风电优化调度方法、设备及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及风电优化调度技术领域，具体来说，涉及一种风电优化调度方法、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着电力系统中新能源占比的不断升高，传统的火电机组在电力系统中的出力不断减少，但是，在风电大规模并网的同时也对电力系统的系统频率带来了一定的影响，例如电力系统惯性减小，频率容易产生波动等，因此为电网的安全稳定运行带来了较大风险，同时，由于风电出力具有随机性和不可预测性，相关技术中的电力系统优化调度方法无法及时的调节电力系统的系统频率，给电力系统的调度带来了一定的困难。


技术实现要素：

3.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
4.本发明实施例提供了一种风电优化调度方法、设备及计算机可读存储介质，能够提高电力系统的调度效率，及时地调节电力系统的系统频率以解决风电并网对电力系统带来的影响，从而提高了电力系统的安全性和稳定性。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种风电优化调度方法，包括：
6.建立综合频率响应模型，所述综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧的电力系统的频率响应特性；
7.根据所述综合频率响应模型建立目标函数，所述目标函数用于表征电力系统的优化目标；
8.建立约束条件，所述约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全；
9.根据所述约束条件构建非线性双层规划问题，并根据所述非线性双层规划问题对所述目标函数进行求解，以得到用于表征风电出力最大安全范围的安全区间，并基于所述安全区间对电力系统进行优化调度。
10.在一实施例中，所述综合频率响应模型，包括发电侧频率响应模型、负荷侧频率响应模型和风电机组频率响应模型；
11.所述建立综合频率响应模型，包括：
12.根据电力系统中发电机的频率响应特性建立所述发电侧频率响应模型；
13.根据电力系统中不同种类的负荷建立所述负荷侧频率响应模型；
14.根据电力系统中风电机组的频率响应特性以及所述风电机组的变桨距控制策略和惯性控制策略建立所述风电机组频率响应模型。
15.在一实施例中，所述根据电力系统中风电机组的频率响应特性以及所述风电机组的变桨距控制策略和惯性控制策略建立所述风电机组频率响应模型，包括：
16.根据所述风电机组的频率响应特性和所述惯性控制策略构建第一传递函数；
17.根据所述风电机组的频率响应特性和所述变桨距控制策略构建第二传递函数；
18.根据所述第一传递函数和所述第二传递函数得到第三传递函数，并根据所述第三传递函数建立所述风电机组频率响应模型。
19.在一实施例中，所述目标函数以优化调度过程中的风电出力为变量，且作为变量的风电出力需乘以对应的惩罚系数，以使得电力系统的能源损耗最小。
20.在一实施例中，所述约束条件包括：
21.在优化调度过程中电力系统允许的最大频率变化量不低于电力系统在最极端场景中的频率波动量；
22.电力系统中的单个风电场的出力范围始终处于第一出力区间内；
23.在因风机跳闸导致风电出力突变的情况下，风电出力变化量不大于装机容量的限值；
24.风机线最大允许跳闸重数不低于总风电机组线与风机线状态变量总和之差；
25.风机线运行状态变量始终处于第一状态区间内；
26.电力系统中所有风电场出力波动受不确定因子的限值约束。
27.在一实施例中，所述根据所述非线性双层规划问题对所述目标函数进行求解，以得到用于表征风电出力最大安全范围的安全区间，包括：
28.采用罚函数法将所述非线性双层规划问题转化为无约束问题；
29.根据所述无约束问题对所述目标函数进行求解以得到所述安全区间。
30.在一实施例中，所述采用罚函数法将所述非线性双层规划问题转化为无约束问题，包括：
31.将所述非线性双层规划问题分为下层规划和上层规划；
32.先对所述下层规划进行求解，再对所述上层规划构造罚函数，以使得所述非线性双层规划问题转化为所述无约束问题。
33.在一实施例中，所述目标函数的优化目标包括用于表征常规机组运行成本的第一优化目标、用于表征风电场弃风惩罚成本的第二优化目标和用于表征风电总成本的第三优化目标，其中，所述风电总成本包括风电投资成本、风电运行维护成本和财务成本。
34.第二方面，本发明实施例还提供了一种电力设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在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如上述第一方面实施例中的风电优化调度方法。
35.第三方面，本发明实施例还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可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上述第一方面实施例中的风电优化调度方法。
