一種計及規模儲能的含風電電力系統黑啟動分區方法
1.本發明涉及新型電力系統恢復控制領域，具體為一種計及規模儲能的含風電電力系統黑啟動分區方法。
背景技術：
2.為實現“雙碳”目標，推動能源轉型，中央提出構建以新能源為主體的新型電力系統。以風電、光伏為代表的新能源雖然具有啟動速度快、啟動功率小等優勢，但因其固有的出力間歇性、波動性給電網的安全運行造成了極大的挑戰，大停電事故時有發生，比如2019年的委內瑞拉大停電、2021年的美國德州大停電。所以研究大電網大停電后的黑啟動有著重要的意義。
3.目前我國“三華”特高壓同步電網形成“五縱五橫”主網架，電網規模比2010年翻一番以上。在大電網、新型電力系統背景下越來越多的區域已經實現了電網互聯，提高了供電的可靠性、更合理的利用系統中各類發電廠提高運行經濟性。由于互聯大電網一般不只有一個黑啟動電源且系統規模巨大所以首先按照大電網中黑啟動電源的分布情況對系統進行合理分區，各個分區在時間上并行恢復，提高了整體恢復效率，降低了各分區子系統的停電時間。所以科學合理的分區對系統快速完成網架重構有著重要意義。
技術實現要素：
4.(一)解決的技術問題
5.現有研究主要針對傳統電力系統分區，對于大量配置儲能的新型電力系統分區研究較為薄弱。而在新型電力系統背景下為了應對新能源出力的波動性需要系統中由足夠的靈活性資源作支撐，而在黑啟動階段電力系統骨干網架尚未恢復，系統比較脆弱，靈活性資源匱乏難以接入規模新能源。儲能是系統中最重要的靈活性資源，為構建新型電力系統需要在系統中配置大量儲能。為此需要考慮各個分區的靈活性支撐能力。
6.所以本發明首先使用兩階段優化模型求解分區方案，第一階段以待恢復發電機獲得啟動功率時間最短對于系統內的風電場儲能資源以及其他待恢復機組進行分區；第二階段以分區內部聯系緊密為目標對系統中剩余的負荷節點進行分區得到分區方案。之后在第一階段優化模型中添加“割”約束去掉已有分區方案重新優化得到備選分區方案集合；隨后使用innc法求解各個分區方案的ppf曲線對各個分區進行準重構，得到各個分區的評價指標值，使用變異系數法篩選出最優分區方案。
7.(二)技術方案
8.本發明提供一種計及規模儲能的含風電電力系統黑啟動分區方法，包括以下步驟：
9.s1：待恢復機組分區
10.進一步的，s1所述詳細步驟如下：
11.s101：依據電力系統黑啟動電源的位置與數量確定機組分區約束。
12.s102：以待恢復發電機得到啟動功率時間最短為目標，考慮機組分區約束、機組數量約束對系統內的風電場-特級負荷聯合系統、風電場及其儲能資源、其余機組節點進行分區。本發明以發電機距黑啟動電源的電氣距離代表待恢復發電機得到啟動功率時間。目標函數f1的表示如下式所示:
[0013][0014]
式中，m為分區總數；n
gh,i
為分區i待恢復發電機數量；n
wh,i
為分區i待恢復普通風電場數量；n
ws,i
為分區i風電場-特級負荷系統數量；im表示第i個分區內的黑啟動電源節點。d
i,j,im
為節點j到分區i黑啟動電源im的電氣距離；d
i,j,iml
，d
i,j,imws
分別為風電場-特級負荷系統j中特級負荷和風儲系統到im的電氣距離。z
i,j
為節點分區決策變量，z
i,j
＝1表示將節點j分到第i個分區。
[0015]
s2：備選分區方案集合求解
[0016]
進一步的，s2所述詳細步驟如下：
[0017]
s201：根據每個分區內的火電機組廠用電和黑啟動電源的發電能力確定機組啟動約束、源荷匹配約束、區內聯通約束、以及聯合系統的聯合運行約束。
[0018]
s202：以分區節點到分區黑啟動電源的電氣距離最小作為目標函數為目標，考慮上述約束對系統剩余儲能、負荷節點進行分區。
[0019][0020]
式中，m為分區總數；n
l,i
為第i個分區的節點數；im表示第i個分區內的黑啟動電源節點。
[0021]
s203：在第一階段的機組分區模型中重置分區模型，本發明添加如下約束去掉已經得到的分區方案重新優化，如此循環直到無法求解。
[0022][0023]
其中：γ為己確定的黑啟動分區方案集合，隨著優化進行該集合元素數量逐漸增加；γ為某一具體子系統劃分方案；z
