一种考虑抽水蓄能参与的电能量-调频顺序出清方法

1.本发明涉及了一种电能量-调频顺序出清方法，属于电力系统运行和控制技术领域，具体是涉及了一种考虑抽水蓄能参与的电能量-调频顺序出清方法。


背景技术：

2.抽水蓄能作为一种调节迅速、低碳环保的灵活资源，在电力系统运行中发挥着重要作用。一方面，抽水蓄能可以向用户提供优质电能，提供电能量服务；另一方面，抽水蓄能能够平抑风电、光电等可再生能源不确定性出力，为电力系统提供调峰、调频等辅助服务。现有电网运行模式下，在调度或出清时未能同时考虑抽水蓄能所提供的电能量服务与调频服务，不利于未来抽水蓄能参与电力市场环境中。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种考虑抽水蓄能参与的电能量-调频顺序出清方法，实现能量与调频的顺序出清。
4.本发明采用的技术方案是：
5.本发明电能量-调频顺序出清方法包括如下步骤：
6.步骤1：获取电力系统的发电机组的发电机组代价参数，通过发电机组代价参数建立发电机组的发电运行启动代价目标函数；
7.获取电力系统的预测负荷数据和输电线路参数，根据预测负荷数据、输电线路参数以及发电机组代价参数建立发电运行启动代价目标函数的约束条件；在考虑发电运行启动代价目标函数的约束条件的情况下进行发电机组的电能量预出清，即根据发电运行启动代价目标函数获得发电机组调频出清参数；
8.通过发电运行启动代价目标函数获得发电机组调频出清参数即可对发电机组的电能量进行预先出清。
9.步骤2：根据发电机组调频出清参数，计算发电机组的调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数；根据发电机组的调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数建立发电机组的调频综合代价目标函数，根据调频综合代价目标函数获得发电机组出力时的目标调频配置容量；
10.步骤3：获取发电机组的最大出力容量，通过在发电机组的最大出力容量中扣除发电机组出力时的目标调频配置容量，获得发电机组的出力剩余容量，并建立发电机组的出力剩余容量的约束条件；在考虑发电机组的出力剩余容量的约束条件的情况下建立电力系统的电力系统网架运行约束；
11.发电机组包括火电机组和抽水蓄能机组，在考虑发电机组的出力剩余容量的约束条件以及电力系统网架运行约束的情况下，获得火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量，火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量参与发电机组的电能量出清，完成发电机组的电能量-调频出清。
12.所述的步骤1中，获取的电力系统的发电机组的发电机组代价参数具体包括火电机组的运行代价和启停代价；通过发电机组代价参数建立的发电机组的发电运行启动代价目标函数，具体如下：
[0013][0014][0015][0016]
其中，f为发电机组的发电运行启动代价，ci
p,ps
()和ci
g,ps
()分别为分布式抽水蓄能机组ps的发电效益函数和抽水代价函数；p
ps,t
和d
ps,t
分别为抽水蓄能机组ps在t时段的发电功率和抽水功率；和分别为火电机组在t时段的运行代价和启停代价；和p
g,t
分别为火电机组g在t时段的预设代价参数和配置出力；和分别为火电机组g的启动代价和停机代价；
[0017]yg,t
和z
g,t
分别为火电机组g在t时段的启动状态与停机状态，当火电机组g在t时段正在运行，则火电机组g在t时段的启动状态y
g,t
与停机状态z
g,t
均为0；当火电机组g在t时段启动，则火电机组g在t时段的启动状态y
g,t
为1，停机状态z
g,t
为0；当火电机组g在t时段停机，则火电机组g在t时段的停机状态z
g,t
为1，启动状态y
g,t
为0；
[0018]
获取的电力系统的预测负荷数据包括电力系统总负荷d
t
和电力系统各节点的负荷d
i,t
；电力系统的每个节点处均对应一个或多个发电机组；输电线路参数包括电力系统中的两个节点间的线路潮流功率f
ij,t
以及两个节点间的线路的电抗x
ij
；根据预测负荷数据、输电线路参数以及发电机组代价参数建立发电运行启动代价目标函数的约束条件，具体如下：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]yg,t-z
g,t
＝x
g,t 1-x
g,t
[0027]yg,t
z
g,t
