一种风电-抽水蓄能联合发电系统优化运行方法

摘要

本发明公开了一种风电‑抽水蓄能联合发电系统优化运行方法，具体包括以下步骤：建立风电‑抽水蓄能联合运行模型；建立风电‑抽水蓄能联合输出功率最小波动优化目标；建立考虑峰谷电价的风电‑抽水蓄能最优经济模型；建立风能最大利用率优化目标；确定风电‑抽水蓄能联合运行模型的约束条件；确定各优化目标优先顺序下的协调方案。本发明在对风力发电和抽水蓄能电站联合发电的意义和原理进行分析的基础上，以风力发电的能源利用率最大化，并网功率波动最小化以及联合发电经济效益最大化为优化目标，建立风电－抽水蓄能联合发电三目标优化模型，运行方案具有最好的综合效益和性能。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统优化技术领域，尤其涉及一种风电-抽水蓄能联合发电系统优化运行方法。

背景技术

风电-抽水蓄能联合发电系统包括风力发电和抽水蓄能发电两部分。近年来，风能已经成为各国可再生能源研究的热点。然而，由于风能具有间歇性、随机性的特点，风力发电系统输出功率会随着风能变化而出现大幅波动，此时电网如果直接接入大比重风电，则会影响电网安全稳定运行。为了使大比重的风电转化成高质量的电能输入到电网中，采用风电和抽水蓄能联合进行发电是一种较好的方法，该方案可以在电力系统低负荷时利用抽水存储电能，提高了风能的利用率以及电网的供电质量，使可再生风能开发利用达到最大化。

我国关于风电-抽水蓄能的相关研究目前处于快速研究发展的状态。国外在该技术领域已经有很多深入的研究，华中科技大学柴鹏等人提出了一种在电网的统一控制下，风电-抽水蓄能运行优化模型找到最佳方法来最大限度地使用风能，来保证在峰谷电价下的弃风量最小，经济效益最大。华北电力大学曹威海通过分析显示，在不同的风电场中，通过模拟风电-抽水蓄能运行模式，通过计算研究出最佳的调度方案，来提高系统的效率，增加稳定性。国外相关研究人员通过基于电气系统的非动态分析，认为抽水蓄能可以降低电力生产成本。舒征宇,邓长虹,黄文涛等人通过比较和模拟三种模型,证明有效利用风能-抽水蓄能联合运行可以抑制大型风力发电网的频率大幅度降低的情况。

除联合运行系统需要采用一定方法来达到稳定性要求外，还需要进行其他相关系统的优化。相关研究人员针对风电－抽水蓄能联合运行的大规模投产进行相应优化。该优化方案为了将联合运行的效益最大化，通过抽水蓄能削峰填谷，采用混合整数线性规划分析后，再进行相应实例计算。

在综合考虑风电利用率最大化、并网功率波动最小化以及联合发电经济效益最大化上有着或多或少的缺陷，并且难以满足发电机组及电网功率平衡等约束条件。风电-抽水蓄能联合发电系统需要在稳定可靠、安全的条件下运行，还需要考虑经济成本和效益的情况，保证联合发电系统输出电能的连续性和稳定性。部分研究成果陷入局部最优的问题，且大部分研究使用单目标进行优化，虽然也能够获得较为合理性能优化方案，但基于目标之间的矛盾性(例如经济与可靠性)，显然需要考虑更多目标。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种风电-抽水蓄能联合发电系统优化运行方法，解决风能本身存在的随机性以及不稳定性从而导致风力发电具有不稳定性和波动性的难题，在风力发电场附近增建一个抽水蓄能电站，一方面可以用来提高风能的利用效率，另一方面还可以平滑风力发电的功率输出，便于风力发电的电力入网；提供一种包括风电-抽水蓄能联合输出功率波动最小化，考虑峰谷电价的风电-抽水蓄能最优经济模型，风能利用率最大化目标等优化目标以及满足发电机组及电网功率平衡等约束条件的风电-抽水蓄能联合发电的三目标优化模型，将联合运行优化问题转化为一个多目标约束优化问题进行求解。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明的风电-抽水蓄能联合发电系统优化运行方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立风电-抽水蓄能联合运行模型；

