[发明专利]磷酸铁锂电池储能系统辅助火电机组深度调峰的分层优化方法

摘要

本发明的一种磷酸铁锂储能系统辅助火电机组深度调峰的分层优化方法，包括：磷酸铁锂储能系统辅助火电机组深度调峰的经济因素分析、磷酸铁锂储能系统辅助火电机组深度调峰分层优化模型的建立和对分层优化模型的求解等内容，以磷酸铁锂储能系统削峰填谷效果及运行效益最优为上层目标来优化各时刻的储能充放电功率；中层模型采用火电机组深度调峰手段，结合机组深度调峰能耗模型及补偿模型，以系统总调峰成本最小为目标来优化各时刻的风电接纳量，并确定火电机组总出力；下层模型以火电机组运行效益最优为目标，来优化各机组出力。具有科学合理，经济适用，运行成本低，调峰效果佳等优点。能够使电网系统稳定运行。

主权项

1.一种磷酸铁锂电池储能系统辅助火电机组深度调峰的分层优化方法，其特征是，它包括以下内容：1磷酸铁锂储能系统辅助火电机组深度调峰的经济因素分析1.1磷酸铁锂储能系统的运行经济因素在磷酸铁锂储能系统的运行过程中，影响其经济性的主要因素包括电量收益、环境收益以及运行成本；1)磷酸铁锂储能系统运行电量收益其中P_C,t为t时刻磷酸铁锂储能系统充电功率，其值为正；P_D,t为t时刻磷酸铁锂储能系统放电功率，其值为正；η_D为磷酸铁锂储能系统放电效率；P_price,t为电网的实时峰谷电价；2)磷酸铁锂储能系统运行环境收益其中P_D,t为t时刻磷酸铁锂储能系统充放电功率，其值为正；η_D为磷酸铁锂储能系统放电效率；K为机组生产电能时的污染物排放总数；ζ_PO,k为生产单位电能的第k种污染物的排放密度；P_price,k为第k种污染物排放的单位费用；3)磷酸铁锂储能系统运行成本其中P_C,t为t时刻磷酸铁锂储能系统充电功率，其值为正；P_D,t为t时刻磷酸铁锂储能系统放电功率，其值为正；P_price,M为磷酸铁锂储能系统运行成本单价；1.2火电机组运行经济因素在火电机组运行过程中，影响其经济性因素的有电量收益、补偿收益以及能耗成本；1)火电机组运行电量收益其中P_G,i,t为第i台火电机组t时刻出力值；P_price,GZ为火电上网电价；2)火电机组运行补偿收益其中η_G,i,regular为第i台火电机组常规调峰阶段的最小负荷率；P_GR,i为第i台火电机组开机容量；P_G,i,t为第i台火电机组t时刻出力值；P_price,GP为火电机组深度调峰补偿单价；3)火电机组运行能耗成本火电机组在常规调峰阶段，煤耗成本是主要的运行成本，其计算公式为：其中P_G,i,t为第i台火电机组t时刻出力值；a_i、b_i、c_i为第i台火电机组耗量特性函数的系数；S_C为当季单位煤炭价格；此外，在火电机组深度调峰的过程中，随着负荷率的不断降低，还会产生额外的机组损耗成本以及投油成本，机组损耗成本为：其中β为火电厂实际运行损耗系数；S_J,i为第i台火电机组的购机成本；N_F,i,t为第i台火电机组t时刻的转子致裂周次，该值与火电机组出力P_G,i,t相关；投油成本为：其中Q_oil,i,t为第i台火电机组投油深度调峰阶段t时刻的投油量；S_oil为当季的油价；1.3弃风惩罚成本为了增加风电的接纳量，减少系统弃风率，本发明加入了弃风惩罚成本，其公式为：其中θ为弃风惩罚系数；P_wind,t为t时刻的风电功率；P_windjn,t为t时刻的风电上网功率；2磷酸铁锂储能系统辅助火电机组深度调峰分层优化模型的建立2.1分层优化模型的结构采用火电机组深度调峰手段并结合磷酸铁锂储能系统的削峰填谷作用，来提高系统调峰能力，但考虑磷酸铁锂储能系统的约束