≤1
[0028]ups
p
ps,min
≤p
ps,t
≤u
ps
p
ps,max
[0029]dps,t
＝v
psdps,e
[0030]
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037]
其中，p
g,t
为火电机组g在t时段的总配置出力，p
g,t 1
为火电机组g在t 1时段的总配置出力；和分别为火电机组g的最小发电出力和最大发电出力；d
t
和r
sr
分别为电力系统在t时段的总负荷和电力系统计划备用比例；d
ps,t
和p
ps,t
分别为抽水蓄能机组ps在时段t的抽水功率和发电功率；为火电机在t时段的最大发电出力；和分别为火电机组g的上下爬坡能力；x
g,t
、x
g,t 1
、x
g,t-1
、x
g,t α-1
和x
g,t α
分别为t、t 1、t-1、t α-1、t α时刻的火电机组g的运行状态变量，当火电机组g为停机状态时为0，开机状态时为1；t
g,on
和t
g,off
分别为火电机组g的最小开机时间和最小停机时间；u
ps
和v
ps
分别表示抽水蓄能机组ps的发电状态和抽水状态，当抽水蓄能机组ps发电时，发电状态u
ps
为1，抽水状态v
ps
为0，当抽水蓄能机组ps抽水时，发电状态u
ps
为0，抽水状态v
ps
为1；p
ps,min
和p
ps,max
分别为抽水蓄能机组ps的最小发电功率和最大发电功率；d
ps,e
为抽水蓄能机组ps的额定抽水功率；和分别为抽水蓄能机组ps在t时段的上水库的蓄水量和下水库的蓄水量，和分别为抽水蓄能机组ps在时段t 1的上水库的蓄水量和下水库的蓄水量；c
ps,d
和c
ps,p
分别为抽水蓄能机组ps的抽水效率和发电效率；δt为单位时间段；和分别为抽水蓄能机组ps的上水库蓄水容量的上下限；和分别为抽水蓄能机组ps的下水库蓄水容量的上下限；δ
ps
和分别为抽水蓄能机组ps的上下水库整体的每天首时段的最大库容变动值以及末时段的最大库容变动值；和分别为抽水蓄能机组ps在te时段和t0时段的上下水库的蓄水量，时段te和时段t0具体为发电机组运行周期的末尾时刻与初始时刻；f
ij,t
和分别为电力系统中的节点i与节点j间在t时段的线路潮流功率和线路传输极限，节点j为电力系统中与节点i连接的一个节点；θ
i,t
和θ
j,t
分别为电力系统中的节点i与节点j在时段t的相角；x
ij
为电力系统中的节点i与节点j间的线路电抗；
[0038]
根据发电运行启动代价目标函数，在考虑发电运行启动代价目标函数的约束条件的情况下，计算获得发电机组调频出清参数，具体如下：
[0039][0040]
其中，g∈i表示位于节点i的火电机组g，ps∈i表示位于节点i的抽水蓄能机组ps，j∈i表示电力系统中与节点i相连的节点j，节点j代表满足与节点i相连的电力系统中的任意一个节点；i为电力系统中所有节点的集合；d
i,t
为电力系统中的节点i在时段t的负荷；
λ
i,t
为电力系统中的节点i的代价参数，作为发电机组调频出清参数。
[0041]
所述的步骤2中，针对处于电力系统节点i的每个发电机组的每个单元机组gp，单元机组gp为火电机组g或抽水蓄能机组ps；根据发电机组调频出清参数λ
i,t
，计算发电机组的调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数，具体如下：
[0042][0043][0044][0045]
其中，为单元机组gp的调频机会代价；λ
i,t
为电力系统中的节点i的代价参数，即发电机组调频出清参数；为单元机组gp在t时段的预设调频代价参数；p
gp,t
为单元机组gp在t时段的配置出力或发电功率；k
gp
为发电机组的调频性能指标；为单元机组gp在t时段的目标调频容量代价参数，为单元机组gp在t时段的调频容量代价参数；为单元机组gp在t时段的目标调频里程代价参数，为单元机组gp在t时段的调频里程代价参数；为发电机组的调频里程容量比，根据发电机组的历史调频时段数据确定；
[0046]
根据发电机组的单元机组gp的调频机会代价目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数建立发电机组的调频综合代价目标函数，调频综合代价目标函数即对调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数进行性能加权，具体如下：
[0047][0048][0049][0050][0051]
