一种基于需求响应的“双高”电力系统调度优化方法与流程

本发明涉及电力系统调度优化方法，具体涉及一种基于需求响应的“双高”电力系统调度优化方法。

背景技术：

1、现代社会的发展离不开电力工业。随着智能化生产的要求，工业、农业和制造业对电能的依赖逐年增加。

2、各大电网公司已开始加快能源发展方式的改革和能源发电的转型，以风电、光伏等新型可再生能源为依托，构建新型电力系统。

3、目标提出以来，风电、光伏发展大大加快，新能源装机比重不断提高。大多数可再生能源通过电力电子接口接入电网，促进了电力侧电力电子设备的广泛应用。例如，灵活的交/直流输电技术的不断推广，同时推动电力电子设备在输电系统中的比例不断上升。随着风能、光能等新能源发电的快速发展和源网负荷核心设备的“电力电子化”改革，电力系统正在形成可再生能源高比例、电力电子设备高比例的发展趋势。

4、新型电力系统可以实现能源结构的调整，从而实现节能减排。但新型“双高”电力系统存在以下问题：(1)新型可再生能源发电与传统同步发电机、柔性交直流输变电与传统交流输变电存在本质差异，导致系统动态特性发生深刻变化，带来新的稳定性问题。(2)“双高”电力系统具有非线性、时变、异质性、不确定性和复杂性等特点，其稳定性的内在机制发生变化。基于上述优缺点，对“双高”电力系统稳定性新问题开展基础理论研究，构建电力系统稳定性分析的新框架是必要的，这为保障系统稳定运行提供支撑，并且，新型电力系统的建设既是一个经济问题，也是一个调度管理问题。将需求响应(dr)措施等市场因素纳入电力系统调度管理过程，具有重要的现实意义和参考价值。为了解决上述问题，本发明提出一种基于需求响应的“双高”电力系统调度优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出提出一种基于需求响应的“双高”电力系统调度优化方法以解决背景技术中所提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于需求响应的“双高”电力系统调度优化方法，包括如下步骤：

4、s1、总结“双高”电力系统的技术特点，得到新的稳定性问题，构建电力系统稳定性的数学模型，用微分代数方程来描述系统的动态特性，并且根据一维微分方程和二维代数方程，得到系统的平衡解；计算系统的雅可比矩阵ja，根据ja将微分代数方程线性化，利用ja的特征值决定系统的稳定性；

5、s2、建立新型风力发电机并网系统模型：

6、s2.1、描述风的动力特性涡轮转子的转速和低速轴关系，忽略机组高速轴的转动惯量，得到同步发动机高速轴与转子之间的动态特性方程；

7、s2.2、采用动静复合荷载模型模拟节点2处的荷载，针对新型风力发电机组组成的风电场并网等效发电机，采用二阶模型提供状态变量；

8、s2.3、使用动态模型和静态模型实现对新风机并网电压稳定性的准确分支分析；

9、s3、建立基于需求响应的调度模型：

10、s3.1、通过设置不同的补偿价格发挥价格调节作用，利用不同的价格等级提高用户参与积极性；

11、s3.2、通过不同的可中断负荷设置不同的补偿价格，得到可中断负荷容量下的需求响应补偿方案；

12、s4、确定发电测机组型号并求解功率：确定和计算风力机和光伏发电机组功率，其中，风力机的功率与风机数量w，第t时隙的风速v(t)有关，光伏发电机组功率与电池温度t，太阳辐射强度rsin有关；

13、s5、以系统运行成本最小为目标函数构建衡量系统能耗和运行成本的经济效益模型：

14、s5.1、建立系统运行成本模型，涉及燃煤机组电力发电能耗成本、机组启停成本和可中断负荷成本；

15、s5.2、利用二次函数表示第x个燃煤机组在第t个时隙的煤耗函数；

16、s5.3、根据煤耗函数得到燃煤机组约束条件，包括输出约束、最大变化量约束、启停时间最短约束、系统功率平衡约束和系统储备约束。通过上述步骤得到经济效益数学模型；

17、s6、为达到节能减排的目的构建衡量碳排放成本的环境效益模型：

18、s6.1、利用最小碳排放成本和弃风惩罚成本为目标函数建立环境效益成本模型；

19、s6.2、根据燃煤机组的碳排放量，利用二次函数表示碳排放和发电输出的关系；

20、s6.3、综合s6.1-s6.2得到环境效益数学模型；

21、s7、根据消费政策及s1-s7中所提出的模型，对电力系统运行过程进行优化：利用经济效益模型和环境效益模型构建总体模型，采用il管理，在可再生能源消费政策全额购买的前提下，对所提出的模型进行优化；根据降低需求负荷和减少旋转备用机组的输入的要求构建约束条件，根据调度安排，实现对模型的优化。

