本發(fā)明涉及電力技術領域，特別涉及一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)。

背景技術：

我國新能源發(fā)電發(fā)展迅速，但在新能源發(fā)電裝機爆發(fā)性增長的同時，新能源滲透能力與系統(tǒng)運行方式之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題卻沒有得到解決。受低谷調(diào)峰、斷面送出能力、系統(tǒng)潮流、電壓、電能質(zhì)量等諸多因素的困擾，為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，新能源發(fā)電受限現(xiàn)象嚴重。大規(guī)模隨機性新能源中期運行優(yōu)化是從中長期的尺度，研究在給定的裝機容量，并滿足系統(tǒng)的平衡約束和常規(guī)機組的相關約束條件下，最大化新能源的接納能力。研究大規(guī)模隨機性新能源中期運行優(yōu)化及其并行化技術，能夠填補目前在新能源發(fā)電中期優(yōu)化運行計算以及新能源規(guī)劃布局方面的支撐技術空白。在以火電占電源結構較大比重，冬季供熱需求巨大，新能源電站建設周期與配套線路建設周期不匹配的大背景下，從更長的時間尺度上去協(xié)調(diào)優(yōu)化運行新能源發(fā)電是非常有必要的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前由于傳統(tǒng)機組組合建模火電機組啟停機過于頻繁的問題導致新能源發(fā)電受限現(xiàn)象嚴重的情況，設計了一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)，通過求解該系統(tǒng)的數(shù)學模型，提高了模型運算效率，可以獲得新能源的最大輸出功率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)。

所述系統(tǒng)的數(shù)學模型包括：

tp(t，j)＝tpmin(t,j)·x(t,j)+p(t,j)及

其中，newenergy(t)＝windpower(t)+pvpower(t)，newenergy(t)為t時間段內(nèi)一個地區(qū)新能源的總輸出功率，windpower(t)為t時間段內(nèi)一個地區(qū)風電的總輸出功率，pvpower(t)為t時間段內(nèi)一個地區(qū)光電的總輸出功率；tp(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)輸出的總功率，t以小時為單位；tpmin(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的最小輸出功率，其值是固定的；p(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的有效輸出功率；x(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的運行狀態(tài)，為二進制變量，當其值為0時表示所述常規(guī)機組已停機，當其值為1則表示所述常規(guī)機組正在運行；y(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的啟動狀態(tài)，為二進制變量，當其值為0時表示所述常規(guī)機組不在啟動狀態(tài)，當其值為1時表示所述常規(guī)機組正在啟動；z(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的停機狀態(tài)，為二進制變量，當其值為0時表示所述常規(guī)機組不在停機狀態(tài)，當其值為1時表示所述常規(guī)機組正在停機。

進一步地，所述常規(guī)機組的爬坡功率及平均功率的約束表達式為：

其中，tpmax(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組的最大輸出功率，其值是固定的；upramp(j)、downramp(j)分別為第j臺所述常規(guī)機組的上爬坡率及下爬坡率。

進一步地，所述常規(guī)機組的最小啟機時間及最小停機時間的約束表達式為：

其中，k由所述機組最小啟機或停機時間的大小決定；y(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的啟動狀態(tài)，當其值為0時表示所述常規(guī)機組不在啟動狀態(tài)，當其值為1時表示所述常規(guī)機組正在啟動；z(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的停機狀態(tài)，當其值為0時表示所述常規(guī)機組不在停機狀態(tài)，當其值為1時表示所述常規(guī)機組正在停機。

進一步地，所述常規(guī)機組啟停狀態(tài)及運行狀態(tài)的約束表達式為：

進一步地，所述常規(guī)機組包括凝氣式火電機組、背壓式火電機組、抽氣式火電機組及水庫式水電機組。

進一步地，所述水庫式水電機組在一定周期內(nèi)總的發(fā)電量的約束表達式為：

其中，electricitymax、electricitymin分別為一定周期內(nèi)水電機組發(fā)電量上限及下限，k由水電機組發(fā)電周期的大小決定。

進一步地，所述背壓式火電機組在一定周期內(nèi)總的發(fā)電量的計算公式為：

tpby(t,j)＝cb(j)·h(t,j)