其中，为单元机组gp在时段t的调频综合代价；和分别为单元机组gp在时段t的目标调频配置容量和预设容量上限；和分别为单元机组gp在时段t的总调频容量和总调频里程需求；
[0052]
根据调频综合代价目标函数获得发电机组出力时的目标调频配置容量
[0053]
所述的步骤3中，获取发电机组的最大出力容量，通过在发电机组的最大出力容量中扣除发电机组出力时的目标调频配置容量，获得发电机组的出力剩余容量p
t
，发电机组的出力剩余容量p
t
包括火电机组g的出力剩余容量和抽水蓄能机组ps的出力剩余容量通过发电机组的出力剩余容量参与发电机组的出力出清，并建立发电机组的出力剩余
容量的约束条件，包括括火电机组g的出力剩余容量的约束条件和抽水蓄能机组ps的出力剩余容量的约束条件，具体如下：
[0054]
a)火电机组g的出力剩余容量的运行约束：
[0055][0056][0057][0058]
其中，为火电机组g的调频配置容量；
[0059]
b)抽水蓄能机组ps的出力剩余容量的运行约束：
[0060][0061]dps,t
＝v
psdps,e
[0062][0063][0064][0065][0066][0067]
在考虑发电机组的出力剩余容量的约束条件的情况下建立的电力系统的电力系统网架运行约束，具体如下：
[0068][0069][0070][0071]
通过以上发电机组的出力剩余容量的约束条件以及电力系统的电力系统网架运行约束，对括火电机组g的出力剩余容量和抽水蓄能机组ps的出力剩余容量进行调频，获得火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量参与发电机组的出力出清，完成发电机组的调频出清。
[0072]
本发明所述的代价通常是指燃煤消耗量。
[0073]
本发明的有益效果是：
[0074]
在考虑抽水蓄能电力环境下运行特性的基础上，出清优化方法兼顾电能量与调频的出清容量耦合关系、时序耦合关系，抽水蓄能作为参与主体进入电能量与调频的出清，解决了抽水蓄能参与电能量与调频出清优化的问题。
附图说明
[0075]
图1为本发明的方法流程图；
[0076]
图2为本发明实施例的调频出清结果；
[0077]
图3为本发明的抽水蓄能的抽水发电功率结果。
具体实施方式
[0078]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0079]
如图1所示，本发明顺序出清方法包括如下步骤：
[0080]
步骤1：获取电力系统的发电机组的发电机组代价参数，通过发电机组代价参数建立发电机组的发电运行启动代价目标函数。获取电力系统的预测负荷数据和输电线路参数，根据预测负荷数据、输电线路参数以及发电机组代价参数建立发电运行启动代价目标函数的约束条件；在考虑发电运行启动代价目标函数的约束条件的情况下进行发电机组的电能量预出清，即根据发电运行启动代价目标函数获得发电机组调频出清参数。
[0081]
通过发电运行启动代价目标函数获得发电机组调频出清参数即可对发电机组的电能量进行预先出清。
[0082]
获取的电力系统的发电机组的发电机组代价参数具体包括火电机组的运行代价和启停代价。通过发电机组代价参数建立的发电机组的发电运行启动代价目标函数，具体如下：
[0083][0084][0085][0086]
其中，f为发电机组的发电运行启动代价，ci
p,ps
()和ci
g,ps
()分别为分布式抽水蓄能机组ps的发电效益函数和抽水代价函数；p
ps,t
和d
ps,t
分别为抽水蓄能机组ps在t时段的发电功率和抽水功率；和分别为火电机组g在t时段的运行代价和启停代价；和分别为火电机组g在t时段的预设代价参数和配置出力；和分别为火电机组g的启动代价和停机代价。
[0087]yg,t
和z
g,t
分别为火电机组g在t时段的启动状态与停机状态，当火电机组g在t时段正在运行，则火电机组在t时段的启动状态y
g,t
与停机状态z
g,t
均为0；当火电机组在t时段启动，则火电机组g在t时段的启动状态y
g,t
为1，停机状态z
g,t
为0；当火电机组g在t时段停机，则火电机组g在t时段的停机状态z
g,t
为1，启动状态y
g,t
为0。
[0088]
获取的电力系统的预测负荷数据包括电力系统总负荷d
t
和电力系统各节点的负荷d
i,t
；电力系统的每个节点处均对应一个或多个发电机组；输电线路参数包括电力系统中的两个节点间的线路潮流功率f
ij,t
以及两个节点间的线路的电抗x
ij
；根据预测负荷数据、输电线路参数以及发电机组代价参数建立发电运行启动代价目标函数的约束条件，具体如下：
