一种严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化方法与流程

本发明属于储能，涉及一种严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化方法。

背景技术：

1、随着能源结构的转型，风力发电、光伏发电等新能源装机容量在严寒地区快速增长。然而，受冬季极寒、风雪等恶劣气象条件影响，新能源出力往往呈现大幅波动甚至脱网风险，导致区域电网的供需平衡面临严峻挑战。在此背景下，火电机组作为保障电力系统稳定运行的基石，仍需承担主要的调峰与供热任务。同时，储能系统因其快速响应与双向调节能力，被广泛引入以提升系统的灵活性与新能源消纳水平。

2、然而，现有的火电机组与储能系统协同运行优化方法多针对常规气候条件设计，难以直接适用于严寒地区特有的复杂运行环境。首先，严寒地区的环境温度极低且波动剧烈，这不仅导致热负荷需求与电负荷需求呈现强耦合特性，还对火电机组的设备安全构成威胁——若机组长时间运行在过低负荷下，锅炉水循环停滞、管道冻裂等风险显著增加，传统的最小出力约束已无法满足防冻需求。其次，储能系统在低温环境下的性能衰减严重，为维持其正常运行温度所需的额外保温能耗大幅增加了系统的运行成本与调度复杂性。

3、此外，现有调度方法通常基于日前预测制定计划，但在严寒地区，气象条件与负荷需求的快速、非规律性变化使得预测误差显著增大，导致日前计划与实际工况偏差较大，系统响应滞后，不仅影响了供热可靠性，也加剧了火电机组的燃料消耗与设备损耗。

技术实现思路

1、以解决现有技术中的问题，本发明提供了一种严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化方法，实现了火电机组与储能系统在热电耦合复杂工况下的安全与经济协同运行，显著提升了系统对严寒地区气象与负荷快速波动的响应能力，有效保障了供热可靠性与整体运行效率。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供了一种严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化方法，包括以下步骤：

4、获取历史气象数据、历史负荷数据以及火电机组的运行状态数据，基于所述历史气象数据确定环境温度变化曲线，并基于所述历史负荷数据确定电负荷需求曲线和热负荷需求曲线；

5、根据所述环境温度变化曲线、电负荷需求曲线、热负荷需求曲线以及所述运行状态数据，以火电机组总运行成本最低为目标，确定火电机组与储能系统的运行关系，形成火电机组出力计划和储能系统充放能计划；

6、对所述出力计划和充放能计划进行优化求解，得到火电机组出力计划曲线和储能系统充放能计划曲线；

7、获取当前时刻的实际环境温度、实际电负荷和实际热负荷；基于所述实际环境温度、实际电负荷和实际热负荷，根据所述出力计划曲线和充放能计划曲线，生成当前时刻的实际调度指令。

8、优选的，所述历史气象数据包括历史环境温度、历史风速、历史日照辐射量；

9、基于所述历史气象数据确定环境温度变化曲线，包括：

10、将所述历史环境温度数据按时间序列进行拟合，生成基础环境温度曲线；根据所述历史风速和历史日照辐射量对所述基础环境温度曲线进行修正，得到所述环境温度变化曲线。

11、优选的，所述以火电机组总运行成本最低为目标，确定火电机组与储能系统的运行关系，形成火电机组出力计划和储能系统充放能计划，包括：

12、建立以火电机组燃料成本、启停成本以及储能系统的充放电损耗成本之和最小为目标的目标函数；

13、设定火电机组出力约束、储能系统充放电功率约束以及严寒环境下的设备运行约束；

14、在所述目标函数和约束条件下，求解火电机组与储能系统的最优出力分配，形成所述火电机组出力计划和储能系统充放能计划；

15、其中，所述目标函数的表达式为：

16、

17、式中，为系统总运行最小成本；为总时段数；为火电机组台数；为第台火电机组在时段的燃料成本；为第台火电机组在时段的启停成本；为第台火电机组在时段的运维成本；为储能系统在时段的充放电损耗成本；

