一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統及其優化調度方法
【專利摘要】一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統及其優化調度方法，在風電場輸出功率預測值及預測精度的基礎上，將未超過風電功率預測值的下限部分直接接入區域電網，并承擔區域電網的基荷部分。然后繪制除去直接并網的風電功率的凈負荷曲線。在負荷低谷時段，將超過預測值下限值的不穩定的風電功率用來抽水蓄能，安排在凈負荷高峰時段發電，精確計算抽蓄電站每個時段啟停狀況及輸出功率值。此方案大大減少了風電并網對電網穩定性造成的威脅，充分發揮了抽水蓄能電站的調峰填谷功能，減少了棄風。
【專利說明】
一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統及其優化 調度方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統優化運行領域，具體為一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與 風電聯合系統及電力調度方法。
【背景技術】
[0002] 隨著風電的大規模并網，風電輸出功率的不確定性及反調峰特性對電力系統的負 面影響也日益凸顯，并已成為制約風電發展的瓶頸。抽水蓄能電站具有啟動迅速、爬坡速度 快、運行可靠靈活的優點。其快速轉換的靈活性能有效彌補風電輸出功率的隨機性;利用抽 水蓄能電站的"低儲高發"特性來解決風電輸出功率的反調峰性，達到調峰填谷的目的；進 而降低了風電并網對電網造成的影響，提高電網運行的穩定性、經濟性。
[0003] 針對風電的反調峰性，本發明充分發揮抽水蓄能電站的運行特點，并結合實際經 驗，將約束條件應用到制定抽蓄機組的運行規則中來，運用啟發式專家規則制定抽蓄機組 的最優啟停、出力計劃，以發揮抽蓄機組的最佳調峰、經濟效益。
[0004] 目前關于風電場與抽水蓄能電站聯合系統優化運行的方法大多是從平滑功率輸 出和經濟效益兩個方面進行研究，很少對風蓄聯合運行的環境效益進行研究，本發明將聯 合系統的經濟效益、風電利用率、風電輸出平滑度都考慮到優化運行當中。將風電場輸出功 率利用率作為目標函數之一，即以增加電網綠色能源滲透率為目標函數，達到減少常規機 組的輸出功率，節約煤炭資源、減少有害氣體的排放這一目的。
[0005] 在風電與抽水蓄能電站聯合運行中，將一部分風電并網，另一部分抽水蓄能，如何 分配風電功率，目前研究主要以風電場裝機容量的特定比例為上限，以限制風電場直接并 網的功率，未超出上限的部分直接接入電網，將超出上限部分或用于抽水蓄能或棄風。這樣 在風電輸出功率較高的時段易造成棄風浪費，在風電輸出功率較低的時段，風電直接并網， 對電網穩定性造成威脅。本發明根據風電預測值及預測精度(20%)繪制風電預測值的上限 曲線(預測值的1.2倍)和下限曲線(預測值的0.8倍），風電實際輸出功率在此區間內的置信 水平極高。將未超過風電輸出功率下限的穩定的部分直接并入電網供應區域電網內的基荷 部分。超過風電輸出功率下限的不穩定的風電功率用于抽水蓄能。既減少了棄風，也降低了 風電并網對電網穩定性造成的影響。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統及對 電力進行調度的方法，它能解決風電并網對區域電網內其他常規機組的旋轉備用容量及爬 坡能力造成限制的問題。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0008] 一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，它包風力發電機組、水力發 電系統、抽水栗、控制系統，水力發電系統包括上游水庫、下游水庫、水輪機組和發電機組； 風力發電機組通過輸電線A經可控開關接入控制系統，再經輸電線C和輸電線B分別接入主 電網和抽水栗;水力發電系統經輸電線D接入控制系統再經輸電線C接入主電網；抽水栗通 過輸電線E接入主電網。
