一种电力系统发电侧资源配置优化方法与流程

本发明提出一种电力系统发电侧资源配置优化方法，属于优化电力系统发电侧资源配置的领域。

背景技术

随着电力市场改革的推进，市场化水平逐步提高，优化机组出力和资源配置是电力市场参与者的重要目标。在电力系统发电侧，发电商参与到市场竞争中，通过优化决策，在博弈过程中实现资源最大优化。可再生能源发电受天气影响较大，具有间歇性、波动性、随机性的特点，影响了电力系统的可靠性，随着可再生能源占比日益增加，二者之间的矛盾加剧。储能系统的灵活调节特性可以有效缓解可再生能源出力与电力系统稳定性的矛盾，在发电侧起到了重要的调节作用，然而储能系统参与到发电侧竞争也使得电力系统的全局资源优化配置更加复杂。

电力系统发电侧的资源配置是国内外学者的研究重点，过去十几年来学者们提出了很多优化方法。然而，随着电力行业的不断发展，特别是电力场化程度的提高，对资源配置的优化精度和速度的要求也在不断提高。已有研究大多是通过发电权的转让，以市场的手段来实现资源优化配置。在发电权交易中，发电商都是基于各自的利益最大化，考虑自身生产能力、经营策略和市场变化，来不断调整自身的竞争策略，这样有可能会导致资源分配的不合理，各个发电商之间难以形成合作。在发电权交易中，当转让方的数量比较多时，就很难形成一个合作性组织，每个交易主体都是以自己的利益为前提，为使自己的利益损失降到最低，转让方之间就形成了一个“囚徒困境”的非合作博弈，从而导致电力系统冗余过多，资源配置效率低下，难以适应如今电力市场的发展，影响了电力系统的运行效率。

古诺模型是分析寡头竞争的常用模型，在电力系统中发电商确定种类参与到发电侧形成典型的寡头竞争，在电力市场中以发电商的出力作为竞争的投标方式。纳什均衡是对于所有市场参与者选择的策略组合，其中每一个参与者选择的战略必须是针对其他参与者战略的最优反应，且没有参与者愿意独自离弃他所定的战略。纳什-古诺均衡模型一般应用在考虑期货合约的电力市场中，可以有效解决发电商基于期货、期权交易的资源优化配置问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电力系统发电侧资源配置优化方法。本发明用于优化电力系统发电侧的资源配置，提高可再生能源消纳，提高电力系统运行效率。

本发明提出一种电力系统发电侧资源配置优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)构建电力系统发电侧资源配置优化模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

1-1)确定模型的目标函数，表达式如式(1)所示：

式中，是整体发电系统的优化目标函数，即在t时刻储能系统、火电机组、水电机组和可再生能源发电机组中第i台发电机组的出力，以及对应发电机组的备用容量和调峰容量所相应带来的收益；是在t时刻第i台确定种类发电机组的出力大小，是在t时刻第i台确定种类发电机组的备用容量，是在t时刻第i台确定种类发电机组的调峰容量。e表示机组出力大小，r表示机组备用容量，f表示机组调峰容量，t表示一天24小时，n表示市场参与者的总数量；α(t)和β(t)是分别在t时刻反需求函数的斜率和截距对应的系数，λ^r(t)表示在t时刻备用市场的价格，表示在t时刻调峰容量价格，表示在t时刻调峰使用价格，θxi表示第i台确定种类；发电机组的调峰比率，cti表示第i台火力发电机组的发电成本系数；

1-2)确定模型的约束条件，具体如下：

1-2-1)市场出清约束，表达式如下：

式中，es表示储能系统，tp表示火电机组，hp表示水电机组，re表示可再生能源发电机组；si表示储能系统发电的i台机组，ti表示火力发电的i台机组，hi表示水力发电的i台机组，ri表示可再生能源发电的i台机组；qd(t)是t时刻的电力总需求，λ^e(t)是t时刻电能的市场价格；

1-2-2)储能系统技术约束，表达式如下：

式(3)中，是t时刻储能系统第i台机组发电输出，和分别是t时刻储能系统第i台机组的放电输出和充电输入，和均是二进制变量，分别表示储能系统t时刻第i台机组的放电状态和充电状态，qsimax是储能系统第i台机组的最大输出；