36.本发明实施例包括：建立综合频率响应模型，所述综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧的电力系统的频率响应特性；根据所述综合频率响应模型建立目标函数，所述目标函数用于表征所述电力系统的优化目标；建立约束条件，所述约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全；根据所述约束条件构建非线性双层规划问题，并根据所述非线性双层规划问题对所述目标函数进行求解，以得到用于表征风电出力最大安全范围的安全区间，并基于所述安全区间对电力系统进行优化调度。
37.根据本发明实施例提供的方案，综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧
的电力系统的频率响应特性，因此通过综合频率响应模型能够为电力系统的优化调度提供指导作用；约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全，因此根据约束条件构建非线性双层规划问题，并根据所述非线性双层规划问题对所述目标函数进行求解所得到的安全区间能够反映风电出力的最大安全范围，在风电出力位于该安全区间内的情况下，电力系统能够通过自身的调度能力维持电力系统在极端场景下的频率安全，并基于安全区间对电力系统进行优化调度；综上，本发明能够提高电力系统的调度效率，及时地调节电力系统的系统频率以解决风电并网对电力系统带来的影响，从而提高了电力系统的安全性和稳定性。
38.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容来实现和获得。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.其中：
41.图1是本发明实施例提供的电力系统的结构示意图；
42.图2是本发明实施例提供的电力系统的频率响应分析示意图；
43.图3是本发明实施例提供的风电优化调度方法的流程图；
44.图4是本发明实施例提供的建立综合频率响应模型的具体流程图；
45.图5是本发明实施例提供的建立风电机组频率响应模型的具体流程图；
46.图6是本发明实施例提供的根据非线性双层规划问题对目标函数进行求解的具体流程图；
47.图7是本发明实施例提供的将非线性双层规划问题转化为无约束问题的具体流程图；
48.图8是本发明一个实施例提供的电力设备的示意图。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.需要说明的是，虽然在系统及设备示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统或设备中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
51.本发明实施例提供了一种风电优化调度方法，包括：建立综合频率响应模型，综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧的电力系统的频率响应特性；根据综合频率响
应模型建立目标函数，目标函数用于表征电力系统的优化目标；建立约束条件，约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全；根据约束条件构建非线性双层规划问题，并根据非线性双层规划问题对目标函数进行求解，以得到用于表征风电出力最大安全范围的安全区间，并基于安全区间对电力系统进行优化调度。根据本发明实施例提供的方案，综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧的电力系统的频率响应特性，因此通过综合频率响应模型能够为电力系统的优化调度提供指导作用；约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全，因此根据约束条件构建非线性双层规划问题，并根据非线性双层规划问题对目标函数进行求解所得到的安全区间能够反映风电出力的最大安全范围，在风电出力位于该安全区间内的情况下，电力系统能够通过自身的调度能力维持电力系统在极端场景下的频率安全，并基于安全区间对电力系统进行优化调度；综上，本发明能够提高电力系统的调度效率，及时地调节电力系统的系统频率以解决风电并网对电力系统带来的影响，从而提高了电力系统的安全性和稳定性。
52.下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
53.图1是本发明实施例提供的电力系统100的结构示意图，在图1的示例中，电力系统100包括发电侧110及负荷侧120。
54.具体地，发电侧110包括常规机组部分111及新能源部分112，新能源部分112包括风电厂。
55.具体地，负荷侧120包括不同种类的负荷，不同种类的负荷可以分为电动机型负荷121以及电阻型负荷122。
56.需要说明的是，电力系统100还可以包括电网侧与储能侧，以使得电力系统100在运行过程中呈现源网荷储协调特征，使得各类电源、电网、负荷与储能侧资源之间进行协调互动。
57.图2是本发明实施例提供的电力系统的频率响应分析示意图，在图2的示例中，电力系统的频率响应特征由发电机频率响应，也即上述电力系统中常规机组的频率响应、负荷频率响应以及新能源频率响应，也即上述电力系统中风电场的风电机组的频率响应所共同影响。
58.具体地，发电机的频率响应特性受到电动机转子和调速器的影响，当频率出现波动的时候，电动机转子的速率会产生变化，调速器根据频率波动调节电动机转子转速以控制频率。
59.具体地，负荷的频率响应特征受到不同负荷类型的影响，可以根据将不同的负荷分为电阻型负荷和电动机负荷两部分来考虑。