其中，cb(j)為電熱比系數(shù)，h(t,j)為第j臺機組t時間段內(nèi)發(fā)出的熱量。

進一步地，整個所述機組的發(fā)電量的約束表達式為：

其中，preserve為正旋轉(zhuǎn)備用；tload(t)為整個機組的負荷；cnewenergy(t)為新能源t時間段內(nèi)發(fā)電的可信容量，其最小值為0.2×新能源機組t時間段內(nèi)的理論輸出功率。

本發(fā)明實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)，有效地解決了傳統(tǒng)機組組合建模火電機組啟停機過于頻繁的問題。此外，啟停機過程約束還可以應用到基于機組組合建模的其他電力系統(tǒng)模型，使得建模更加貼近實際情況。本發(fā)明為實際生產(chǎn)提供了更好的指導，解決了目前由于傳統(tǒng)機組組合建?；痣姍C組啟停機過于頻繁的問題導致新能源發(fā)電受限現(xiàn)象嚴重的情況，通過求解該系統(tǒng)的數(shù)學模型，可以最大化新能源的接納能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的火電機組啟機曲線示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的火電機組停機曲線示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的有無啟停機過程約束新能源平均消納功率對比示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的有無啟停機過程約束火電機組出力時序變化對比示意圖；

圖5為本發(fā)明一實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的有無啟停機過程約束火電機組各時間斷面平均出力對比示意圖；

圖6為本發(fā)明一實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型結構組成示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明具體實施例作進一步的詳細描述。

新能源接納能力優(yōu)化評估系統(tǒng)通過優(yōu)化常規(guī)機組組合方式以及出力計劃，獲得風電最大接納能力計算結果。

如圖6所示，該系統(tǒng)包括以下各個部分：

(1)變量說明

newenergy：總的新能源出力；

windpower：風電出力；

pvpower：光伏出力；

tp：機組輸出總功率；

p：機組參與優(yōu)化功率；

l：區(qū)域間線路傳輸功率；

x：機組運行狀態(tài)，0—機組已停機，1—機組運行；

y：機組啟動狀態(tài)，0—不在啟動狀態(tài)，1—正在啟動；

z：機組停機狀態(tài)，0—不在停機狀態(tài)，1—正在停機；

t：時間；

j：機組編號。

(2)目標函數(shù)

為使新能源接納能力最大，即某個區(qū)域所有時段新能源功率總和最大。目標函數(shù)的表達式：

newenergy(t)＝windpower(t)+pvpower(t)，newenergy(t)為t時間段內(nèi)一個地區(qū)新能源的總輸出功率，windpower(t)為t時間段內(nèi)一個地區(qū)風電的總輸出功率，pvpower(t)為t時間段內(nèi)一個地區(qū)光電的總輸出功率。

(3)約束函數(shù)

(3-1)常規(guī)機組優(yōu)化功率及總出力的約束表達式

tp(t，j)＝tpmin(t,j)·x(t,j)+p(t,j)及

tp(t，j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)輸出的總功率，t以小時為單位；tpmin(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的最小輸出功率，其值是固定的；p(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的有效輸出功率；x(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的運行狀態(tài)，為二進制變量，當其值為0時表示所述常規(guī)機組已停機，當其值為1則表示所述常規(guī)機組正在運行；y(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的啟動狀態(tài)，為二進制變量，當其值為0時表示所述常規(guī)機組不在啟動狀態(tài)，當其值為1時表示所述常規(guī)機組正在啟動；

z(t,j)為第j臺所述常規(guī)機組t時段內(nèi)的停機狀態(tài)，為二進制變量，當其值為0時表示所述常規(guī)機組不在停機狀態(tài)，當其值為1時表示所述常規(guī)機組正在停機。

