一种配置风电和光伏发电的抽蓄灌溉系统的运行控制方法与流程

1.本发明属于电力与水利工程技术领域，涉及一种抽蓄灌溉系统的运行控制方法。


背景技术：

2.在能源危机和环保需求的激励下，高渗透率的风电和光伏发电并入电网。考虑到可再生能源发电的随机性、波动性和反调峰特性，部分地区已经建成抽水蓄能电站参与电网削峰填谷。可见，如何优化抽水蓄能电站工作，提高结合风电和光伏发电的抽蓄灌溉系统的运行经济性，具有重要的现实意义。
3.目前，对结合风电和光伏发电的抽蓄灌溉系统的运行控制中，鲜有考虑当地居民从水库汲水的灌溉需求，居民从水库汲水将导致水库的水量降低，影响抽水蓄能电站发电。并且，现有的运行控制方法中普遍忽视了日照强度、风力等气象因子的多维度影响，日照强度会影响光伏发电量，风力会影响风电发电量，进而还会影响灌溉用水量，进而影响抽水蓄能电站工作。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中所述的问题，本发明提出了一种配置风电和光伏发电的抽蓄灌溉系统的运行控制方法。
5.本发明的技术方案包括以下步骤：
6.获取电网第二天的风力、日照强度和常规负荷用电功率；
7.依据风力和日照强度计算得到风电发电功率和光电发电功率；
8.通过过往同一时节的灌溉用水量与日照强度的调研数据，预测计算第二天的灌溉用水量；
9.依据抽蓄灌溉系统的运行特性，建立抽蓄灌溉系统的工作模型、常规发电机组运行模型以及电网发电功率和用电功率的平衡约束，建立以系统日运行成本最小为目标函数的抽蓄灌溉系统运行控制模型；
10.对抽蓄灌溉系统运行控制模型进行求解，得到常规发电机组日前运行功率值、抽水蓄能电站日前运行功率值以及抽水负荷日前运行功率值；
11.依据得到的常规发电机组日前运行功率值、抽水蓄能电站日前运行功率值以及抽水负荷日前运行功率值，对抽蓄灌溉系统进行运行控制。
12.进一步地，所述的电网第二天的风力、日照强度和常规负荷用电功率表示为集合a：
[0013][0014]
其中，v1,v2,...,v
t
表示第二天各个时刻的风速，g1,g2,...,g
t
表示第二天各个时
刻的日照强度，p
1l
,p
2l
,...,p
tl
表示第二天各个时刻的常规负荷用电功率。
[0015]
进一步地，所述的风电发电功率和光电发电功率为：
[0016][0017]
p
tpv
＝p
stcgt
[1 ε(t
c,t-tr)]/g
stc
，
[0018]
其中，p
twt
是风电t时刻发电功率；υ
t
是t时刻风速；υr和分别代表切入风速、额定风速和切出风速；p
tpv
是光伏发电t时刻发电功率；p
stc
为标准测试条件下单位光伏装机容量下输出的最大测试功率；g
stc
为标准测试条件下的日照强度；ε为功率温度系数；t
c,t
为t时刻电池板的工作温度；tr为参考温度。
[0019]
进一步地，所述的第二天的灌溉用水量的预测计算方法为：
[0020]
①
调取过往同一时节的灌溉用水量和日照强度的数据，在二维坐标系上绘制相关曲线；
[0021]
②
基于matlab平台利用多项式拟合日照强度-灌溉用水量曲线，确定系数ai(i＝1,2,...,5)；
[0022]
③
依据日照强度-灌溉用水量的拟合曲线和获取的电网第二天的日照强度，得到第二天的灌溉用水量为：
[0023]qt
＝a1g
t
a2(g
t
)2 a3(g
t
)3 a4(g
t
)4 a5(g
t
)5，
[0024]
其中，q
t
为第二天t时刻的灌溉用水量，g
t
为第二天t时刻的日照强度。
[0025]
进一步地，所述的抽蓄灌溉系统的工作模型中，抽蓄灌溉系统的抽水蓄能运行模式对应的功率约束为：
[0026][0027]
抽蓄灌溉系统的发电运行模式对应的功率约束为：
[0028][0029]
抽蓄灌溉系统在任意时刻只能工作在抽水蓄能运行模式或发电运行模式的约束为：