[0009] -種用上述抽水蓄能電站與風電聯合系統進行電力調度的方法，它包括以下步 驟：
[0010] 1)根據每個時段風電輸出功率預測值的下限值，確定風電場直接并網的風電功率 以及越限功率；
[0011] 2)根據步驟1求出的各個時段的越限風電以及除去直接并網的風電功率后的凈負 荷，安排抽蓄機組在凈負荷低谷時段利用越限風電抽水；
[0012] 3)安排抽水蓄能電站在凈負荷高峰時段發電；
[0013] 4)判斷是否存在合適的時段供抽水栗抽水蓄能；
[0014] 5)安排抽水蓄能電站在除凈負荷高峰時段之外的凈負荷最高的時段繼續滿載發 電，并繼續計算發電量Eg，直至Eg = nEp;
[0015] 6)判斷凈負荷最低的時段，抽水蓄能電站的庫存能量是否夠抽蓄機組以最小功率 發電；
[0016] 7)得到每個時段抽水蓄能機組的啟停出力狀況。
[0017] 在步驟1)中，將各個時段未超過風電輸出功率下限的穩定的部分直接并入電網供 應區域電網內的基荷部分。
[0018] 在步驟1)中，目前大部分風電功率預測方法的精度在15%至25%之間，本發明預 測精度取3 = 20 %。
[0019] 在步驟1)中，將各個時段未超過風電輸出功率下限的穩定的部分i3Pwtcltall直接并 入電網供應區域電網內的基荷部分，風力發電機組通過輸電線A經可控開關接入控制系統， 風電功率在預測值下限以內的部分0P wtcltall經輸電線C接入主電網，并承擔電網的基荷的運 行。
[0020] 在步驟2)中，各個時段的越限風電為（lUtc^nPu表示第i時段的電網負荷，除 去直接并網的風電功率后的凈負荷為Pli-PPwtotali。安排抽水蓄能機組在負荷低谷時段抽 水，控制系統將超出并網上限的風電功率部分（lDPwtc^u經輸電線B連接抽水栗用電系 統，電網經輸電線E及可控開關連接抽水栗用電系統，用來抽水蓄能，其中，控制系統計算抽 水消耗的電能Ep，上水庫所儲存的機械能為ηρΕρ。
[0021] 在步驟3)中，依次從凈負荷最高時段開始安排抽水蓄能電站滿載發電，抽水蓄能 發電機經輸電線D接入控制系統，計算發電量Eg，再經輸電線C接入主電網，判斷Eg是否小于 ηρΕρ。若小于，則進行步驟5)，否則進行步驟4)。
[0022] 在步驟4)中，控制系統要控制抽水栗抽水，保證抽水蓄能電站的庫存能量不超過 其最大值，并計算此時間段抽水栗抽水所消耗的電能Epl，直至n(Ep+Epl)=Eg，，然后執行 步驟5)如果此時間段沒有足夠多的越限風電，則從凈負荷高峰期中的負荷最低時段開始減 少抽水蓄能電站的發電功率，直至Eg = nEp，轉至步驟6)。
[0023] 在步驟6)中，若庫存能量足夠，則抽水蓄能電站以Ei/At發電；若庫存能量不足， 則改變在凈負荷僅高于i的時段j的抽蓄電站的發電功率，重新分配兩個時段的發電功率， 第i時段以最小功率Pmin g發電，第j時段以(Ej-Pmin gAt)/At發電。
[0024] 本發明的有益效果是：
[0025] 本發明在使用時，除了能夠根據不同時段負荷的高低和抽水蓄能電站的庫存能量 和庫谷能Μ，靈活地控制發電機、抽水栗的啟停狀況和輸出功率，減少風電對主電網穩定性 的影響，減少棄風，增加電網綠色能源滲透率，增加風蓄聯合系統的經濟收益之外。抽水蓄 能機組還能發揮最大的調峰填谷功能，使風蓄聯合系統出力更趨于平緩，使負荷與風蓄聯 合系統出力之差更趨于平穩，大大減少了風電并網對火電機組的旋轉備用容量及爬坡能力 的約束的限制。
【附圖說明】
[0026] 圖1本發明中面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統的結構示意圖；
[0027] 圖2為實施例中電網內風電場典型日的各個時段的輸出功率預測值；
[0028]圖3為實施例中電網的負荷預測值以及凈負荷預測值。
【具體實施方式】
