一种共享库容的虚拟电厂优化调度方法与流程

本发明涉及电力系统领域，更具体地，涉及一种水电系统运行优化的。

背景技术：

1、风、光、水等可再生能源将成为未来电力系统的重要源侧资源，高比例可再生能源系统运行场景应用广泛。然而，风电、光伏和径流式水电站出力具有随机性、波动性和间歇性等特点，弃风、弃光、弃水等资源浪费现象普遍，也不利于电力负荷需求的安全可靠供应。因此，在可再生能源迅速发展的新形势下，亟需针对风、光、水等可再生能源大量渗透的电力系统运行问题，优化调度以完善电力系统，实现清洁能源的高效可靠接入。现有电力系统实际调度工作中，流域小水电通常被视为负荷处理，小水电基本以水定电方式运行，运行可调性差，还将造成电网的运行压力，小水电资源的利用率有待提升。

2、传统的电力系统运行方法考虑的调度资源简单，为解决因大量分布式电源接入而带来的电网波动性不确定性，虚拟电厂的技术已有一些应用，如中国专利文献cn110535183b的一种虚拟电厂的调度方法及系统，根据调度周期在预先设定的场景库中，选择同时期预设数量的风电厂出力场景、光伏出力场景和电价场景，来解决分布式能源出力不确定性。但是，该技术方案未考虑同流域小水电应用场景的特定特性，该技术方案不适于水资源发达的同一流域上共享同一水源的多个小水电站参与的电网的场景。

技术实现思路

1、鉴于我国部分水资源发达地区的同流域小水电发展迅速，且伴随流域建设的小水电富集分布，亟待需要一种考虑流域小水电站特征的虚拟电厂优化调度技术方案，以降低分布式能源在市场中孤独运行的失衡风险，对高效灵活地解决以浙江丽水为代表的流域小水电富集电力系统运行可靠性和灵活性的问题。

2、针对现有技术未考虑同流域富集的小水电站特性，本发明旨在提供一种考虑流域小水电站共享库容的虚拟电厂优化调度方法，实现流域小水电整体经库容共享的灵活调节，达到以水为储、促进可再生能源消纳的运行成效，兼顾经济和清洁发电的优势，实现既能有效消纳新能源，又能实现低碳电力供应。

3、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种共享库容的虚拟电厂优化调度方法，包括以下步骤：s1：基于虚拟电厂聚合的同流域小水电站水力网络共享库容特征，构建虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型；s2：构建聚合同流域小水电站的虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型的约束条件；s3：基于虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型，聚合风电、光伏出力和同流域小水电站水力网络共享库容，构建以最大化收益为目标的虚拟电厂调度模型；s4：考虑条件风险价值，设置优化约束条件，构建离散收益型虚拟电厂优化调度模型，进行虚拟电厂协调运行。

4、由于从属于同一流域的上游水电站出库流量将直接构成其下游水电站入库流量的一部分，因此下游水电站的运行条件受到上游水电站的影响。对此，本发明通过构建虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型，提出流域小水电共享库容水力关联模型，有利于优化调度。同时，由于不同的水电站流域拓扑存在差异，针对不同的水电站流域拓扑构建不同的优化模型需要进行大量的重复建模工作，欠缺直观性和便捷性，因此，本发明提出水电站流域网络节点共享库容时空耦合的矩阵集合表示形式。当水电站流域拓扑变化时，仅需针对所提矩阵集合内部各元素的赋值进行修改，而无需针对整体的优化模型进行变动，且所提矩阵集合具有形式简洁直观、具备实现水电站流域拓扑信息的有效存储和便捷调用等优势。同时，由于所建虚拟电厂优化调度模型以最大化收益为优化目标，且属于离散优化，因此采用引入辅助变量并构造离散型条件风险价值的方法，对虚拟电厂调度模型进行等效转化，构造考虑离散收益型条件风险价值的虚拟电厂优化调度模型。

5、进一步地，所述s1中虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型包括流域网络拓扑节点类型向量集、流域网络拓扑流量关联矩阵集、流域网络拓扑水流时滞矩阵集和流域网络拓扑水流分配系数矩阵集。

6、流域网络拓扑节点类型向量集为：

7、

8、式中，mtype表示n个流域网络拓扑节点的类型，其元素和0(i＝1,2,…,n)分别表示节点i为有库容水电站和径流式水电站。

9、径流式水电站是指无库容水电站。

10、流域网络拓扑流量关联矩阵集为：

11、

12、式中，mcon表示n个域网络拓扑节点的水流方向；为mcon的元素值，对应节点i和j不存在水力关联，对应水流方向为节点j向节点i，对应水流方向为节点i向节点j。