条件以及火电机组在深度调峰时的非线性能耗成本函数所带来的计算复杂性，提出了分层优化调度方法，其具体流程如下：1)上层模型通过磷酸铁锂储能系统对净负荷曲线进行削峰填谷，以净负荷峰谷差改善量以及磷酸铁锂储能系统的经济性最优为目标来确定调度日的磷酸铁锂储能系统充放电功率，并结合原负荷曲线来得到等效负荷数据，并传递至中层模型；2)中层模型通过上层模型传递的等效负荷曲线，结合风电数据来对各时刻的火电机组总出力进行优化，其优化过程为了更好的反应火电机组在接纳风电时的经济变化情况，将以火电机组接纳风电量所产生的额外运行成本、电量损失成本、深度调峰补偿收益以及弃风惩罚成本最小为目标，并将各时刻的火电机组总出力传递至下层模型；3)下层模型以各时刻火电机组总出力值为基础，结合各火电单元的运行特性，以火电机组整体运行效益最优为目标，求解得到各火电机组的最优出力；2.2分层优化模型的建立1)上层模型目标函数上层模型以磷酸铁锂储能系统运行收益及净负荷标准差最优为目标进行优化，其目标函数为：其中I_BZ,t为磷酸铁锂储能系统运行电量收益；I_BI,t为磷酸铁锂储能系统运行环境收益；C_BY,t为磷酸铁锂储能系统运行成本；P_netload,t为t时刻净负荷功率；P_netload,ver为净负荷平均值；T为调度日内总采样点数；P_C,t为t时刻磷酸铁锂储能系统系统充电功率、P_D,t为t时刻磷酸铁锂储能系统放电功率，其值都为正；η_D为磷酸铁锂储能系统放电效率；为磷酸铁锂储能系统运行收益I_v的标幺值；为净负荷标准差SD_v的标幺值；上层模型需要满足的约束条件为：其中P_C,t为t时刻磷酸铁锂储能系统充电功率、P_D,t为t时刻磷酸铁锂储能系统放电功率，其值都为正；P_C为磷酸铁锂储能系统最大充电功率、P_D为磷酸铁锂储能系统最大放电功率，其值等于储能额定功率；E_SOC,t为t时刻磷酸铁锂储能系统荷电状态；E_SOC,max为磷酸铁锂储能系统荷电状态上限值，E_SOC,min为磷酸铁锂储能系统荷电状态下限值；2)中层模型目标函数中层模型考虑火电机组的深度调峰，其调峰成本函数为非线性函数，故先构建火电机组总调峰能耗成本函数，其公式为：其中为机组运行能耗成本；为机组损耗成本；为投油成本；P_Gall,t为t时刻所有火电机组总出力；P_Gmax为火电机组总出力最大值；P_G1为常规调峰阶段的火电机组总出力最小值；P_G2为不投油深度调峰阶段的火电机组总出力最小值；P_G3为投油深度调峰阶段的火电机组总出力最小值；I_r为系统中常规调峰机组的数量、I_d为系统中可深度调峰机组的数量；下面对(14)式调峰各阶段的划分值P_Gmax、P_G1、P_G2、P_G3作如下定义：其中为第i台只参与常规调峰的机组额定容量；为第i台可深度调峰的机组额定容量；为第i台机组的最大负荷率；为第i台常规调峰阶段的最小负荷率；为第i台机组不投油深度调峰阶段的最小负荷率；为第i台机组投油深度调峰阶段的最小负荷率；通过(15)式对调峰各阶段的总出力值进行划分，其划分原则为尽量避免火电机组进行深度调峰：当P_Gone<P_Gall,t<P_Gmax时，所有火电机组都处于常规调峰阶段；当P_Gsecond<P_Gall,t<P_Gone时，不参与深度调峰机组处于常规调峰阶段最小出力，参与深度调峰的机组处于不投油深度调峰阶段；当P_Gthird<P_Gall,t<P_Gsecond时，不参与深度调峰机组处于常规调峰阶段最小出力，参与深度调峰机组处于投油深度调峰阶段；此外，由于火电机组在深度调峰时会产生额外的调峰费用以及会对机