基于需求侧管理和多能互补的清洁能源系统调峰调频方法

摘要

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种基于需求侧管理和多能互补的清洁能源系统调峰调频方法；本发明基于机会约束法描述风、光出力和负荷预测的不确定性，将含有不确定因素的约束条件转化为确定性等价类；根据价格弹性系数建立负荷需求响应模型来实现第一次调峰；通过储能进行第二次调峰；确定水电机组一次调频安全约束指标，预留调频备用，利用水电机组一次调频能力建立调频约束指标，精确化一次调频备用容量；基于需求侧管理和多能互补，运用上述调峰方法以及调频方法，以净负荷波动最小和弃能最小为目标安排各能源出力；本发明通过需求侧管理激励用户，降低了负荷峰谷差以及从电源侧调峰的难度，也避免了在调峰调频时影响消费者的正常生活。

说明书

技术领域

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种基于需求侧管理和多能互补的清洁能源系统调峰调频方法。

背景技术

西藏地区清洁能源丰富，在以新能源为主要电源的新型电力系统逐步代替以化石能源为主要电源的传统电力系统的前景下，西藏地区具有巨大的发展潜力。整个西藏地区将规划建设三座新型能源基地，其目的是打造清洁“零碳”电力系统，其面临的最大难点是如何确保电网安全可靠的供电。西藏地区的水电资源和太阳能资源均位于全国首位，形成了以水电和光伏为主的单一电源结构，造成西藏电力供应“丰盈枯缺”的矛盾突出，电网运行时调峰调频困难加重。由于新能源出力难以预测，使得电网运行面临很多突发问题，并且为了维持电力供需平衡，西藏电网需要在丰水期外送水电，在枯水期接收区外来电，而新能源出力的随机性和大量的区外来电进一步加大了电力系统调峰调频的困难。

为了增加西藏电网的调峰能力，目前的主流趋势是在全网推进增设储能装置，利用多能互补进行调峰；对于大规模间歇性能源并网和区外来电带来的频率稳定性问题，西藏电网目前的主要调节手段是切除负荷，该种方式严重影响了消费者的正常生活。

发明内容

本发明公开了一种基于需求侧管理和多能互补的清洁能源系统调峰调频方法，拟解决背景技术中提到的目前采用切除负荷的调节手段而严重影响消费者正常生活的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于需求侧管理和多能互补的清洁能源系统调峰调频方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于机会约束法描述风、光出力和负荷预测的不确定性，将含有不确定因素的约束条件转化为确定性等价类；

步骤2：根据价格弹性系数建立负荷需求响应模型，基于负荷需求响应模型实现第一次调峰；负荷需求响应模型通过合理的电价刺激消费者调整用电方式，优化负荷曲线，达到第一次调峰的目的；通过该处理方式能够极大程度的降低调峰对消费者正常生活的影响；

步骤3：通过储能装置进行第二次调峰，储能装置在负荷低谷期充电，在负荷高峰期放电；进一步削峰填谷，同时提高间歇性新能源消纳水平；所述储能装置包括电化学储能装置和抽水储能装置；

步骤4：确定水电机组一次调频安全约束指标，改变预留预定比例的调频备用的方式，利用水电机组一次调频能力建立调频约束指标，精确化一次调频备用容量，进而提高电力系统频率的稳定性；

步骤5：基于需求侧管理和多能互补，运用步骤2和步骤3的调峰方法，以及步骤4所述的调频方法，以系统净负荷波动最小和系统弃能最小为目标安排各能源出力。

本发明采用机会约束描述了新能源出力和负荷预测的随机性，并将其转化为确定性约束，降低了求解困难；并且本发明通过需求侧管理激励用户，在一定程度上降低了负荷峰谷差，降低了从电源侧调峰的难度；并且也避免了在调峰调频时影响消费者的正常生活。

优选的，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于机会约束规划理论，风、光出力和负荷预测的不确定性使电网运行产生机会约束条件，即，为了应对风、光出力和负荷预测的不确定性，电源侧将预留满足如下约束的备用容量：

式中：Pr{˙}表示括号内公式成立的概率；N

步骤1.2：基于步骤1.1的机会约束条件确定机会约束的确定性等价约束，即，将步骤1.1 的机会约束条件转化为P

基于上述，推导出机会约束条件的确定性等价约束为：

优选的，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：根据消费者心理学和经济学原理，采用分时电价策略时，消费者为获得经济效益，会根据电价的变化来调整各个时间段的用电量，在高峰期适当减少用电，在低谷期适当增加用电，因此基于消费者用电量随电价的变化而不同来确定价格弹性系数：

γ＝(Δq·ρ)/(q·Δρ)；

式中：γ为价格弹性系数；Δρ是电价

步骤2.2：基于价格弹性系数得到T时段的负荷需求响应模型：

式中：γ

步骤2.3：在一个调度周期内，为了在不影响用户正常生产生活的情况下利用需求侧管理进行调峰，需要满足负荷弹性约束、负荷上下限约束以及用户满意度约束，具体如下：

式中：α为负荷中弹性负荷的比例；P

优选的，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：建立化学储能装置充放电模型：

式中：E

步骤3.2：引入表示储能剩余电量与额定容量比值的荷电状态，并基于SOC建立储能的出力模型：

式中：S

步骤3.3：建立电化学储能的荷电状态上下限约束、储能单次充放电约束以及工作状态转换约束，具体如下：

式中：S

步骤3.4：建立抽水蓄能机组运行时的功率上下限约束、库容约束以及工作状态转换约束，具体如下：

式中：P

步骤3.5：建立抽水蓄能机组的电力电量平衡约束，具体如下：

式中：η

将上述电力电量平衡约束转化为下式：

式中：χ表示抽水/发电转换效率留取的裕度。

优选的，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：利用允许频率偏移量和水轮机调差系数评估水电机组向上一次调频的能力：