[0030][0031]
抽蓄灌溉系统的爬坡速率约束为：
[0032]-δp
wp
≤p
twp,c-p
twp,d
≤δp
wp
；
[0033]
抽蓄灌溉系统的水库储水值与抽蓄电站工作功率和灌溉用水量的关系为：
[0034][0035]
抽蓄灌溉系统的水库容量限制约束为：
[0036][0037]
其中，p
twp,c
和p
twp,d
分别为抽水蓄能电站t时刻的抽水蓄能功率和发电功率，表
示抽蓄电站额定工作功率，布尔型变量和分别表示抽水蓄能电站t时刻的工作模式，δp
wp
表示抽水蓄能电站爬坡速率，ηc和ηd分别是抽蓄电站的能水转化和水能转换效率，w
tlake
、和分别表示水库t时刻储水、最小储水和最大储水值。
[0038]
进一步地，所述的常规发电机组运行模型，其中常规发电机组的工作范围为：
[0039][0040]
常规发电机组的爬坡速率约束为：
[0041][0042]
其中，p
tmt
表示常规发电机组t时刻运行功率，表示常规发电机组最大允许运行功率，δp
mt
表示常规发电机组额定爬坡速率；
[0043]
所述的电网发电功率和用电功率的平衡约束为：
[0044]
p
twt
p
tpv
p
tmt
p
twp,d-p
twp,c
＝p
tl
p
tsl
，
[0045]
其中，p
tsl
表示t时刻灌溉负荷，表示t时刻灌溉负荷，表示灌溉负荷额定运行功率，e
sl
表示灌溉负荷日总用电量。
[0046]
进一步地，所述的抽蓄灌溉系统运行控制模型以系统日运行成本最小为优化目标，目标函数可表示为：
[0047][0048][0049]
其中，表示t时刻常规发电机组运行成本，b3、b2、b1和b0为常规发电机发电特性参数。
[0050]
进一步地，所述的抽蓄灌溉系统运行控制模型的求解方法为：
[0051]
①
定义函数f(p
tmt
)满足下式：
[0052]
f(p
tmt
)＝b3(p
tmt
)3 b2(p
tmt
)2 b1(p
tmt
) b0，
[0053]
其中，p
tmt
表示常规发电机组t时刻运行功率；
[0054]
②
根据常规发电机组运行功率范围等间距设置k 1个断点功率，其满足如下关系：
[0055][0056]
③
对于任意功率p
tmt
，可以用不同权重下的断点功率叠加组合表示：
[0057][0058]
其中，表示断点k对应的功率权重；
[0059]
④
常规发电机组的运行成本可以表示为：
[0060][0061]
然后基于matalb平台编码刻画优化问题，采用yalmip软件调用商业求解器gurobi求解得到发电机组运行成本最小时的运行功率值。
[0062]
进一步地，所述的断点k对应的功率权重满足以下约束：
[0063]
①
常规发电机组实际运行功率只能落在单一功率段之内：
[0064][0065]
②
断点功率点权重之和等于1：
[0066][0067]
③
线性组合时只能允许相邻固定功率点参与：
[0068][0069][0070][0071][0072]
其中，布尔型变量用于标识常规发电机组具体的运行功率区间。
[0073]
本发明与现有技术相比，所提出的抽蓄灌溉系统的运行控制方法中，首先调研获取电网第二天的风力、日照强度和常规负荷用电功率，建立环境因子多维度影响约束，计算得到风电发电功率和光电发电功率，预测计算第二天的灌溉用水量；继而，量化分析抽蓄灌溉系统的运行特性，建立抽蓄灌溉系统的运行模型；此外，构建发电机组运行模型；在上述基础上，以系统日运行成本最小为目标，对抽蓄灌溉系统进行运行控制。
[0074]
本发明的运行控制方法充分考虑了风力和日照强度气象因子对光伏发电、风电、灌溉用水量以及常规发电机组的多维度影响，以系统日运行成本最小为目标，对抽蓄灌溉系统进行运行控制，显著提高了抽蓄灌溉系统运行经济性，在工程应用方面也具有丰富的参考价值。
附图说明
[0075]