18、所述火电机组出力约束的表达式为：

19、

20、式中，为第台火电机组在时段的出力；为第台火电机组的最小出力；为第台火电机组的最大出力；为第台火电机组的启停状态；

21、所述储能系统充放电功率约束的表达式为：

22、

23、

24、式中，为储能系统在时段的充电功率；为储能系统的最大充电功率；为储能系统在时段的放电功率；为储能系统的最大放电功率；为充电状态指示变量。

25、优选的，所述严寒环境下的设备运行约束包括火电机组的防冻最小出力约束以及储能系统的保温能耗约束；

26、其中，所述火电机组的防冻最小出力约束的表达式为：

27、

28、式中，为防冻最小出力；

29、所述储能系统的保温能耗约束的表达式为：

30、

31、

32、式中，为储能系统在时段用于保温的耗电功率；为储能系统的综合保温热损失系数；为储能系统正常运行所需的最低设定温度；为在时段的环境温度；为储能系统在时段的荷电状态；为充电效率；为放电效率。

33、优选的，对所述出力计划和充放能计划进行优化求解，得到火电机组出力计划曲线和储能系统充放能计划曲线，包括：

34、基于所述环境温度变化曲线、电负荷需求曲线和热负荷需求曲线，构建多时间尺度的优化调度模型；

35、对所述优化调度模型进行求解，得到未来预设时段内以预设时间间隔为单位的火电机组出力计划曲线和储能系统充放能计划曲线。

36、优选的，所述对所述优化调度模型进行求解，包括：

37、基于所述环境温度变化曲线、电负荷需求曲线和热负荷需求曲线，将所述优化调度模型分解为多个时间尺度的子问题；

38、采用混合整数线性规划算法对每个时间尺度的子问题分别进行迭代求解；

39、在每次迭代过程中，根据上一时间尺度的求解结果更新当前时间尺度的边界条件，直至满足收敛条件，得到所述火电机组出力计划曲线和储能系统充放能计划曲线。

40、优选的，所述根据所述出力计划曲线和充放能计划曲线，生成当前时刻的实际调度指令，包括：

41、获取当前时刻的实际环境温度、实际电负荷和实际热负荷；

42、将所述实际环境温度、实际电负荷和实际热负荷分别与所述出力计划曲线和充放能计划曲线中对应时刻的预测值进行比较，计算得到环境温度偏差量、电负荷偏差量和热负荷偏差量；

43、根据所述环境温度偏差量、电负荷偏差量和热负荷偏差量，对所述出力计划曲线中当前时刻的计划出力值和所述充放能计划曲线中当前时刻的计划充放能值进行修正，生成当前时刻的实际调度指令。

44、第二方面，本发明提供了一种严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化系统，包括：

45、曲线拟合模块：用于获取历史气象数据、历史负荷数据以及火电机组的运行状态数据，基于所述历史气象数据确定环境温度变化曲线，并基于所述历史负荷数据确定电负荷需求曲线和热负荷需求曲线；

46、协同优化计划模块：用于根据所述环境温度变化曲线、电负荷需求曲线、热负荷需求曲线以及所述运行状态数据，以火电机组总运行成本最低为目标，确定火电机组与储能系统的运行关系，形成火电机组出力计划和储能系统充放能计划；

47、优化求解模块：用于对所述出力计划和充放能计划进行优化求解，得到火电机组出力计划曲线和储能系统充放能计划曲线；

48、调度指令生成模块：用于获取当前时刻的实际环境温度、实际电负荷和实际热负荷；基于所述实际环境温度、实际电负荷和实际热负荷，根据所述出力计划曲线和充放能计划曲线，生成当前时刻的实际调度指令。

49、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化方法的步骤。

50、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现严寒地区火电机组耦合储能系统的协同运行优化方法的步骤。

51、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

52、通过获取历史气象与负荷数据并确定环境温度变化曲线及电、热负荷需求曲线，刻画了严寒地区特有的气象波动与热电耦合约束边界；根据上述曲线与机组运行状态数据，以火电机组总运行成本最低为目标确定火电机组与储能系统的运行关系并形成出力计划和充放能计划，实现了兼顾经济性与安全性的协同运行策略；对计划进行优化求解得到出力计划曲线和充放能计划曲线，通过数学求解与曲线输出实现了从计划方案到可执行调度指令的量化转换；通过获取当前时刻的实际环境温度、电负荷和热负荷，根据所述计划曲线生成实际调度指令，从而在应对严寒地区负荷与气象快速波动的同时，显著提升了系统的响应速度、控制精度及供热可靠性，全面降低了燃料消耗与设备损耗，保障了极端气候条件下火电机组与储能系统的安全、稳定与经济协同运行。