本發(fā)明涉及電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行領(lǐng)域，特別涉及一種基于電量控制的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型及求解方法。

技術(shù)背景

電網(wǎng)調(diào)峰一直是困擾我國(guó)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的難題，嚴(yán)重影響區(qū)域電網(wǎng)及轄屬省(市)級(jí)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。近些年，隨著風(fēng)電為主的新能源大規(guī)模投產(chǎn)，風(fēng)電裝機(jī)比重不斷攀升，其反調(diào)峰特性進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)調(diào)峰壓力。我國(guó)各大流域水電基地相繼竣工投產(chǎn)在增強(qiáng)我國(guó)電網(wǎng)調(diào)峰能力的同時(shí)，也對(duì)梯級(jí)水電站群調(diào)峰運(yùn)行提出了更高要求。云南、四川、貴州等電網(wǎng)作為水電富集電網(wǎng)，如何有效利用水電運(yùn)行靈活特性，考慮梯級(jí)水電優(yōu)化原則，科學(xué)安排水電站工作位置，合理分配水電系統(tǒng)優(yōu)化后給定的日電量，確保電網(wǎng)有足夠的調(diào)峰容量是緩解水電富集電網(wǎng)調(diào)峰壓力的有效手段。因此，開展梯級(jí)水電站群短期調(diào)峰研究對(duì)保障電網(wǎng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有意義重大。

本發(fā)明成果前瞻電網(wǎng)未來發(fā)展，依托國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作(No.51210014)項(xiàng)目支持，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果和文獻(xiàn)報(bào)道大多針對(duì)水位控制下下的梯級(jí)水電站群優(yōu)化調(diào)度，尚未見考慮電量控制的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型及求解方法。本成果為我國(guó)水電富集電網(wǎng)中梯級(jí)水電站群優(yōu)化調(diào)度提供了重要借鑒。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于電量控制的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型及求解方法，可使梯級(jí)水電在滿足日優(yōu)化電量、出力爬坡、出力波動(dòng)控制需求的同時(shí)，充分發(fā)揮了梯級(jí)水電站群的調(diào)峰作用。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：本發(fā)明揭示了一種基于電量控制的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型及求解方法，按照下述步驟(1)-(10)實(shí)現(xiàn)各電站調(diào)度計(jì)劃生成過程：

(1)根據(jù)單站日優(yōu)化電量模型將梯級(jí)水電站總電量分解，獲得各個(gè)水電站的日優(yōu)化電量；

(2)根據(jù)日優(yōu)化電量，構(gòu)建梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型；

(3)將梯級(jí)水電站按負(fù)荷率從小到大排序，令i＝1；

(4)獲取電站i的面臨負(fù)荷曲線；

(5)采用多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃重構(gòu)電站i的面臨負(fù)荷曲線；

(6)根據(jù)電站i的日優(yōu)化電量，采用逐次切負(fù)荷方法在重構(gòu)的負(fù)荷圖上確定電站日內(nèi)出力過程；

(7)令i＝i+1，若i＞I，進(jìn)入步驟(8)；否則，返回步驟(4)；

(8)根據(jù)上游電站出庫(kù)、區(qū)間來水及電站的起調(diào)水位，采用以電定水原則逐電站逐時(shí)段確定相關(guān)水務(wù)計(jì)算變量；

(9)采用啟發(fā)式負(fù)荷分配方法修正電站出力，保證計(jì)算結(jié)果可行；

(10)統(tǒng)計(jì)調(diào)峰指標(biāo)值，計(jì)算結(jié)束。

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下有益效果：本發(fā)明一種基于電量控制的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型及求解方法，前瞻電網(wǎng)未來發(fā)展，水電站日優(yōu)化電量由梯級(jí)總電量在各個(gè)電站間優(yōu)化分配得到。同時(shí)，提出了耦合多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法、逐次切負(fù)荷方法、啟發(fā)式負(fù)荷分配算法的求解方法，多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法重構(gòu)電站面臨負(fù)荷，保證切負(fù)荷結(jié)果滿足復(fù)雜時(shí)段耦合約束，逐次切負(fù)荷方法確定電站日內(nèi)出力過程，啟發(fā)式負(fù)荷分配算法沿日優(yōu)化電量約束邊界修正水位及棄水約束。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可使水電在滿足日優(yōu)化電量、出力爬坡、出力波動(dòng)控制需求的同時(shí)，充分發(fā)揮了梯級(jí)水電站群的調(diào)峰作用。

