一种考虑EILS的电能、惯性与一次调频联合优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统优化调度领域，尤其是涉及一种考虑EILS的电能、惯性与一次调频联合优化方法。

背景技术

为保障电力系统的频率安全，研究人员开始重视大扰动事故下惯性和一次调频资源的价值。但是，现有模型并未深入研究电能、惯性与一次调频(primary frequencyresponse，PFR)辅助服务在现货市场上进行基于安全约束机组组合的协同优化出清，且未考虑紧急可中断负荷(emergency interruptible load service，EILS)资源的影响，导致优化调度结果不够精准。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种考虑EILS的电能、惯性与一次调频联合优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑EILS的电能、惯性与一次调频联合优化方法，包括以下步骤：

步骤1)构建连续SCUC模型的目标函数；

步骤2)构建连续SCUC模型的常规约束；

步骤3)构建考虑紧急可中断负荷的连续SCUC模型的频率安全约束，并将频率安全约束中的频率最低点约束写成二阶锥形式，所述频率最低点约束包括两种情况；

步骤4)构建频率最低点约束综合评估指标，基于综合评估指标从两种情况中择一的选择频率最低点约束；

步骤5)基于目标函数、常规约束和频率安全约束构建连续SCUC模型的拉格朗日函数，求解拉格朗日函数得到电能、惯性和一次调频的出清价格。

所述连续SCUC模型的目标函数为：

其中，下标HG、SG和WG分别代表火电机组、水电机组和风电机组；N

所述连续SCUC模型的常规约束包括功率平衡约束、机组出力上下限约束和紧急可中断负荷约束。

所述功率平衡约束为：

其中，D

所述机组出力上下限约束为：

其中，

所述紧急可中断负荷约束为：

其中，α％是指采购的紧急可中断负荷资源占负荷的比例。

所述频率安全约束包括频率变化率约束、频率最低点约束和准稳态约束。

所述频率变化率约束为：

其中，H

所述频率最低点约束包括两种情况：

情况一：

情况二：

其中，

所述准稳态约束为：

所述频率最低点约束的二阶锥形式为：

情况一：

/>

情况二：

所述构建频率最低点约束综合评估指标包括以下步骤：

步骤4-1)确定成本指标A

其中，i代表频率最低点约束的两种情况，取值为1代表情况一，取值为2代表情况二；F代表电网的总购买成本，即连续SCUC模型的目标函数，A

步骤4-2)确定惯量指标B

其中，M

步骤4-3)确定有效PFR响应比指标Q

/>

其中，上标HG、SG和WG分别代表火电机组、水电机组和风电机组；E是有效PFR响应比，即机组通过出清模型所中标的PFR备用容量R

步骤4-4)确定频率最低点约束综合评估指标Y

Y

其中，a，b，c为三个分量的权重因子，取值范围为[0,1]，且满足a+b+c＝1。

所述连续SCUC模型的拉格朗日函数表示为：

其中，

所述电能、惯性和一次调频的出清价格分别为：

A)电能出清价格

B)惯性出清价格

C)风电机组PFR出清价格

D)水电机组PFR出清价格

E)火电机组PFR出清价格

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明深入研究了电能、惯性与PFR辅助服务在现货市场上进行基于安全约束机组组合的联合优化出清，可以满足系统在面对大扰动事故时的频率安全，实现资源的最优配置与费用的最小支付。

(2)本发明考虑了紧急可中断负荷资源的影响，能够缓解系统对惯性和PFR辅助服务的需求；同时，考虑了频率最低点约束的两种情况及频率最低点约束综合评估指标，能够更加符合实际情况并获得最优的调度结果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为风电预测功率和日负荷预测值；

图3为本发明实施例所述的4种方案的机组组合结果；

图4为本发明实施例所述的4种方案的惯性总出清结果；

图5为本发明实施例所述的4种方案的PFR总出清结果；

图6为本发明实施例所述的4种方案下的RoCoF值；

图7为本发明实施例所述的4种方案下的频率最低点；

图8为本发明实施例所述的3种方案下的电能、惯性和PFR出清价格；

图9为本发明实施例所述的方案4不同α下的总成本值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种考虑EILS的电能、惯性与一次调频联合优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1)构建连续SCUC模型的目标函数。

