过程为：

根据电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的运行成本参数，以确定其参与协调调度的调度成本；

(一)：电锅炉调度成本：因电锅炉加热热媒用电主要采用过剩风电，因此，由加热能源费用决定：

其中，为电锅炉i在t时刻的运行成本，单位为万元；为电锅炉i在t时刻的运行功率，单位为mw；τ为电锅炉用电价格；

(二)：热储调度成本主要包括热源费用和热储运行费用，则：

其中，为热储i在t时刻的运行成本，单位为万元；为热储热源费用，单位为万元；为热储运行费用，单位为万元；

(三)：热电联产机组的调度成本主要为发电及供暖燃煤费用，则：

其中，为热电联产机组i在t时刻的运行成本，单位为万元；为热电联产机组电出力功率，单位为mw；为热电联产机组热出力功率，单位为mw；bcoal为燃煤价格，单位为万元/吨；αi、βi、ci、δi、θi、ξi为热电机组i的运行成本系数；

(四)：一级热网调度成本：利用一级热网储热特性进行风电消纳是运用热网固有装置，利用运行管理方式的改变来影响对热电联产机组热出力要求，故一级热网的调度费用可忽略不计。电锅炉i、热储i和热电联产机组i为对应关系，在同一个子电-热联合系统系统中。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中根据步骤一和步骤二建立以风电消纳量最高及总协调调度成本最低为目标函数的两级式多热源协调调度优化模型的具体过程为：

建立以风电消纳量最高及总协调调度成本最低为决策变量的两级式多热源协调调度优化模型，以已制定的日前发电、供热计划为基础，根据超短时风电功率与电力负荷预测信息对日内滚动发电及供暖计划进行调整；

图5示出了本发明一个实施例的两级式多热源优化调度方法流程图，如图5所示；步骤三两级式多热源协调调度优化模型包含以下几个步骤：

步骤三一：数据准备：生成超短风电功率预测序列、电力负荷功率预测序列和热力负荷预测序列；

步骤三二：第一层优化：将电-热联合系统的弃风电量最低设定为第一层的优化目标，根据电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网的弃风消纳方式(风电消纳能力)，确定电锅炉、热储、热电联产机组和一级热网分别承担的弃风消纳功率，得到电力谷荷时段内各时间段电力系统减少弃风功率，以及供热系统降低热电联产出力所需补充的附加热源热输出功率；所述附加热源为电锅炉、热储和一级热网；

电力系统降低(减少)弃风功率包括两部分：由降低热电联产机组电出力所增加的风电消纳以及附加热源工作提高电力负荷水平所增加的风电消纳。

其中，δpcurt,wt为t时刻电力系统降低弃风功率，单位为mw；为t时刻热电联产机组i降低的电出力功率，单位为mw；peb,j,t为t时刻电锅炉j的用电功率mw；

步骤三三：第二层优化：热电联产机组电、热输出功率(出力)分配阶段，利用动态规划法对各个热电联产机组的电、热输出功率分配进行优化，以所有热电联产机组总运行费用最低作为优化目标；热储、电锅炉协调调度阶段，根据热电联产机组电、热输出功率分配的结果，确定每台热电联产机组对应的附加热源所需要提供的补充热出力。

联合协调调度成本最低目标(以所有热电联产机组总运行费用最低作为优化目标)可表示如下：

mincdis＝cchp+ceb+chs

本实施方式所述的装置可以用于执行上述方法实施例,其原理和技术效果类似,此处不再赘述。

本发明设计明确了用于提高风电消纳能力的包含电锅炉、热储、一级热网储热和热电联产机组在内的各种热源控制方式，为实现多种热源的协调调度提供技术基础。可以在不同时间级上实现对电力谷荷时段过剩风电的消纳。同时，在利用多热源提高供暖期电力谷荷时段风电消纳能力的同时，充分考虑了多种热源的经济运行方式，保证了本发明设计的经济性。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三三中动态规划法具体为：

动态规划法是将问题分为若干个子问题，按顺序求解各子问题，上一子问题的解对下一子问题的求解有影响。在每个子问题求解阶段，列出可能出现的各种局部解，通过决策判据保留可达到最优的局部解，去除其他解。以此类推，当解决最后一个子问题后，所累积的局部解即为全局问题的最优解。

