水火光蓄区域能源系统短期双层嵌套调度模型构建方法与流程

本发明属于电力系统调度自动化，尤其涉及一种水火光蓄区域能源系统短期双层嵌套调度模型构建方法。

背景技术：

1、随着新型电力系统建设，电源侧正逐步呈现电源种类多元化的特征。火电作为可靠电源，在调峰调频任务中发挥重要作用。随着双碳目标推进，火电允许出力范围将逐渐压缩，主要为系统提供安全保障。水电作为灵活性电源，可以平抑新能源波动，但受资源约束，水电装机增速正逐步放缓。未来新能源装机规模将大幅度提高，将达到数十亿千瓦级，其数量级远大于目前常规水电装机容量，系统的调节能力供应捉襟见肘，存在较大的灵活性调节能力缺口，需要大幅度提高抽水蓄能电站等储能设施的装机规模。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种水火光蓄区域能源系统短期双层嵌套调度模型构建方法，以较好地平衡区域能源系统运行中的多个目标，保障系统运行安全稳定。

2、本发明的技术方案是：

3、一种水火光蓄区域能源系统短期双层嵌套调度模型构建方法，所述方法包括：构建双层嵌套调度模型，外层模型为考虑光伏消纳最大、火电出力二阶矩最小、火电和抽水蓄能成本最小的目标模型，内层模型为梯级水电耗水最少目标模型；采用改进nsga-ii求解外层模型确定系统光伏消纳出力序列、火电计划出力以及剩余负荷；将内层模型线性化为milp模型并根据外层模型求解得到剩余负荷和输入条件求解内层模型，确定常规水电和抽水蓄能运行计划。

4、所述外层模型包括：

5、目标函数：

6、光伏出力消纳量最大目标

7、

8、式中：是t时段的光伏消纳出力，单位mw；t是一日总时段数；

9、火电出力序列波动最小目标

10、

11、式中：是t时段火电的计划出力，单位mw；是一日内火电的出力平均值，单位mw；

12、3)互补系统调度运行成本最小目标

13、

14、

15、

16、

17、式中：是t时段火电消耗的燃煤成本，单位元；是抽水蓄能机组u在t时刻的发电状态启动成本，单位元；是抽水蓄能机组u在t时刻的抽水状态启动成本，单位元；a、b、c分别是火电运行特性的煤耗系数常数项、一次项和二次项；it是火电t时段开停机状态0-1指示变量；cf是单位燃煤的价格，单位元/吨；cgen是抽水蓄能机组发电工况由停机状态启动一次所需的成本，单位元；是抽水蓄能机组u在t时段的发电工况开停机状态0-1指示变量；cpum是抽水蓄能机组抽水工况由停机状态启动一次的成本，单位元；是抽水蓄能机组u在t时段的抽水工况开停机状态0-1指示变量。

18、所述外层模型还包括：

19、约束条件：

20、光伏消纳出力上下限约束

21、

22、式中：是t时段光伏的可消纳上限值，mw；是t时段光伏的可消纳下限值，单位mw；

23、火电爬坡约束

24、

25、式中：r是火电爬坡能力上限值，单位mw；

26、火电出力上下限约束

27、

28、式中：是火电允许出力上限值，mw；是火电允许出力下限值，单位mw。

29、内层模型包括：

30、目标函数：

31、

32、

33、式中：qj,t是常规水电站j在t时段的平均出库流量，m3/s；δt是时段长度，；j是常规梯级电站个数；t是一日总时段数；h是抽蓄电站机组数；和分别是抽蓄机组u在t时段的发电工况和抽水工况的开停机状态0-1指示变量。

34、内层模型还包括：

35、常规梯级水电约束条件：

36、1)水量平衡约束

37、

38、

39、式中：vj,t是j水库t时段的库容，m3；是j水库t时段的入库流量，m3/s；是j水库t时段的发电流量，m3/s；sj,t是j水库t时段的弃水流量，m3/s；

40、2)库容上下限约束

41、

42、式中：vj是j水库的库容下限，m3；是j水库的库容上限，m3；

43、3)出力上下限约束

44、

45、式中：是j水电站t时段的平均出力，mw；是j水电站的出力最小值，mw；是j水电站的出力最大值，mw；

46、4)发电流量上下限约束

47、

48、式中：是j水电站t时段的发电流量，m3/s；是j水电站的发电流量最小值，m3/s；是j水电站的发电流量最大值，m3/s；

49、5)出库流量上下限约束

50、

51、式中：qj,t是j水库t时段的出库流量，m3/s；qj是j水库的出库流量最小值，m3/s；是j水库的出库流量最大值，m3/s；

52、6)出力关系约束

53、常规水电站的出力计算方式采用耗水率计算

54、

55、式中：rj,t是j水电站t时段的发电耗水率，m3/mwh；δt为时间间隔；

56、7)水位-库容关系

57、

58、βj,t,e∈{0,1} (77)