(3-2)常規(guī)機組的爬坡功率及平均功率的約束表達式

k由所述機組最小啟機或停機時間的大小決定。

(3-3)常規(guī)機組的最小啟機時間及最小停機時間的約束表達式

k由所述機組最小啟機或停機時間的大小決定。

(3-4)常規(guī)機組啟停狀態(tài)及運行狀態(tài)的約束表達式

(3-5)水庫式水電機組在一定周期內(nèi)總的發(fā)電量的約束表達式

electricitymax、electricitymin分別為一定周期內(nèi)水電機組發(fā)電量上限及下限，k由水電機組發(fā)電周期的大小決定。

(3-6)整個所述機組的發(fā)電量的約束表達式

preserve為正旋轉(zhuǎn)備用；tload(t)為整個機組的負荷；cnewenergy(t)為新能源t時間段內(nèi)發(fā)電的可信容量，其最小值為0.2×新能源機組t時間段內(nèi)的理論輸出功率。

其中，式(1)是由式(3)和式(4)簡化得到的，簡化原理如下：

(1)如果x(t,j)＝1,x(t-1,j)＝1，則由式(4)中第1式知，y(t,j)＝z(t,j)＝1或者y(t,j)＝z(t,j)＝0。又由式(4)中第3式知，y(t,j)＝z(t,j)＝0。

(2)如果x(t,j)＝0,x(t-1,j)＝0，則由式(4)中第1式知，y(t,j)＝z(t,j)＝1或者y(t,j)＝z(t,j)＝0。又由式(4)中第3式，y(t,j)＝z(t,j)＝0。

(3)如果x(t,j)＝1,x(t-1,j)＝0，則由式(4)中第1式知，y(t,j)＝1，z(t,j)＝0。

(4)如果x(t,j)＝0,x(t-1,j)＝1，則由式(4)中第1式知,y(t,j)＝1，z(t,j)＝1。

其中，火電機組出力如式(7)所示：

式中：為第j個機組t時刻出力；分別為第j個機組最小、最大功率；為二進制變量：表示機組j已停機；表示機組j正在運行。由式(7)可知，如果機組正在運行，則否則，

本發(fā)明一優(yōu)選實施例提供的新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)的工作流程如下：

s1：在cplex/gams運行環(huán)境中，分別輸入某一地區(qū)常規(guī)機組的臺數(shù)、常規(guī)能源機組的理論輸出功率、常規(guī)能源機組的爬坡功率、新能源機組的臺數(shù)、新能源機組的理論輸出功率及某一時間段內(nèi)的用戶實際用電量；

s2：通過優(yōu)化仿真系統(tǒng)中的數(shù)學模型，分別得到常規(guī)能源機組的實際發(fā)電量及新能源機組的實際發(fā)電量，從而分別得出常規(guī)機組及新能源機組發(fā)電量的實際利用率；

s3：運維人員通過經(jīng)數(shù)學模型運算得出的數(shù)據(jù)進行分析后對機組進行相應地調(diào)節(jié)，直至用戶能夠最大化利用新能源。

但是，由于火電機組運行的特性，火電機組鍋爐啟動時，需要按照啟動曲線控制升溫升壓速度，檢查各處膨脹值情況并記錄膨脹，機組才可以及時投入。因此，火電機組需要滿足一定的啟機曲線，其啟機曲線示意圖如圖1所示。

由圖1可知：在t＝1t時下達啟機指令；t在1t至10t間，為鍋爐預熱過程，這段時間機組出力為0；t＝11t時機組才開始發(fā)出有功功率，并且鍋爐按照特定的速度升溫升壓，出力逐步增加，t＝13t時機組出力達到最小出力；接下來機組出力在與之間正常調(diào)節(jié)。

同理，鍋爐停機時，火電機組也需要滿足一定的下坡過程約束，其停機曲線如圖2所示。

由圖2可知，在t＝1t時下達停機指令后，機組出力降至在t＝2t及3t時機組減溫、減壓，出力按常數(shù)逐步減少；在t＝4t時出力降至0。

數(shù)學上，圖1和圖2蘊含如果某時刻有啟停機動作，則接下來一段時間機組出力為固定常數(shù)，此即如果-則語句。

在實際運行中，啟機和停機不可能同時進行，假設

如果服從如下的啟停機條件：

則啟停機曲線等價為：

事實上，可分四種情況：

情形一，如果代入式(10)可得此即機組出力不受啟停機曲線控制的一般情形。

情形二，假設存在k＝1,...,s0使得則代入式(10)可知，

情形三，假設存在k＝s0+1,...,s0+s1使得則代入式(10)可知，

情形四，否則，假設存在k＝1,...,s2使得則代入式(10)可知，

綜上，式(10)-(11)是式(9)啟停機曲線的線性表征。這就將復雜的啟停機過程，用兩個約束表示出來。

結合上述模型，本發(fā)明對我國西北a省電網(wǎng)進行了研究。根據(jù)該省電網(wǎng)備用容量留取原則，我們設定上旋備用sp＝882mw，下旋備用sn＝921mw，其他參數(shù)設置如下：

s0＝5，s1＝5，s2＝3，o1＝24，o2＝24(12)