如图6所示，本发明中，第一层级优化中得到的热电联产机组承担的弃风消纳功率(热电联产机组总输出下降功率)作为全局问题；将热电联产机组总输出下降功率分为若干个子下降输出功率，每个子热电联产机组功率对应为一个子问题；在各个子下降输出功率中，计算各热电联产机组承担子下降功率的调度成本，将其定义为该子问题的局部解；将调度成本最低作为子问题的决策判据；寻找到在该子下降功率中，调度成本最低的热电联产机组作为子解，该子解对应的机组降低输出功率为该子下降功率，其他机组下降功率为0；最后，累加所有热电联产机组在各子下降功率中的解值即为热电联产机组出力的优化分配结果。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

以吉林省白城市电、热混合网络作为算例系统。该地区电网电源总装机容量为2950mw，其中热电联产机组6台，总装机容量1550mw，纯凝火电机组4台，总装机容量1100mw，风电总装机容量300mw，地区内风电渗透率约为18.5％，地区内供暖片区主要有三个，热网热源由热电联产机组承担，最大供暖功率为1600mw。算例系统内各种电源类型及容量如下：

风场由400台单机容量为1.5mw的envision-1.5-100型号风机组成，风场总装机容量为600mw，系统内风电渗透率约达10.2％。单台风机的切入、额定风速和切出风速分别为3m/s，14m/s，25m/s。各风场间相关系数为1，整个区域内近似看作单一风场，风场内尾流效应系数设置为0.9。

电-热混合系统附加热源配置为电锅炉额定总用电功率为155mw，热储总额定热输出功率155mw，热储总储热容量为155mwh，为保护热储装置的健康使用，热储的能量状态变化区间设置为[0.30.9]，即当热储剩余热量不足30％时，停止向外送热，当超过90％时停止向内储热。三个供暖区一级热网可利用的储热能量分别为120mwh、110mwh和80mwh，各热电联产机组对应的附加热源配置如下：

一年内各周和不同季节日内电力负荷变化曲线如图7和图8所示，供暖季为每年第40周至第二年第12周。

对供暖期内每日的热负荷强度进度进行统计，统计结果如图9所示，考虑到日内热负荷变化范围不大，可认为日内热负荷是稳定且持续的。

对算例系统风场地区供暖期历史风速进行统计，发现其满足尺度系数和形状系数分别为1.96、5.54的weibull分布。因此，利用weibull分布生成供暖季内风速数据。

利用两级式协调调度方法，对系统级、热电联产机组间和附加热源内部的协调调度进行优化，制定出热电联产机组和附加热源的滚动发电、供热计划。

第一层级系统级调度。

在第一层次系统级对风电消纳能力的优化结果如图10所示。通过多热源的协调作用，电网上的大部分的过剩风电可被消纳，由于电锅炉可通过电、热两个方面实现对风电的消纳，因此其风电消纳能力要强于热储。在1时20分前，一级热网储热作为主要参与消纳弃风的热源，电锅炉辅助一级热网对净负荷预测误差导致的弃风进行消纳，1时20分后，随着一级热网内热媒温度降低，一级热网储热不再参与弃风消纳。1时10分至4时10分，附加热源内的电锅炉和热储均参与弃风消纳。4时10分后由于热储剩余热量不足，过剩风电的消纳主要由电锅炉承担。在该电力谷荷时段，总过剩风电电量约为977mwh，弃风率约为52.2％，通过利用一级热网储热能力，可以消纳约214mwh的风电，通过热储可以消纳约302mwh的弃风，通过电锅炉可消纳约374mwh的弃风，通过多热源协调作用，弃风率可降低至约4.8％。

图11为供暖期电力谷荷时段热储的储放热功率变化及热储储能状态。在1时20分前，网上弃风主要由一级热网储热和电锅炉承担，此时段热储不参与风电的消纳。1时20分后，随着一级热网储热耗尽，热储开始向热网提供存储的热能，热储内剩余热量也不断降低。约4时10分，热储内剩余热能达到热储能量存储下限，如无热能输入，则热储亦不向热网输送热能。4时10分后，热储参与消纳风电的能力减弱，热储剩余热量状态多维持在设计储能状态下限附近。