60.具体地，考虑新能源频率响应特性，能够通过采用变桨距控制与虚拟惯性控制相结合的策略使得风电参与电力系统的频率调节。
61.本发明实施例描述的电力系统以及应用场景是为了更加清楚的说明本发明实施例的技术方案，并不构成对于本发明实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着电力系统的演变和新应用场景的出现，本发明实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
62.本领域技术人员可以理解的是，图1中示出的电力系统并不构成对本发明实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
63.基于上述电力系统，下面提出本发明的风电优化调度方法的各个实施例。
64.如图3所示，图3是本发明实施例提供的风电优化调度方法的流程图，在图3的示例中，风电优化调度方法包括但不限于步骤s100、步骤s200、步骤s300和步骤s400：
65.步骤s100，建立综合频率响应模型，综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧的电力系统的频率响应特性；
66.步骤s200，根据综合频率响应模型建立目标函数，目标函数用于表征电力系统的优化目标；
67.步骤s300，建立约束条件，约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全；
68.步骤s400，根据约束条件构建非线性双层规划问题，并根据非线性双层规划问题对目标函数进行求解，以得到用于表征风电出力最大安全范围的安全区间，并基于安全区间对电力系统进行优化调度。
69.根据本发明实施例提供的方案，综合频率响应模型用于表征包括发电侧及负荷侧的电力系统的频率响应特性，因此通过综合频率响应模型能够为电力系统的优化调度提供指导作用；约束条件用于维持电力系统在极端场景下的频率安全，因此根据约束条件构建非线性双层规划问题，并根据非线性双层规划问题对目标函数进行求解所得到的安全区间能够反映风电出力的最大安全范围，在风电出力位于该安全区间内的情况下，电力系统能够通过自身的调度能力维持电力系统在极端场景下的频率安全，并基于安全区间对电力系统进行优化调度；综上，本发明能够提高电力系统的调度效率，及时地调节电力系统的系统频率以解决风电并网对电力系统带来的影响，从而提高了电力系统的安全性和稳定性。
70.需要说明的是，本发明实施例建立的综合频率响应模型支持风电调频。
71.如图4所示，图4是本发明实施例提供的建立综合频率响应模型的具体流程图，在图4的示例中，步骤s100包括但不限于步骤s110、步骤s120和步骤s130：
72.步骤s110，根据电力系统中发电机的频率响应特性建立发电侧频率响应模型。
73.在一实施例中，综合频率响应模型包括发电侧频率响应模型、负荷侧频率响应模型和风电机组频率响应模型，其中，由于位于发电侧的发电机的频率响应特性受到电动机转子和调速器的影响，当频率出现波动的时候，电动机转子的速率会产生变化，调速器根据频率波动调节电动机转子转速以控制频率，因此能够基于上述特征建立电力系统发电侧的一次频率响应模型，也即步骤s110中根据电力系统中发电机的频率响应特性建立发电侧频率响应模型。
74.步骤s120，根据电力系统中不同种类的负荷建立负荷侧频率响应模型。
75.在一实施例中，电力系统中的负荷可以分为电阻型负荷和电动机负荷，负荷的频率响应特性可用下式表示为：
76.pe＝p
l
dδω
77.其中，pe表示负荷的频率响应特性，p
l
表示电阻型负荷，dδω表示电动机型负荷，d为负荷阻尼系数。
78.步骤s130，根据电力系统中风电机组的频率响应特性以及风电机组的变桨距控制策略和惯性控制策略建立风电机组频率响应模型。
79.在一实施例中，考虑新能源频率响应特性，能够通过采用变桨距控制与虚拟惯性控制相结合的策略使得风电参与电力系统的频率调节。
80.如图5所示，图5是本发明实施例提供的建立风电机组频率响应模型的具体流程图，在图5的示例中，步骤s130包括但不限于步骤s131、步骤s132和步骤s133：
81.步骤s131，根据风电机组的频率响应特性和惯性控制策略构建第一传递函数。
82.在一实施例中，考虑到风电机组的转子侧响应较快的控制特性，采用传统电源的惯性响近似替代风电机组的惯性响应，以边在风电出力变化时阻止系统频率发生突变，构建其传递函数，也即第一传递函数如下式所示：
[0083][0084]
其中，δp
ω
为转子惯性控制的功率变化量，k
df
为惯性响应系数，t
ω
为转子惯性响应时间常数；
[0085]
步骤s132，根据风电机组的频率响应特性和变桨距控制策略构建第二传递函数；
[0086]
在一实施例中，由于风电机组的桨距角会受到机械特性影响从而导致响应时间较长，因此采用常规电源一次调频响应模型来代替，以降低风电有功输出，构建其传递函数，也即第二传递函数如下式所示：
[0087][0088]
其中，δp
β
为变桨距控制提供的功率变化量，k
pf
为一次调频系数，t
β
为变桨距响应实践常数。
[0089]
步骤s133，根据第一传递函数和第二传递函数得到第三传递函数，并根据第三传递函数建立风电机组频率响应模型。
[0090]
在一实施例中，由上述第一传递函数和第二传递函数得到的第三传递函数如下式所示：
[0091][0092]
其中，δpw为风电发电功率增量。
[0093]