附圖說明

圖1是負(fù)荷重構(gòu)示意圖。

圖2是總體調(diào)峰效果圖。

圖3(a)是洪家渡電站出力過程。

圖3(b)是東風(fēng)電站出力過程。

圖3(c)是索風(fēng)營(yíng)電站出力過程。

圖3(d)是烏江渡電站出力過程。

圖3(e)是構(gòu)皮灘電站出力過程。

圖3(f)是思林電站出力過程。

圖3(g)是沙沱電站出力過程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型目標(biāo)為：根據(jù)電網(wǎng)的日負(fù)荷需求和水電站的日優(yōu)化電量，科學(xué)安排水電站工作位置，合理分配水電站日出力運(yùn)行過程，以有效調(diào)節(jié)負(fù)荷波動(dòng)，削減系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差。

本發(fā)明中，為保證電網(wǎng)和電站的安全穩(wěn)定，梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型需滿足以下約束條件：

A.水量平衡約束

v_i,t＝v_i,t-1+(Q_i,t+I_i,t-u_i,t)×Δt×3600 (1)

式中：t為時(shí)段編號(hào)；v_i,t為水庫(kù)i在t時(shí)段末的庫(kù)容，m³；Q_i,t為水庫(kù)i在t時(shí)段的入庫(kù)流量，由其直接上游水庫(kù)出庫(kù)匯入，m³/s；I_i,t為水庫(kù)i在t時(shí)段的區(qū)間入庫(kù)流量，m³/s；u_i,t為水庫(kù)i在t時(shí)段的出庫(kù)流量，m³/s，u_i,t＝q_i,t+s_i,t；q_i,t為電站i在t時(shí)段的發(fā)電流量，m³/s；s_i,t為電站i在t時(shí)段的棄水流量，m³/s；Δt為調(diào)度時(shí)段步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)，h。

B.庫(kù)水位限制

式中：Z_i分別為水庫(kù)i的水位上、下限；z_i,t為水庫(kù)i在t時(shí)段的末水位值，m。

C.發(fā)電流量限制

式中：Q_i分別為電站i的發(fā)電流量上、下限，m³/s。

D.棄水流量限制

式中：為水庫(kù)i的棄水流量上限，m³/s。

E.出庫(kù)流量限制

式中：U_i分別為水庫(kù)i的出庫(kù)流量上、下限，m³/s。

F.出力限制

式中：P_i分別為電站i的出力上、下限；p_i,t為水電站i在t時(shí)段出力，MW。

G.出力爬坡約束

式中：為電站i單時(shí)段最大出力升降限制，MW。

H.出力波動(dòng)控制約束

(p_i,t-α-p_i,t-α-1)(p_i,t-p_i,t-1)≥0,α＝1,2,...,t_ei-1 (8)

式中：t_ei為電站i在一輪出力升降過程中最高或最低點(diǎn)需持續(xù)的最少時(shí)段數(shù)，t_ei>1。

I.日優(yōu)化電量約束

式中：T為調(diào)度時(shí)段總數(shù)；E_i為電站i的日優(yōu)化電量，kWh。

本發(fā)明的約束條件(9)中，電站i的日優(yōu)化電量由單站日優(yōu)化電量模型得到，單站日優(yōu)化電量模型的目標(biāo)遵循梯級(jí)水電站群蓄能最大原則，數(shù)學(xué)表達(dá)為：

式中：I為梯級(jí)水電站總數(shù)目；ES_i為電站i的蓄能值，kWh。

ES_i＝(VT_i,D+WT_i)/η_i (11)