22、优选地，s1中所述“双高”电力系统的技术特点，具体包括如下内容：

23、①多种能源并网、多种输配电网络互联、多种电力生产和销售主体并存；

24、②新增可再生能源机组容量比传统火电机组低两个数量级，相同容量下机组数量多两个数量级；

25、③常规、柔性直流输电规模持续增长，单项目容量达到1200万千瓦的新高，且发送端和接收端的常规机组比例降低，直流系统故障造成的缺电巨大，频率稳定和暂态电压稳定问题突出，对系统安全稳定影响显著；监管和保护难度显著增加；

26、④风能、光能等可再生能源发电机组的低惯性、弱稳定性、弱抗扰性和输出随机性降低了电网的抗干扰能力和调节能力，严重影响了系统的稳定性。同时，其数字化快速控制能力也为稳定控制带来了新的机遇和选择，促进了稳定分析、控制理论和方法的变革；

27、⑤多样化变流器之间以及变流器与传统电网组件之间的多尺度、宽带电磁动态导致了新的稳定性问题，随着系统维数的增加和组合方式的爆炸式增长，稳定性分析和控制的难度急剧增加。

28、优选地，s1中所述构建电力系统稳定性的数学模型具体包括如下内容：

29、a1、将电力系统稳定性的数学模型用一组微分代数方程来描述，包括一维微分方程和二维代数方程；假设两组方程在整个分析过程中是光滑的，具体公式如下：

30、

31、式(1)中，x∈ra，表示微分状态变量；y∈rb，表示代数状态变量；μ∈rc，其中，c>1，c∈z，表示c分支参数的参数变量，c分支参数是系统结构稳定性分析中的分支参数；f表示描述系统动态特性的微分方程，g表示各节点的代数方程；

32、a2、将所有满足式(1)的点(xa,ya,μa)称为系统的平衡点，因此，将电力系统的平衡解表示为：

33、{(x,y,μ)|f(x,y,μ)＝0,g(x,y,μ)＝0}  (2)

34、a3、基于上述分析，使用微分代数方程组来描述系统的动态特性，设ja为系统的雅可比矩阵，具体公式表示为：

35、

36、当μ＝μa时，描述系统的微分代数方程被线性化，系统的稳定性由约简雅可比矩阵的特征值决定，具体公式表示为：

37、

38、优选地，所述s2具体包括如下内容：

39、b1、将风的动力特性涡轮转子的转速和低速轴描述为：

40、

41、式(5)中，tr表示风力机转矩；tj表示低速轴输出转矩；jr表示风轮转动惯量；d1表示低速轴阻尼系数，ωr表示转子转速；

42、b2、忽略机组高速轴的转动惯量，假设同步发电机高速轴与转子之间的动态特性方程为：

43、

44、式(6)中，jk和ωk分别为电机同步发电机的转动惯量和角频率，t和tk分别为同步发电机的电磁转矩和输入转矩，dk为传动链系统高速轴的阻尼系数；

45、b3、采用动静复合荷载模型(pl+jql)来模拟节点2处的荷载，新型风力发电机组组成的风电场并网等效发电机采用二阶模型，利用系统的偏态微分方程计算同步发电机的功率角和角频率，并为系统并网电压稳定性的分支分析提供状态变量，所述偏态微分方程为：

46、

47、式(7)中：δa和ωa分别为等效同步发电机的功率角和角频率；ja，ta和da分别为发电机的转动惯量、机械转矩和阻尼系数；

48、b4、在系统的两个节点上采用第一类负荷模型，所述第一类负荷模型由动态模型和静态模型组成，用以对接入系统的风力发电机组的动态和静态电压稳定性进行分析，所述负荷模型表示为：

49、

50、式(8)中：pb和qb为感应发电机恒功率，pc和qc分别为注入风电场的有功和无功功率，pa和qa为风电场自身产生的有功功率和无功功率，kpw，kpu，kqw，kqu，kqu2，t为负载参数；

51、b5、联立式(7)和式(8)，得到描述系统动态特性的状态方程：

52、

53、优选地，s3.2中所述通过不同的可中断负荷设置不同的补偿价格，可中断负荷越高，补偿单价越高，具体表示为：

54、①补偿价格：

55、

56、②中断补偿成本：

57、

58、③含il的补偿成本：

59、

60、式中，pil为用户补偿单价；qil为用户有效中断容量；cil为用户补偿成本；nil为总用户数；uil为总补偿成本。

61、优选地，所述s4具体包括如下内容：

62、c1、风力机的输出功率受风速影响，在其承载范围内随着风速的增大而增大；如果风速小于或超过轴承范围，则机组关闭；当风机数量为w，第w-th机组额定功率为时，机组在第t时隙的输出模型为：