考慮機組啟停機過程時，案例仿真計算時間為108秒，不考慮啟停機過程時，案例仿真計算時間為78秒。計算速度影響不是很大。

對案例計算精度進一步分析，對比結果如圖3所示。由圖3可知，有無啟停機過程約束時風電在8周風電的平均消納功率可知：火電機組建?？紤]啟停機過程約束時，電網(wǎng)中風電消納能力基本不變。詳細數(shù)據(jù)如表1所示。有啟停機過程約束的情形，全省總棄風率為22.07％，該值較之無啟停機過程情形增加0.1％；風電消納總量為994,995mwh，比無啟停機過程情形減少1,296mwh。全省總棄光率為14.17％，該值與無啟停機過程情形增加0.08％；光伏消納總量54,494mwh，比無啟停機過程情形減少49.9mwh。

提取網(wǎng)內(nèi)任意一臺火電機組，對其時序出力曲線進行詳細分析，如圖4所示?？紤]機組啟停機過程時，火電機組出力變化平緩，啟機時出力以分段線性曲線逐步增加，停機時以分段線性函數(shù)逐步減小，其運行曲線更加貼近實際火電機組運行情況；而不考慮啟停機過程時，機組啟停機時出力波動性較大，啟停機次數(shù)整體變多，不符合各火電機組實際運行情況。

對比圖5，火電機組各時間段面平均功率大小，知有啟停機過程約束時，火電機組出力變化不大。表1給出了機組詳細的運行數(shù)據(jù)：有啟停機過程約束時，火電機組的總出力為9,569,105mwh，較之無啟停機過程約束情形減小77324mwh；針對案例共仿真8周(1344小時)，火電機組的利用小時數(shù)為732.1h，比無啟停機過程約束情形減少6h；此外，機組總啟機257次，該值比無啟停機過程約束情形減小了27次，這說明加入了啟停機過程約束之后，火電機組不會輕易改變啟停狀態(tài)，更符合實際電網(wǎng)運行情況。

表1

進一步地，我們在基于時序仿真的新能源生產(chǎn)模擬模型中，將該約束條件考慮在內(nèi)，對我國西北a省級電網(wǎng)進行仿真。仿真結果表明：

(1)雖然加入啟停機過程約束后，火電機組啟停機相對不靈活，但是系統(tǒng)有較強的調(diào)峰能力，導致系統(tǒng)棄風率、棄光率和常規(guī)機組的利用小時數(shù)并未受很大的影響。

(2)加入啟停機過程約束后，火電機組的啟停機過程中機組出力變化更加緩慢，從而導致火電機組調(diào)峰能力進一步下降，啟停機次數(shù)減少。解決了傳統(tǒng)模型中啟停機過于頻繁的問題，使其更加符合實際電力系統(tǒng)運行情況。

針對機組啟停機約束條件，以某省常規(guī)機組信息為例說明：

其中，有背壓機組1類、抽氣機組7類、凝氣機組7類。按照逐周滾動模型，每周共有小時數(shù)：7*24＝168。改動前模型啟停機時間及狀態(tài)約束有7類，模型簡化變形后該約束有2類，減少了5類。改動前逐周模型啟停機時間及狀態(tài)約束變量有：168*(1+7+7)*7＝17640條，改動后逐周模型啟停機時間及狀態(tài)約束變量有：168*(1+7+7)*2＝5040條，減少了12600條啟停機約束，模型運算效率提高。