γim
為方案γ中變量的具體取值。
[0024]
如此循環直到無法求解。得到的方案組成備選分區方案集合。上述過程添加約束之后得到的分區方案至少有一臺待恢復機組、儲能的分區與已有方案不同，而負荷的分區根據機組的分區不同相應的改變。
[0025]
將得到的方案組成備選分區方案集合。
[0026]
s3：分區方案準重構結果求解
[0027]
進一步的，s3所述詳細步驟如下：
[0028]
s301：對分區的機組、儲能建立模型。具體包括：火電機組模型、風電機組模型、儲能資源模型。
[0029]
s302：確定潮流約束、暫態頻率約束約束。
[0030]
本發明采用直流潮流作為約束。
[0031][0032]
式中b
l
、b0分別為支路電納矩陣和節點電納矩陣；pb為節點注入有功向量；p
l
為支路功率矩陣。
[0033]
s303：以最大化火電機組出力、最大化火電機組出力為目標，使用innc法求解分區備選準重構方案集合
[0034]
(1)最大化火電機組出力
[0035]
在最大化火電機組出力的目標引導下，黑啟動機組或已經恢復的初期帶電系統的啟動功率將全部用來恢復火電機組的廠用負荷，機組啟動決策力圖使整個重構時長t期間火電機組的發電量最大，目標函數可表示為，
[0036][0037]
式中，n
gh
為已恢復的火電機組總數。n
gd
為待啟動的火電機組總數；k
j,t
表示t時步第j臺火電機組是否啟動的0/1決策變量；t
0,i
為已恢復機組的啟動時刻，t0為當前時刻。
[0038]
(2)最大化風電機組出力
[0039]
為了最大化風電機組出力，可用的啟動功率需要按照風電出力的預測波動程度為其提供最大可能的有功備用支持，不再恢復火電機組輔機設備。t為本時步時長，其目標函數為
[0040][0041]
式中第1項表示該時步決策啟動的臺風電機組按照期望出力的總發電量，其中變量含義同式(18)。第2項表示在ty內已達到最小技術出力的相關火電機組為風電提供的同步備用電量。在網架重構階段，廠用電負荷是最重要的負荷，第3項表示發電功率優先恢復廠用電負荷。
[0042]
以上述兩個目標為目標函數，以潮流約束、暫態頻率約束、生產模型作為約束條件組成雙目標優化模型按照innc法的步驟進行求解。
[0043]
s304：使用變異系數法考慮風電恢復量、火電恢復量、重要負荷恢復量選擇最優準重構方案，并用其結果作為該分區方案的評價指標值。
[0044]
s4：最優分區方案選擇
[0045]
新型電力系統要求系統有足夠的靈活性消納新能源。本發明選擇準重構階段的風電恢復量、火電恢復量兩個指標表征系統的靈活性。并選擇分區電氣距離、系統恢復時間、分區恢復時間平衡性三個指標表征分區方案的合理性，使用變異系數法綜合考慮以上五個指標，根據各個方案的各個指標值之差使用變異系數法求得各個指標的權重，之后對各方案的指標值進行加權求和，獲得方案的綜合評價值。綜合評價值最大的方案為最優分區方案。
[0046]
(三)有益效果
[0047]
與現有技術相比，本發明提供了一種計及規模儲能的含風電電力系統黑啟動分區
方法，具備以下有益效果：
[0048]
1、本發明的分區方法可以根據系統的實際情況合理分區，使得網絡中的所有發電機組以及靈活性資源合理分配，提高其利用率，使得分區之后的方案在網架重構階段中恢復的系統發電能力最大。
[0049]
2、相較于傳統的網架重構分區，本發明考慮了儲能這種最重要的靈活性資源，使得本發明接入的風電比例大大提高，對于新型電力系統背景下的網架重構分區提出了一種參考方法；
[0050]
3、本發明將黑啟動風電場與其最近恢復的火電機組組成擴展黑啟動電源使得分區方案以及準重構過程更加符合實際；將配置儲能但達不到黑啟動的風電場與其最近的特級負荷組成風電場-特級負荷系統，大大減少了特級負荷的停電時間減少了大停電帶來的經濟損失。
附圖說明
[0051]
圖1為本發明流程示意圖；
[0052]
圖2為圖1火電廠出力曲線。
具體實施方式
[0053]
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0054]