图1为本发明实施例中获取的电网第二天的风力-时间曲线图、光照强度-时间曲线图；
[0076]
图2为本发明实施例中灌溉负荷功率-时间曲线图。
[0077]
图3为本发明抽蓄灌溉系统的各运行功率-时间变化图。
具体实施方式
[0078]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发明的优点。本领域的普通的技术人员能
从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
[0079]
1、调研获取电网第二天的风力、日照强度和常规负荷用电功率，并用集合a表示：
[0080][0081]
其中，v1,v2,...,v
t
表示第二天各个时刻的风速，g1,g2,...,g
t
表示第二天各个时刻的日照强度，p
1l
,p
2l
,...,p
tl
表示第二天各个时刻的常规负荷用电功率。
[0082]
在本实施例中，获取的电网第二天的风力-时间曲线图、光照强度-时间曲线图如图1所示。
[0083]
2、量化分析气象因子作用，建立环境因子多维度影响约束。
[0084]
首先，根据风力发电和光伏发电公式，计算得到日前可再生能源发电功率为：
[0085][0086]
p
tpv
＝p
stcgt
[1 ε(t
c,t-tr)]/g
stc
ꢀꢀ③
，
[0087]
其中，p
twt
是风电t时刻发电功率；υ
t
是t时刻风速；υr和代表切入风速、额定风速和切出风速；p
tpv
是光伏t时刻发电功率；p
stc
为标准测试条件下单位光伏装机容量下输出的最大测试功率；g
stc
为标准测试条件下的日照强度；ε为功率温度系数；t
c,t
为t时刻电池板的工作温度；tr为参考温度。
[0088]
3、预测计算第二天的灌溉用水量。
[0089]
首先调研过往同一时节的当地居民灌溉用水量和日照强度的数据，在二维坐标系上绘制相关曲线。
[0090]
然后基于matlab平台利用多项式拟合日照强度-灌溉用水量曲线，确定系数ai(i＝1,2,...,5)。
[0091]
最后依据日照强度-灌溉用水量的拟合曲线和获取的电网第二天的日照强度，得到第二天的灌溉用水量为：
[0092]qt
＝a1g
t
a2(g
t
)2 a3(g
t
)3 a4(g
t
)4 a5(g
t
)5ꢀꢀ④
，
[0093]
其中，q
t
为第二天t时刻的灌溉用水量，g
t
为第二天t时刻的日照强度。
[0094]
4、依据抽蓄灌溉系统的运行特性，建立抽蓄灌溉系统的工作模型。
[0095]
考虑到目前抽蓄灌溉系统的运行模型较为复杂，给求解带来了巨大的麻烦，为此本发明提出一个简化的抽蓄灌溉系统工作模型，如式(5)～(10)所示。其中，式(5)和(6)表示抽蓄蓄能电站的抽水蓄能和发电两种运行模式对应的功率约束，式(7)限制了抽水蓄能电站任意时刻只能工作在抽蓄状态或发电状态，式(8)表示抽水蓄能电站爬坡速率约束，式(9)表示水库储水值与抽蓄电站工作功率和灌溉用水量的关系，式(10)表示水库容量限制。
[0096]
[0097][0098][0099]-δp
wp
≤p
twp,c-p
twp,d
≤δp
wp
ꢀꢀ⑧
，
[0100][0101][0102]
其中，p
twp,c
和p
twp,d
分别为抽水蓄能电站t时刻的抽水蓄能功率和发电功率，表示抽蓄电站额定工作功率，布尔型变量i
twp,c
和i
twp,d
分别表示抽水蓄能电站t时刻的工作模式，δp
wp
表示抽水蓄能电站爬坡速率，ηc和ηd分别是抽蓄电站的能水转化和水能转换效率，w
tlake
、和分别表示水库t时刻储水、最小储水和最大储水值。
[0103]
5、构建常规发电机组运行模型，以及电网发电功率和用电功率的平衡约束。
[0104]
首先，构建常规发电机组运行模型，如式和所示，式表示常规发电机组要在允许范围内工作，式表示常规发电机组的爬坡速率约束：