[0089]
[0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096]yg,t-z
g,t
＝x
g,t 1-x
g,t
[0097]yg,t
z
g,t
≤1
[0098]ups
p
ps,min
≤p
ps,t
≤u
ps
p
ps,max
[0099]dps,t
＝v
psdps,e
[0100][0101][0102][0103][0104][0105][0106][0107]
其中，p
g,t
为火电机组g在t时段的总配置出力，p
g,t 1
为火电机组g在t 1时段的总配置出力；和分别为火电机组g的最小发电出力和最大发电出力；d
t
和r
sr
分别为电力系统在t时段的总负荷和电力系统计划备用比例；d
ps,t
和p
ps,t
分别为抽水蓄能机组ps在时段t的抽水功率和发电功率；为火电机组g在t时段的最大发电出力；和分别为火电机组g的上下爬坡能力；x
g,t
、x
g,t 1
、x
g,t-1
、x
g,t α-1
和x
g,t α
分别为t、t 1、t-1、t α-1、t α时刻的火电机组g的运行状态变量，当火电机组g为停机状态时为0，开机状态时为1；t
g,on
和t
g,off
分别为火电机组g的最小开机时间和最小停机时间；u
ps
和v
ps
分别表示抽水蓄能机组ps的发电状态和抽水状态，当抽水蓄能机组ps发电时，发电状态u
ps
为1，抽水状态v
ps
为0，当抽水蓄能机组ps抽水时，发电状态u
ps
为0，抽水状态v
ps
为1；p
ps,min
和p
ps,max
分别为抽水蓄能机组ps的最小发电功率和最大发电功率；d
ps,e
为抽水蓄能机组ps的额定抽水功率；和分别为抽水蓄能机组ps在t时段的上水库的蓄水量和下水库的蓄水量，和分别为抽水蓄能机组ps在时段t 1的上水库的蓄水量和下水库的蓄水量；c
ps,d
和c
ps,p
分别为抽水蓄能机组ps的抽水效率和发电效率；δt为单位时间段；和分别为抽水蓄能机组ps的上水
库蓄水容量的上下限；和分别为抽水蓄能机组ps的下水库蓄水容量的上下限；δ
ps
和分别为抽水蓄能机组ps的上下水库整体的每天首时段的最大库容变动值以及末时段的最大库容变动值；和分别为抽水蓄能机组ps在te时段和t0时段的上下水库的蓄水量，时段te和时段t0为发电机组运行周期的末尾时刻与初始时刻；f
ij,t
和分别为电力系统中的节点i与节点j间在t时段的线路潮流功率和线路传输极限，节点j为电力系统中与节点i连接的一个节点；θ
i,t
和θ
j,t
分别为电力系统中的节点i与节点j在时段t的相角；x
ij
为电力系统中的节点i与节点间的线路电抗。
[0108]
根据发电运行启动代价目标函数，在考虑发电运行启动代价目标函数的约束条件的情况下，计算获得发电机组调频出清参数，具体如下：
[0109][0110]
其中，g∈i表示位于节点i的火电机组g，ps∈i表示位于节点i的抽水蓄能机组ps，j∈i表示电力系统中与节点i相连的节点j，节点j代表满足与节点i相连的电力系统中的任意一个节点；i为电力系统中所有节点的集合；d
i,t
为电力系统中的节点i在时段t的负荷；λ
i,t
为电力系统中的节点i的代价参数，作为发电机组调频出清参数。
[0111]
步骤2：根据发电机组调频出清参数，计算发电机组的调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数；根据发电机组的调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数建立发电机组的调频综合代价目标函数，根据调频综合代价目标函数获得发电机组出力时的目标调频配置容量。
[0112]
针对处于电力系统节点i的每个发电机组的每个单元机组gp，单元机组gp为火电机组g或抽水蓄能机组ps；根据发电机组调频出清参数，计算发电机组的调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数，具体如下：
[0113][0114][0115][0116]
其中，为单元机组gp的调频机会代价；λ
i,t
为电力系统中的节点i的代价参数，即发电机组调频出清参数；为单元机组gp在t时段的预设调频代价参数；p
gp,t
为单元机组gp在t时段的配置出力或发电功率；k
gp
为发电机组的调频性能指标；为单元机组gp在t时段的目标调频容量代价参数，为单元机组gp在t时段的调频容量代价参数；为单元机组gp在t时段的目标调频里程代价参数，为单元机组gp在t时段的调频里程代价参数；为发电机组的调频里程容量比，根据发电机组的历史调频时段数据确定；
