含風(fēng)電的電力系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)度建模分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u13793含風(fēng)電的電力系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)度建模分析綜述 176331.1引言 1202451.2常規(guī)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型 2191353.2.1目標(biāo)函數(shù) 223813.2.2約束條件 3228361.3含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型 597883.3.1目標(biāo)函數(shù) 5109093.3.2約束條件 6138203.3.3模型綜合構(gòu)建 9引言構(gòu)建僅含火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型時，根據(jù)預(yù)測日內(nèi)上網(wǎng)負(fù)荷功率需求安排火電機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，追求經(jīng)濟(jì)利益最大化的同時優(yōu)化調(diào)度。當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)后，考慮到風(fēng)電特性，在電力系統(tǒng)日內(nèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中不僅難以做到在發(fā)電量小于負(fù)荷時幫助電網(wǎng)調(diào)峰，且常呈現(xiàn)反調(diào)峰的特性，故不僅需要對系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，同時需要對風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測，制定合理發(fā)電計(jì)劃。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，有關(guān)風(fēng)電出力情況即使做到精確預(yù)測，風(fēng)電機(jī)組實(shí)際出力也會有較大概率出現(xiàn)高于或低于預(yù)測計(jì)劃中的風(fēng)功率值，通常調(diào)度計(jì)劃中遇到此類情況會選擇棄風(fēng)、關(guān)停某些火電機(jī)組或設(shè)置備用容量，這會對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度造成資源浪費(fèi)及經(jīng)濟(jì)損失。為保證充分計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響，需要對原有模型的目標(biāo)函數(shù)及約束條件進(jìn)行優(yōu)化，使風(fēng)電計(jì)劃出力盡量接近預(yù)測值，備用容量滿足風(fēng)電并網(wǎng)后的調(diào)峰需求。根據(jù)前文敘述，本章首先建立了僅含火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合第2章有關(guān)風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)影響的敘述，考慮風(fēng)電自身特性、火電機(jī)組對環(huán)境污染評估指標(biāo)及備用容量的優(yōu)化選取，將基于Beta分布的風(fēng)電功率概率分布函數(shù)所量化得到的風(fēng)電綜合成本引入至優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)中，同時優(yōu)化相關(guān)約束條件，綜合構(gòu)建適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。常規(guī)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型電力系統(tǒng)常規(guī)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型通常是針對于火電機(jī)組出力情況，以火電機(jī)組煤耗量最小即發(fā)電成本最小作為經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)。約束條件包含功率平衡約束、機(jī)組出力上下限、爬坡約束及備用容量約束等。3.2.1目標(biāo)函數(shù)1）火電機(jī)組燃煤成本最小電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度有以下兩種模式：靜態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式及動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式。兩者的區(qū)別主要在于靜態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式針對單一時段內(nèi)滿足給定的各項(xiàng)限制條件下實(shí)現(xiàn)煤耗量最小，即經(jīng)濟(jì)利益最大化，靜態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式下目標(biāo)函數(shù)表示為： （1.1）式中，F(xiàn)a為機(jī)組運(yùn)行總成本，N為電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)目，pi為火電機(jī)組出力值，查閱資料可知，常規(guī)的火電機(jī)組煤耗特性為二次曲線表達(dá)形式，在無其余限制因素下，火電機(jī)組煤耗特性函數(shù)為： fup(p式中，ai、bi、ci均為為第i臺火電機(jī)組燃煤發(fā)電時的特性系數(shù)，可由實(shí)測得到。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對于火電機(jī)組中的汽輪機(jī)，當(dāng)上一級氣門處于完全打開狀態(tài)時，其下一級進(jìn)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(jī)組原有的煤耗特性函數(shù)上增加一個躍變現(xiàn)象，該效果被定義為閥點(diǎn)效應(yīng)。