本發(fā)明涉及一種基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法，屬于新能源及高效節(jié)能領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水電站雖然因調(diào)度水量受限而使其發(fā)電量受限，但是其調(diào)峰容量不受限，將調(diào)度水量受限的水電站與并網(wǎng)困難的光伏電站組成水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，既可以使水電站擺脫運(yùn)營(yíng)困難的處境，又可以使電網(wǎng)接納更多的光伏電源。在設(shè)計(jì)和規(guī)劃水光互補(bǔ)系統(tǒng)時(shí)，需要確定接入系統(tǒng)的光伏電站容量，這不僅關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還有可能影響到整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量的配置屬于多能源發(fā)電系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化問(wèn)題。目前的研究中，多能源系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化模型可分為單目標(biāo)優(yōu)化模型和多目標(biāo)優(yōu)化模型兩種。單目標(biāo)優(yōu)化模型以系統(tǒng)成本最小或者系統(tǒng)最大經(jīng)濟(jì)效益作為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件一般包括供電可靠性約束、環(huán)境保護(hù)約束、電源自身的約束，另外還有n-1潮流約束、多能源互補(bǔ)性約束等。而多目標(biāo)優(yōu)化模型除以系統(tǒng)最小成本為優(yōu)化目標(biāo)，還將單目標(biāo)優(yōu)化模型中的部分約束作為目標(biāo)函數(shù)，如可靠性、環(huán)保效益。此外，還會(huì)根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的特點(diǎn)添加目標(biāo)函數(shù)，如最大可再生能源利用比例。但現(xiàn)有的研究成果大多針的是對(duì)含有風(fēng)電、光伏發(fā)電及儲(chǔ)能的多能源微電網(wǎng)或虛擬電廠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法，考慮了光伏出力的隨機(jī)性，不僅能夠充分利用水電站的調(diào)節(jié)能力，增加光伏電站的接入容量，而且對(duì)水電站運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)建立光伏電站容量?jī)?yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)：

式(1)中，f為目標(biāo)函數(shù)，pr{·}表示{·}中事件成立的概率，β是事先給定的目標(biāo)函數(shù)的置信水平，是目標(biāo)函數(shù)f在保證置信水平至少是β時(shí)所取得最大值，t表示調(diào)度周期的時(shí)段個(gè)數(shù)，δt表示時(shí)段歷時(shí)，phy,t表示t時(shí)段的水電站有功出力，chy表示水電站的上網(wǎng)電價(jià)，ppv,t表示t時(shí)段的光伏電站有功出力，pdrop,t表示t時(shí)段的光伏電站的棄光功率，cpv表示光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)，pre,t表示t時(shí)段的備用機(jī)組有功出力，wre表示備用機(jī)組的出力偏離懲罰系數(shù)；

2)建立光伏電站容量?jī)?yōu)化模型的約束條件：

2.1)、系統(tǒng)的功率平衡約束：

peq＝(ppv,t-pdrop,t)+pre,t+phy,t(2)

式中，peq表示水光互補(bǔ)系統(tǒng)的等效開(kāi)機(jī)容量；

2.2)機(jī)組備用出力約束：

0≤pre,t≤peq(3)

2.3)與光伏電站相關(guān)約束：

cpv≥0(4)

式(4)中，cpv是光伏電站裝機(jī)容量，式(4)表示光伏容量大于等于0；

ppv,t＝ppv,base,tcpv(5)

式(5)為光伏出力與光伏容量的關(guān)系式，ppv,base,t表示t時(shí)段的基準(zhǔn)功率值，假設(shè)光伏電站的出力服從正態(tài)分布μt、ζt分別為t時(shí)段光伏電站出力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)模擬得到t時(shí)段的基準(zhǔn)功率值ppv,base,t；

0≤pdrop,t≤ppv,t(6)

式(6)表示t時(shí)段的棄光功率pdrop,t應(yīng)小于該時(shí)刻的光伏電站的有功出力ppv,t；

式(7)表示t時(shí)段的光伏出力波動(dòng)率小于統(tǒng)計(jì)波動(dòng)率εpv,t的概率至少大于置信度αt，αt為與εpv,t對(duì)應(yīng)的概率值，tpv表示光伏開(kāi)機(jī)時(shí)段集合，即tpv時(shí)段內(nèi)的光伏出力大于0；