步骤2、建立风电-抽水蓄能联合输出功率最小波动优化目标；

步骤3、建立考虑峰谷电价的风电-抽水蓄能最优经济模型；

步骤4、建立风能最大利用率优化目标；

步骤5、确定风电-抽水蓄能联合运行模型的约束条件；

步骤6、确定各优化目标优先顺序下的协调方案。

进一步的，所述步骤2中，采用输出功率的标准差来对风电-抽水蓄能联合发电系统输出功率的波动性进行度量，以此建立优化目标如下式：

式中：F

进一步的，所述步骤4中，为了最大限度地提高风能的利用率，定义风力发电利用率为风电-抽水蓄能联合发电优化调度周期中被利用的风力发电功率占可利用的风能的比例，记为R

式中：P

式中：F

进一步的，所述步骤5中，风电-抽水蓄能联合发运行优化模型中，优化变量必须要满足相关的约束条件；约束分为等式约束和不等式约束，其中等式约束如下第一个公式所示，另外一种不等式约束如下第二个公式所示：

式中：P

模型中n为24，即代表着优化仿真时长为一天24个时段，从上面两公式可以看出功率P

当风电场可利用的原始风能是已知的，根据上面两公式中所列的电网功率约束条件以及抽水机组功率的约束条件可以确定抽水机组在优化周期内各个时段的功率P

得到风电-抽水蓄能联合发电的优化调度模型如下式所示：

由上，本发明提供的风电-抽水蓄能联合发电系统优化运行方法至少具有如下有益效果：

1、为了解决风能本身存在的随机性以及不稳定性从而导致风力发电具有不稳定性和波动性的难题，在风力发电场附近增建一个抽水蓄能电站，一方面可以用来提高风能的利用效率，另一方面还可以平滑风力发电的功率输出，便于风力发电的电力入网。

2、将风电场与抽水蓄能电站组成联合发电系统，能够起到“削峰填谷”的作用，即在电价低谷期将剩余的电能经抽水蓄能存储起来，等到电价高峰期再转换为电能输送给电网用户，不仅可以使风电输出功率变得更加平滑，还可以提高发电系统经济效益。

3、不论是经济效益还是风能利用率都较高，相比较其他优化调度方案，对输出功率的平滑效果较好，仅次于单独以平滑度为目标的优化方案，经济效益仅次于单独以经济效益为目标的优化方案，但是能够获得所有方案中最大的风能利用率，最大能够达到96.6％，本发明综合效益与性能良好，可行性高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的风电-抽水蓄能电站联合运行模型图；

图2为风电场可利用风能曲线图；

图3为联合发电系统各部分输出功率图；

图4为不同目标下联合发电系统输出功率图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

参照图1-图4，本发明的风电-抽水蓄能联合发电系统优化运行方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立风电-抽水蓄能联合运行模型

通过为风力发电站配置一个抽水蓄能电站，组成风电-抽水蓄能联合发电系统，如图1所示。当风能过剩时，将风电机组输出的多余电能用于抽水机组将下水库的水抽到上水库，将多余风能转化为水的重力势能进行存储。而在用电高峰期，风能不能完全满足负荷需求的时候，可以利用上水库中存储的水来驱动抽水蓄能电站的水力发电机组进行发电，这样不仅对风电输出功率的波动有很好的抑制作用，同时也因为对风能进行了时移，从而可以获得更大的经济效益。

步骤2、计算风电-抽水蓄能联合输出功率最小波动优化目标

采用输出功率的标准差来对风电-抽水蓄能联合发电系统输出功率的波动性进行度量，以此建立优化目标如式(1)：

式中：F

步骤3、建立考虑峰谷电价的风电-抽水蓄能最优经济模型

如果风电场所在地的可利用风能是已知的，以一天24小时内风电-抽水蓄能电站联合发电系统的经济效益最佳为目标，建立优化模型如式(2)：

式中：F

C

步骤4、建立风能最大利用率优化目标

为了最大限度地提高风能的利用率，定义风力发电利用率为风电-抽水蓄能联合发电优化调度周期中被利用的风力发电功率占可利用的风能的比例，记为R

式中：P

式中：F

步骤5、确定风电-抽水蓄能联合运行模型的约束条件

风电-抽水蓄能联合发运行优化模型中，优化变量必须要满足相关的约束条件。约束分为等式约束和不等式约束，其中等式约束如式(6)所示，另外一种不等式约束如式(7)所示。

式中：P

模型中n为24，即代表着优化仿真时长为一天24个时段。从式(6)和式(7)可以看出功率P

当风电场可利用的原始风能是已知的，根据式(6)和式(7)中所列的电网功率约束条件以及抽水机组功率的约束条件可以确定抽水机组在优化周期内各个时段的功率P

综合式(1)～(7)，可以得到风电-抽水蓄能联合发电的优化调度模型如式(8)所示。

S.T.