此時火電機(jī)組的煤耗關(guān)系不能僅用二次曲線量化，閥點(diǎn)效應(yīng)造成了煤耗關(guān)系不再線性化，結(jié)合文獻(xiàn)REF_Ref69997772\r\h[12]所述，在原有煤耗曲線中添加正弦函數(shù)以表征實(shí)際運(yùn)行中的火電機(jī)組煤耗情況，考慮閥點(diǎn)效應(yīng)后的火電機(jī)組煤耗函數(shù)描述為： （1.3）式中，ei、fi為第i臺火電機(jī)組的閥點(diǎn)效應(yīng)系數(shù)，pi對于電力系統(tǒng)動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式而言，不僅需要考慮在某一時段內(nèi)各機(jī)組出力計(jì)劃制定問題，同時需要考慮各個時段的相互聯(lián)系，在滿足預(yù)測負(fù)荷需求的情況下，制定各時段內(nèi)火電機(jī)組出力計(jì)劃，以追求經(jīng)濟(jì)利益最大化為目標(biāo)，而本文所描述的日內(nèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式更適合用動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型量化，動態(tài)調(diào)度下的目標(biāo)函數(shù)變?yōu)椋? （1.4） （1.5）式中，t為運(yùn)行中某一時間段的時段標(biāo)號，T為日內(nèi)運(yùn)行總時段數(shù)，pi,t為t時段第i臺火電機(jī)組提供的有功功率值，fup(pi,t2）綜合購電成本最小電網(wǎng)企業(yè)希望以最低購電成本購得所需電，由此產(chǎn)生的購電成本函數(shù)為： （1.6）式中，F(xiàn)r為電網(wǎng)企業(yè)購電成本，ωi,t為在t時段第3.2.2約束條件對于火電機(jī)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(yùn)行的電力系統(tǒng)，主要約束條件包含系統(tǒng)功率守恒約束、預(yù)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(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中都會存在出力區(qū)間，其允許出力的下限值一般為火電機(jī)組正常開啟運(yùn)行時的啟動臨界功率，其允許出力的上限值一般為規(guī)定的額定輸出功率，其約束條件描述為： pimin≤式中，pimin為火電機(jī)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(jī)組開啟運(yùn)行爬坡約束，當(dāng)火電機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，使機(jī)組從出力為零達(dá)到機(jī)組至允許出力的下限值，需要一定時間至開啟運(yùn)行狀態(tài)；第二類為機(jī)組關(guān)停爬坡約束，當(dāng)機(jī)組停止運(yùn)行時，使機(jī)組從較大出力或額定出力減至機(jī)組正常關(guān)停，需要一定時間至關(guān)停狀態(tài)；第三類為上、下爬坡約束，當(dāng)火電機(jī)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(jī)組i的向上爬坡速率，?i,d為火電機(jī)組i的向下爬坡速率，3）功率平衡約束電力系統(tǒng)在運(yùn)行中保持功率平衡是指火電機(jī)組產(chǎn)生的功率與系統(tǒng)負(fù)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(fù)荷，即t時刻的負(fù)荷需求；pLoss,t為在4）系統(tǒng)備用容量約束當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值與實(shí)際上網(wǎng)值存在差值時，電網(wǎng)中需要預(yù)留一定的備用容量通過調(diào)峰機(jī)制保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，防止出現(xiàn)因發(fā)電用電量不匹配導(dǎo)致出現(xiàn)電網(wǎng)電壓下降等負(fù)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(yùn)行的火電機(jī)組所能輸出的最大功率與上網(wǎng)負(fù)荷之差，用以應(yīng)對系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測誤差對電力系統(tǒng)的影響，電網(wǎng)所需的熱備用容量應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范及實(shí)際運(yùn)行狀況加以調(diào)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(jī)組應(yīng)對調(diào)峰預(yù)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(fēng)電場的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，考慮風(fēng)電隨機(jī)出力對系統(tǒng)運(yùn)行影響，對傳統(tǒng)調(diào)度模式的目標(biāo)函數(shù)中加入環(huán)境成本及風(fēng)電成本，同時增改部分約束條件，構(gòu)建優(yōu)化后的調(diào)度模型。3.3.1目標(biāo)函數(shù)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，根據(jù)第二章所述，構(gòu)建了基于Beta分布的風(fēng)電出力概率分布模型，并由此引入了高估風(fēng)電出力懲罰成本及低估風(fēng)電出力懲罰成本兩項(xiàng)概念；同時，由于風(fēng)能是環(huán)境友好型的清潔能源，相比于傳統(tǒng)化石能源而言不產(chǎn)生污染，為體現(xiàn)出風(fēng)電并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢，本文考慮火電機(jī)組在運(yùn)行過程中，其排放污染物廢氣對環(huán)境的影響，將其作為指標(biāo)用以評價經(jīng)濟(jì)調(diào)度的優(yōu)勢或劣勢。