2.4)棄光率約束：

式(8)中γpv表示光伏電站的棄光率，表示光伏電站的棄光率約束上限；

2.5)與水電站相關(guān)的約束：

式(9)是水電機(jī)組出力約束，phy是水電機(jī)組有功出力下限，是水電機(jī)組有功出力上限；式(10)是下泄流量約束，qt是t時(shí)段的下泄流量，q是下泄流量下限，是下泄流量上限；式(11)是庫(kù)容大小約束，vt是t時(shí)段的庫(kù)容，v和分別是水庫(kù)庫(kù)容下限和水庫(kù)庫(kù)容上限，v和分別取所選調(diào)度周期內(nèi)的最大、最小庫(kù)容；式(12)是水量平衡約束，vt+1是t+1時(shí)段的庫(kù)容，qstream,t是t時(shí)段的自然來(lái)水，下泄流量等于水電機(jī)組的發(fā)電流量，vt取t時(shí)段初的水庫(kù)庫(kù)容大小作為該時(shí)段的庫(kù)容值；

2.6)水光互補(bǔ)運(yùn)行周期內(nèi)調(diào)度用水量約束：

|vt-vplan|≤δhy(15)

式(15)的約束表示水光互補(bǔ)運(yùn)行周期內(nèi)調(diào)度用水量保持在庫(kù)容變化要求內(nèi)；

式中，vt表示調(diào)度時(shí)段末的庫(kù)容，vplan表示調(diào)度時(shí)段末計(jì)劃削減到的庫(kù)容值，δhy表示庫(kù)容控制精度要求；

2.7)轉(zhuǎn)換成線性約束后的水電轉(zhuǎn)換關(guān)系約束：

式(16)至式(20)為轉(zhuǎn)換成線性約束后的水電轉(zhuǎn)換關(guān)系的約束,

其中，r表示水頭區(qū)間分段數(shù)，r為水頭區(qū)間分段數(shù)集合，hr、hr-1分別為r段水頭區(qū)間的最大、最小值，sr,t表示t時(shí)段水庫(kù)庫(kù)容位于r段水頭區(qū)間的0或1狀態(tài)變量，qr,t表示t時(shí)段位于r段水頭區(qū)間的水電機(jī)組下泄流量，kr為位于r段水頭區(qū)間下水電機(jī)組出力與下泄流量的線性系數(shù)；

3)光伏電站容量?jī)?yōu)化模型的求解：

3.1)輸入水電站、光伏電站以及系統(tǒng)的基本參數(shù)；

3.2)據(jù)各個(gè)時(shí)段光伏電站出力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，擬合得到各個(gè)時(shí)段光伏電站出力的均值μt和標(biāo)準(zhǔn)差ζt，隨機(jī)生成n個(gè)滿足正態(tài)分布的光伏電站出力序列，對(duì)于任意光伏出力序列，t時(shí)刻光伏電站出力ppv,t服從正態(tài)分布

3.3)設(shè)置計(jì)數(shù)變量n，置n＝0，檢驗(yàn)n個(gè)光伏電站出力序列是否滿足約束式(7)；若滿足，則n＝n+1，否則n＝0；

3.4)若對(duì)于n/n≥αt均成立，則模擬成功；不成立則返回步驟3.2)和步驟3.3)重新產(chǎn)生n個(gè)光伏出力序列并檢驗(yàn)約束式(7)；