13、流域网络拓扑水流时滞矩阵集为：

14、

15、式中，mdelay表示n个水电站节点的水流时滞大小，其元素表示节点j向节点i传输流量的水流时滞大小，这里的时滞设置为调度时段的整数倍。

16、流域拓扑网络水流分配系数矩阵集为：

17、

18、式中，mallo表示n个水电站节点的水流分配比例大小，其元素表示节点j向节点i传输的流量占节点j总传输流量的比值，

19、通过考虑虚拟电厂中流域小水电利用时空耦合实现库容共享，建立虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型，达到虚拟储能的效果。

20、进一步地，所述s2的虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型的约束条件包括流域小水电时空耦合共享库容流量关联约束、流域小水电时空耦合共享库容出力关联约束和流域小水电时空耦合共享库容动态平衡约束。

21、流域小水电时空耦合共享库容流量关联约束为：

22、

23、

24、st＝{j|t-δtij＞0}

25、

26、式中，表示考虑风电、光伏出力和流域小水电天然来水流量不确定性场景s下流域网络拓扑节点i在调度时刻t考虑各节点之间水流时滞与水力关联的关联流量；表示场景s下尚未到达初始水流时滞的水电站j在调度时刻t的出库流量；和分别表示场景s下节点j在调度时刻t的出库流量、发电流量和弃水流量；h和st分别表示所有流域网络拓扑节点集合和在调度时刻t达到初始水流时滞大小的流域水电站节点集合；δtij表示流域网络拓扑中存在水力关联的节点i与j之间的水流时滞大小。

27、流域小水电时空耦合共享库容出力关联约束为：

28、

29、

30、式中，g表示重力加速度；表示流域网络拓扑节点i的发电效率；和分别表示场景s下调度时刻t节点i的发电净水头和发电流量，考虑一日内水头的变化通常不大，可设定一日内的水头为常数；e[·]和c(·)分别表示数学期望和copula函数；表示节点i对应的所有上游水电站考虑水流分配系数和水流时滞的出力总和。

31、流域小水电时空耦合共享库容动态平衡约束为：

32、

33、式中，和分别表示场景s下调度时刻t流域网络拓扑节点i的天然来水流量和水电站库容。

34、在虚拟电厂内部流域小水电共享库容运行特性矩阵建模的基础上，考虑流域小水电时空耦合的运行特性由流量关联、出力关联和库容动态平衡约束表征，从而使虚拟电厂可控。

35、进一步地，所述s3的虚拟电厂调度模型包括虚拟电厂的可再生能源发电收益、虚拟电厂的负荷损失成本、虚拟电厂的储能运行成本、虚拟电厂的需求响应成本。

36、虚拟电厂调度模型为：

37、f＝max(cg-clo-ces-cdr)

38、式中，f表示虚拟电厂的最大运行收益；cg表示虚拟电厂的可再生能源(包括水电、风电和光伏)发电收益总和；clo、ces和cdr分别表示虚拟电厂的负荷损失、储能运行和需求响应成本。

39、由于现有预测技术中负荷预测精度往往高于风电、光伏出力和流域水电站天然来水流量的预测精度，本发明构建仅考虑风电、光伏出力和流域水电站天然来水流量预测不确定性的虚拟电厂优化模型，采用条件风险价值理论来衡量风电、光伏出力及流域水电站天然来水流量预测误差带来的经济损失风险，实现风险可控的虚拟电厂优化调度。条件风险价值通过超越选定概率以上所有损失的加权平均期望值来度量风险水平，相比于传统的风险价值具有凸性和次可加性等优势。因此，本发明构造考虑条件风险价值的虚拟电厂优化调度模型，以实现考虑风电、光伏出力和流域水电站天然来水流量不确定性的风险调度。

40、进一步地，所述虚拟电厂的可再生能源发电收益为：

41、

42、式中，ptw、pts和分别表示虚拟电厂在调度时刻t内部风电、光伏和流域水电站i的出力；和分别表示在调度时刻t风电、光伏和流域水电站的单位发电功率收益；t为调度周期；nh为流域水电站的总数。