连续SCUC模型的目标函数为：

其中，下标HG、SG和WG分别代表火电机组、水电机组和风电机组；N

步骤2)构建连续SCUC模型的常规约束。

连续SCUC模型的常规约束包括功率平衡约束、机组出力上下限约束和紧急可中断负荷约束。

步骤2-1)确定功率平衡约束：

其中，D

步骤2-2)确定机组出力上下限约束：

/>

其中，

步骤2-3)确定紧急可中断负荷约束：

其中，α％是指采购的紧急可中断负荷资源占负荷的比例。

步骤3)构建考虑紧急可中断负荷的连续SCUC模型的频率安全约束，并将频率安全约束中的频率最低点约束写成二阶锥形式。

频率安全约束包括频率变化率约束、频率最低点约束和准稳态约束。

步骤3-1)确定频率变化率(RoCoF)约束：

其中，H

步骤3-2)确定频率最低点约束：

频率最低点约束包括两种情况：

情况一：

情况二：

其中，

将频率最低点约束的写成二阶锥形式为：

情况一：

情况二：

步骤3-3)确定准稳态约束：

步骤4)构建频率最低点约束综合评估指标，基于综合评估指标从两种情况中择一的选择频率最低点约束。

步骤4-1)确定成本指标A

其中，i代表频率最低点约束的两种情况，取值为1代表情况一，取值为2代表情况二；F代表电网的总购买成本，即连续SCUC模型的目标函数，A

步骤4-2)确定惯量指标B

其中，M

步骤4-3)确定有效PFR响应比指标Q

其中，上标HG、SG和WG分别代表火电机组、水电机组和风电机组；E是有效PFR响应比，即机组通过出清模型所中标的PFR备用容量R

步骤4-4)确定频率最低点约束综合评估指标Y

Y

其中，a，b，c为三个分量的权重因子，取值范围为[0,1]，且满足a+b+c＝1。

频率最低点约束综合评估指标还可结合天气因素作进一步优化，如恶劣天气下，增加频率曲线相关指标的权重等。

步骤4-5)基于综合评估指标从两种情况中择一的选择综合评估指标较大值对应的频率最低点约束，作为最终构建拉格朗日函数的频率安全约束之一。

步骤5)基于目标函数、常规约束和频率安全约束构建连续SCUC模型的拉格朗日函数，求解拉格朗日函数得到电能、惯性和一次调频的出清价格。

连续SCUC模型的拉格朗日函数表示为：

其中，

则，求解拉格朗日函数得到出清价格如下：

A)电能出清价格

B)惯性出清价格

C)风电机组PFR出清价格

D)水电机组PFR出清价格

E)火电机组PFR出清价格

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本实施例假设系统包含10台火电机组与5台水电机组以及一处带有40MW超级电容器且容量为400MW的风电场，并进行算例测试，对部分机组参数进行适当调整。对于机组的报价($/(MW·h))，以水火电机组的运行成本近似代替电能报价，详细数据见表1和表2。风电场的电能报价为0，调频报价为10$/(MW·h)，EILS资源调用成本为11$/(MW·h)。

表1火电机组参数

表2水电机组参数

风电预测出力与日负荷如图2所示。系统基准频率为50Hz，RoCoF的最大值设为0.5Hz/s，频率最低点的限值设为49Hz。EILS于49.7Hz开始检测到断开信号，0.5s后完全响应。

为了分析频率安全约束对系统日前出清结果的影响，将每个时段的预想大扰动功率ΔP

方案1：不考虑频率安全约束，机组按照传统的备用要求，设置固定的PFR备用容量，如火电机组设置为6％的机组容量，水电和风电机组设置为10％的机组容量。

方案2：考虑频率安全约束，不强制规定机组的PFR备用容量，不考虑风机参与调频和EILS资源功率响应。

方案3：在方案2的基础上，考虑风机参与调频。

方案4：在方案3的基础上，考虑每个时段采购上限为负荷比例5％的EILS资源。

本实施例给出了4种方案下的水火电机组24h的机组启停情况，如图3所示；预想大扰动下惯性和PFR出清结果如图4-5所示；每时段的RoCoF和频率最低点如图6-7所示。

从图3可以看出火电机组1和2电能和PFR报价相对较高，在负荷需求少时较难中标；方案1的开机数量较方案2和方案3少，原因是开机机组仅受功率平衡约束，不受频率安全约束的影响；方案4因计及EILS资源而减少了惯性和PFR的需求，开机数量较少。从图4可以看出，在时段8-15，由于负荷需求高，机组开机数量多，惯性比较大；方案3虽然较方案2考虑了风机调频，但每个时段的惯性相差不大。

