基于变速抽蓄的新能源电网能量平衡优化控制方法及系统与流程

本发明属于电力系统优化调度，更具体地，涉及基于变速抽蓄的新能源送端电网能量平衡优化控制方法。

背景技术：

1、随着可再生能源规模不断扩大，且新形态电力负荷种类复杂，调节能力差，源荷的双重不确定性会导致峰谷差不断增大，对电网的安全稳定运行产生较大冲击。在运营优化方面，风光分布不均决定了清洁能源必须在更大范围内消纳，迫切需要以多能互补、跨区域交易与储能的形式配置新能源资源。变速抽水蓄能电站作为储能领域的一种关键手段，其已经逐步延伸到支持光伏、风电等多种间歇性能源。通过多种类电源互补策略，其能够显著提升可再生能源的消纳能力，并实现电能的可靠供应与利用。

2、针对抽水蓄能电站与新能源资源运行方面，已有的风光蓄能并网联合运行系统容量优化配置的方法，利用风能和太阳能联合运行，降低系统成本，提高经济效益，实现连续稳定运行，减少碳排放；已有的抽水蓄能电站参与电能市场和多时间尺度备用市场的最优决策模型，通过抽水蓄能电站提供备用服务，显著提高其运行收益；已有的光-风-水混合发电系统的电网辅助调峰与可靠性提升优化模型利用抽水蓄能电站抑制风光发电功率波动，提升调节可靠性；已有的多个电力用户日前电量共享的协调优化模型，根据共享参与者对应的贡献函数进行了利益的最优分配，制定了水电光伏联合发电系统的优化调度策略。

3、现有技术方案大多针对抽蓄电站相关约束条件以及联合发电系统的调度算法，对变速抽蓄机组能够提升新能源消纳能力的分析和应用不足，也缺乏与常规抽蓄机组的新能源消纳能力的对比。

4、当前，传统的抽水蓄能机组在电网中的有功调节主要是根据调度计划曲线，以满足电网在不同时段的峰谷需求。为了避开振动区，传统抽水蓄能机组通常以恒定值进行有功输出调节，且在抽水工况下，仅能恒功率运行，大大限制了其对于电网的辅助调节能力。

5、此外，传统的粒子群算法是一种基于群体协作的搜索算法，其基本思想在于通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解，但其初始粒子分布影响算法求解速度。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供基于变速抽蓄的新能源电网能量平衡优化控制方法及系统，提高新能源利用率，提升可再生能源消纳水平。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明第一方面提供一种基于变速抽蓄的新能源电网能量平衡优化控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据变速抽水蓄能机组的拓扑结构和控制特性建立双馈变速抽水蓄能模型；

5、步骤2，将步骤1中的双馈变速抽水蓄能模型与新能源发电融合，设定优化目标和约束条件，建立抽蓄-新能源协同能量平衡优化模型；

6、步骤3，基于量子粒子群算法，建立新能源送端电网能量平衡优化控制算法，求解步骤2中的优化模型，得到变速抽水蓄能机组和新能源机组出力，对新能源送端电网进行控制。

7、优选地，步骤1中，所述控制特性包括双馈变速抽水蓄能系统变频器控制，包括网侧和机侧两个方面，

8、在网侧，电流控制以如下公式表示，

9、

10、电压环的控制方程以如下公式表示，

11、

12、在机侧，控制功率环控制方程以如下公式表示，

13、

14、内环的转子电流环，通过前馈补偿的方式实现转子电压、电流d、q轴分量的解耦控制，以如下公式表示，

15、

16、式中：

17、kip、kup为双馈变速抽水蓄能系统的比例系数；kii、kui为双馈变速抽水蓄能系统的积分系数；为双馈变速抽水蓄能系统的d轴参考电流；为双馈变速抽水蓄能系统的直流参考电压；ω1表示定子磁场同步转速；ed与eq表示d、q轴的电势；

18、kpp为功率环pi控制环节比例系数，kpi为功率环pi控制环节积分系数；

19、p*、q*为有功功率参考值和无功功率参考值；

20、为双馈变速抽水蓄能系统的d轴参考转子电流和q轴参考转子电流；

21、δurd与δurq分别表示转子电压电流d、q轴分量的交叉耦合项。

22、优选地，步骤2具体包括：

23、步骤2.1，双馈变速抽水蓄能系统在设定的转速允许范围内调整出力，用于对新能源送端电网能量平衡进行优化；并通过调整等效持续负荷曲线的形状提升新能源发电能力，用于融合双馈变速抽水蓄能模型与新能源发电模型；

24、步骤2.2，设定抽蓄-新能源协同能量平衡优化模型的优化目标，包括运行成本最优、污染物排放量最优；

25、步骤2.3，设定抽蓄-新能源协同能量平衡优化模型的约束条件，包括抽蓄-新能源协同配合时系统总的能量平衡约束、抽水蓄能电站出力约束、抽蓄水库容量约束、抽蓄水库内水位动态变化约束。

26、进一步优选地，运行成本最优以如下公式表示，

27、

28、式中：

29、max f1为抽蓄-新能源联合系统的运行成本；ci为抽蓄-新能源联合系统在时段i的并网电价；cci为抽蓄-新能源联合系统中抽水蓄能电站在时段i的抽水蓄能成本；

30、污染物排放量最优以如下公式表示，

31、

32、式中：

33、max f2为抽蓄-新能源联合系统的污染物排放量；ppvql,i为新能源电站独立运行时在时段i的弃光或弃风功率；δpg,i为抽蓄-新能源联合协调运行下电网内火电厂在时段i应当减少的输出功率；α、β、γ分别为表示火电厂污染物排放量系数。