43、进一步地，所述虚拟电厂的负荷损失成本为：

44、

45、式中，ptlo表示调度时刻t虚拟电厂内部的负荷损失功率；表示调度时刻t虚拟电厂单位负荷损失功率成本。

46、进一步地，所述虚拟电厂的储能运行成本为：

47、

48、式中，ptec和pted分别表示虚拟电厂内部储能在调度时刻t的充电和放电功率；和分别表示调度时刻t储能的单位充电和放电功率成本。

49、进一步地，所述虚拟电厂的需求响应成本为：

50、

51、式中，ptdrso和ptdrsi分别表示虚拟电厂内部可转移负荷在调度时刻t的转出和转入功率；表示调度时刻t需求响应的单位负荷转移功率成本。

52、进一步地，由于所建虚拟电厂调度模型以最大化收益为优化目标，且属于离散优化，因此采用引入辅助变量并构造离散型条件风险价值的方法，对虚拟电厂调度模型进行等效优化。所述s4的虚拟电厂优化调度模型为：

53、

54、式中，α表示置信水平；β表示条件风险价值的风险系数，0≤β≤1，反映虚拟电厂的风险追求态度，即β值越大，表示虚拟电厂的风险和收益追求较低；η表示为了构造离散型条件风险价值而引入的辅助变量；fs表示虚拟电厂在不确定性场景s下的运行收益；ps表示不确定性场景s发生的概率，在本发明中对应模型中考虑的有限个典型风电、光伏出力和流域水电站天然来水流量场景中第s个场景的概率；s表示不确定场景的总数；ζs表示为了计算条件风险价值而引入的辅助变量。

55、进一步地，所述s4的优化约束条件，除了考虑所述虚拟电厂时空耦合共享库容运行模型的约束条件外，还包括虚拟电厂功率平衡约束、水电站运行约束、风电和光伏出力约束、储能装置运行约束、需求响应约束和条件风险价值约束。

56、虚拟电厂功率平衡约束为：

57、

58、式中，表示不确定场景s下调度时刻t的负荷功率；和分别表示水电站i出力、光伏出力、风电出力、储能放电功率、储能充电功率、需求响应可转移负荷转出功率、可转移负荷转入功率和虚拟电厂负荷损失功率在场景s下的值；

59、水电站运行约束的水电站的技术出力和水库库容的上下限约束关系为：

60、

61、

62、式中，pih,min和pih,max分别表示流域网络拓扑节点i发电功率的最小值和最大值；vih,min和vih,max分别表示节点i库容的下限和上限。

63、风电和光伏出力的上下限约束为：

64、

65、

66、式中，和分别表示光伏出力的下限和上限；和分别表示风电出力的下限和上限。

67、储能装置运行约束的充放电功率上下限约束为：

68、

69、式中，和分别表示储能装置充电和放电功率的上限；和分别表示场景s下储能装置在调度时刻t充电和放电的状态变量，储能充电时放电时

70、储能装置运行约束的充放电状态约束为：

71、

72、储能装置运行约束的储存电量约束为：

73、

74、式中，表示场景s下储能装置在调度时刻t的电量；和分别表示储能装置储存电量的下限和上限。

75、储能装置运行约束的储能电量动态平衡约束为：

76、

77、式中，neloss、ηec和ηed分别表示储能装置的电量自损耗系数、充电和放电效率。

78、需求响应约束的可转移负荷功率上下限约束：

79、

80、式中，和分别表示场景s下可转移负荷在调度时刻t的转出和转入功率；和分别表示可转移负荷在场景s下调度时刻t的转出和转入状态变量，可转移负荷处于转出状态时处于转入状态时

81、需求响应约束的可转移负荷运行状态约束为：

82、

83、需求响应约束的可转移负荷功率守恒约束为：

84、

85、式中，表示场景s下储能装置在调度时刻t的电量；和分别表示储能装置储存电量的下限和上限。

86、条件风险价值约束为：

87、η-fs≤ζs

88、ζs≥0。

89、相对现有技术，本发明具有以下优点：

90、1.本发明通过明确虚拟电厂内部时空耦合流域水电站共享库容运行特性，根据流域水电站运行流量和电站出力双重耦合的运行特点，对流域水电站共享库容的运行进行约束，进而实现时空耦合流域水电站共享库容的虚拟电厂优化调度。

91、2.本发明通过构建考虑风电、光伏出力和流域水电站天然来水流量不确定性的特点，实现虚拟电厂内部时空耦合共享库容水电站、储能装置和需求响应等多种灵活性资源的协调运行，使虚拟电厂整体的发电效益得到有效提升，兼具促进清洁能源高效利用和虚拟电厂经济运行的优势。