63、

64、式(13)中：pw(t)为w-th风机在第t时隙的可用输出；v(t)为第t时隙的风速；为机组切入风速；为机组的切断风速；为w-th风机的额定风速；则t时刻风电场输出功率为：

65、

66、式(14)中：uw(t)为状态变量；uw(t)＝1表示风扇启动，uw(t)＝0表示风扇关闭；

67、c2、光伏发电机组的产量受太阳辐射强度、环境温度、光伏电池工作效率的影响，光伏组件的功率模型为：

68、pout＝[1+k(t-ts)]psrsin/rs  (15)

69、式(15)中：pout为光伏组件输出功率；k为转换系数；t为光伏电池温度；rsin为太阳辐射强度；ps为标准测试条件下光伏组件的最大输出功率；ts为标准测试条件下电池温度；rs为标准测试条件下的辐射强度；

70、c3、设光伏电站总装机容量为则光伏电站在第t个时隙的发电输出可表示为：

71、

72、式中，ηpv为光伏发电系统综合效率。

73、优选地，所述s5具体包括如下内容：

74、所述系统运行成本模型为：

75、

76、式(17)中：pcoal为煤炭价格；λx,t为第x台燃煤机组在第t个时隙的状态，其中1为启动状态，o为停机状态；为第x个燃煤机组在第t个时隙的煤耗函数，用二次函数表示为：

77、

78、式(18)中：px,t为第x台燃煤机组在t时隙的有功出力，和分别为机组开机、停机煤耗；燃煤机组约束表示为：

79、①出力约束：

80、

81、②爬坡约束：

82、|px，t-px，t-1|≤apx  (20)

83、③启停时间最短约束：

84、

85、其中，和分别为第x台燃煤机组的最大、最小输出功率；δpx为单位功率的最大变化量；和为第x台燃煤机组在第t时隙的运行和停止时间；和为最短运行时间和最短停止时间；

86、④系统功率平衡约束：

87、

88、其中，δx为燃煤机组电耗率；δw为风力电站辅助电耗率；δpv为光电站辅助电耗率；dt为用户在t时刻的负荷需求；η为线损比；

89、⑤系统储备约束：

90、由于风电预测功率存在预测误差，故在发电计划中额外增加备用容量，且满足以下约束条件：

91、

92、其中，α为总负荷预测误差；β为风电预测误差储备率；wtpre为t时刻风电预测功率。

93、优选地，所述s6具体包括如下内容：

94、d1、以碳排放成本和弃风惩罚成本作为衡量环境效益的分量；以最小碳排放成本和弃风惩罚成本为目标函数，构建成本模型：

95、

96、式中，θ为碳排放价格；为第x台燃煤机组在第t时段的碳排放量；pevt为单位弃风惩罚成本，为第t时刻弃风量；

97、d2、根据燃煤机组的碳排放量，利用二次函数表示碳排放和发电输出的关系：

98、

99、式中，表示二次函数的系数；px,t为第x台燃煤机组在t时隙的有功出力；

100、d3、联立式(24)和式(25)，得出环境效益数据模型的总体目标函数为：

101、min fall＝feco+fenv  (26)

102、式中，feco，fenv分别表示经济效益成本模型和环境效益成本模型，由式(17)和式(24)表示。

103、优选地，s7中所述il管理具体包括：

104、①降低需求负荷；

105、②减少旋转备用机组的输入；

106、所述il管理包括如下约束条件：

107、1)系统功率平衡约束：

108、

109、2)系统储备约束：

110、

111、3)由于备用容量由火电机组和il共同提供，旋转备用响应速度满足以下约束条件：

112、

113、

114、

115、

116、式中，分别为t时刻系统可提供的向上、向下旋转备用容量；分别为燃煤机组x在t时刻可响应的向上、向下的旋转备用容量。

117、与现有技术相比，本发明提供了一种基于需求响应的“双高”电力系统调度优化方法，具备以下有益效果：

118、本发明降低了系统的负荷需求，减轻了供电侧的压力，增加了系统的额外备用容量，在节能优化目标下，大容量机组的发电出力高于其他机组，可中断负荷管理还提高了小容量机组的利用率，降低了机组启停的频率，小容量机组参与系统功率平衡调节更为经济。