步骤6、确定各优化目标优先顺序下的协调方案

以某风电-抽水蓄能联合运行系统为算例，建立其多目标优化模型，并对模型进行求解。

1、可利用原始风能

风电场可利用的原始风能是指当风力发电场没有配备任何储能装置时，风电场发出的功率，如图2所示。

由于本发明主要研究风电－抽水蓄能联合发电系统中风机功率和抽水蓄能功率的优化调度问题，如何获取风速数据以及风机的初始功率的数据不是本发明重点考虑的内容，所以本发明所用算例分析中假设风电场能够使用的风能是可知的，使用一个正态分布曲线(假设均值为6MW，方差为4MW)对图2所示曲线进行近似模拟。

2、风电场输出功率

当前我国电网正准备实施全国互联，并且规模也越来越大。而并网风电场的容量在电网总装机容量中所占的比例也并不是很大，所以风电功率的输入对电网所产生的影响也并不是很大。同时在风能资源相对比较丰富的地方其人口数量相对较少，电力负荷量相对也较小，并且电网结构相对比较简单，风电功率的输入会使电网的潮流分布发生变化，从而会对局部电网造成较大的影响，故其变成了制约风电场规模的一个重要问题。同时由于电力系统中逐渐增加的不可控电源容量，使得其在一些情况下会出现网络支路阻塞的问题，这也是大电网减少接受风电的一个原因，所以在讨论风电运行方法时，通常都需要将风电场和电网电力交换的一些限制考虑进来。而且还需要在电力市场的环境下，不断改善和增强风电功率输出的可控性，针对能源数量同样也能够改善它在电力系统中的市场占有率。由于需要考虑电网的限制以及市场的需求等方面内容，本算例提前设置风电场输送到电网的功率限制，将风电场输出功率设成P，电网的限制功率设置成P

3、模型参数设置

本发明假设水库的初始储能E1＝0，同时电网要求的入网功率限制为3MW≤P

表1模型参数

4、仿真结果分析

(1)调度方案比较

仿真结果中，最优解对应点即为对应的优化调度方案，由此得到的风力发电机组功率P

为了体现本发明建立的三目标优化方案的优势，将其结果和单目标优化及双目标优化结果展开相应的对比。在各种优化目标得到的调度方案下，风电-抽水蓄能联合发电系统输出功率变化曲线如图4所示。

在图4中，曲线F1表示只考虑系统输出功率波动目标下的曲线，曲线F2表示只考虑系统发电经济效益目标下的曲线，F12表示同时考虑输出功率波动性和经济效益目标时的曲线，F123表示综合考虑输出功率波动性、经济效益和风能利用率三个目标时的曲线。

为了更好地表示风电-抽水蓄能联合发电系统在不同优化目标下输出功率波动的差别，根据各个指标的计算公式，可以得到风电-抽水蓄能联合发电系统在不同优化目标下的优化结果，如表2所示。

表2性能指标对比

(2)结论

①把风电场与抽水蓄能电站组成联合发电系统以后，不管是单目标、双目标还是三目标优化，都可以起到“削峰填谷”的作用，即在电价低谷期将剩余的电能经抽水蓄能存储起来，等到电价高峰期再转换为电能输送给电网用户，不仅可以使风电输出功率变得更加平滑，还可以提高发电系统经济效益。

②分别单独以功率平滑和经济效益为目标的调度方案各有侧重，同时考虑功率平滑和经济型两个目标的优化方案，其输出功率波动性和经济效益的优化结果介于两个单目标优化结果之间。而同时考虑风能利用的三目标优化调度方案，相比较其他三种优化调度方案，对输出功率的平滑效果较好，仅次于单独以平滑度为目标的优化方案，经济效益仅次于单独以经济效益为目标的优化方案，但是能够获得所有方案中最大的风能利用率，最大能够达到96.6％。因此，综上可以看出本发明提出的三目标优化运行方案具有最好的综合效益和性能。

本发明在对风力发电和抽水蓄能电站联合发电的意义和原理进行分析的基础上，以风力发电的能源利用率最大化，并网功率波动最小化以及联合发电经济效益最大化为优化目标，考虑风力发电机组以及电网的功率平衡等方面的约束条件等问题，建立风电－抽水蓄能联合发电三目标优化模型。对所建的风电－抽水蓄能联合运行的三目标优化模型进行算例分析，验证了该三目标优化运行方案具有最好的综合效益和性能。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。