[0105][0106][0107]
式中，p
tmt
表示常规发电机组t时刻运行功率，表示常规发电机组最大允许运行功率，δp
mt
表示常规发电机组额定爬坡速率。
[0108]
继而，建立电网发电功率和用电功率平衡约束：
[0109]
p
twt
p
tpv
p
tmt
p
twp,d-p
twp,c
＝p
tl
p
tsl
ꢀꢀ
[0110]
其中，p
tsl
表示t时刻灌溉负荷，其可以进行需求侧响应参与电网削峰填谷，其相应的运行约束可以表示为：
[0111][0112][0113]
其中，p
tsl
表示t时刻灌溉负荷，e
sl
表示灌溉负荷日总用电量。
[0114]
本实施例中灌溉负荷功率-时间曲线图如图2所示。
[0115]
6、建立以系统日运行成本最小为目标函数的抽蓄灌溉系统运行控制模型。
[0116]
系统日运行成本只考虑常规发电机组的燃料成本，系统日运行成本最小即为常规发电机组运行成本最小。目前往往使用二次函数拟合常规发电机组的燃料消耗，本发明采用三次多项式，拟合常规发电机组的运行成本特性，得到抽蓄灌溉系统运行控制模型的目标函数为：
[0117][0118]
[0119]
其中，表示t时刻常规发电机组运行成本，p
tmt
表示常规发电机组t时刻运行功率，b3、b2、b1和b0为常规发电机发电特性参数。
[0120]
7、对目标函数和进行求解，得到抽蓄灌溉系统日运行成本最小时的常规发电机组日前运行功率值、抽水蓄能电站日前运行功率值以及抽水负荷日前运行功率值。
[0121]
首先，定义函数f(p
tmt
)满足下式：
[0122]
f(p
tmt
)＝b3(p
tmt
)3 b2(p
tmt
)2 b1(p
tmt
) b0ꢀꢀ
[0123]
在此基础上，根据常规发电机组运行功率范围等间距设置k 1个断点功率，其满足如下关系：
[0124][0125]
对于任意功率p
tmt
，可以用不同权重下的断点功率叠加组合表示：
[0126][0127]
其中，表示断点k对应的功率权重，其满足约束
[0128]
式表示常规发电机组实际运行功率只能落在单一功率段之内，式表示断点功率点权重之和等于1，式限制了线性组合时只能允许相邻固定功率点参与。
[0129][0130][0131][0132][0133][0134][0135]
其中，布尔型变量用于标识常规发电机组具体的运行功率区间。
[0136]
最后，常规发电机组的运行成本可以表示为：
[0137][0138]
然后基于matalb平台编码刻画优化问题，采用yalmip软件调用商业求解器gurobi求解得到抽蓄灌溉系统日运行成本最小时的常规发电机组日前运行功率值、抽水蓄能电站日前运行功率值以及抽水负荷日前运行功率值。
[0139]
在本实施例中，通过上述公式可求解得到系统日运行成本最小值为82176万元。
[0140]
8、抽蓄灌溉系统日运行成本最小时的常规发电机组日前运行功率值、抽水蓄能电
站日前运行功率值以及抽水负荷日前运行功率值，对抽蓄灌溉系统进行运行控制。
[0141]
采用上述所述的运行控制方法后，该抽蓄灌溉系统的各运行功率-时间变化图如图3所示，常规负荷功率与灌溉负荷功率之和即为抽蓄灌溉系统的总输出功率，抽蓄灌溉系统的总输入功率为风电和光电得到的可再生能源功率与常规发电机组功率之和，通过图3可得知，常规发电机组在一天中的运行时间极少，该抽蓄灌溉系统的运行功率来源主要依靠于运行成本极低的风电和光电得到的可再生能源功率。该运行控制方法充分考虑了风力和日照强度气象因子对光伏发电、风电、灌溉用水量以及常规发电机组的多维度影响，在系统日运行成本最小时的前提下实现了抽蓄灌溉系统的正常运行，显著提高了抽蓄灌溉系统运行经济性。
[0142]
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。