式中：D為調(diào)度時(shí)段總數(shù)；VT_i,D為電站i調(diào)度期末死水位以上的蓄水量，m³；WT_i為電站i的全部上游電站調(diào)度期末死水位以上的蓄水量，m³，U_i為電站i的直接上游電站標(biāo)號(hào)數(shù)組；k為電站i的直接上游電站編號(hào)；K_i為電站i的直接上游電站總數(shù)；η_i為電站i的平均耗水率，m³/kWh。

需要滿足的約束如下：

a.水量平衡約束

v_i,d＝v_i,d-1+(Q_i,d+I_i,d-u_i,d)×Δd×3600 (12)

式中：d為調(diào)度時(shí)段編號(hào)；v_i,d為水庫(kù)i在d時(shí)段末的庫(kù)容，m³；Q_i,d為水庫(kù)i在d時(shí)段的入庫(kù)流量，由其直接上游水庫(kù)出庫(kù)匯入，m³/s；I_i,d為水庫(kù)i在d時(shí)段的區(qū)間入庫(kù)流量，m³/s；u_i,d為水庫(kù)i在d時(shí)段的出庫(kù)流量，m³/s，u_i,d＝q_i,d+s_i,d；q_i,d為電站i在d時(shí)段的發(fā)電流量，m³/s；s_i,d為電站i在d時(shí)段的棄水流量，m³/s；Δd為調(diào)度時(shí)段步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的天數(shù)。

b.庫(kù)水位限制

式中：Z_i分別為水庫(kù)i的水位上、下限；z_i,t為水庫(kù)i在d時(shí)段的末水位值，m。

c.發(fā)電流量限制

式中：Q_i分別為電站i的發(fā)電流量上、下限，m³/s。

d.棄水流量限制

式中：為水庫(kù)i的棄水流量上限，m³/s。

e.出庫(kù)流量限制

式中：U_i分別為水庫(kù)i的出庫(kù)流量上、下限，m³/s。

f.出力限制

式中：P_i分別為電站i的出力上、下限，MW；p_i,t為水電站i在d時(shí)段出力，MW。

g.梯級(jí)水電總電量約束

式中：E'為梯級(jí)水電總電量，kWh。

本發(fā)明的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型的求解方法根據(jù)電站出力爬坡限制、出力波動(dòng)控制等電站控制約束，利用多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法重構(gòu)系統(tǒng)負(fù)荷，在保留系統(tǒng)負(fù)荷特征的同時(shí)，為逐次切負(fù)荷方法創(chuàng)造良好的系統(tǒng)負(fù)荷輸入條件。圖1為多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法重構(gòu)系統(tǒng)負(fù)荷的示意圖，具體過程為：

為使重構(gòu)負(fù)荷與原負(fù)荷的峰現(xiàn)時(shí)間、谷現(xiàn)時(shí)間、升降趨勢(shì)等特征保持相近，選取重構(gòu)負(fù)荷與原負(fù)荷二者之間的平方差之和最小作為負(fù)荷重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)為

式中：x_i,t為電站i在t時(shí)段的重構(gòu)負(fù)荷值，MW；X_i,t為電站i在t時(shí)段的面臨負(fù)荷，MW。

為使切負(fù)荷結(jié)果滿足電站出力爬坡約束、出力波動(dòng)控制約束這些時(shí)段耦合約束，將電站約束(7)中的和約束(8)中的t_ei納入負(fù)荷重構(gòu)模型，將其作為約束處理，同時(shí)，為保證經(jīng)電站調(diào)節(jié)后的負(fù)荷峰谷差大小不增加，需使每個(gè)時(shí)段的重構(gòu)負(fù)荷值不大于面臨負(fù)荷值，新的約束的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

(x_i,t-α-x_i,t-α-1)(x_i,t-x_i,t-1)≥0 α＝1,2,…,t_ei-1 (21)

x_i,t≤X_i,t (22)