59、vaj,e-1×βj,t,e≤vbj,t,e≤vaj,e×βj,t,e (78)

60、

61、

62、式中：βj,t,e是j水库t时段的水位库容曲线0-1指示变量，用于判断水库库容vj,t处于哪个库容区间；vbj,t,e表示t时刻j水库库容在第e个区间中的库容值，m3；vaj,e表示j水库第e个库容区间的右端库容值，m3；zuaj,e表示j水库第e个水位区间的右端水位值，m；表示j水库t时段的坝上水位，m；

63、8)尾水位-泄量关系

64、

65、γj,t,e∈{0,1} (82)

66、qaj,e-1×γj,t,e≤qbj,t,e≤qaj,e×γj,t,e (83)

67、

68、

69、式中：γj,t,e是j水库t时段的尾水位泄量曲线0-1指示变量，用于判断下泄流量qj,t处于哪个区间；qbj,t,e表示t时刻j水库下泄流量在第e个区间中的流量值，m3/s；qaj,e表示j水库第e个下泄流量区间的右端流量值，m3/s；zdaj,e表示j水库第e个尾水位区间的右端水位值，m；表示j水库t时段的坝下尾水位，m；

70、9)水头-耗水率关系

71、

72、λj,t,e∈{0,1} (87)

73、haj,e-1×λj,t,e≤hbj,t,e≤haj,e×λj,t,e (88)

74、

75、

76、式中：λj,t,e是j水电站t时段的水头耗水率曲线0-1指示变量，用于判断水头hj,t处于哪个区间；hbj,t,e表示t时段j水电站水头在第e个区间中的水头值，m；haj,e表示j水电站第e个水头区间的右端水头值，m；raj,e表示j水库第e个耗水率区间的右端值，m3/mwh；

77、10)净水头约束

78、

79、式中：hj,t是j水电站t时段的净水头，m；是j水电站的水头损失，m；

80、11)梯级水力联系

81、

82、式中：是j水库t时段的区间流量，m3/s；

83、12)始末库容约束

84、

85、

86、式中：是j水库的日初库容，m3；是j水库的日末库容，m3；

87、13)负荷平衡约束

88、

89、式中：为t时段系统总负荷扣减光伏的消纳出力和火电的计划出力后的剩余负荷，mw；为抽蓄机组u在t时段的发电出力，mw；为抽蓄机组u在t时段的抽水出力，mw。

90、内层模型还包括：

91、抽水蓄能电站运行约束条件：

92、1)上下水库水量平衡方程

93、

94、

95、式中：为t时段抽水蓄能电站的上水库库容，m3；为t时段抽水蓄能电站下水库库容，m3；是t时段u机组的平均抽水流量，m3/s；是t时段u机组的平均发电流量，m3/s；

96、2)上下水库始末库容约束

97、

98、

99、

100、

101、式中：是抽水蓄能电站上水库的日初库容，m3；是抽水蓄能电站上水库的日末库容，m3；是抽水蓄能电站下水库的日初库容，m3；是抽水蓄能电站下水库的日末库容，m3；

102、3)上下水库库容上下限约束

103、

104、

105、式中：vup是抽水蓄能电站上水库的库容下限，m3；是抽水蓄能电站上水库的库容上限，m3；vdown是抽水蓄能电站下水库的库容下限，m3；是抽水蓄能电站下水库的库容上限，m3；

