考虑振动区跨越约束下梯级水电机组灵活性支撑方法

本发明属于水电优化调度运行领域，特别涉及梯级水电机组对新能源并网灵活性支撑的调度方法。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，社会对于能源的需求量持续增长，电能相较于其它能源以其独特优势成为促进社会快速发展的重要能源之一。

2、随着新能源接入电力系统的比例持续攀升，其消纳问题日益突出，通过水电与可再生能源的联合调度可保障可再生能源的有效利用，从而充分发挥水电灵活性，满足电网消纳需求。而当前装机的大型水轮发电机组由于机械、电磁、水力等因素作用，往往存在单个甚至多个振动区，为保障电力系统的可靠稳定运行，深入研究水轮发电机组振动区对其出力及备用灵活性的影响具有十分重要的现实意义，同时由于水电调度问题本身特有的高维非线性特征，该问题也是新形势下进一步提升水电保障新能源上网可靠性的重点与难点。

3、鉴于上述原因，本发明将水电机组安全运行与优化调度相结合，构建出考虑机组振动区以及跨越振动区约束模型；提出了考虑振动区约束下水电灵活性的定义方法；在上述研究的基础上构建出灵活性配给模型，研究了水电灵活性在实际调度过程中的分配情况。以我国西南地区某两梯级电站作为工程背景，模拟系统实际调度情况完成仿真计算，研究结果表明，基于考虑跨越振动区约束构建的水电灵活性支撑模型解得的机组运行状态，能够避免长期处于振动区以及频繁跨越振动区的情况，有效提升电力系统整体的安全效益。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种考虑振动区跨越约束下梯级水电机组对新能源并网灵活性支撑方法，使水电机组有效规避运行状态长期处于振动区以及频繁跨越振动区的风险，提高系统的安全性与可靠性。

2、本发明技术方案：

3、考虑振动区跨越约束下梯级水电机组灵活性支撑方法，包括：(1)构建考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型、(2)考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型的求解、(3)构建考虑机组振动区的灵活性配给模型。按照下述步骤完成考虑振动区跨越约束下梯级水电机组对新能源并网灵活性支撑调度：

4、步骤(1)：以充分发挥水电灵活性保障可再生能源的有效利用为目的，构建考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型，模型的构建包括目标函数与约束条件的建立，其中约束条件包含常规约束、考虑振动区的机组运行约束以及考虑振动区的水电机组灵活性约束。

5、step1.1目标函数

6、为降低风光出力波动对系统稳定性的影响，系统需具备较为充足的上调灵活性与下调灵活性，以调度期内的水电平均备用灵活性作为衡量系统中水电机组调度优化的指标进行计算，目标函数为：

7、

8、式中：表示水电机组在时段t出力的上调灵活性，mw；表示水电机组在时段t出力的下调灵活性，mw；f表示水电机组在调度期内的平均调节灵活性，mw；nt表示时段数集合；

9、step1.2常规约束

10、常规约束条件包括水量平衡约束、出库流量限制、边界约束、净水头相关约束、电站出力约束、机组启停时间约束、剩余负荷爬坡约束；

11、1)水量平衡约束

12、vh，t+1＝vh，t+(ih，t+qh-1，t-qh，t)τt

13、式中：vh，t表示水电站h在时段t末时刻的库容，m3；ih，t表示水电站h在时段t的平均入库流量，m3/s；qh，t表示水电站h在时段t的平均出库流量，m3/s；τt表示调度期时长，s；水量平衡约束限定了梯级水电站空间与时间相互作用下水库容量间的关系；

14、2)出库流量约束

15、qh，t＝gh，t+lwh，t

16、式中：gh，t表示水电站h在时段t的发电流量，m3；lwh，t表示水电站h在时段t的平均弃水流量，m3/s；设置弃水为0，即lwh，t＝0；

17、3)边界约束

18、

19、

20、

21、

22、

23、式中：vh，t，分别表示水电站h在时段t库容的下限值与上限值，m3；qh，t，分别表示水电站h时段t出库流量的下限值与上限值，m3/s；gh，t，分别表示水电站h在时段t发电流量的下限值与上限值，m3/s；表示调度期内初库容为vh，1，末库容为vh，t，m3；

24、4)净水头相关约束

25、

26、

27、dh，t＝fdh(qh，t)

28、hlh，t＝flh，u(gh，t)

29、hh，t＝uh，t-dh，t-hlh，t

30、

31、式中：表示水电站h在时段t的平均库容，m3；uh，t表示水电站h在时段t的平均坝前水位，m；fuh(·)为水位库容函数；dh，t表示水电站h在时段t的平均尾水位，m；fdh(·)为尾水位泄量函数；hlh，t表示水电站h在时段t的水头损失，m；flh，u(·)为水头损失函数；hh，t表示水电站h在时段t的平均净水头，m；ph，t表示水电站h在时段t的出力，mw；为水电站h发电特性函数；

32、5)电站出力约束

33、

34、

35、式中：ph，u，t，表示水电站h第u台机组在时段t出力的下限值与上限值，mw；表示电站h包含的机组数集合；φh，表示水库h出力下限值与上限值，mw；

36、6)机组启停时间约束

37、定义机组状态变量rh，u，t，若rh，u，t＝1，则表示水电站h第u台机组在时段t处于运行状态，否则rh，u，t＝0，表示机组处于停机状态；定义机组启动操作变量若表示水电站h第u台机组在时段t执行机组启动操作，否则定义机组关闭操作变量若表示水电站h第u台机组在时段t执行机组关停操作，否则