采用多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解該模型，將時(shí)段t視為階段，將負(fù)荷離散值和負(fù)荷狀態(tài)k組成二維向量作為狀態(tài)變量，n為負(fù)荷離散值數(shù)目，k＝-t_ei,-(t_ei-1),...,-1,1,...,t_ei，將離散的負(fù)荷值變化量和負(fù)荷狀態(tài)的變化Δk組成的二維向量作為決策變量，其遞推方程、階段效應(yīng)方程和目標(biāo)函數(shù)方程分別為：

式中：T_t(·)為遞推關(guān)系函數(shù)；r_t(·)為階段效應(yīng)函數(shù)；M_1,i,t為約束(20)破壞懲罰項(xiàng)；M_2,i,t為約束(21)破壞懲罰項(xiàng)；M_3,i,t為約束(22)破壞懲罰項(xiàng)。

這里，將二維向量作為狀態(tài)變量的目的是消除約束(21)帶來的后效性影響。以t_ei＝4為例說明，同一個(gè)負(fù)荷離散值不同負(fù)荷狀態(tài)的說明見公式(26)。

以下降狀態(tài)為例，說明如何滿足出力波動(dòng)控制約束(約束(21))，具體如下：

(1)若起始狀態(tài)為下一階段負(fù)荷值繼續(xù)下降，則下一階段變量為

(2)若起始狀態(tài)為下一階段負(fù)荷值與此階段持平，則下一階段變量為若起始狀態(tài)為下一階段負(fù)荷值與此階段持平，則下一階段變量為若起始狀態(tài)為下一階段負(fù)荷值與此階段持平，則下一階段變量為若起始狀態(tài)為下一階段負(fù)荷值與此階段持平，則下一階段變量為

(3)若起始狀態(tài)為則下一階段負(fù)荷值允許上升，下一階段變量為

基于重構(gòu)的負(fù)荷曲線，采用逐次切負(fù)荷方法在負(fù)荷圖上確定電站的出力過程。

利用逐次切負(fù)荷方法確定水電站工作位置后，需利用以電定水原則逐時(shí)段確定電站的發(fā)電流量、棄水流量和末水位等水務(wù)計(jì)算變量信息，對(duì)于部分變量可能發(fā)生越界情況，采用啟發(fā)式負(fù)荷分配算法，沿日優(yōu)化電量約束邊界修正電站出力，保證計(jì)算結(jié)果可行。

根據(jù)上述思想，一種基于電量控制的梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型及求解方法，按照下述步驟(1)-(10)予以實(shí)現(xiàn)：

(1)根據(jù)單站日優(yōu)化電量模型將梯級(jí)水電站總電量分解，獲得各個(gè)水電站的日優(yōu)化電量；

(2)根據(jù)日優(yōu)化電量，構(gòu)建梯級(jí)水電短期調(diào)峰模型；

(3)將梯級(jí)水電站按負(fù)荷率從小到大排序，令i＝1；

(4)獲取電站i的面臨負(fù)荷曲線；

(5)采用多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃重構(gòu)電站i的面臨負(fù)荷曲線；

(6)根據(jù)電站i的日優(yōu)化電量，采用逐次切負(fù)荷方法在重構(gòu)的負(fù)荷圖上確定電站日內(nèi)出力過程；

(7)令i＝i+1，若i＞I，進(jìn)入步驟(8)；否則，返回步驟(4)；

(8)根據(jù)上游電站出庫(kù)、區(qū)間來水及電站的起調(diào)水位，采用以電定水原則逐電站逐時(shí)段確定相關(guān)水務(wù)計(jì)算變量；