[0029] 如附圖1所示，一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，它包風力發電 機組1、水力發電系統、抽水栗3、控制系統4,水力發電系統包括上游水庫2、下游水庫6、水輪 機組和發電機組7;風力發電機組7通過輸電線Α經可控開關接入控制系統4,再經輸電線C和 輸電線B分別接入主電網5和抽水栗3;水力發電系統經輸電線D接入控制系統4再經輸電線C 接入主電網；抽水栗3通過輸電線E接入主電網5,以防風電場用于抽水的功率不足時，利用 電網電能抽水。
[0030] 本發明的具體操作步驟如下：
[0031] 1)從電網調度中心獲得次日區域電網負荷預測值，從各個電站獲得以下計算參 數：
[0032] 區域電網在次日24個時段的負荷預測值，風電場24個時段輸出功率預測值 pwtcltall，抽水蓄能機組最大發電功率iT，最小發電功率if1，額定抽水功率6"，水庫1天的 初始蓄能E〇,最大蓄能e mx。水輪機發電效率nh，水栗抽水效率％。第i個時段風電上網電價 笟，第i個時段電價Si，抽水蓄能機組的啟停成本分別為S q、St;
[0033] 2)設定優化變量為:風電場的棄風電能Ew,q，抽蓄機組的發電功率Py
[0034] 3)確定優化模型的目標函數：
[0035]以風蓄聯合系統的經濟效益最大、風電場輸出功率利用率最大為目標函數，如式 (1),(2):
[0038]式（1)-(2)中，FW代表一天中第i時段的接入電網的風電功率，1?表示第i時段抽蓄 機組的發電功率，S,為第i時段的電價，PUt表示第i時段用電網電能抽水的功率，圮、4分別 代表第i時段抽蓄機組啟動和停機的次數，S q、St分別為抽蓄機組啟動和停機一次的成本，Δ t表不一個時段，F表不風蓄聯合系統的總收益，Pwtotali為第i時段風電場輸出功率，Fq,p為用 于抽水的棄風功率，η為抽水蓄能機組的綜合效率。
[0039] 4)確定優化模型的約束條件：
[0040] 約束條件包括風電場出力約束、抽水蓄能機組出力約束、抽水蓄能電站庫容約束、 風電功率總量約束，功率平衡約束分別如下：
[0041 ] ①風電場出力約束如式(3)
[0042] 0<Κ<β^ (3)
[0043] 式(3)中，Pw為風電場的直接并網的輸出功率，Pwtc^u為風電場第i時段的風電輸 出功率預測值，β為風電接入電網的上限系數，為0.8。
[0044] ②抽蓄機組出力約束如式(4)-(6)
[0048] 式(4)中，if為抽蓄機組的最小出力，f為抽水蓄能電站的額定發電功率，EiS 第i時段抽水蓄能電站的庫容；
[0049] 式(5)中，將抽蓄機組水栗功率視為定值，·?Γ表示抽蓄機組的抽水額定功率；
[0050] 式(6)表示，同一時段時段水輪機和水栗不可能同時工作。
[00511③抽水蓄能電站庫容約束：
[0052] Emin^Ei^Emax (7)
[0054] 式(7)-(8)中，E_、Emax分別表示抽蓄電站的最小、最大蓄能;PP(i-l)、P g(i_l)分別 表示時段i-Ι抽蓄機組水栗的抽水功率和水輪機的發電功率;別為第i和第i-Ι時 段抽蓄電站的庫容。
[0055] ④風電功率總量約束：
[0058] 式(9)-(10)中，Pwtcltall為第i時段風電場總的輸出功率，4為第i時段用于抽水的 越限風電功率，F q.為第i時段的棄風功率，且棄風功率大于零。
[0059] 5)求解優化運行模型：
[0060] 利用啟發式規則結合優化算法及計算軟件求解上述優化模型，得到每個時段抽水 蓄能機組的啟停狀況以及輸出功率，用以實現聯合系統的優化運行。
[0061] -種用所述抽水蓄能電站與風電聯合系統進行電力調度的方法，它遵循上述理論 基礎，包括以下步驟：
[0062] 步驟一:根據每個時段風電輸出功率預測值的下限值，確定風電場直接并網的風 電功率以及越限功率；
[0063]如圖2所示，目前大部分風電功率預測方法的精度在15%至25%之間，本發明預測 精度取δ = 20%，根據國內目前的預測精度取δ = 20%(表示風電實際輸出功率在預測值的 上下20%內波動）。將各個時段未超過風電輸出功率下限的穩定的部分i3Pwtcltall直接并入電 網供應區域電網內的基荷部分，風力發電機組通過輸電線A經可控開關接入控制系統，風電 功率在預測值下限以內的部分0 Pwtcltall經輸電線C接入主電網，并承擔電網的基荷的運行。 這樣既大大減少了風電并網對電網穩定性造成的影響，也充分利用了風電功率，并且減少 了承擔電網基荷運行的火電機組等常規機組的輸出功率，進而增加了電網的綠色能源滲透 率。