3.5)對(duì)于n個(gè)光伏出力序列，代入光伏電站容量?jī)?yōu)化模型，使用線性規(guī)劃方法求解，得到目標(biāo)函數(shù)值fi，i＝1,2,···n；對(duì)n個(gè)目標(biāo)函數(shù)值排序，取n0＝int(βn)，int為取整函數(shù)，第n0個(gè)最大目標(biāo)函數(shù)值即為所求解。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：①本發(fā)明的基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法與其他確定性的多能源系統(tǒng)電源容量配置方法相比，能夠充分利用水電站的調(diào)節(jié)能力，增加光伏電站的接入容量。②本發(fā)明的基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中應(yīng)用后，當(dāng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行在光水互補(bǔ)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)等效開(kāi)機(jī)容量是水電站獨(dú)立運(yùn)行的開(kāi)機(jī)容量的兩倍以上，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的調(diào)峰能力。③本發(fā)明的基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法在實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)運(yùn)行的同時(shí)，水電站不會(huì)受到較大影響，將本發(fā)明方法應(yīng)用于水光互補(bǔ)運(yùn)行系統(tǒng)具有可行性。

附圖說(shuō)明

圖1是應(yīng)用本發(fā)明的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法的實(shí)際算例結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法，考慮了光伏出力的隨機(jī)性，目標(biāo)函數(shù)中加入了水光互補(bǔ)系統(tǒng)無(wú)法滿足負(fù)荷要求而調(diào)用系統(tǒng)備用機(jī)組的費(fèi)用。本發(fā)明提出的一種水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法，其具體包括如下步驟：

1)建立光伏電站容量?jī)?yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)：

式(1)中，f目標(biāo)函數(shù)，pr{·}表示{·}中事件成立的概率，β是事先給定的目標(biāo)函數(shù)的置信水平，是目標(biāo)函數(shù)f在保證置信水平至少是β時(shí)所取得最大值，t表示調(diào)度周期的時(shí)段個(gè)數(shù)，δt表示時(shí)段歷時(shí)，phy,t表示t時(shí)段的水電站有功出力，chy表示水電站的上網(wǎng)電價(jià)，ppv,t表示t時(shí)段的光伏電站有功出力，pdrop,t表示t時(shí)段的光伏電站的棄光功率，cpv表示光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)，pre,t表示t時(shí)段的備用機(jī)組有功出力，wre表示備用機(jī)組的出力偏離懲罰系數(shù)；

式(1)中第一項(xiàng)phy,tchy為水電站的實(shí)際發(fā)電收益；第二項(xiàng)(ppv,t-pdrop,t)cpv為光伏電站的實(shí)際發(fā)電收益，由光伏電站應(yīng)發(fā)電量收益與棄光費(fèi)用做差得到。棄光費(fèi)用表示光伏電站主動(dòng)棄光而損失的電量費(fèi)用，允許主動(dòng)棄光主要是使光伏電站具備一定的調(diào)節(jié)能力；第三項(xiàng)pre,tcpvwre表示當(dāng)水光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)等效開(kāi)機(jī)容量時(shí)，需要其他發(fā)電機(jī)組提供備用而產(chǎn)生的費(fèi)用，備用機(jī)組只提供正備用。需要注意的是，處于蓄水期的常規(guī)水電站調(diào)節(jié)能力受限，不能與光伏電站互補(bǔ)運(yùn)行，故本發(fā)明所建立的模型針對(duì)的是處于供水期的常規(guī)水電站，且調(diào)節(jié)能力為日以上。

2)建立光伏電站容量?jī)?yōu)化模型的約束條件：由于采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃建模，約束條件在一定置信水平下成立，表現(xiàn)為概率形式。置信水平的高低表示水光互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)此約束要求的嚴(yán)格程度，當(dāng)置信水平為1時(shí)，此時(shí)的約束等同于確定性規(guī)劃方法下的約束，即任何條件下均應(yīng)滿足約束。

peq＝(ppv,t-pdrop,t)+pre,t+phy,t(2)

系統(tǒng)的功率平衡約束如式(2)所示，peq表示水光互補(bǔ)系統(tǒng)的等效開(kāi)機(jī)容量；

0≤pre,t≤peq(3)

其他機(jī)組備用出力約束如式(3)所述；

下式(4)至(7)是與光伏電站相關(guān)約束；

cpv≥0(4)

式(4)中，cpv是光伏電站裝機(jī)容量，式(4)表示光伏容量大于等于0；

ppv,t＝ppv,base,tcpv(5)