组产生损耗，故友相应的补偿机制，建立如下火电机组深度调峰补偿收益函数：其中P_G1为常规调峰阶段的火电机组总出力最小值；P_G3为投油深度调峰阶段的火电机组总出力最小值；P_Gall,t为t时刻所有火电机组总出力；P_Gmax为火电机组总出力最大值；P_price,GP为火电机组深度调峰补偿单价；根据(14)式与(16)式，再考虑火电机组在接纳风电过程中电量收益损失成本和弃风惩罚成本，建立目标函数为：其中为未接纳风电时的机组总成本、为未接纳风电时的机组补偿收益；为在不接纳风电情况下的火电机组总出力；P_windjn,t为t时刻的风电接纳量；P_wind,t为t时刻的风电功率；在中层规划模型中，主要满足的约束为火电机组的总功率约束和总爬坡率约束以及各机组的启停约束；其中P_Gall,t为t时刻所有火电机组总出力；P_windjn,t为t时刻的风电接纳量；P_load,t为t时刻的负荷功率；P_C,t为t时刻磷酸铁锂储能系统充电功率、P_D,t为t时刻磷酸铁锂储能系统放电功率，其值都为正；为火电机组总出力的最小值、为火电机组总出力的最大值；为t时刻火电机组所需承担的正备用量、为t时刻火电机组所需承担的负备用量；为t时刻的火电机组总出力的最大向下爬坡量、为t时刻的火电机组总出力的最大向上爬坡量；v_i,t为火电机组运行状态；T_on,i为第i台火电机组的最小连续运行时间、T_off,i为第i台火电机组的最小连续停机时间；T_on,i,t为第i台机组在时段t内的持续运行时间、T_off,i,t为第i台机组在时段t内的持续停机时间；3)下层模型目标函数下层规划模型将根据上层输出的各时刻火电机组总出力情况，来优化火电机组各单元的出力值，首先，建立单台火电机组调峰能耗成本函数及补偿收益函数为：其中为机组运行能耗成本；为机组损耗成本；为投油成本；为深度调峰补偿收益；P_G,i,t为第i台火电机组t时刻出力值；P_GR,i为第i台火电机组开机容量；为第i台机组的最大负荷率；为第i台常规调峰阶段的最小负荷率；为第i台机组不投油深度调峰阶段的最小负荷率；为第i台机组投油深度调峰阶段的最小负荷率；根据单台火电机组调峰能耗成本函数(20)式和补偿收益函数(21)式，以机组运行效益最大为目标，建立下层规划模型目标函数为：在下层规划模型中，主要满足的约束为火电机组的功率约束、爬坡率约束和启停约束；其中P_G,i,t为第i台火电机组t时刻出力值；为第i台火电机组出力的最小值、为第i台火电机组出力的最大值；为第i台火电机组最大向下爬坡量、为第i台火电机组最大向上爬坡量；v_i,t为火电机组运行状态；T_on,i为第i台火电机组的最小连续运行时间、T_off,为第i台火电机组的最小连续停机时间；T_on,i,t为第i台机组在时段t内的持续运行时间、T_off,i,t为第i台机组在时段t内的持续停机时间；3对分层优化模型的求解1)对上层模型求解上层模型采用改进粒子群优化算法进行求解，来得到最优的磷酸铁锂储能系统充放电功率；2)对中层模型求解中层模型采用迭代方式，计算各时刻随风电接纳量增加的总调峰成本变化情况，并选取成本最小时对应的风电接纳量作为优化结果，其步骤为首先计算在不接纳风电情况下的火电机组运行成本、补偿收益；然后以t时刻的风电总功率为范围，以△P为补偿计算各风电接纳量值时的机组运行额外成本、额外补偿收益、电量损失成本以及弃风惩罚成本；最后以总成本最低来选取该时刻的风电接纳量；3)对下层模型求解下层模型采用改进粒子群优化算法进行计算，根据中层模型中确定了相火电机组总出力，来优化各机组的出力。