式中：P

步骤4.2：采用步骤4.1中的方式评估水电机组向下一次调频的能力：

式中：P

步骤4.3：建立一次调频容量约束：

式中：N

优选的，所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：以系统净负荷波动最小和系统弃能最小为目标建立目标函数：

式中：P

所述系统净负荷P

式中：P

步骤5.2：建立多能互补系统功率平衡约束：

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明采用机会约束描述了新能源出力和负荷预测的随机性，并将其转化为确定性约束，降低了求解困难；并且本发明通过需求侧管理激励用户，在一定程度上降低了负荷峰谷差，降低了从电源侧调峰的难度；并且也避免了在调峰调频时影响消费者的正常生活。

2.本发明充分利用了新型电力系统风光水火储多能互补的特点，增强了电网调峰能力，同时减少了弃光率和弃风率。

3.本发明额外考虑水电机组的一次调频能力，加入了系统暂态频率约束，从而精准预留了水电机组一次调频备用容量，在增强系统的调频能力的同时也增加了风、光消纳功率，从而提高了系统运行的安全性和可靠性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的建模流程图；

图2为本发明的需求响应前后负荷曲线对比图；

图3为不使用本发明所述调峰调频方法时各能源出力示意图；

图4为使用本发明所述调峰调频方法后各能源出力示意图；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本发明的实施例作详细描述；

参见图1所示，本发明的基于需求侧管理和多能互补的清洁能源系统调峰调频方法，包括以下步骤：

步骤1：采用机会约束法描述风、光出力和负荷预测的不确定性，得到应对所述不确定性的备用容量约束：

式中：P

将其转换为确定性等价约束：

式中：ω

式中：P

表1各时段负荷、风机出力及光伏出力预测值

步骤2：根据消费者心理学和经济学原理，采用分时电价策略时，消费者为获得经济效益，会根据电价的变化来调整各个时间段的用电量，在高峰期适当减少用电，在低谷期适当增加用电，因此基于消费者用电量随电价的变化而不同来确定价格弹性系数：

γ＝(Δq·ρ)/(q·Δρ)；

式中：γ为价格弹性系数；Δρ是电价

根据价格弹性系数γ，建立T时段的负荷需求响应模型：

式中：本发明采用实例中T取24；γ

为了不影响用户正常生产生活，还需要满足负荷弹性约束、负荷上下限约束以及用户满意度约束：

式中：α为负荷中弹性负荷的比例，取5％；P

需求响应前后负荷曲线如图2所示，可以看出：通过对需求侧进行管理后，曲线两个低谷时段负荷明显增加了，早高峰时期负荷变化不明显，但晚高峰时期负荷明显降低，负荷峰谷差也明显降低，说明负荷晚高峰的弹性负荷通过需求响应转移到了负荷低谷期，需求响应“削峰填谷”的作用十分显著。

步骤3：根据化学储能装置前一刻剩余电量及其本身属性，建立储能充放电模型：

其中，E

引入荷电状态(State of Charge，SOC)描述储能的出力模型：

其中，S

电化学储能还需要满足荷电状态上下限约束、储能单次充放电约束以及工作状态转换约束：

式中：S

抽水蓄能机组运行时还需满足功率上下限约束、库容约束以及工作状态转换约束：

式中：P

抽水蓄能机组在一个调节周期内需满足电力电量平衡约束，以保证水库水位基本不变：

式中：抽水/发电转换效率η

抽水/发电转换效率留取一定裕度χ＝10％，上式转化为：

步骤4：利用允许频率偏移量和水轮机调差系数评估水电机组向上一次调频的能力，有：

式中：P

用同样的方法评估水电机组向下一次调频的能力，有：

式中：P

为保证系统频率稳定，要求系统一次调频响应量必须大于系统一次调频需求量，故建立一次调频容量约束：

式中：N

步骤5：基于需求侧管理和多能互补，运用上述调峰调频方法，以系统净负荷波动最小和系统弃能最小为目标合理安排各能源出力。

所述目标函数如下：

式中：P

所述系统净负荷P

式中：P

所述多能互补系统应满足功率平衡约束：

本发明采用实例中，风机、光伏、水电机组、火电机组、化学储能以及抽水蓄能机组的装机容量分别为200MW、1015MW、1508MW、500MW、300MW及112.5MW，使用本发明所述模型前后，各能源出力示意图分别如图3和图4所示，其他结果对比如表2所示；

表2

由图3可知，在不采取本发明提出的调峰调频模型时，为了保证系统频率稳定性，水电机组需要按一定百分比预留调频备用，因此在风光出力最大时段，需要采取弃风、弃光措施。

对比图3和图4可知，将水电出力限制转化为频率约束后，不仅保证了系统频率稳定性，也使水电需要预留的下调备用大大减少了，再加入需求响应模型和储能进行调峰后，风光出力基本可以被全部消纳，系统净负荷波动也有所减小。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。