含風電的電力系統綜合經濟調度建模分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u13793含風電的電力系統綜合經濟調度建模分析綜述 176331.1引言 1202451.2常規電力系統經濟調度模型 2191353.2.1目標函數 223813.2.2約束條件 3228361.3含風電場的電力系統經濟調度模型 597883.3.1目標函數 5109093.3.2約束條件 6138203.3.3模型綜合構建 9引言構建僅含火電機組的經濟調度模型時，根據預測日內上網負荷功率需求安排火電機組發電計劃，追求經濟利益最大化的同時優化調度。當風電并網后，考慮到風電特性，在電力系統日內經濟調度中不僅難以做到在發電量小于負荷時幫助電網調峰，且常呈現反調峰的特性，故不僅需要對系統負荷進行預測，同時需要對風電功率進行預測，制定合理發電計劃。在機組實際運行過程中，有關風電出力情況即使做到精確預測，風電機組實際出力也會有較大概率出現高于或低于預測計劃中的風功率值，通常調度計劃中遇到此類情況會選擇棄風、關停某些火電機組或設置備用容量，這會對電力系統經濟調度造成資源浪費及經濟損失。為保證充分計及風電并網對系統的影響，需要對原有模型的目標函數及約束條件進行優化，使風電計劃出力盡量接近預測值，備用容量滿足風電并網后的調峰需求。根據前文敘述，本章首先建立了僅含火電機組的經濟調度模型，在此基礎上結合第2章有關風電并網后對系統影響的敘述，考慮風電自身特性、火電機組對環境污染評估指標及備用容量的優化選取，將基于Beta分布的風電功率概率分布函數所量化得到的風電綜合成本引入至優化模型的目標函數中，同時優化相關約束條件，綜合構建適應大規模風電并網后的電網經濟調度模型。常規電力系統經濟調度模型電力系統常規經濟調度模型通常是針對于火電機組出力情況，以火電機組煤耗量最小即發電成本最小作為經濟調度模型的目標函數。約束條件包含功率平衡約束、機組出力上下限、爬坡約束及備用容量約束等。3.2.1目標函數1）火電機組燃煤成本最小電網的經濟調度有以下兩種模式：靜態經濟調度模式及動態經濟調度模式。兩者的區別主要在于靜態經濟調度模式針對單一時段內滿足給定的各項限制條件下實現煤耗量最小，即經濟利益最大化，靜態經濟調度模式下目標函數表示為： （1.1）式中，Fa為機組運行總成本，N為電網運行機組數目，pi為火電機組出力值，查閱資料可知，常規的火電機組煤耗特性為二次曲線表達形式，在無其余限制因素下，火電機組煤耗特性函數為： fup(p式中，ai、bi、ci均為為第i臺火電機組燃煤發電時的特性系數，可由實測得到。根據實際運行情況，對于火電機組中的汽輪機，當上一級氣門處于完全打開狀態時，其下一級進氣閥如果突然開啟，上一級氣門的蒸汽流動會受到下一級氣門的影響，會在火電機組原有的煤耗特性函數上增加一個躍變現象，該效果被定義為閥點效應。此時火電機組的煤耗關系不能僅用二次曲線量化，閥點效應造成了煤耗關系不再線性化，結合文獻REF_Ref69997772\r\h[12]所述，在原有煤耗曲線中添加正弦函數以表征實際運行中的火電機組煤耗情況，考慮閥點效應后的火電機組煤耗函數描述為： （1.3）式中，ei、fi為第i臺火電機組的閥點效應系數，pi對于電力系統動態經濟調度模式而言，不僅需要考慮在某一時段內各機組出力計劃制定問題，同時需要考慮各個時段的相互聯系，在滿足預測負荷需求的情況下，制定各時段內火電機組出力計劃，以追求經濟利益最大化為目標，而本文所描述的日內經濟調度模式更適合用動態經濟調度模型量化，動態調度下的目標函數