[0064] 步驟二:根據步驟一求出的各個時段的越限風電以及除去直接并網的風電功率后 的凈負荷，安排抽蓄機組在凈負荷低谷時段利用越限風電抽水；
[0065] 各個時段的越限風電為表示第i時段的電網負荷，除去直接并網 的風電功率后的凈負荷為Pu-0Pwtcltali。安排抽水蓄能機組在負荷低谷時段抽水。如圖1所 示，控制系統將超出并網上限的風電功率部分（lDPwtc^u經輸電線B連接抽水栗用電系 統，電網經輸電線E及可控開關連接抽水栗用電系統，用來抽水蓄能。其中，控制系統并計算 抽水消耗的電能匕，上水庫所儲存的機械能為 ％ΕΡ。這樣充分發揮了抽水蓄能電站的調峰填 谷功能，使負荷與風蓄聯合系統出力之差更趨于平穩，大大減少了風電并網對火電機組等 常規機組的旋轉備用容量及爬坡能力的要求。
[0066] 步驟三:安排抽水蓄能電站在凈負荷高峰時段發電；
[0067] 依次從凈負荷最高時段開始安排抽水蓄能電站滿載發電，如圖1和圖3所示，發電 機經輸電線D接入控制系統，控制系統計算發電量E g，再經輸電線C接入主電網，判斷Eg是否 小于％EP。若小于，則進行步驟五，否則進行步驟四。
[0068] 步驟四：判斷是否存在合適的時段供抽水栗抽水蓄能，并采取相應的對策；
[0069] -般一天當中，大部分區域電網內有兩個負荷高峰期，兩個負荷高峰期之間有若 干個時段處于非負荷高峰期，以某區域電網的負荷曲線為例，如圖3所示。若此時間段有足 夠多的越限風電功率，則安排抽水蓄能機組在此時間段抽水蓄能。同時，上水庫將庫存能量 反饋給控制系統，控制系統要控制抽水栗抽水，保證抽水蓄能電站的庫存能量不超過其最 大值，并計算此時間段抽水栗抽水所消耗的電能Epl，直至n(Ep+Epl)=Eg。如果此時間段沒 有足夠多的越限風電，則從凈負荷高峰期中的負荷最低時段開始減少抽水蓄能電站的發電 功率，直至Eg = nEp。轉至步驟六。
[0070] 在此時間段，若要使用電網電能抽水，必須滿足以下條件：
式中，尤為負荷高峰時段第k時段的風電上網 電價，考慮到機組啟停過程中水輪機的抽水栗的機械磨損及調度費用，取γ =0.9。該公式 表達的意思是:某時段，當越限風電功率小于抽水栗額定功率時，電網補充功率差額，是抽 水栗能夠以額定功率抽水，系統向電網購買的電能的價格再加上抽水栗啟停各一次的成本 之和，要小于系統利用該時段電能儲存的勢能在負荷高峰時段發電產生的經濟效益乘以 0.9。步驟三和步驟四四不僅充分發揮了抽蓄電站的調峰填谷功能，而且能夠精確計算抽蓄 電站的庫存能量，靈活的反映出各個時段抽水蓄能電站應輸出的功率值，能夠提供某時間 段適不適合抽水蓄能的有效判據。
[0071] 步驟五:安排抽水蓄能電站在除凈負荷高峰時段之外的凈負荷最高的時段繼續滿 載發電，并繼續計算發電量Eg，直至Eg = nEP;
[0072] 步驟六:判斷凈負荷最低的時段，抽水蓄能電站的庫存能量是否滿足抽蓄機組以 最小功率發電；
[0073] 若庫存能量足夠，則抽水蓄能電站以Ei/Δ t發電；若庫存能量不足，則改變在凈負 荷僅高于第i時段的第j時段的抽蓄電站的發電功率，重新分配兩個時段抽蓄電站發電功 率，其中，第i時段以最小功率if發電，第j時段以/At發電。
[0074] 步驟七:得到每個時段抽水蓄能機組的啟停出力狀況。
[0075] 可在此基礎上繪制出負荷值與風蓄聯合系統輸出功率之差值曲線，進而安排區域 電網內火電機組等常規機組的組合及出力。
【主權項】