图5表示4种方案下的PFR出清容量。从中可以看出，方案1的机组按照传统的备用要求，具有固定的PFR出清容量，与方案2、3相比，整体的出清容量较小；方案3与方案2相比，方案3中PFR出清总容量更少，这是因为风机的调频时间小于水火电机组，相同容量的PFR响应更为充分，所需数量也就更少；方案4中EILS资源参与响应可以减少大量的水火电机组PFR备用容量，且每个时段的EILS资源采购量达到了限值，占负荷比例的5％。4种方案的总成本分别是853 622$、854 966$、847 537$和770 500$，方案1虽然没有考虑频率安全约束，但部分PFR报价较高的火电机组作为其边际机组而被出清，因此总成本比较高。

从图6可以看出，实施例中的4种方案的RoCoF值都没有越限，但惯性较小的方案1和方案4的RoCoF普遍大于方案2和3的值。从图7可以看出，方案1中仅有少数几个时段满足频率最低点要求，最小值发生在时段4，仅为47.3Hz；而考虑频率安全约束后的方案，频率最低点都大于限值49Hz，方案3中的风电机组的PFR虽然代替了方案2中的部分水火电机组的PFR，但两方案的最终效果相似；方案4在计及EILS资源后，频率最低点明显高于其他方案。

由于方案1的出清结果并不满足频率安全要求，因此仅讨论方案2-4的资源边际出清价格。

从图8可以看出，在系统负荷、惯性和PFR需求较高的时段9-13，由于价格更高的火电机组作为边际机组，方案2、3相应资源的出清价格也更高，方案4在该时段的电能出清价格高，但惯性和PFR价格较低，原因一是系统负荷需求多但风能较少导致系统的火电和水电机组大量开机，系统惯性充足导致RoCoF约束不起作用，相应的拉格朗日乘子为0，二是计及EILS资源后，降低了系统的PFR资源需求，频率最低点约束的限制作用减小，相应的乘子数值也比较小。对比图中不同类型机组的PFR价格，还可以得到调频时间较快的风电机组的PFR价格更高，约为对应时段水火电机组价格的1.87倍，有利于鼓励更快速的PFR资源参与市场。

在方案4的基础上，从0％到5％改变EILS占负荷比例的上限值α的取值，调度结果显示每个时段的EILS采购量全部达到了限值，日前出清总成本的大小如图9所示。从图9中可以看出，采购EILS资源的数量越多，则总成本呈下降趋势；与不采购EILS资源相比，当α为5％时，总成本可减少9％左右。且当α值取值由2％到3％变化时，会带来总成本值的下降突变，这是由于在该区间内，部分昂贵的同步机组只能由开机到关机，不存在中间态，所带来的成本变化。

考虑频率安全约束的情况下，将本发明方法(联合优化法)的结算费用与采用分离顺序法模型的结算费用进行对比，结果如表3所示：

表3不同市场出清方法的结算费用

从表3可以看出，相较于分离顺序法，使用联合优化法的电能、惯性与PFR资源所支付的总结算费用更低。这是因为分离顺序法的目标函数是每种资源在各自市场内的付费最低，出清方式是按照惯性、电能和PFR资源顺序进行依次出清，三者形成相对独立的市场，每个市场内出清模型的结算价格是从低到高最后接受的机组报价，出清结果仅保证在当前市场内购买相应资源的结算费用最低，由于不考虑市场之间的耦合性，无法保证资源的总结算费用最低；而联合优化法的目标函数是保证所有资源的总付费最低，考虑了惯性、电能与PFR市场的耦合性，利用连续SCUC模型对三者同时出清，出清结果可以保证所有资源的总付费最低。

频率最低点约束综合评估指标的作用是在日前出清阶段对使用不同约束后的出清结果进行分析，从中选取最优的调度方案。为说明该指标的计算过程，表4给出了采用方案3对时段5进行出清时，频率最低点发生于不同区域(即对应不同频率最低点约束的情况)的调度结果。其中，区域1表示对应情况一，区域2表示对应情况2。

表4不同频率最低点发生区域的调度结果

指标A是与成本相关的指标，指标B和Q都是与频率曲线相关的指标，本实施例中取权重a＝0.5，b＝c＝0.25。表5即不同指标的计算结果，从中可以看出频率最低点发生于区域1时的成本指标要优于发生于区域2时，但考虑频率曲线相关的指标后，其频率最低点约束综合评估指标变差。

表5频率最低点约束综合评估指标计算结果

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。