變為： （1.4） （1.5）式中，t為運行中某一時間段的時段標號，T為日內運行總時段數，pi,t為t時段第i臺火電機組提供的有功功率值，fup(pi,t2）綜合購電成本最小電網企業希望以最低購電成本購得所需電，由此產生的購電成本函數為： （1.6）式中，Fr為電網企業購電成本，ωi,t為在t時段第3.2.2約束條件對于火電機組，其主要約束條件包含出力極限約束及爬坡約束等；對于整個運行的電力系統，主要約束條件包含系統功率守恒約束、預留容量備用約束及線路（斷面）潮流約束等。1）出力極限約束每一臺火電機組在實際運行中都會存在出力區間，其允許出力的下限值一般為火電機組正常開啟運行時的啟動臨界功率，其允許出力的上限值一般為規定的額定輸出功率，其約束條件描述為： pimin≤式中，pimin為火電機組i的出力下限值，pi2）爬坡速率約束爬坡約束可分為以下三種類別：第一類為機組開啟運行爬坡約束，當火電機組開機運行時，使機組從出力為零達到機組至允許出力的下限值，需要一定時間至開啟運行狀態；第二類為機組關停爬坡約束，當機組停止運行時，使機組從較大出力或額定出力減至機組正常關停，需要一定時間至關停狀態；第三類為上、下爬坡約束，當火電機組需要在某時段改變出力值時，其改變會受到該約束限定。通常其約束條件描述為： ??i,dT式中，?i,u為火電機組i的向上爬坡速率，?i,d為火電機組i的向下爬坡速率，3）功率平衡約束電力系統在運行中保持功率平衡是指火電機組產生的功率與系統負荷的所需功率時刻保持平衡，其約束條件描述為： （1.9）式中，pLoad,t為在t時刻接入的負荷，即t時刻的負荷需求；pLoss,t為在4）系統備用容量約束當系統負荷預測值與實際上網值存在差值時，電網中需要預留一定的備用容量通過調峰機制保證系統持續穩定運行，防止出現因發電用電量不匹配導致出現電網電壓下降等負面影響。熱備用容量與冷備用容量為備用的兩種形式，本文中使用熱備用這一概念，即正在運行的火電機組所能輸出的最大功率與上網負荷之差，用以應對系統負荷預測誤差對電力系統的影響，電網所需的熱備用容量應根據電力系統運行規范及實際運行狀況加以調整。通常其約束條件描述為： （1.10）式中，Hi,t為t時段第i臺火電機組應對調峰預留的熱備用容量值，p?,t為5）線路（斷面）潮流約束其約束條件描述為： ?PLmax≤P式中，PLi,t表示在t時段線路L的輸出功率；PL含風電場的電力系統經濟調度模型大規模風電并網后，考慮風電隨機出力對系統運行影響，對傳統調度模式的目標函數中加入環境成本及風電成本，同時增改部分約束條件，構建優化后的調度模型。3.3.1目標函數風電機組并網后，根據第二章所述，構建了基于Beta分布的風電出力概率分布模型，并由此引入了高估風電出力懲罰成本及低估風電出力懲罰成本兩項概念；同時，由于風能是環境友好型的清潔能源，相比于傳統化石能源而言不產生污染，為體現出風電并網經濟調度中風力發電的優勢，本文考慮火電機組在運行過程中，其排放污染物廢氣對環境的影響，將其作為指標用以評價經濟調度的優勢或劣勢。火電機組的環境成本及排污特性函數表示為： （1.12） fenv(p式中，Fb為火電機組的環境成本；fenv為火電機組由于排放等廢氣形成的排污量；α、β、γ三個參量均為火電排污系數由實際測量中得到；k結合上文，計及環境成本及風電成本下將其納入大規模風電并網條件下調度模型的目標函數中，將僅以火電成本最小值為目標函數的傳統模型優化為以火電機組耗煤量所需成本、環境成本及風電出力懲罰成本三者之和最小值為目標函數的電力系統綜合經濟調度模型，目標函數描述為： minF=Fa+式中，F為風電并網后的電力系統綜合經濟調度模型綜合總成本。