1. 一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征在于：它包風力發電機 組（1)、水力發電系統、抽水栗(3)、控制系統(4)，水力發電系統包括上游水庫(2)、下游水庫 (6)、水輪機組和發電機組（7);風力發電機組（7)通過輸電線A經可控開關接入控制系統 (4)，再經輸電線C和輸電線B分別接入主電網（5)和抽水栗(3);水力發電系統經輸電線D接 入控制系統(4)再經輸電線C接入主電網；抽水栗(3)通過輸電線E接入主電網（5)。2. -種用權利要求1中所述抽水蓄能電站與風電聯合系統進行電力調度的方法，其特 征在于包括以下步驟： 1) 根據每個時段風電輸出功率預測值的下限值，確定風電場直接并網的風電功率以及 越限功率； 2) 根據步驟1求出的各個時段的越限風電以及除去直接并網的風電功率后的凈負荷， 安排抽蓄機組在凈負荷低谷時段利用越限風電抽水； 3) 安排抽水蓄能電站在凈負荷高峰時段發電； 4) 判斷是否存在合適的時段供抽水栗抽水蓄能； 5) 安排抽水蓄能電站在除凈負荷高峰時段之外的凈負荷最高的時段繼續滿載發電，并 繼續計算發電量Eg，直至Eg = nEp; 6) 判斷凈負荷最低的時段，抽水蓄能電站的庫存能量是否夠抽蓄機組以最小功率發 電； 7) 得到每個時段抽水蓄能機組的啟停出力狀況。3. 根據權利要求2所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征 在于:在步驟1)中，將各個時段未超過風電輸出功率下限的穩定的部分直接并入電網供應 區域電網內的基荷部分。4. 根據權利要求2或3所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特 征在于:在步驟1)中，預測精度取δ = 20 %。5. 根據權利要求4所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征 在于:在步驟1)中，將各個時段未超過風電輸出功率下限的穩定的部分直接并入電 網供應區域電網內的基荷部分，風力發電機組通過輸電線A經可控開關接入控制系統，風電 功率在預測值下限以內的部分0 Pwtcltall經輸電線C接入主電網，并承擔電網的基荷的運行。6. 根據權利要求2所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征 在于:在步驟2)中，各個時段的越限風電為（l-mPwtc^mPu表示第i時段的電網負荷，除去 直接并網的風電功率后的凈負荷為Pu-HVc^ii。安排抽水蓄能機組在負荷低谷時段抽水， 控制系統將超出并網上限的風電功率部分（lDPwtc^u經輸電線B連接抽水栗用電系統，電 網經輸電線E及可控開關連接抽水栗用電系統，用來抽水蓄能，其中，控制系統計算抽水消 耗的電能Ep，上水庫所儲存的機械能為ηρΕρ。7. 根據權利要求3所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征 在于:在步驟3)中，依次從凈負荷最高時段開始安排抽水蓄能電站滿載發電，抽水蓄能發電 機經輸電線D接入控制系統，計算發電量Eg，再經輸電線C接入主電網，判斷Eg是否小于τι pEp。若小于，則進行步驟5)，否則進行步驟4)。8. 根據權利要求3所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征 在于:在步驟4)中，控制系統要控制抽水栗抽水，保證抽水蓄能電站的庫存能量不超過其最 大值，并計算此時間段抽水栗抽水所消耗的電能Epl，直至n(Ep+Epl)=Eg，，然后執行步驟 5)如果此時間段沒有足夠多的越限風電，則從凈負荷高峰期中的負荷最低時段開始減少抽 水蓄能電站的發電功率，直至Eg = nEp，轉至步驟6)。9.根據權利要求3所述的一種面向電網調峰的抽水蓄能電站與風電聯合系統，其特征 在于:在步驟6)中，若庫存能量足夠，則抽水蓄能電站以Ei/At發電;若庫存能量不足，則改 變在凈負荷僅高于i的時段j的抽蓄電站的發電功率，重新分配兩個時段的發電功率，第i時 段以最小功率Pming發電，第j時段以(Ej-Pmin g Δ t)/ Δ t發電。
【文檔編號】H02J3/38GK106026184SQ201610616745
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月31日
【發明人】王凌云, 王凌峰, 呂文靜, 季超超
【申請人】三峽大學