請參閱圖2，本發明提供一種計及規模儲能的含風電電力系統黑啟動分區方法：包括以下步驟：
[0055]
s1：待恢復機組分區
[0056]
第一階段是以待恢復發電機獲得啟動功率時間最短為目標，考慮機組歸屬約束、分區機組數量約束對系統內的風電場-特級負荷聯合系統、風電場及其儲能資源、其余機組節點進行分區。
[0057]
s101：依據電力系統黑啟動電源的位置與數量確定機組分區約束。機組分區約束即每個機組只能歸屬于一個分區
[0058]z1,j
+z
2,j
+
…
+z
i,j
…
+z
m,j
＝1,j∈{1,2,
…
,n}
[0059]zi,j
為節點分區決策變量，z
i,j
＝1表示將節點j分到第i個分區。
[0060]
機組數量約束即機組不能集中于一個分區，如下式所示：
[0061][0062]
s102：以待恢復發電機得到啟動功率時間最短為目標，考慮機組分區約束、機組數量約束對風電場-特級負荷聯合系統、風電場及其儲能資源、其余機組節點。第一階段以待恢復發電機得到啟動功率時間最短為目標進行求解。本發明以發電機距黑啟動電源的電氣距離代表其恢復時間。目標函數f1的表示如下式所示:
[0063][0064]
式中，m為分區總數；n
gh,i
為分區i待恢復發電機數量；n
wh,i
為分區i待恢復普通風電場數量；n
ws,i
為分區i風電場-特級負荷系統數量；im表示第i個分區內的黑啟動電源節點。d
i,j,im
為節點j到分區i黑啟動電源im的電氣距離；d
i,j,iml
，d
i,j,imws
分別為風電場-特級負荷系統j中特級負荷和風儲系統到im的電氣距離。z
i,j
為節點分區決策變量，z
i,j
＝1表示將節點j分到第i個分區。
[0065]
s2：備選分區方案集合求解
[0066]
第二階段以分區內部聯系緊密為目標對系統中剩余儲能、負荷節點進行分區得到一個分區方案。本發明以分區節點到分區黑啟動電源的電氣距離最小作為目標函數表示分區內部聯系緊密。考慮各種分區約束，建立分區優化模型對系統剩余負荷節點進行分區得到一個分區方案。
[0067]
之后在第一階段優化模型重置分區模型并去掉已經生成的方案重新求解。反復求解直到無可行分區方案或者分區方案足夠多時停止求解，將得到的所有分區方案組成備選分區方案集合。
[0068]
s201：根據每個分區內的火電機組廠用電和黑啟動電源的發電能力確定機組啟動約束、源荷匹配約束、區內聯通約束、以及聯合系統的聯合運行約束。
[0069]
(1)機組啟動約束。
[0070]
對于分區i，其待恢復機組中至少一臺機組的啟動功率要小于黑啟動機組額定輸出功率的70％，其余30％額定功率供給其附近的負荷，以保證其穩定運行，即
[0071][0072]
式中：p
bi
為分區i中的黑啟動機組額定功率；p
gij，f
為分區i中第j臺待恢復機組所需的啟動功率。
[0073]
(2)源荷匹配約束
[0074]
分區時需要保證每個分區內均有足夠的可調度負荷支撐發電機組安全運行，即分區內火電機組最小出力與風電機組期望出力之和小于等于可調度負荷總量:
[0075][0076]
式中，n
g,m
為第m個分區內的火電機組數量；n
w,k,m
為第m個分區內的風電場數量；n
d,m
第m個分區內的負荷節點數量；p
min,m,j
為第m個分區內第j臺火電機組的最小技術出力；為第m個分區內第k個風電場的期望出力；p
dl,m
為第m個分區內第l個負荷節點所帶的負荷；
[0077]
(3)區內連通約束
[0078]
本發明使用網絡流理論保證各個分區的連通性，需要滿足如下條件：網絡中僅存在一個源點匯點需有流量到達；滿足基爾霍夫第一定律。為此需要將系統中的支路使用兩
條方向相反的有向弧表示，構造成有向圖。如果支路有向弧兩端節點均在同一個分區內，則其一定屬于該分區。
[0079]
(4)聯合運行系統約束
[0080]
對于特級負荷聯合運行系統，其儲能配置不足。為了保證特級負荷不斷電，需要保證在2h之內納入穩定恢復的分區中，所以該聯合運行系統與其所在分區的黑啟動電源的距離不能太遠。如式(21)所示：
[0081]di,j
≤d
max,j
???