电力谷荷时段供暖系统各热源的出力情况如图12所示。在0时前，由于弃风功率较小，多热源弃风消纳介入程度较弱。此时段供暖系统的热量来源绝大部分来自于热电联产机组；0时至1时20分，电网弃风功率增大，一级热网介入强度增加，供暖系统中由一级热网储热提供的热能比例增加，热电联产机组热出力下降。电锅炉对净负荷预测误差导致的弃风供暖消纳主要存储至热储；1时20分后，一级热网储热耗尽，不再作为热源向热负荷额外的热能，此时后热网热能主要由热电机组和附加热源提供。1时20分至4时10分，弃风功率持续维持在较高的范围，附加热源内热储和电锅炉均向热负荷提供较多热能以降低热电机组出力，提高弃风消纳。4时后，由于热储剩余热能接近设计下限，附加热源的热量输出主要由电锅炉承担，热电联产机组的热出力也随之上升。5时后，弃风状况减弱，附加热源退出参与弃风消纳，供热系统热源由热电联产机组承担。

第二层级热源间协调调度

根据两级式协调调度优化方法，在第一级系统层级确定了一级热网、附加热源和热电机组间的调度策略后，在第二级要制定各机组间、各一级热网间和各附加热源间的调度策略。

热电联产机组协调调度

根据各热电联产机组调度成本，利用动态规划法所得到的电力谷荷时段各热电联产机组出力分配如图13所示。在1时20分前，供热系统附加热能主要来自一级热网释放储能。在此时段，为保证各供暖区域热网储热得到充分利用，各一级热网等比例释放内能，各一级热网对应的热电机组热出力也等比例下降。至1时20分，三个供暖区一级热网储能均耗尽，开始由附加热源向供暖系统提供附加热能。1时20分后，通过动态规划法对各热电机组调度热出力分摊进行计算，计算结果可知，3号热电联产机组调度成本最低，因此首先降低3号机组的热出力，而后依次为2号、1号以及6号、5号、4号。当单台机组热出力下降不能满足要求时，依次优先保证调度成本低的机组。

一级热网协调调度

在电力谷荷时段前期，利用一级热网储热实现对热电机组调峰能力的增加，且一级热网内储存的热能成本最低，故在优先利用一级热网储热进行弃风消纳。随着一级热网不断向热负荷传递所储热能，其剩余储热不断降低，图14为电力谷荷时段，各供暖区域一级热网储能变化情况。1时20分前，各供热区一级热网等比例向热负荷释放储热，至1时20分，一级热网储热释放完毕。

热储协调调度

如图15所示，在电力谷荷时段前期，向热负荷释放附加热能主要由一级热网承担，在此时段，热储基本不参与弃风消纳。热储的的剩余热量与热储的储、放热功率相关。在1时20分前，供热系统附加热量由一级热网储能提供，热储不参与弃风消纳，其剩余热量也不发生变化。1时20分后，一级热网储热耗尽，热储开始参与弃风消纳，随着热储不断放热，各热储的剩余热量均开始下降。至4时10分时各热储剩余热量接近设计下限且弃风状况开始缓解，因4、5、6号热电机组调度成本较高，其所对应的热储不再参与风电消纳，3、2、1号热储依次参与风电消纳。5时后，弃风发生较少，所有热储不再参与弃风消纳。

电锅炉协调调度

图16为供暖期电力谷荷时段附加热源各电锅炉用电情况。在1时20分前，弃风消纳主要由一级热网储热完成，电锅炉负责对净负荷预测误差导致的弃风进行消纳，此时段各热储均处于满载状态，电锅炉转化的热能应直接输送至热网.此时段对电锅炉的选择也是调度成本低的热电机组对应的电锅炉优先。1时20分后，热负荷的附加热量完全由附加热源提供，1时20分至2时45分为弃风最严重时段，各电锅炉均处于满负荷运行状态以最大程度地消纳弃风。2时45分后，随着弃风减弱，各电锅炉出力下降。4时10分，热储剩余容量接近设计下限，此后弃风消纳主要由电锅炉承担。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。