式(5)為光伏出力與光伏容量的關(guān)系式，ppv,base,t表示t時(shí)段的基準(zhǔn)功率值，假設(shè)光伏電站的出力服從正態(tài)分布μt、ζt分別為t時(shí)段光伏電站出力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)模擬得到t時(shí)段的基準(zhǔn)功率值ppv,base,t；

0≤pdrop,t≤ppv,t(6)

式(6)表示t時(shí)段的棄光功率pdrop,t應(yīng)小于該時(shí)刻的光伏電站的有功出力ppv,t；

式(7)表示t時(shí)段的光伏出力波動(dòng)率小于統(tǒng)計(jì)波動(dòng)率εpv,t的概率至少大于置信度αt，tpv表示光伏開(kāi)機(jī)時(shí)段集合，即tpv時(shí)段內(nèi)的光伏出力大于0，統(tǒng)計(jì)波動(dòng)率εpv,t可根據(jù)該時(shí)段多年歷時(shí)出力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到概率分布函數(shù)，αt為與εpv,t對(duì)應(yīng)的概率值；

上式(8)表示棄光率約束，γpv表示光伏電站的棄光率，本發(fā)明選用棄光電量與光伏電站應(yīng)發(fā)電量的比值作為棄光率，表示光伏電站的棄光率約束上限；

下式(9)至式(12)是與水電站相關(guān)的約束；式(9)是水電機(jī)組出力約束，phy是水電機(jī)組有功出力下限，是水電機(jī)組有功出力上限；式(10)是下泄流量約束，qt是t時(shí)段的下泄流量，q是下泄流量下限，是下泄流量上限；式(11)是庫(kù)容大小約束，vt是t時(shí)段的庫(kù)容，v是水庫(kù)庫(kù)容下限，是水庫(kù)庫(kù)容上限，水庫(kù)庫(kù)容上、下限為所選調(diào)度周期內(nèi)的最大、最小庫(kù)容；式(12)是水量平衡約束，vt+1是t+1時(shí)段的庫(kù)容，qstream,t是t時(shí)段的自然來(lái)水，下泄流量等于水電機(jī)組的發(fā)電流量，vt取t時(shí)段初的水庫(kù)庫(kù)容大小作為該時(shí)段的庫(kù)容值；

計(jì)算尾水位時(shí)，認(rèn)為其與下泄流量的關(guān)系是線性的，其計(jì)算式如下式(13)，zdown,t表示尾水位，b1、b2為常數(shù)，zt是t時(shí)段的水位，zt取t+1時(shí)段的水位，ht是t時(shí)段的水頭，zt取t時(shí)段初的水庫(kù)水位值作為該時(shí)段的水庫(kù)水位值；

水庫(kù)庫(kù)容與水位關(guān)系認(rèn)為近似線性如下式(14)，其中a1、a2為常數(shù)；

vt＝a1zt+a2(14)

下式(15)的約束表示水光互補(bǔ)運(yùn)行周期內(nèi)調(diào)度用水量保持在庫(kù)容變化要求內(nèi)，其中，t表示調(diào)度周期的最后一個(gè)時(shí)段，vt表示調(diào)度時(shí)段末的庫(kù)容，vplan表示調(diào)度時(shí)段末計(jì)劃削減到的庫(kù)容值，δhy表示庫(kù)容控制精度要求；

|vt-vplan|≤δhy(15)

下式(16)至式(20)為轉(zhuǎn)換成線性約束后的水電轉(zhuǎn)換關(guān)系約束。式中，r表示水頭區(qū)間分段數(shù)，r為水頭區(qū)間分段數(shù)集合，hr、hr-1分別為r段水頭區(qū)間的最大、最小值，h的初始值為0，sr,t表示t時(shí)段水庫(kù)庫(kù)容位于r段水頭區(qū)間的0或1狀態(tài)變量，qr,t表示t時(shí)段位于r段水頭區(qū)間的水電機(jī)組下泄流量，kr為位于r段水頭區(qū)間下，水電機(jī)組出力與下泄流量的線性系數(shù)；

3)光伏電站容量?jī)?yōu)化模型的求解：當(dāng)不考慮光伏電站出力的隨機(jī)性時(shí)，本發(fā)明所提模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃建模后，可采用隨機(jī)模擬和傳統(tǒng)的線性規(guī)劃方法求解。模型求解流程為：