(21)
[0082]di,j
表示分區i中第j個特級負荷聯合運行系統到分區i中黑啟動電源的距離；d
max,j
為第j個特級負荷聯合運行系統到其所在分區黑啟動電源的最大距離。
[0083]zim
＝z
(i-j)m
[0084]zim
為第i個特級負荷風電場的分區決策變量；z
(i-j)m
為該風電場供電的特級負荷j的分區決策變量。該約束表示特級負荷聯合運行系統的兩個子節點處于同一個分區。
[0085]
對于擴展黑啟動系統，要求其恢復的火電廠處于該黑啟動電源形成的分區內。如下式所示：
[0086]zjm
＝1
[0087]
zjm為風電場黑啟動電源m直接供電的火電廠j的分區決策變量。
[0088]
s202：以分區節點到分區黑啟動電源的電氣距離最小作為目標函數為目標，考慮上述約束對系統剩余儲能、負荷節點進行分區。
[0089][0090]
式中，m為分區總數；n
l,i
為第i個分區的節點數；im表示第i個分區內的黑啟動電源節點。
[0091]
s203：在第一階段的機組分區模型中重置分區模型，本發明添加如下約束去掉已經得到的分區方案重新優化，如此循環直到無法求解。
[0092][0093]
其中：γ為己確定的黑啟動分區方案集合，隨著優化進行該集合元素數量逐漸增加；γ為某一具體子系統劃分方案；z
γim
為方案γ中變量的具體取值。
[0094]
如此循環直到無法求解。得到的方案組成備選分區方案集合。上述過程添加約束之后得到的分區方案至少有一臺待恢復機組、儲能的分區與已有方案不同，而負荷的分區根據機組的分區不同相應的改變。
[0095]
將得到的方案組成備選分區方案集合。
[0096]
s3：分區方案準重構結果求解
[0097]
本發明首先對系統中各種資源分別建立模型，同時考慮潮流約束、暫態頻率約束、火電機組啟動時限約束。之后以最大化火電機組出力、最大化火電機組出力為目標建立雙目標準重構模型，之后使用innc法求解得到各個分區的準重構方案。最后以火電機組發電量、風電場發電量、重要負荷恢復量為指標選擇最終準重構方案，得到各個分區方案的準重構結果。
[0098]
s301：對分區的機組、儲能建立模型。具體包括：火電機組模型、風電機組模型、儲
能資源模型。
[0099]
(1)火電機組
[0100]
同一重構時步內的不同機組可分別處于準備啟動或啟動、升負荷及達到最小技術出力等不同運行狀態。火電機組恢復之后其出力如下圖所示：
[0101]
網架重構階段火電機組在達到最小技術出力之前不會預留備用，在達到最小技術出力之后可以犧牲部分出力作為上調備用恢復風電機組。需要注意，由于火電機組出力恢復速度受到其鍋爐溫度和壓力的較大影響，為了最大限度地消除對重構效率的制約或不利影響，機組啟動時刻t
ia
應滿足式(13)所示的相應啟動時間限制。
[0102]
0《t
ia
《t
ch,i
或t
ia
》t
cc,j
????
(13)
[0103]
其中，t
ch,i
為自然循環機組的最大臨界熱啟動時間，t
cc,j
為直流機組的最小臨界啟動時間。
[0104]
(2)風電機組
[0105]
當黑啟動風電場供電火電機組出力為0時
[0106]
此時黑啟動風電場所帶儲能只能維持本風電場出力，調度權受限。約束表示如下：
[0107][0108]
m表示風電場黑啟動電源節點，此約束保證此時黑啟動風電場儲能的出力正好平抑本身的波動。其余備用約束如下：
[0109][0110]
其中nw表示的是該時步可恢復區域內的風電場數；nj為第j個風電場所擁有的風機臺數。為第j個風電場本時步恢復的風機臺數。為第j個風電場的期望出力；為第j個風電場在置信度水平下的最小出力；n
gm
為該時步已經達到最小技術出力可以預留上調備用的火電機組臺數；p
gup,i,t
為第k臺火電機組預留的上調備用容量。p
i,tfang
為t時步儲能i的放電功率；ns為儲能的個數。
[0111]
如果分區黑啟動電源為風電場，其配置儲能在其最先恢復的火電機組出力之前只能平抑本風電場出力波動；當其最先恢復的火電機組開始并網出力之后則其配置儲能調度權限放開，為系統靈活性需求服務。具體模型如下：
[0112]
其最先恢復的火電機組沒有并網出力，此時預留備用模型如下：
[0113][0114]
除此之外還要保證風電場m供電的火電廠必須恢復，如下式所示：
[0115][0116]
表示火電機組g在t時步的恢復決策變量。
[0117]
如果火電機組已經并網出力則預留備用模型如下：
[0118][0119]
(3)儲能資源模型
[0120]
儲能系統在t時刻的功率輸出可以表示為：
[0121][0122]