34、更优选地，新能源电站独立运行时在时段i的弃光功率以如下公式表示，

35、

36、式中：

37、ppv,min、ppv,max为新能源电站有功输出的最小、最大值。

38、同样进一步优选地，抽蓄-新能源协同配合时系统总的能量平衡约束以如下公式表示，

39、ptotal,i＝ppv,total,i+pg,i+pstorge,i

40、dtotal,i＝pload,total,i+pstorge,i+(1-ηs)pstorge,i+(1-ηc)pstorgec,i+ppvl,i

41、ptotal,i＝dtotal,i

42、ppv,total,i＝ppv,i+ppvl,i

43、pb,total,i＝ppv,i+pstorgec,i

44、式中：

45、ptotal,i为系统在时段i的总输出电功率，ppv,total,i为新能源电站在时段i的输出电功率；pg,i为火电厂在时段i的输出电功率；pstorgec,i为双馈变速抽水蓄能系统在时段i的输出电功率；

46、dtotal,i、pload,total,i为系统在时段i的总耗电功率和负荷功率，pstorge,i为双馈变速抽水蓄能系统在时段i的抽水蓄能功率，ηs为双馈变速抽水蓄能系统的蓄能效率，ηc为双馈变速抽水蓄能系统的放能效率，ppvl,i为新能源电站在时段i的弃光或弃风功率；

47、ppv,i为新能源电站在时段i的并网电功率；

48、pb,total,i为抽蓄-新能源在时段i的并网总功率。

49、抽水蓄能电站出力约束以如下公式表示，

50、

51、式中：

52、pg,min、pg,max分别为双馈变速抽水蓄能系统在时段i的输出电功率的最小、最大值；pp,min、pp,min分别为双馈变速抽水蓄能系统在时段i的抽水蓄能功率的最小、最大值；ustorgec为双馈变速抽水蓄能系统运行工况的描述系数，其中，当ustorgec＝1时，表示抽水蓄能电站正在放水输出电功率，当ustorgec＝0时，表示抽水蓄能电站正在抽水蓄能；

53、抽蓄水库容量约束以如下公式表示，

54、

55、式中：

56、estorgec,u为双馈变速抽水蓄能系统上水库水量；estorgec,u,min、estorgec,u,max分别为双馈变速抽水蓄能系统上水库的容量最小、最大值；estorgec,d为双馈变速抽水蓄能系统下水库水量；estorgec,d,min、estorgec,d,max分别为双馈变速抽水蓄能系统下水库的容量最小、最大值；

57、抽蓄水库内水位动态变化约束以如下公式表示，

58、

59、式中：

60、estorgec,ut、estorgec,dt分别为t时刻双馈变速抽水蓄能系统上、下水库的水量。

61、优选地，步骤3具体包括：

62、步骤3.1，对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”进行坐标转换；

63、步骤3.2，对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”进行求解空间变换；

64、步骤3.3，根据抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”计算步骤2.2中设定的优化目标函数值，并判断是否达到最大迭代次数，如果是，则结束迭代并输出最优方案，否则继续执行步骤3.4；

65、步骤3.4，设定出力粒子变异率为by，当random[0,1]<by时对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”进行变异，否则跳过；

66、步骤3.5，更新抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”的最值和整个种群的最值，并对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”进行位置更新，之后返回步骤3.3。

67、进一步优选地，步骤3.1中，抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”坐标转换以如下公式表示，

68、

69、式中：

70、与θ表示联合系统出力粒子所对应的相位参数。

71、同样进一步优选地，对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”进行求解空间变换，具体包括：

72、设定pi的三个优化的解为：

73、

74、设定抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”的求解空间为[a,b]，则抽蓄-新能源联合系统出力的第i个初始“粒子”pi映射在求解空间的位置为：

75、

76、同样进一步优选地，步骤3.4中，变异操作设定粒子变异算子为κ，使得抽蓄-新能源联合系统出力的第j个“粒子”在bloch球面上围绕求球心进行旋转，以如下公式表示。

77、

78、同样进一步优选地，对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”位置进行更新，以如下公式表示，

79、

80、式中：

81、θoptimal,i(t)为抽蓄-新能源联合系统出力的第i个“粒子”所对应的最优相位参数；θoptimal,g(t)为抽蓄-新能源联合系统出力的整个“粒子”所对应的最优相位参数；kw为位置更新惯性系数；θi(j+1)为更新后的抽蓄-新能源联合系统出力的第i个“粒子”所对应的相位参数；xx1、xx2为更新系数；j为迭代次数。

82、本发明的第二方面提供一种基于变速抽蓄的新能源电网能量平衡优化系统，运所述的基于变速抽蓄的新能源电网能量平衡优化控制方法，包括：

83、模型构建模块，用于构建双馈变速抽水蓄能模型、抽蓄-新能源协同能量平衡优化模型；

84、数据传递模块，用于传递各个模型的输出结果；

85、模型求解模块，用于对抽蓄-新能源联合系统出力“粒子”坐标变换、求解空间变换、变异，并搜寻抽蓄-新能源协同能量平衡优化模型最优解；

86、数据输出模块，用于输出新能源送端电网控制方案。

87、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

88、1)利用双馈变速抽水蓄能系统的进行有功功率调节，具有快速响应速度和可靠性；

89、2)通过改进粒子群算法，使得抽蓄-光伏联合系统出力的初始“粒子”的位置分布均匀，提高了求解速度。

90、3)能够促进系统降低弃光功率，并提高系统的能源利用情况。

91、4)相比定速抽水蓄能电站，变速抽水蓄能电站与光伏电站进行协同，具有更加明显的优势，系统新能源利用率更高，对于新能源的消纳情况提升更加明显。