火電機(jī)組的環(huán)境成本及排污特性函數(shù)表示為： （1.12） fenv(p式中，F(xiàn)b為火電機(jī)組的環(huán)境成本；fenv為火電機(jī)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(shù)由實(shí)際測量中得到；k結(jié)合上文，計(jì)及環(huán)境成本及風(fēng)電成本下將其納入大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中，將僅以火電成本最小值為目標(biāo)函數(shù)的傳統(tǒng)模型優(yōu)化為以火電機(jī)組耗煤量所需成本、環(huán)境成本及風(fēng)電出力懲罰成本三者之和最小值為目標(biāo)函數(shù)的電力系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，目標(biāo)函數(shù)描述為： minF=Fa+式中，F(xiàn)為風(fēng)電并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型綜合總成本。滿足其值最小化既可做到優(yōu)先消納風(fēng)電，同時實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)收益最大化。3.3.2約束條件對于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下的調(diào)度模型其主要約束條件包含出力極限約束、爬坡約束、系統(tǒng)功率守恒約束及備用容量約束等。1）出力極限約束風(fēng)電機(jī)組同火電機(jī)組一致，在實(shí)際運(yùn)行中都會存在出力區(qū)間，風(fēng)電機(jī)組最小出力值一般為零，其最大出力值一般為風(fēng)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(jī)組i出力的下限值，pimax為火電機(jī)組為更精確描述風(fēng)電出力極限約束，本文參考機(jī)會約束規(guī)劃中的概率約束限定風(fēng)電場的計(jì)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(fēng)電場在t時段的實(shí)際出力值，pft結(jié)合第二章給出的基于Beta分布的風(fēng)電出力概率分布函數(shù)Frp PWt式中K=pft/pfmax，式（1.19）表示在此概率分布內(nèi)風(fēng)電場能夠執(zhí)行給定調(diào)度計(jì)劃的概率，顯然，K為概率分布函數(shù)Frp的上側(cè)分位數(shù)，故風(fēng)電場計(jì)劃出力值的上限不再為風(fēng)電場最大計(jì)劃出力值，而是在給出的置信水平下，通過風(fēng)電概率分布函數(shù)求反函數(shù)得對應(yīng)的風(fēng)電計(jì)劃出力值 0≤pf,t≤式中，F(xiàn)r?1為Frp的反函數(shù)，2）爬坡速率約束爬坡約束較之于傳統(tǒng)僅含火電機(jī)組的調(diào)度模型不發(fā)生改變，其約束條件為： ??i,dT式中，?i,u為火電機(jī)組i向上的爬坡速率，?i,d為火電機(jī)組i向下的爬坡速率，3）功率平衡約束含風(fēng)電的電力系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型在運(yùn)行中保持功率平衡是指在本模型中火電機(jī)組產(chǎn)生的功率與風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的功率同系統(tǒng)負(fù)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(fēng)電機(jī)組計(jì)劃出力，Nf為并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組數(shù)目，pLoad,t為在t4）系統(tǒng)備用容量約束大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，考慮到風(fēng)電自身特性，而根據(jù)現(xiàn)有的方法預(yù)測風(fēng)功率的精準(zhǔn)性遠(yuǎn)不及對系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性，故需在備用約束條件中需計(jì)及風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，通常方法是規(guī)定一定的正、負(fù)備用約束容量。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)具備一定規(guī)模后，對風(fēng)電的預(yù)測水平越高，若此時出現(xiàn)偏差導(dǎo)致風(fēng)電實(shí)際出力不足，則系統(tǒng)必須預(yù)留足夠的正備用容量以快速填補(bǔ)負(fù)荷所需功率的缺失部分；同理，當(dāng)風(fēng)電出力可變化增加的容量越多，即火電機(jī)組可降低的出力越多，系統(tǒng)需要預(yù)留的負(fù)備用容量要求也越高。特別地，如果風(fēng)電場可以達(dá)到其最大出力，此時則不需系統(tǒng)提供負(fù)備用容量進(jìn)行約束。系統(tǒng)正備用容量約束 （1.22）式中，SU為t時段系統(tǒng)為保證電網(wǎng)穩(wěn)定供電進(jìn)行調(diào)峰所預(yù)留的正備用容量；SU,i為t時段第i臺機(jī)組系統(tǒng)所提供的在10min響應(yīng)時間內(nèi)的總的正備用容量；L%為由于上網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測誤差導(dǎo)致對正備用容量的需求百分比；u%為由于風(fēng)電預(yù)測誤差導(dǎo)致對正備用容量的需求百分比；pimax為火電機(jī)組i給定的出力上限值；T對式（1.23），綜合考慮到高估風(fēng)電出力對電網(wǎng)的影響，此時風(fēng)電機(jī)組實(shí)際出力低于計(jì)劃出力，選取系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測誤差與風(fēng)電預(yù)測誤差之和作為正備用容量約束的需求下限值。系統(tǒng)負(fù)備用容量約束 （1.23）式中，SD為t時段系統(tǒng)在風(fēng)電實(shí)際出力過大情況下預(yù)留的負(fù)備用總?cè)萘?；SD,i為t時段第i臺機(jī)組系統(tǒng)提供的10min響應(yīng)時間總的負(fù)備用容量；pfmax為風(fēng)電機(jī)組i最大可出力；d%為于風(fēng)電預(yù)測誤差導(dǎo)致對負(fù)備用容量的需求百分比；?i,d為火電機(jī)組i向下的爬坡速率，pimin為火電機(jī)組i給定的出力下限值，對式（1.24），綜合考慮到低估風(fēng)電出力對電網(wǎng)的影響，此時風(fēng)電機(jī)組實(shí)際出力高于計(jì)劃出力，選取風(fēng)電場最大出力