3.1)輸入水電站、光伏電站以及系統(tǒng)的基本參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)包括調(diào)度時(shí)段、時(shí)段歷時(shí)、系統(tǒng)等效開(kāi)機(jī)容量。光伏電站的參數(shù)包括：棄光率、光伏電站出力波動(dòng)率及對(duì)應(yīng)概率值。水電站的參數(shù)包括：水電機(jī)組出力上下限、下泄流量上下限、水庫(kù)庫(kù)容上下限、來(lái)水流量、計(jì)劃削減庫(kù)容以及各種關(guān)系常數(shù)等。

3.2)據(jù)各個(gè)時(shí)段光伏電站出力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，擬合得到各個(gè)時(shí)段光伏電站出力的均值μt和標(biāo)準(zhǔn)差ζt，隨機(jī)生成n個(gè)滿足正態(tài)分布的光伏電站出力序列，對(duì)于任意光伏出力序列，t時(shí)刻光伏電站出力ppv,t服從正態(tài)分布

3.3)設(shè)置計(jì)數(shù)變量n，置n＝0，檢驗(yàn)n個(gè)光伏電站出力序列是否滿足約束式(7)。若滿足，則n＝n+1，否則n＝0；

3.4)若對(duì)于n/n≥αt均成立，則模擬成功；不成立則返回步驟3.2)和步驟3.3)重新產(chǎn)生n個(gè)光伏出力序列并檢驗(yàn)約束式(7)；

3.5)對(duì)于n個(gè)光伏出力序列，代入光伏電站容量?jī)?yōu)化模型，使用線性規(guī)劃求解器cplex求解，得到目標(biāo)函數(shù)值fi，i＝1,2,···n；對(duì)n個(gè)目標(biāo)函數(shù)值排序，取n0＝int(βn)，int為取整函數(shù)，第n0個(gè)最大目標(biāo)函數(shù)值即為所求解。

實(shí)施例：

以下是應(yīng)用本發(fā)明的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站容量?jī)?yōu)化方法的實(shí)際算例。

以某地區(qū)的一座年調(diào)節(jié)水電站為例，水電站裝有4臺(tái)水電機(jī)組，單機(jī)容量700mw，共2800mw。水電機(jī)組日開(kāi)機(jī)時(shí)間為08:00-00:00，共16個(gè)小時(shí)；日開(kāi)機(jī)容量，豐/平水年為2100mw，枯水年為600mw。由于多年持續(xù)干旱天氣的影響，該水電站長(zhǎng)期處于枯水年運(yùn)行。將其與該地區(qū)的某一光伏電站組成水光互補(bǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)度周期為4天，以1小時(shí)為1個(gè)調(diào)度時(shí)段，共96個(gè)調(diào)度時(shí)段；水光互補(bǔ)系統(tǒng)的等效開(kāi)機(jī)容量為1400mw，開(kāi)機(jī)時(shí)間不變。

設(shè)定t時(shí)段的光伏出力波動(dòng)率小于統(tǒng)計(jì)波動(dòng)率εpv,t的概率至少大于αt，即式(7)中的置信度αt＝0.5，模擬次數(shù)n＝2000次。目標(biāo)函數(shù)置信度β＝0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9時(shí)的優(yōu)化結(jié)果如圖1所示。圖1中的結(jié)果可見(jiàn)，隨著β值的減少，系統(tǒng)收益越來(lái)越大，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)越大，系統(tǒng)收益越高。選取置信度β＝0.9的結(jié)果作為優(yōu)化結(jié)果，即水光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏電站裝機(jī)容量為1900mw。在確定性的規(guī)劃方法下，根據(jù)水電站的開(kāi)機(jī)容量，按照1:1的比例配置光伏電站裝機(jī)容量，結(jié)果為600mw，比本發(fā)明方法的優(yōu)化結(jié)果少1300mw的光伏電站裝機(jī)容量。由此，可見(jiàn)發(fā)明所方法能夠增加光伏電站的接入容量。