式(4)中，是t时刻储能系统第i台机组的备用容量，是t时刻储能系统第i台机组的调频容量；

式(5)中，h是储能系统工作的小时数，esi(t)是t时刻储能系统第i台机组储存的能量；

1-2-3)火电机组约束，表达式如下：

式(6)中，是t时刻第i台火电机组发电输出，是t时刻第i台火电机组备用容量，是t时刻第i台火电机组调频容量，qtimax是第i台火电机组发电的最大限值，qtimin是第i台火电机组发电的最小限值；

式(7)中，是第i台火电机组的爬坡速率的上限，是第i台火电机组的爬坡速率的下限；t^r是备用响应时限，t^f是调峰响应时限；

1-2-4)水电机组约束，表达式如下：

式(8)中，是t时刻第i台水电机组发电输出，是t时刻第i台水电机组备用容量，是t时刻第i台水电机组调频容量，qhimax和qhimin分别是第i台水电机组发电最大限值和最小限值；

式(9)中，ehimax是一天中第i台水电机组可提供的最大水电输出；

1-2-5)可再生能源发电约束，表达式如下：

式(10)中，qrimax(t)是t时刻第i台可再生能源发电机组的输出上限，qrimin(t)是t时刻第i台可再生能源发电机组的输出下限；

2)对步骤1)建立的模型进行求解，分别得到储能系统、火电机组、水电机组、可再生能源发电的出力大小，备用容量和调峰容量，即求解出电力系统发电侧资源配置优化完毕。

本发明的技术特点及有益效果：

1、本发明基于纳什-古诺均衡模型构造了目标函数，考虑市场参与者的技术约束和市场出清条件，有利于合理的分配电力资源。

2、根据不同的发电商提供的技术约束，来优化发电资源配置，使得各发电商之间能够更好的协同合作，减少电力系统冗余带来的影响。

3、本发明为不同类型发电商提供了相应的发电策略，提高了不同发电设备的利用率，进而促进了电力系统运行效率。

具体实施方式

本发明提出一种电力系统发电侧资源配置优化方法，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式可用以解释本发明，但并不限定本发明。

本发明提出一种电力系统发电侧资源配置优化方法，是一种基于纳什-古诺均衡模型的优化方法。

纳什-古诺均衡是指博弈中的局面，对于每个市场参与者来说，只要其他竞争者不改变策略，自己无法改善的状况。当纳什均衡存在时，每个参与者都只有有限种策略选择并允许混合策略。在电力系统发电市场中，储能系统、火电机组、水电机组、可再生能源是市场的参与者，建立的传统纳什-古诺模型中的上层目标是四个参与者各自的利润最大化和技术约束，下层是市场出清条件。

本发明考虑了储能系统参与到电力系统发电侧，通过重新构造纳什-古诺均衡模型，对不同的发电侧参与者进行了系统资源优化配置，提高电力市场运行效率。

本发明提出一种电力系统发电侧资源配置优化方法，包括以下步骤：

1)构建电力系统发电侧资源配置优化模型，该模型由目标函数和约束条件构成，具体步骤如下：

1-1)确定模型的目标函数，表达式如式(1)所示：

式(1)表示在t时刻时，不超出储能系统、火电、水电和可再生能源发电技术约束的条件下，由系统总电能输出、备用容量及调峰容量所带来带来的总收益。其中，是整体发电系统的优化目标函数，即在t时刻储能系统、火电机组、水电机组和可再生能源发电机组中第i台发电机组的出力，以及对应发电机组的备用容量和调峰容量所相应带来的收益。