廣義地說，模型是真實系統(tǒng)的代表，是對實際問題的抽象概括和嚴格的邏輯表達，如飛機模型、原子模型、遺傳基因模型、地球儀、地圖、人體解剖圖、肖像等.模型不僅有數(shù)學模型，也有心理學模型、生理學模型、社會行為模型.通常情形下，運籌學方法主要是建立表示問題實質(zhì)的數(shù)學模型，它們采用數(shù)學符號和數(shù)學表達式來表述問題,需要依次確定決策變量、目標函數(shù)及約束函數(shù)。

模型的參數(shù),即目標函數(shù)和約束函數(shù)中的系數(shù)及其右端項。這是建立模型極具挑戰(zhàn)性的一步，在確定這些參數(shù)的同時，還要考慮可能的變化，以及目標值和解隨之產(chǎn)生的變化。這一過程常被稱為靈敏度分析。

模型的正確建立是運籌學研究中的關鍵一步。對模型的研制是一項藝術，它是將實際經(jīng)驗、科學方法二者有機結合的創(chuàng)造性工作。數(shù)學模型以更為準確的方式描述了問題.這使得問題的整體結構更為全面，并且?guī)椭沂局匾囊蚬P系。這樣，模型更清楚地表明了什么樣的數(shù)據(jù)和分析相關，促進了以整體方式處理問題，以及同時考慮所有的相互依賴關系。最后，數(shù)學模型架起了高性能數(shù)學技術和用于分析問題的計算機之間的橋梁。目前，可用于個人計算機和大型計算機的軟件包已經(jīng)被廣泛地用于求解很多數(shù)學模型。建立模型時既要盡可能包含系統(tǒng)的各種信息資料，又要抓住本質(zhì)的因素。因為模型畢竟是對問題的理想化抽象，所以建模時進行近似或簡化假設是必要的，去除一些不重要的因素不會影響問題的結果。

建模過程中，一種好的做法是從簡單的形式開始，然后逐步豐富使其接近實際問題.一般建模時應盡可能選擇建立數(shù)學模型，但有時問題中的各種關系難于用數(shù)學語言描繪，或問題中包含的隨機因素較多時，也可以建立起一個模擬的模型，即將問題的因素、目標及運行時的關系用邏輯框圖的形式表示出來。

一般建模時，未對火電機組啟機爬坡過程和停機下坡過程做精確考慮，僅采用一個二進制變量來表征機組的啟機和停機過程，此模型與火電機組實際運行時的啟停機過程相差較大，所得火電機組的運行結果與實際電力系統(tǒng)偏差較大，影響計算結果的可信性。針對上述問題，首先根據(jù)實際火電機組出力狀態(tài)，分析得出火電機組啟機和停機時分別滿足爬坡過程和下坡過程。本發(fā)明中，我們假設其爬坡曲線和下坡曲線為分段線性函數(shù)。并利用如果-則語句的線性表征原理，分析得出啟停機曲線可以用兩個線性函數(shù)表征。進一步地，在基于時序仿真的新能源生產(chǎn)模擬模型中，考慮該約束條件。最后以此模型為基礎，對我國西北a省級電網(wǎng)進行仿真分析。仿真結果表明，加入啟停機過程后，火電機組的啟停機的次數(shù)減小，解決了傳統(tǒng)建模啟停機過于頻繁的問題。系統(tǒng)的棄風率，棄光率和火電機組的利用小時數(shù)并沒有發(fā)生太大的變化。其結果對基于機組組合建模的火電和風電出力計劃有指導意義。

本發(fā)明實施例提供的一種新能源接納能力優(yōu)化仿真系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)機組組合建模火電機組啟停機過于頻繁的問題。此外，啟停機過程約束還可以應用到基于機組組合建模的其他電力系統(tǒng)模型，使得建模更加貼近實際情況。本發(fā)明為實際生產(chǎn)提供了更好的指導，解決了目前由于傳統(tǒng)機組組合建?；痣姍C組啟停機過于頻繁的問題導致新能源發(fā)電受限現(xiàn)象嚴重的情況，通過求解該模型，提高了模型運算效率，實現(xiàn)了最大化新能源的接納能力的目的。

結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(ram)、內(nèi)存、只讀存儲器(rom)、電可編程rom、電可擦除可編程rom、寄存器、硬盤、可移動磁盤、cd-rom、或技術領域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。