106、4)抽水蓄能电站运行工况状态约束

107、为避免抽水蓄能电站在某时段内同时存在处于抽水工况的机组和处于发电工况的机组造成资源浪费，需要在模型中添加抽水发电状态约束：

108、

109、式中：是t时段u机组发电工况开停机状态0-1指示变量，1表示机组处于发电工况；是t时段u机组抽水工况开停机0-1指示变量，1表示机组处于抽水工况；

110、5)出力关系约束

111、抽水蓄能机组发电工况下的出力值计算方式采用耗水率计算

112、

113、式中：ru,t是抽水蓄能机组u发电工况下在t时段的发电耗水率，m3/mwh；

114、6)出力上下限约束

115、

116、式中：是抽水蓄能机组u发电出力下限，mw；是抽水蓄能机组u发电出力上限，mw；

117、7)抽水功率约束

118、

119、式中：是抽水蓄能机组u时段t抽水消耗功率，mw；是抽水蓄能机组u在抽水工况下的固定消耗功率，mw；

120、8)发电流量上下限约束

121、

122、式中：是抽水蓄能机组u的发电流量下限，m3/s；是抽水蓄能机组u的发电流量上限，m3/s；

123、9)抽水流量约束

124、

125、式中：是抽水蓄能机组u在时段t的抽水流量，m3/s；是抽水蓄能机组u抽水工况下的固定抽水流量，m3/s；

126、10)抽水蓄能机组开停机约束

127、

128、

129、

130、

131、式中：为抽水蓄能机组u在t时段的发电工况开机0-1指示变量；为抽水蓄能机组u在t时段的发电工况停机0-1指示变量；为抽水蓄能机组u在t时段的抽水工况开机0-1指示变量；为抽水蓄能机组u在t时段的抽水工况停机0-1指示变量；

132、需要满足各时段灵活性上调供给能力不低于灵活性上调需求上限，约束公式如下：

133、

134、式中：为系统在t时段上调灵活性供给能力；为系统在t时段最大上调灵活性需求。

135、外层模型求解方法包括：采用nsga-ⅱ算法进行计算，每个个体由光伏消纳出力序列和火电计划出力序列编码，根据种群生成方法随机生成包含一定数量个体的种群，每个个体需要满足外层模型的约束条件，并将得到的种群输入给内层模型，将系统要求的总负荷过程扣减掉光伏消纳出力序列和火电计划出力序列得到剩余负荷过程，剩余负荷由梯级常规水电和抽水蓄能电站共同承担；所述nsga-ⅱ算法的计算流程包括：

136、1)随机生成满足约束条件的初始化种群并作为初始父代种群；

137、2)父代种群经交叉变异产生子代种群，父子代种群合并；

138、3)合并种群经过快速非支配排序和拥挤度计算，选择合适的个体组成新的父代种群；

139、4)重复循环2)、3)步，直至迭代次数达到预设值；

140、5)分别对输出的帕累托前沿中各个解的每个单目标计算模糊隶属度，对种群中个体的模糊隶属度进行排序，选取数值最大的个体解为最优折中解。

141、1.根据权利要求1所述的一种水火光蓄区域能源系统短期双层嵌套调度模型构建方法，其特征在于：求解内层模型的方法包括：内层模型以梯级常规水电发电总耗水量最少为目标函数，考虑抽水蓄能电站机组的最优开停机组合，使用商业求解器gurobi求解milp模型，将剩余负荷分配给梯级常规水电和抽水蓄能电站。

142、本发明的有益效果：

143、本发明提出一种联合梯级常规水电、火电、光伏、抽水蓄能四种电源的区域能源系统短期双层嵌套调度模型：综合考虑系统运行的安全性、经济性和新能源利用的高效性，设置多个优化目标。针对光伏的大规模接入，与以往模型的全额消纳不同，根据光伏的出力过程主动调控，优化光伏消纳量；以光伏电量消纳最大、互补系统调度运行成本最小、火电出力序列波动最小为目标函数；结合光伏出力的随机性和不确定性，考虑系统对于灵活性调节能力的需求，建立系统灵活性上调约束，为光伏出力的不确定性变化留足备用空间；考虑梯级常规水电和抽水蓄能电站的运行特性和调度中的约束要求，建立一系列约束条件，采用改进nsga-ⅱ智能算法以日前调度角度，对多电源互补系统的短期调度问题进行建模求解，并采用模糊隶属度排序方法为决策者提供决策参考，以确定光伏出力的最优消纳过程、火电的计划出力过程、梯级常规水电和抽水蓄能电站的调度计划。

144、本发明能够为水-火-光-蓄区域能源系统求解帕累托前沿并通过模糊隶属度排序得到折中解，为决策者提供决策参考；各折中解中均能够通过调度计划的合理安排实现光伏电量消纳最大化和火电波动性最小。模型能够充分发挥各种电源的出力特征，协调多电源互相配合满足区域总负荷；模型中灵活性上调供给能力均满足灵活性上调需求上限的要求，且留有较大安全裕度。所构建模型符合未来能源多元化发展趋势，能够较好地平衡区域能源系统运行中的多个目标，保障系统运行安全稳定。