(9)采用啟發(fā)式負(fù)荷分配方法修正電站出力，保證計(jì)算結(jié)果可行；

(10)統(tǒng)計(jì)調(diào)峰指標(biāo)值，計(jì)算結(jié)束。

現(xiàn)以我國(guó)“十三大水電基地”之一的烏江干流梯級(jí)水電站群96點(diǎn)日計(jì)劃制作為例，從日優(yōu)化電量分配、調(diào)峰效果和復(fù)雜控制需求滿足三方面驗(yàn)證本發(fā)明的模型及方法的有效性。烏江干流梯級(jí)是即將率先建成的特大流域水電基地，建有洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營(yíng)、烏江渡、構(gòu)皮灘、思林、沙沱共計(jì)7座水電站，在電力供應(yīng)、調(diào)峰、調(diào)頻等方面起到了至關(guān)重要的作用。

各個(gè)水電站的日優(yōu)化電量見表1，以此電量為基礎(chǔ)計(jì)算各個(gè)電站的負(fù)荷率，負(fù)荷率越小，意味著該電站在系統(tǒng)負(fù)荷圖上的位置越高，承擔(dān)更多尖峰負(fù)荷。電站負(fù)荷率見表1最后一列。構(gòu)皮灘電站負(fù)荷率最小，優(yōu)先切負(fù)荷，洪家渡電站負(fù)荷率最大，最后參與切負(fù)荷。

總體調(diào)峰效果見圖2和表2。烏江梯級(jí)水電在貴州電網(wǎng)裝機(jī)比重中占比較高，調(diào)峰容量較大，經(jīng)其調(diào)節(jié)后，剩余負(fù)荷基本平穩(wěn)不變，削峰效果明顯。通過高峰負(fù)荷、低谷負(fù)荷及峰谷差三方面的負(fù)荷值變化來分析調(diào)峰效果。高峰時(shí)段，負(fù)荷峰值被大幅削減，減少值為5139MW，削減比例高達(dá)30％。低谷時(shí)段，因電站有電量控制需求，故負(fù)荷低谷時(shí)段水電仍需保持一定出力運(yùn)行，負(fù)荷削減值為1873MW，削減比例接近15％。峰谷差方面，其削減值高達(dá)3666MW，接近原系統(tǒng)峰谷差的90％，削峰效果明顯，充分發(fā)揮了水電調(diào)峰能力。

圖3展示了調(diào)峰情境下的電站出力過程。構(gòu)皮灘電站負(fù)荷率最小，優(yōu)先參與切負(fù)荷，加之該電站調(diào)峰容量較大，故其參與調(diào)峰程度較高，電站出力緊隨負(fù)荷變化。系統(tǒng)負(fù)荷經(jīng)計(jì)算序位較高的構(gòu)皮灘、沙沱、東風(fēng)調(diào)節(jié)后，負(fù)荷峰值基本被削平，也使得其他電站出力相對(duì)平穩(wěn)。負(fù)荷低谷時(shí)段，計(jì)算序位最高的構(gòu)皮灘以較低出力運(yùn)行，計(jì)算序位較高的沙沱、東風(fēng)停機(jī)以迎接負(fù)荷高峰到來。高峰負(fù)荷來臨，構(gòu)皮灘出力迅速爬以響應(yīng)負(fù)荷變化，沙沱、東風(fēng)基本以最大爬坡能力爬升。在早、晚峰之間，構(gòu)皮灘出力迅速升降以根據(jù)負(fù)荷變化，由于經(jīng)構(gòu)皮灘調(diào)節(jié)后負(fù)荷高峰基本被削平，故沙沱、東風(fēng)出力在早晚峰之間維持一定出力水平不變。晚峰過后，構(gòu)皮灘以最大爬坡能力減小出力，直至維持較小出力水平，沙沱迅速降低出力直至停機(jī)。由于烏江渡、洪家渡計(jì)算序位較低，且其面臨負(fù)荷較平穩(wěn)，故兩座電站全天出力基本平穩(wěn)不變。通過以上分析可知，電站出力對(duì)負(fù)荷快速與靈活響應(yīng)，調(diào)峰效果明顯。與此同時(shí)，爬坡和持續(xù)時(shí)段復(fù)雜時(shí)段耦合約束得到滿足。

表1日優(yōu)化電量分配結(jié)果

表2調(diào)峰指標(biāo)統(tǒng)計(jì)