[0117]
根据发电机组的单元机组gp的调频机会代价目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数建立发电机组的调频综合代价目标函数，调频综合代价目标
函数即对调频机会代价、目标调频容量代价参数和目标调频里程代价参数进行性能加权，具体如下：
[0118][0119][0120][0121][0122]
其中，为单元机组gp在时段t的调频综合代价；和分别为单元机组gp在时段t的目标调频配置容量和预设容量上限；p
tcap,req
和p
tmil,req
分别为单元机组gp在时段t的总调频容量和总调频里程需求。
[0123]
根据调频综合代价目标函数获得发电机组出力时的目标调频配置容量
[0124]
步骤3：获取发电机组的最大出力容量，通过在发电机组的最大出力容量中扣除发电机组出力时的目标调频配置容量，获得发电机组的出力剩余容量，并建立发电机组的出力剩余容量的约束条件。在考虑发电机组的出力剩余容量的约束条件的情况下建立电力系统的电力系统网架运行约束。
[0125]
发电机组包括火电机组和抽水蓄能机组，在考虑发电机组的出力剩余容量的约束条件以及电力系统网架运行约束的情况下，获得火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量，火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量参与发电机组的出力出清，完成发电机组的调频出清。
[0126]
获取发电机组的最大出力容量，通过在发电机组的最大出力容量中扣除发电机组出力时的目标调频配置容量，获得发电机组的出力剩余容量p
t
，发电机组的出力剩余容量p
t
包括火电机组g的出力剩余容量和抽水蓄能机组ps的出力剩余容量通过发电机组的出力剩余容量参与发电机组的出力出清，并建立发电机组的出力剩余容量的约束条件，包括括火电机组g的出力剩余容量的约束条件和抽水蓄能机组ps的出力剩余容量的约束条件，具体如下：
[0127]
a)火电机组g的出力剩余容量的运行约束：
[0128][0129][0130][0131]
其中，为火电机组g的调频配置容量。
[0132]
b)抽水蓄能机组ps的出力剩余容量的运行约束：
[0133][0134]dps,t
＝v
psdps,e
[0135][0136][0137][0138][0139][0140]
在考虑发电机组的出力剩余容量的约束条件的情况下建立的电力系统的电力系统网架运行约束，具体如下：
[0141][0142][0143][0144]
通过以上发电机组的出力剩余容量的约束条件以及电力系统的电力系统网架运行约束，对括火电机组g的出力剩余容量和抽水蓄能机组ps的出力剩余容量进行调频，获得火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量火电机组的出力剩余容量和抽水蓄能机组的出力剩余容量参与发电机组的出力出清，完成发电机组的调频出清。
[0145]
本发明所述的代价通常是指燃煤消耗量。
[0146]
具体实施例：
[0147]
本实施例采用某省抽水蓄能电站的数据，各个抽水蓄能机组的装机容量为80mw，调频里程容量比设为10，抽水蓄能机组与火电机组参与电能量-调频出清。本实施例利用cplex工具进行求解，得到调频出清结果与抽水蓄能机组的抽水发电功率结果，分别如图1和图2所示。
[0148]
从图2中可以发现，各抽水蓄能机组抽发电状态在大部分时段内基本保持一致，在负荷低谷时段(4-7)抽水，在负荷高峰时段(12-19)发电，达到削峰填谷的目的。值得注意的是，在诸如t＝2等部分时段内，抽水蓄能的抽发状态并不都保持抽水状态，这是因为由于出清顺序，调频先于电能量出清，在调频中抽水蓄能承担系统调频容量，需维持在机组于发电状态保证日内调频资源的供给。从图3中可以发现，在负荷低谷与负荷高峰阶段，主要由火电机组承担调频容量，这是由于在负荷低谷时段，此时出清代价参数较低，抽水蓄能机组处于定功率抽水状态，无法提供调频服务。在负荷高峰时期，由于用电紧张带来的代价参数高峰，使得电能量边际出清代价参数过高，抬高了抽水蓄能电站调频的调频机会代价，造成其调频综合代价参数高于一部分边际机组，丧失调频出清的优先级。本方法考虑抽水蓄能机组的运行特性，使得抽水蓄能在能量与调频出清市场中承担一定的服务功能，发挥了抽水蓄能在电力系统中的调节作用。