其中，表示t時刻bess輸出有功功率，表示t時刻bess的放電功率，表示t時刻bess的充電功率。如果為正，儲能系統放電；否則，儲能系統充電。
[0123]
(3.1)儲能的功率約束
[0124][0125][0126]
上述兩式分別表示儲能的充、放電功率不超過其最大、最小功率限制。
[0127]yich
和y
ifang
分別為儲能的充放電狀態決策變量。y
ich
為1表示儲能i充電、為0表示不充電。y
ifang
同理。
[0128]
由于同一時步儲能的充放電狀態只有一種故還要滿足下面的約束
[0129][0130]
(3.2)儲能容量約束
[0131][0132][0133]
ηi為儲能i的轉化效率。為儲能i的最小容量一般取額定容量的10％，為儲能i的最大容量一般取額定容量的90％。
[0134]
s302：確定潮流約束、暫態頻率約束約束。
[0135]
(1)潮流約束
[0136]
本發明采用直流潮流作為約束。
[0137][0138]
式中b
l
、b0分別為支路電納矩陣和節點電納矩陣；pb為節點注入有功向量；p
l
為支路功率矩陣。
[0139]
(2)暫態頻率偏差限值約束
[0140][0141]
δf
max
為系統允許的最大暫態頻率偏差，通常取0.5hz；ks,i為已經并網的第i臺機組的單位調節功率；pstr,t為t時步機組最大增發功率。
[0142]
s303：以最大化火電機組出力、最大化火電機組出力為目標，使用innc法求解分區備選準重構方案集合。
[0143]
(1)最大化火電機組出力
[0144]
在最大化火電機組出力的目標引導下，黑啟動機組或已經恢復的初期帶電系統的啟動功率將全部用來恢復火電機組的廠用負荷，機組啟動決策力圖使整個重構時長t期間火電機組的發電量最大，目標函數可表示為式(20)。
[0145][0146]
式中，n
gh
為已恢復的火電機組總數。n
gd
為待啟動的火電機組總數；k
j,t
表示t時步第j臺火電機組是否啟動的0/1決策變量；t
0,i
為已恢復機組的啟動時刻，t0為當前時刻。
[0147]
(2)最大化風電機組出力
[0148]
為了最大化風電機組出力，可用的啟動功率需要按照風電出力的預測波動程度為其提供最大可能的有功備用支持，不再恢復火電機組輔機設備。t為本時步時長，其目標函數如式(23)。
[0149][0150]
式中第1項表示該時步決策啟動的臺風電機組按照期望出力的總發電量，其中變量含義同式(18)。第2項表示在ty內已達到最小技術出力的相關火電機組為風電提供的同步備用電量。在網架重構階段，廠用電負荷是最重要的負荷，第3項表示發電功率優先恢復廠用電負荷。
[0151]
以上述兩個目標為目標函數，考慮以上約束組成雙目標優化模型按照innc法的步驟進行求解。
[0152]
s304：使用變異系數法考慮風電恢復量、火電恢復量、重要負荷恢復量選擇最優準重構方案，并用其結果作為該分區方案的評價指標值。
[0153]
s4：最優分區方案選擇
[0154]
新型電力系統要求系統有足夠的靈活性消納新能源。本發明選擇準重構階段的風電恢復量、火電恢復量兩個指標表征系統的靈活性。并選擇分區電氣距離、系統恢復時間、分區恢復時間平衡性三個指標表征分區方案的合理性，使用變異系數法綜合考慮以上五個指標，根據各個方案的各個指標值之差使用變異系數法求得各個指標的權重，之后對各方案的指標值進行加權求和，獲得方案的綜合評價值。綜合評價值最大的方案為最優分區方案。
[0155]
采用變異系數法對最優分區方案的決策過程簡述如下：
[0156]
(1)備選分區方案集合a＝{a1,a2,
…
,ai,
…
,an}共n個方案；
[0157]
(2)利用火電出力恢復量、風電出力恢復量、分區電氣距離、系統恢復時間、分區恢復時間平衡性構建評價指標集合e＝{e1,e2,e3,e4,e5}，記待評價方案ai針對評價指標ej的取值為y
ij
；
[0158]
(3)構建決策矩陣[y
ij
]n×5并依據式(30)進行歸一化，得到規范化決策矩陣
[0159][0160]
(4)確定各評價指標的權重。首先，根據式(31)求出評價指標ej的變異系數vj。進而，采用式(32)求出該指標的權重wj。
[0161][0162][0163]
(5)確定最優重構方案。以規范化決策矩陣為基礎，采用評價指標權重對各方案的指標值進行加權求和，獲得方案的綜合評價值。綜合評價值最大的方案為時步的最優重構方案。
[0164]
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
