调峰调频约束下电力系统可消纳风电的辨识与控制方法

摘要

本发明公开了一种调峰调频约束下电力系统可消纳风电的辨识与控制方法，属于电力系统运行与风电并网控制领域。该方法包括：计及电力系统调峰调频约束，优化常规机组开停机状态，在日前辨识电力系统消纳风电的三维可控域；根据电力系统消纳风电的三维可控域，在日前判断预测所得风电是否可被电力系统全额消纳；根据预测所得风电是否可被电力系统全额消纳的判断结果，在日前确定电力系统消纳预测所得风电的最优控制策略；根据日前所确定的最优控制策略，在次日控制风电机组与常规机组。本发明帮助电力系统调度人员快速判断预测所得风电是否可被电力系统全额消纳，提供了消纳预测所得风电的最优控制策略，显示出重要的现实意义和良好的应用前景。

主权项

1.一种调峰调频约束下电力系统可消纳风电的辨识与控制方法，其特征在于，包括：1)计及电力系统调峰调频约束，优化常规机组开停机状态，在日前辨识电力系统消纳风电的三维可控域；2)根据电力系统消纳风电的三维可控域，在日前判断预测所得风电是否可被电力系统全额消纳；3)根据预测所得风电是否可被电力系统全额消纳的判断结果，在日前确定电力系统消纳预测所得风电的最优控制策略；4)根据日前所确定的最优控制策略，在次日控制风电机组与常规机组；1)计及电力系统调峰调频约束，优化常规机组开停机状态，在日前辨识电力系统消纳风电的三维可控域，具体包括以下步骤：1-1)定义电力系统消纳风电的三维可控域：(I)所消纳风电的等效负荷率η，表达式如下：$\eta =\frac{P_{\mathrm{WIND}}^{\left(\mathrm{mean}\right)}}{P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}}---\left(1\right)$(II)所消纳风电的峰谷时段出力差δ，表达式如下：$\delta =\frac{P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}-P_{\mathrm{WIND}}^{\left(2\right)}}{P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}---\left(2\right)$(III)所消纳风电的高峰时段出力率γ，表达式如下：$\gamma =\frac{P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}}{P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}---\left(3\right)$其中，t⁽¹⁾为电力系统负荷高峰时段；t⁽²⁾为电力系统负荷低谷时段；为日前预测所得电力系统高峰时段负荷；为所消纳风电各时段平均出力；为所消纳风电高峰时段出力；为所消纳风电低谷时段出力；1-2)根据风电的历史统计数据，预先设定电力系统消纳风电三维可控域的其中两个维度的取值，表达式如下：Ω＝{(η_h，δ_l)|η_h∈∏；δ_l∈Δ；h∈1…S₁；l∈1…S₂}    (4)式(4)中，∏为设定的所消纳风电等效负荷率集，表达式如下：∏＝{η_s|s∩1 …S₁}    (5)式(5)中，η₁为历史统计中最小的风电等效负荷率；为历史统计中最大的风电等效负荷率；S₁为设定的所消纳风电等效负荷率集的元素数量；Δ为设定的所消纳风电峰谷时段出力差集，表达式如下：Δ＝{δ_s|s∈1…S₂}    (6)式(6)中，δ₁为历史统计中最小的风电峰谷时段出力差；为历史统计中最大的风电峰谷时段出力差；S₂为设定的所消纳风电峰谷时段出力差集的元素数量；1-3)根据已经设定的Ω，选定辨识变量，具体包括：在设定的所消纳风电等效负荷率η_h与峰谷时段出力差δ_l的条件下，选择包括高峰时段所消纳风电出力与电力系统常规机组开机状态向量D_h，l作为辨识变量；其中，D_h，l＝{d_i|i＝1…N}，若d_i＝0，机组i保持开机；若d_i＝1，则机组i为关闭状态；N为常规机组数量；1-4)根据设定的二维可控域与选定的辨识变量，构建电力系统消纳风电可控域第三维度的优化辨识目标函数，表达式如下：$\gamma ({\eta }_h,{\delta }_l)=\max \frac{P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)}{P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}---\left(7\right)$该目标函数(7)的含义为：在设定的风电等效负荷率η_h与峰谷时段出力差δ_l的条件下，电力系统高峰时段可消纳的最大风电出力；1-5)基于设定的二维可控域与选定的辨识变量，建立电力系统运行状态变量与辨识变量的关联，具体包括：(I)电力系统二阶停电小时数的数学期望，表达式如下：$\mathrm{LOLE}(D_{h,l},{\eta }_h,P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)})=\underset{i}{\Sigma }\left\{\right[q_i·\underset{k\ne i}{\Pi }(1-q_k)]·t\left(P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i)}\right)\}$$---\left(8\right)$$+\underset{i}{\Sigma }\underset{j}{\Sigma }\left\{\right[q_i·q_j·\underset{h\ne i,j}{\Pi }(1-q_h)]·t\left(P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i,j)}\right)\}$式(8)中：为当仅有常规机组i故障时电力系统平均可供电容量，表达式如下：$P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i)}={\eta }_h{P}_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)+\underset{u=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{GEN},u}^{\max }-P_{\mathrm{GEN},i}^{\max }---\left(9\right)$为当仅有常规机组i与j故障时电力系统平均可供电容量，表达式如下：$P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i,j)}={\eta }_h{P}_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)+\underset{u=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{GEN},u}^{\max }-P_{\mathrm{GEN},i}^{\max }-P_{\mathrm{GEN},j}^{\max }---\left(10\right)$为常规机组u的最大出力；对于关闭的常规机组d_k＝1，有q_i为常规机组i的故障率；对于关闭的常规机组d_k＝1，有为电力系统负荷大于的累积小时数，表达式如下：$t\left(P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i)}\right)=\frac{1}{2}\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}[\mathrm{sign}(P_{\mathrm{LOAD},t}-P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i)})+1]---\left(11\right)$为电力系统负荷大于的累积小时数，表达式如下：$t\left(P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i,j)}\right)=\frac{1}{2}\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}[\mathrm{sign}(P_{\mathrm{LOAD},t}-P_{h,l}^{(\mathrm{loss}-i,j)})+1]---\left(12\right)$P_LOAD，t为电力系统时段t的负荷，t∈1…T；(II)电力系统高峰时段短时间尺度风电波动引起的频率波动表达式如下：${\mathrm{\Delta f}}_{h,l}^{\left(1\right)}=\frac{f_0{\mathrm{\Delta P}}^{\left(1\right)}}{{\mathrm{KP}}_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}---\left(13\right)$式(13)中：高峰时段风电短时间尺度的波动引起的供电缺额为ΔP⁽¹⁾，表达式如下：${\mathrm{\Delta P}}^{\left(1\right)}={\lambda }^{\left(1\right)}{P}_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-P_R^{\left(1\right)}---\left(14\right)$K为电力系统负荷-频率效应调节系数；f₀为初始电力系统频率；λ⁽¹⁾为风电出力在高峰时段的最大波动比例；为高峰时段电力系统备用容量，表达式如下：$P_R^{\left(1\right)}=P_{\mathrm{GEN}}^{(\max -1)}-E·{\left[P_{\mathrm{GEN},t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T---\left(15\right)$为电力系统高峰时段最大可出力，表达式如下：$P_{\mathrm{GEN}}^{(\max -1)}=P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)+[E-D-M]·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\max }\right]}^T+M·{\left[P_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T---\left(16\right)$E为维度1×N且元素均为1的向量；M为维度1×N的向量，M中与供热、联络线路等固定出力所对应的位置为1，其他位置均为0；为无风电并网时常规机组高峰时段出力向量；(III)电力系统低谷时段短时间尺度风电波动引起的频率波动表达式如下：${\mathrm{\Delta f}}_{h,l}^{\left(2\right)}=\frac{f_0{\mathrm{\Delta P}}^{\left(2\right)}}{{\mathrm{KP}}_{\mathrm{LOAD},t^{\left(2\right)}}}---\left(17\right)$式(17)中：低谷时段风电短时间尺度(15分钟内)的波动引起的供电缺额为ΔP⁽²⁾，表达式如下：${\mathrm{\Delta P}}^{\left(2\right)}={\lambda }^{\left(2\right)}{P}_{\mathrm{WIND}}^{\left(2\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-P_R^{\left(2\right)}---\left(18\right)$λ⁽²⁾为风电出力在低谷时段的最大波动比例；为电力系统低谷时段负荷；为低谷时段电力系统备用容量，表达式如下：$P_R^{\left(2\right)}=P_{\mathrm{GEN}}^{(\max -2)}-E·{\left[P_{\mathrm{GEN},t^{\left(2\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T---\left(19\right)$为电力系统低谷时段最大可出力，表达式如下：$P_{\mathrm{GEN}}^{(\max -2)}=P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-{\delta }_l{P}_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}+[E-D-M]·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\max }\right]}^T+M·{\left[P_{t^{\left(2\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T---\left(20\right)$为无风电并网时常规机组低谷时段出力向量；(IV)完全深调峰状态下电力系统高峰时段可消纳风电容量为表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{(\max -1)}=E·{\left[P_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T-P_{\mathrm{GEN}}^{(\min -1)}---\left(21\right)$式(21)中，为电力系统常规机组群高峰时段最低出力，表达式如下：$P_{\mathrm{GEN}}^{(\min -1)}=[E-D-M]·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\min }\right]}^T+M·{\left[P_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T---\left(22\right)$为常规机组最低出力向量；(V)完全深调峰状态下电力系统低谷时段可消纳风电容量为表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{(\max -2)}=E·{\left[P_{t^{\left(2\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T-P_{\mathrm{GEN}}^{(\min -2)}---\left(23\right)$式(23)中，为电力系统常规机组群低谷时段最低出力，表达式如下：$P_{\mathrm{GEN}}^{(\min -2)}=[E-D-M]·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\min }\right]}^T+M·{\left[P_{t^{\left(2\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T---\left(24\right)$为常规机组最低出力向量；(VI)电力系统高峰时段最大供电容量为表达式如下：$P_{\mathrm{SYS}}^{(\max -1)}=[E-D-M]·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\max }\right]}^T+M·{\left[P_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T+P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)---\left(25\right)$(VII)电力系统低谷时段最大供电容量为表达式如下：$P_{\mathrm{SYS}}^{(\max -2)}=[E-D-M]·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\max }\right]}^T+M·{\left[P_{t^{\left(2\right)}}^{\mathrm{typical}}\right]}^T+P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-{\delta }_l{P}_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}---\left(26\right)$1-6)基于电力系统运行状态变量与辨识变量的关联，确定电力系统运行状态变量的控制范围与辨识变量的可行区间，进而确立对可控域第三维度优化辨识的约束条件：(I)电力系统供电可靠性约束，表达式如下：$\mathrm{LOLE}(D_{h,l},{\eta }_h,P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)})-{\mathrm{LOLE}}_{\mathrm{BASE}}\le 0---\left(27\right)$该式(27)的含义为：风电并网时电力系统二阶停电小时数的数学期望不高于电力系统基准二阶停电小时数的数学期望LOLE_BASE；式(27)中，LOLE_BASE是电力系统基准二阶停电小时数的数学期望，表达式如下：${\mathrm{LOLE}}_{\mathrm{BASE}}=\underset{i}{\Sigma }\left\{\right[q_i·\underset{k\ne i}{\Pi }(1-q_k)]·t\left(P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i)}\right)\}+\underset{i}{\Sigma }\underset{j}{\Sigma }\left\{\right[q_i·q_j·\underset{h\ne i,j}{\Pi }(1-q_h)]·t\left(P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i,j)}\right)\}---\left(28\right)$式(28)中：为没有风电并网条件下，当仅有常规机组i故障时电力系统可供电容量，表达式如下：$P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i)}=\underset{u=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{GEN},u}^{\max }-P_{\mathrm{GEN},i}^{\max }---\left(29\right)$为没有风电并网条件下，当仅有常规机组i与j故障时电力系统可供电容量，表达式如下：$P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i,j)}=\underset{u=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{GEN},u}^{\max }-P_{\mathrm{GEN},i}^{\max }-P_{\mathrm{GEN},j}^{\max }---\left(30\right)$q_i为常规机组i的统计故障率；为电力系统负荷大于的累积小时数，表达式如下：$t\left(P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i)}\right)=\frac{1}{2}\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}[\mathrm{sign}(P_{\mathrm{LOAD},t}-P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i)})+1]---\left(31\right)$为电力系统负荷大于的累积小时数，表达式如下：$t\left(P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i,j)}\right)=\frac{1}{2}\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}[\mathrm{sign}(P_{\mathrm{LOAD},t}-P_{\mathrm{BASE}}^{(\mathrm{loss}-i,j)})+1]---\left(32\right)$(II)电力系统高峰时段调频约束，表达式如下：${\mathrm{\Delta f}}_{h,l}^{\left(1\right)}=\frac{f_0[{\lambda }^{\left(1\right)}{P}_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-P_R^{\left(1\right)}]}{{\mathrm{KP}}_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}\le {\mathrm{\Delta f}}_{\max }---\left(33\right)$式(32)中，Δf_max为电力系统所能接受的最大频率波动；为电力系统高峰时段短时间尺度风电波动引起的频率波动；(III)电力系统低谷时段调频约束，表达式如下：${\mathrm{\Delta f}}_{h,l}^{\left(2\right)}=\frac{f_0[{\lambda }^{\left(2\right)}(P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-{\delta }_l{P}_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}})-P_R^{\left(2\right)}]}{{\mathrm{KP}}_{\mathrm{LOAD},t^{\left(2\right)}}}\le {\mathrm{\Delta f}}_{\max }---\left(34\right)$式(34)中，Δf_max为电力系统所能接受的最大频率波动；为电力系统低谷时段短时间尺度风电波动引起的频率波动；(IV)电力系统高峰时段调峰约束，表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)\le P_{\mathrm{WIND}}^{(\max -1)}---\left(35\right)$其中，为完全深调峰状态下电力系统高峰时段可消纳风电容量；(V)电力系统低谷时段调峰约束，表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{\left(1\right)}({\eta }_h,{\delta }_l)-{\delta }_l{P}_{t^{\left(1\right)}}^{\mathrm{typical}}\le P_{\mathrm{WIND}}^{(\max -2)}---\left(36\right)$其中，为完全深调峰状态下电力系统低谷时段可消纳风电容量；(VI)电力系统高峰时段供电能力约束，表达式如下：$P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}\le P_{\mathrm{SYS}}^{(\max -1)}---\left(37\right)$其中，为电力系统高峰时段最大供电容量；(VII)电力系统低谷时段供电能力约束，表达式如下：$P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(2\right)}}\le P_{\mathrm{SYS}}^{(\max -2)}---\left(38\right)$其中，为电力系统低谷时段最大供电容量；(VIII)常规机组开停机约束，表达式如下：1-7)综合式(7)建立的优化辨识目标函数与式(27)～(39)建立的约束条件形成优化辨识模型，求解该模型，在设定的等效负荷率η_h与峰谷时段出力差δ_l条件下，得到电力系统消纳风电的可控域第三维度γ(η_h，δ_l)；1-8)循环重复步骤1-3)、1-4)、1-5)、1-6)、1-7)，基于设定的二维可控域Ω，完成对可控域第三维度的优化辨识，得到电力系统消纳风电的三维可控域Z，表达式如下：Z＝{(η_h，δ_l，γ_h，l)|(h，l)∈Ω}    (40)2)根据电力系统消纳风电的三维可控域，在日前判断预测所得风电是否可被电力系统全额消纳，具体包括：2-1)预测所得风电的基本特性，具体包括：(I)预测所得风电高峰时段出力表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{(0-1)}=P_{\mathrm{WIND},t^{\left(1\right)}}^{\left(0\right)}---\left(41\right)$(II)预测所得风电低谷时段出力表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{(0-2)}=P_{\mathrm{WIND},t^{\left(2\right)}}^{\left(0\right)}---\left(42\right)$(III)预测所得风电风电平均出力表达式如下：$P_{\mathrm{WIND}}^{(0-\mathrm{mean})}=\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{WIND},t}^{\left(0\right)}---\left(43\right)$其中，为预测所得风电各时段的出力；2-2)基于预测所得风电的基本特性，测算预测所得风电的三维指标：η⁽⁰⁾、δ⁽⁰⁾、γ⁽⁰⁾，具体包括：(I)风电等效负荷率η⁽⁰⁾，表达式如下：${\eta }^{\left(0\right)}=\frac{P_{\mathrm{WIND}}^{(0-\mathrm{mean})}}{P_{\mathrm{WIND}}^{(0-1)}}---\left(44\right)$(II)峰谷时段风电出力差δ⁽⁰⁾，表达式如下：${\delta }^{\left(0\right)}=\frac{P_{\mathrm{WIND}}^{(0-1)}-P_{\mathrm{WIND}}^{(0-2)}}{P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}---\left(45\right)$(III)高峰时段风电出力率γ⁽⁰⁾，表达式如下：${\gamma }^{\left(0\right)}=\frac{P_{\mathrm{WIND}}^{(0-1)}}{P_{\mathrm{LOAD},t^{\left(1\right)}}}---\left(46\right)$2-3)基于预测所得风电的三维指标与辨识所得的电力系统消纳风电三维可控域，判断预测所得风电是否可被电力系统全额消纳，具体包括：(I)在电力系统消纳风电的二维可控域Ω中优化定位预测所得风电，优化定位模型表达式如下：min(η⁽⁰⁾-η_h)²+(δ⁽⁰⁾-δ_l)²                                   (47)s.t.(η_h，δ_l)∈Ω求解该优化定位模型(47)得到(II)在电力系统消纳风电的三维可控域Z中映射定位，表达式如下：$z^{*}=({\eta }_{h^{*}},{\delta }_{l^{*}},{\gamma }_{h^{*},l^{*}})---\left(48\right)$(III)根据在电力系统消纳风电的三维可控域Z中映射定位的结果，判断电力系统是否可全额消纳预测所得风电，判据表达式如下：若电力系统可消纳预测所得风电出力，则标的r₀＝1；反之，则r₀＝0；3)根据预测所得风电是否可被电力系统全额消纳的判断结果，在日前确定电力系统消纳预测所得风电的最优控制策略，具体包括：3-1)确定对预测所得风电各时段弃风控制的优化模型，表达式如下：$\min \underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{WIND},t}^{\left(0\right)}$$s.t.r\left({\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{WIND},t}^{\left(0\right)}\right)=1---\left(50\right)$$0\le {\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{WIND},t}^{\left(0\right)}\le P_{\mathrm{WIND},t}^{\left(0\right)}$优化模型(50)中，为各时段关闭的风电出力；按步骤2)所述方法得到为关闭后电力系统对剩余风电是否可全额消纳的标的量；3-2)确定电力系统常规机组的关停控制，具体包括：(I)确立控制变量，具体包括：N台常规机组开机状态向量D₀；其中，D₀＝{d_0，i|i＝1…N}，若d_0，i＝0，常规机组i开机；若d_0，i＝1，则常规机组i关闭；(II)构建常规机组最优控制的目标函数，以使所关闭机组的总容量最大，表达式如下：$\max D_0·{\left[P_{\mathrm{GEN}}^{\max }\right]}^T---\left(51\right)$(III)综合目标函数(51)与式(27)～(39)建立的约束条件形成常规机组最优控制优化模型，求解该优化模型，得到常规机组的控制量D₀；4)根据日前所确定的最优控制策略，在次日控制风电机组与常规机组，具体包括：4-1)控制风电场出力，具体包括：在次日的实际运行中，在时段t，电力系统调度中心向风电场下达调度指令，关闭的有效出力；4-2)控制常规机组出力，具体包括：在次日的实际运行中，电力系统调度中心向常规机组电厂下达调度指令：若d_0，i＝1，则向常规机组下达关闭指令；若d_0，i＝0，则向常规机组下达开机指令。