38、

39、

40、

41、式中：分别表示水电站h第u台机组最短的运行与停机时间间隔；

42、7)剩余负荷爬坡约束

43、

44、σt＝|dt-dt+1|

45、

46、式中：σt表示时段t与下一时段剩余负荷的爬坡绝对值，mw；表示时段t与下一时段剩余负荷的爬坡绝对值的最大值，mw；dt表示日前预测系统在时段t的负荷，mw；nh表示电站数集合；pwt表示日前预测在时段t的风电出力，mw；pst表示日前预测在时段t的光电出力，mw；dt表示时段t的系统剩余负荷，mw。

47、step1.3考虑振动区的机组运行约束

48、考虑振动区的机组运行约束条件包括机组规避在振动区长期运行约束、机组跨越振动区约束；

49、1)机组规避在振动区长期运行约束：

50、

51、2)机组跨越振动区约束：

52、

53、

54、

55、

56、式中：表示水电站h第u台机组在时段t于安全运行区z出力的下限值与上限值，mw；表示水电站h第u台机组在时段t的所有安全运行区集合；ch，u，t表示判断水电站h第u台机组在时段t与t+1运行状态是否相同的判断变量；zh，u，t表示水电站h第u台机组在时段t的运行状态所处安全运行区；表示水电站h第u台机组跨越振动区次数；表示水电站h第u台机组跨越振动区次数的上限值；

57、step1.4考虑振动区的水电机组灵活性约束

58、

59、

60、式中：分别表示水电站h第u台机组在时段t所处安全运行区zh，u，t的出力下限值与上限值，mw；

61、步骤(2)：考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型的求解

62、考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型中机组出力计算约束以及考虑振动区的机组运行约束均为非线性形式，导致考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型为非线性优化问题，难以直接求解；

63、step2.1考虑振动区情况下水电机组出力与灵活性约束的线性化构建

64、引入机组安全运行变量sh，u，t，用于表示水电站h第u台机组在时段t运行状态所处的安全运行区，从而实现将考虑振动区情况下计算水电机组出力与灵活性约束构建为满足milp方法限制的形式；

65、将式(2)构建为：

66、

67、式中：表示水电站h第u台机组在时段t于各个安全运行区的出力下限值向量与上限值向量；

68、将式(7)-式(8)构建为：

69、

70、

71、step2.2机组跨越振动区次数约束的线性化构建

72、基于向量正无穷范数完成对式(3)-式(4)的转化，实现对机组在相邻时段内跨越振动区次数的统计，之后利用机组安全运行变量元素索引的相关表达式完成等效线性化，解决||·||+∞非线性的问题；

73、1)将式(3)-式(5)构建为：

74、

75、式中：||·||+∞为向量的正无穷范数；

76、2)将式(3)-式(5)进一步被构建为：

77、

78、式中：表示水电站h第u台机组在时段t安全运行变量sh，u，t的维度，即水电站h第u台机组在时段t安全运行区的个数；表示机组安全运行变量sh，u，t的第d个元素；

79、step2.3采用基于凸组合的三角剖分方式对出力计算约束线性化

80、

81、

82、

83、

84、

85、

86、式中：λh，t，u，k与yh，t，u为引入的辅助变量；u表示三角剖分的三角形编号；k表示三角形顶点编号，nu表示划分三角形的数集，n3表示从1到3的整数集，hh，u，k与qh，u，k表示出力计算三维曲面的三角剖分格点。

87、步骤(3)：构建考虑振动区的灵活性配给模型

88、通过对考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型的求解，研究水电机组传统灵活性模型与考虑振动区灵活性模型解得的机组灵活性在实际调度过程中的分配情况；

89、step3.1目标函数

90、为均衡各机组实际出力与预测出力偏差的影响，将机组当前时段的出力偏差与平均灵活性供给量之差的绝对值作为辅助优化量δh，u，t，以所有机组的δh，u，t之和作为衡量灵活性配给优化的指标进行计算，目标函数为：

91、

92、式中：δh，u，t表示水电站h第u台机组在时段t实际与日前计划出力差值与各机组平均灵活性供给量之差的绝对值，mw；

93、step3.2约束条件

94、

95、ptde＝(ptwp+ptsp)-(ptwr+ptsr) (16)

96、

97、

98、

99、式中：表示由考虑振动区严格约束获得的水电站h第u台机组在时段t日前计划出力，mw；表示水电站h第u台机组在时段t的实际出力值，mw；分别表示水电站h第u台机组在时段t日前计划出力所处安全运行区zh，u，t的出力下限值与上限值，mw；分别表示风电在时段t的日前计划出力与实际出力，mw；分别表示光电在时段t的日前计划出力与实际出力，mw；表示风光在时段t的日前计划出力与实际出力的差值，mw；表示在时段t为降低风光出力波动性，水电机组实际出力与日前计划出力的变化量，mw；

100、step3.3模型求解

101、考虑振动区的灵活性配给模型的求解结果表明，考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型解得的机组出力过程能够在规避机组振动区的情况下，使机组灵活性被各机组顺利执行，使机组的安全性与可靠性得到了良好地保证。

102、本发明的有益效果：本发明构建考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型，建立考虑振动区的机组运行约束条件以及考虑振动区的水电机组灵活性约束，通过引入安全运行辅助变量以及向量的正无穷范数等方法将模型转化为混合整数线性规划模型，通过构建的考虑振动区灵活性配给模型对振动区跨越约束下水电机组灵活性支撑模型的有效性完成深入验证，为考虑振动区跨越约束下水电机组灵活性的支撑调度提供了新的技术途径。