滿足其值最小化既可做到優先消納風電，同時實現電網企業收益最大化。3.3.2約束條件對于大規模風電并網條件下的調度模型其主要約束條件包含出力極限約束、爬坡約束、系統功率守恒約束及備用容量約束等。1）出力極限約束風電機組同火電機組一致，在實際運行中都會存在出力區間，風電機組最小出力值一般為零，其最大出力值一般為風電場允許的最大出力值，其約束條件描述為： pimin≤ 0≤pf,t≤pfmax式中，pimin為火電機組i出力的下限值，pimax為火電機組為更精確描述風電出力極限約束，本文參考機會約束規劃中的概率約束限定風電場的計劃出力值，令不確定方式下表示的約束條件在給定的置信水平值上成立。即有： PWt式中,ρ為概率約束下給定的置信水平，Wt為風電場在t時段的實際出力值，pft結合第二章給出的基于Beta分布的風電出力概率分布函數Frp PWt式中K=pft/pfmax，式（1.19）表示在此概率分布內風電場能夠執行給定調度計劃的概率，顯然，K為概率分布函數Frp的上側分位數，故風電場計劃出力值的上限不再為風電場最大計劃出力值，而是在給出的置信水平下，通過風電概率分布函數求反函數得對應的風電計劃出力值 0≤pf,t≤式中，Fr?1為Frp的反函數，2）爬坡速率約束爬坡約束較之于傳統僅含火電機組的調度模型不發生改變，其約束條件為： ??i,dT式中，?i,u為火電機組i向上的爬坡速率，?i,d為火電機組i向下的爬坡速率，3）功率平衡約束含風電的電力系統綜合經濟調度模型在運行中保持功率平衡是指在本模型中火電機組產生的功率與風電機組并網運行產生的功率同系統負荷的所需功率時刻保持平衡，其約束條件描述為： （1.21）式中,pft為風電機組計劃出力，Nf為并網風電機組數目，pLoad,t為在t4）系統備用容量約束大規模風電并網后，考慮到風電自身特性，而根據現有的方法預測風功率的精準性遠不及對系統負荷預測的準確性，故需在備用約束條件中需計及風電并網對電力系統經濟調度的影響，通常方法是規定一定的正、負備用約束容量。當風電場并網具備一定規模后，對風電的預測水平越高，若此時出現偏差導致風電實際出力不足，則系統必須預留足夠的正備用容量以快速填補負荷所需功率的缺失部分；同理，當風電出力可變化增加的容量越多，即火電機組可降低的出力越多，系統需要預留的負備用容量要求也越高。特別地，如果風電場可以達到其最大出力，此時則不需系統提供負備用容量進行約束。系統正備用容量約束 （1.22）式中，SU為t時段系統為保證電網穩定供電進行調峰所預留的正備用容量；SU,i為t時段第i臺機組系統所提供的在10min響應時間內的總的正備用容量；L%為由于上網負荷預測誤差導致對正備用容量的需求百分比；u%為由于風電預測誤差導致對正備用容量的需求百分比；pimax為火電機組i給定的出力上限值；T對式（1.23），綜合考慮到高估風電出力對電網的影響，此時風電機組實際出力低于計劃出力，選取系統負荷預測誤差與風電預測誤差之和作為正備用容量約束的需求下限值。系統負備用容量約束 （1.23）式中，SD為t時段系統在風電實際出力過大情況下預留的負備用總容量；SD,i為t時段第i臺機組系統提供的10min響應時間總的負備用容量；pfmax為風電機組i最大可出力；d%為于風電預測誤差導致對負備用容量的需求百分比；?i,d為火電機組i向下的爬坡速率，pimin為火電機組i給定的出力下限值，對式（1.24），綜合考慮到低估風電出力對電網的影響，此時風電機組實際出力高于計劃出力，選取風電場最大出力