在一实施例中，目标函数以优化调度过程中的风电出力为变量，且作为变量的风电出力需乘以对应的惩罚系数，以使得电力系统的能源损耗最小。
[0094]
具体地，目标函数的优化目标包括用于表征常规机组运行成本的第一优化目标、用于表征风电场弃风惩罚成本的第二优化目标和用于表征风电总成本的第三优化目标，其中，风电总成本包括风电投资成本、风电运行维护成本和财务成本。因此本发明实施例的风电优化调度方法，既保证了较低的风电运行成本也提高了电力系统的调度效率。
[0095]
具体地，为兼顾经济性和安全性以达到运行成本最小且弃风最小的目标，对应每一项配以相应的系数，在此基础上建立目标函数如下式所示：
[0096]
f(pi,t)＝min[p1 p2 c]
[0097]
c＝c
in
c
om
cf[0098]
其中，p1表示常规机组运行成本，也即第一优化目标，p2表示风电场弃风惩罚成本，
也即第二优化目标，c表示风电总成本，也即第三优化目标，c
in
表示风电投资成本，c
om
表示风电运行维护成本，cf表示财务成本。
[0099]
在一实施例中，约束条件的作用是根据调度过程中风电出力的随机性，保证最恶劣场景下，也即极端场景下发电系统的频率安全约束。
[0100]
具体地，约束条件包括：
[0101]
在优化调度过程中电力系统允许的最大频率变化量不低于电力系统在最极端场景中的频率波动量；
[0102]
电力系统中的单个风电场的出力范围始终处于第一出力区间内；
[0103]
在因风机跳闸导致风电出力突变的情况下，风电出力变化量不大于装机容量的限值；
[0104]
风机线最大允许跳闸重数不低于总风电机组线与风机线状态变量总和之差；
[0105]
风机线运行状态变量始终处于第一状态区间内；
[0106]
电力系统中所有风电场出力波动受不确定因子的限值约束。
[0107]
具体地，第一出力区间为[-1,1]，第一状态区间为{0,1}。
[0108]
如图6所示，图6是本发明实施例提供的根据非线性双层规划问题对目标函数进行求解的具体流程图，在图6的示例中，步骤s400包括但不限于步骤s410和步骤s420：
[0109]
步骤s410，采用罚函数法将非线性双层规划问题转化为无约束问题；
[0110]
步骤s420，根据无约束问题对目标函数进行求解以得到安全区间。
[0111]
具体地，通过将非线性双层规划问题转化为无约束问题，使得其能够应用无约束优化方法中的多种有效解析方法进行处理，因此降低了目标函数的求解难度，提高了目标函数的求解效率。
[0112]
如图7所示，图7是本发明实施例提供的将非线性双层规划问题转化为无约束问题的具体流程图，在图7的示例中，步骤s410包括但不限于步骤s411和步骤s412：
[0113]
步骤s411，将非线性双层规划问题分为下层规划和上层规划；
[0114]
步骤s412，先对下层规划进行求解，再对上层规划构造罚函数，以使得非线性双层规划问题转化为无约束问题。
[0115]
具体地，对下层规划进行等价处理,再对上层函数构造罚函数,使其转化成单层无约束规划问题,以使得转化后得到的单层无约束规划问题能采用无约束优化方法中许多有效的解析方法。
[0116]
本发明实施例在对传统电力系统频率响应特性进行分析的基础上，考虑变桨距控制与虚拟惯性控制的新能源频率响应特性，建立含风电调频的综合响应模型；其次，在传统风电调度框架的基础上，考虑风电参与其中的多种不确定因素以及在极端场景下系统安全运行的约束条件，以实现最小弃风、最低常规机组运行成本以及最低风电场运行成本为优化目标，构建最优化问题并求解满足各项约束的目标函数；最后，根据得到的安全区间，实现风电的优化调度。
[0117]
另外，参照图8，图8是本发明一个实施例提供的电力设备200的示意图，在图8的示例中，该设备包括：存储器220、处理器210及存储在存储器220上并可在处理器210上运行的计算机程序。
[0118]
处理器210和存储器220可以通过总线或者其他方式连接。
[0119]
存储器220作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器220可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器220可选包括相对于处理器210远程设置的远程存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器210。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0120]
实现上述实施例的风电优化调度方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器220中，当被处理器210执行时，执行上述实施例中的风电优化调度方法，例如，执行以上描述的图3至图7中的方法步骤。
[0121]
此外，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个处理器或控制器执行，例如，被上述装置实施例或设备实施例中的一个处理器执行，可使得上述处理器执行上述实施例中的风电优化调度方法，例如，执行以上描述的图3至图7中的方法步骤。
[0122]
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
[0123]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。