风光水联合发电系统多目标优化运行策略研究_魏若愚.pdf
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1、电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering143随着“双碳”目标的提出,进一步促进了风电和光伏等可再生能源的发展和应用。为了弥补风电、光伏发电的波动性和间歇性,缓解并网后对电力系统的影响,可以将风电、光伏和水电三种清洁能源相结合组成联合发电系统,以实现并网波动性最小化的同时并兼顾资源利用率、经济效益最大化等目标。目前受到国内外学者和研究机构的广泛关注1-3。文献4,5建立了包含风、光、火分布式电源的联合发电系统的经济运行模型,并验证其协调性良好;但是该模型仍不能避
2、免污染物的排放。文献6从“源源互补”和“源荷匹配”两个不同角度构建风光水调度模型,但是没有考虑资源利用率问题,仍然无法避免弃风、弃光的问题。文献7以梯级水电耗水量最小为目标建立水光调度模型,验证水电调节性能好;但系统容量较小,不能满足大规模并网的要求。上述文献针对互补发电系统优化运行都取得了一定成果,但是都存在一定的局限性。本文提出了一种以并网波动指数最小、风光丢弃率最小以及电站经济收益最大为目标函数,综合考虑电力系统、各种分布式电源特性以及水库运行等约束条件,建立风光水互补系统的三目标优化运行策略模型,并采用NSGA-II算法对模型求解,得到不同的优化运行策略。1 风光水联合发电系统拓扑结构
3、根据风光水互补特性构建联合发电系统的拓扑结构如图 1 所示,主要包括水电机组、风电机组、光伏发电机组、逆变器以及变压器等。2 分布式电源模型2.1 水电出力模型水电机组发电功率主要决定于净水头、水轮发电机组的效率以及耗水量。一天内水头变化不大,因此本文中净水头和效率为常数,水电机组在时段 t 内的实际输出功率为:(1)式中:PH,t为第 t 时段内单个水轮发电机组的出力;HH,t为 t 时刻的发电净水头;(H)表示机组效率;QH,t表示 t 时刻通过水轮发电机组的水流量。2.2 光伏出力模型影响光伏发电输出功率的主要因素包括太阳辐射强度和光伏电池板运行温度两方面。故其实际输出功率为:(2)式中
4、:PV为单个光伏电池板的输出功率;PT为光伏电池板的额定输出功率;RT为太阳辐射的实际强度;RSTC为标准测试条件下的光照强度,本文取 1000W/m2;表示光伏组件温度系数,本文取 25;TC为光伏组件实际温度;TSTC为标准测试条件下的温度;为风光水联合发电系统多目标优化运行策略研究魏若愚张伟董子一(中核汇能有限公司 浙江省杭州市 310016)摘要:本文针对风、光发电并网功率波动性较大以及风光资源浪费的问题,基于风光水互补特性,构建了风光水互补发电系统拓扑结构;以并网波动指数最小、风光丢弃率最小以及电站经济收益最大为目标函数,综合考虑风光水电厂机组的各种约束条件,建立风光水电互补系统的三
5、目标优化运行模型。以湖北省某地区为例,对模型进行了算例仿真。通过案例分析,验证了本文所提出的优化运行策略有效性,为高比例水电电网大规模消纳新能源提供了新思路。关键词:风光水联合发电系统;多能互补;多目标优化;优化运行策略图 1:风光水联合发电系统拓扑结构电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering144光伏阵列的遮挡系数,本文取 10%。2.3 风电出力模型风力发电机的输出功率与实时风速密切相关,风速过大或者过小都会影响风力发电机的正常运行,二者之间的关系式为:(3
6、)式中:PW为单个风力发电机的输出功率;Pr为风机额定输出功率;vin为切入风速;vout为切出风速;vr为额定风速。在本文中取切入速度 3 m/s,切出速度 25 m/s。3 联合发电系统运行多目标优化模型3.1 目标函数本文采用互补发电系统并入大电网的剩余发电功率的风光水联合发电运行策略,建立并网波动指数最小、风光丢弃率最小以及电站经济收益最大的三目标函数:(1)并网波动指数:(4)(5)(2)风光丢弃率:(6)(3)经济效益:(7)式中:T 为调度周期,这里取 24 小时;Pav为单位周期内系统并网功率的平均值;PW,t,PH,t,PS,t为分别代表第 t 时段风电、水电、光伏实际出力;
7、Pl,t为第 t 时段居民负荷;PrW,t,PrS,t分别为风电机组、光伏电站在 t 时刻发电功率;CW,CH,CS为分别代表风电、水电、光伏上网电价,本文选用 2022 年湖北上网电价,即 CW=0.48元/kWh、CH=0.7 元/kWh、CS=0.24 元/kWh;t 为评价时段时长。3.2 约束条件(1)系统功率平衡约束:(8)式中:Ppc,t为在 t 时段系统并入大电网的剩余发电功率。(2)风电出力约束:(9)式中:PW,max为风电场额定出力,由风机生产规格决定。(3)光伏出力约束:(10)式中 PS,max为光伏电站出力最大值,具体由光伏电站本身的结构决定。(4)水电约束条件1.
8、水量平衡约束:(11)式中:VH,t+1,VH,t分别为水库在 t+1、t 评价时段末的库容,IH,t为水库在 t 评价时段的入库流量。2.水库约束A.储水量约束:(12)式中:VH,min、VH,max分别为水库允许的最大水容量和最小水容量。B.下泄流量约束:(13)式中:分别表示 t 时段所允许的下泄流量的下限和上限。由下游综合用水、航运要求等确定,由下游防洪要求确定。3.水电机组约束A.水轮机组发电流量约束:(14)式中:QH,min、QH,max分别为水轮机组的最小和最大流量。B.水轮机出力约束:(15)式中:PH,min、PH,max分别为水轮机的最小和最大出力。4 算例分析4.1
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