等式左侧是整体优化目标，即市场参与者各自的利润，是在t时刻第i台确定种类(xi的取值范围是储能系统es、火电tp、水电hp和可再生能源re)发电机组的出力大小，在本实施例中，参与电力系统发电侧的机组类型包括储能系统、火力发电、水力发电和可再生能源发电；是在t时刻第i台确定种类发电机组的备用容量，是在t时刻第i台确定种类发电机组的调峰容量，e表示机组出力大小，r表示机组备用容量，f表示机组调峰容量，t表示一天24小时，n表示市场参与者的总数量。α(t)和β(t)是分别在t时刻反需求函数的斜率和截距对应的系数。λ^r(t)表示在t时刻备用市场的价格，表示在t时刻调峰容量价格，表示在t时刻调峰使用价格，θxi表示第i台确定种类(x可取的范围是储能系统s、火电机组t、水电机组h和可再生能源发电机组r)；发电机组的调峰比率，cti表示第i台火力发电机组的发电成本系数。

1-2)确定模型的约束条件，具体如下：

1-2-1)市场出清约束，表达式如下：

式(2)第一个等式中，等式左边为t时刻所有市场参与者的出力大小，等式右边为储能系统、火电机组、水电机组和可再生能源发电机组t时刻的各自总出力。其中，es表示储能系统，tp表示火电机组，hp表示水电机组，re表示可再生能源发电机组；si表示储能系统发电的i台机组，ti表示火力发电的i台机组，hi表示水力发电的i台机组，ri表示可再生能源发电的i台机组。

式(2)第二个等式中，qd(t)是t时刻的电力总需求。

式(2)第三个等式中，λ^e(t)是t时刻电能的市场价格。

市场出清约束涵盖了多时段电能平衡约束和线性反需求函数。当反需求函数的减少，不同的发电机考需要虑竞争对手的策略再去决定自身的定价，以此来最大化自身的收益。

1-2-2)储能系统技术约束，表达式如下：

式(3)中，是t时刻储能系统第i台机组发电输出，和分别是t时刻储能系统第i台机组的放电输出和充电输入，和均是二进制变量，分别表示储能系统t时刻第i台机组的放电状态和充电状态，qsimax是储能系统第i台机组的最大输出。

式(4)中，是t时刻储能系统第i台机组的备用容量，是t时刻储能系统第i台机组的调频容量。

式(5)中，h是储能系统工作的小时数，esi(t)是t时刻储能系统第i台机组储存的能量。

通过式(3)、式(4)、式(5)三式可知，储能系统受到的技术约束有充放电限制约束，容量约束以及可用能量约束。

1-2-3)火电机组约束，表达式如下：

式(6)中，是t时刻第i台火电机组发电输出，是t时刻第i台火电机组备用容量，是t时刻第i台火电机组调频容量，qtimax是第i台火电机组发电的最大限值，qtimin是第i台火电机组发电的最小限值。

式(7)中，是第i台火电机组的爬坡速率的上限，是第i台火电机组的爬坡速率的下限；t^r是备用响应时限，t^f是调峰响应时限。

通过式(6)、式(7)两式可知，火电机组受到的技术约束为容量约束和爬坡约束。

1-2-4)水电机组约束，表达式如下：

式(8)中，是t时刻第i台水电机组发电输出，是t时刻第i台水电机组备用容量，是t时刻第i台水电机组调频容量，qhimax和qhimin分别是第i台水电机组发电最大限值和最小限值。

式(9)中，ehimax是一天中第i台水电机组可提供的最大水电输出。

通过式(8)、式(9)两式可知，水电机组的技术约束为容量约束和水资源可用能量约束。

1-2-5)可再生能源发电约束，表达式如下：

式(10)中，qrimax(t)是t时刻第i台可再生能源发电机组的输出上限，qrimin(t)是t时刻第i台可再生能源发电机组的输出下限。

通过式(10)可知，可再生能源的技术约束仅为输出限值，由于可再生能源不具备备用和调频的能力，因此没有与之对应的备用和调频容量约束。

2)基于ibmcplex优化平台对步骤1)建立的模型进行求解，分别得到储能系统、火电机组、水电机组、可再生能源发电的出力大小，备用容量和调峰容量，即求解出在发电机组改变竞标策略时，电力系统资源配置的变化可以通过目标函数来反映。通过比较不同时刻资源配置结果，得到各类型发电机组的电力输出，备用容量和调峰容量暨为优化结果，电力系统发电侧资源配置优化完毕。