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基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法.pdf
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1、第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:闻昕()男教授博士主要从事水利水电调度运行研究:.通信作者:谭乔凤()女青年教授博士主要从事水利水电调度运行研究:.:/基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法闻 昕秦济森谭乔凤张子仪王燕玲(河海大学水利水电学院江苏 南京)摘要:针对多能互补模式下水库调度面临径流、新能源出力等多重不确定性叠加影响以及如何协调近期效益和远期效益的最优余留库容等关键问题提出了一种基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法 结合数学期望模型提出了水光互补调度两阶段随机优化决策框架基于水库调度的周期性马尔科夫特性采用逐步迭
2、代方法对多能互补系统的余留期效益函数进行近似逼近以实现有限预报信息条件下水库长期余留库容动态决策 以锦屏一级水光互补系统为实例进行验证结果表明:余留期效益函数受光伏出力影响较小而与余留库容、径流呈正相关有关系随着调度时段从枯期进入汛期余留期效益函数逐渐从线性曲面变为凸曲面相较于常规调度方法提出的调度方法多年平均发电量在率定期、检验期分别增加了.亿、.亿 在径流、光伏出力预报信息相对较小的条件下能有效指导水光互补系统的长期调度运行关键词:水光互补余留期效益函数不确定性随机优化两阶段决策中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/():.:可再生能源的开发利用是保证未来能源安全以及应对全球气候变化的
3、重大战略举措 然而以风电、光伏为代表的可再生能源具有间歇性、波动性和随机性直接并网会对电力系统的安全稳定运行带来极大压力 利用自然资源的天然互补性同时发挥水电的灵活调节性实施多能互补运行是促进新能源消纳的一种有效途径 国务院关于印发 年前碳达峰行动方案的通知文件中明确提出“推动西南地区水电与风电、太阳能发电协同互补”中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 年远景目标纲要文件中明确提出“建设一批多能互补的清洁能源基地”年国家能源局全面启动全国主要流域可再生能源一体化规划研究工作推动了以水电调节能力为核心的水风光一体化资源配置、规划建设、调度运行和消纳 水风光一体化协同发展是可再生能源
4、未来发展方向是新时期可再生能源高质量发展的必由之路水风光多能互补系统的核心是利用水电快速灵活的调节能力平抑风光出力波动性在提升互补发电系统输电质量的同时提升多种能源的综合利用效率 由于风电、光伏不可储存多能互补系统调度运行的本质是将风光出力作为约束条件的水库再调度 按照时间尺度划分水库调度可以分为长期调度和短期调度 其中水库长期调度的目标是在满足各类约束的前提下寻求使发电量最大、发电保证率最大的水库调度计划既要考虑近期效益也要兼顾远期效益 目前围绕水库长期优化调度开展了广泛研究包括确定性优化调度和随机优化调度 确定性优化调度通常将调度期内的径流过程视为确定性已知条件利用动态规划算法()、遗 传
5、 算 法()、粒 子 群 算 法()等优化算法获取整个调度期内各个调度时段的水库调度过程使调度结果达到理论最优 而在实际运行过程中长期径流的预报精度不高且预见期有限并不能保证整个调度期的径流已知因此未考虑径流不确定性的确定性优化调度往往无法直接应用于实际运行 随机优化调度考虑了径流不确定性实现了随机径流条件下的期望最优可分为隐随机优化调度和显随机优化调度 隐随机优化调度将长系列历史径流资料作为确定性优化模型的样本输入利用优化算法得到理论上的最优调度过程再利用多元回归、神经网络、支持向量机等方法提取调度规则 该方法获取的调度规则简单直观应用方便但是调度规则的解析形式没有先验知识调度规则的优劣受数
6、据挖掘方法影响很大因此所提取的调度规则难以达到最优效果 显随机优化调度通过马尔可夫过程描述径流的不确定性借助条件转移概率和优化算法寻求余留库容各离散区间内的期望最优运行策略 随机动态规划()是最为常见的显随机优化方法其优化结果可直接指导水库的调度运行但是由于 需要同时对状态变量和随机变量进行离散遍历比确定性动态规划的“维数灾”更为严重故其在复杂水库群系统中应用较少水电站长期发电策略一直是水库优化调度研究的难点 在制订优化调度方案时不仅要考虑面临时刻的径流形势及调度效益还要顾及余留期径流变化规律及余留期效益 特别是在水光互补调度、打捆外送的新背景下水库调度面临径流、光伏功率等多重不确定性如何确定
7、能协调近期效益和远期效益的最优余留库容是亟待解决的难点问题 明波等提出了嵌套短期弃电风险的水光互补长期优化调度方法采用隐随机优化调度方法提取了线性调度函数该函数能有效指导水光互补长期调度 等采用隐随机优化调度方法提取了水光互补系统的线性调度规则提高了互补系统的发电量和发电保证率 刘哲源等针对水风光互补系统在变化环境下的运行问题采用集合卡尔曼滤波技术与隐随机优化调度方法开展适应性调度研究 等采用显随机优化调度方法同时考虑了径流和光伏功率的不确定性进一步了提高水光互补系统的调度效益 上述研究不同程度地考虑了径流、光伏功率的不确定性而如何实现有限预报精度和预见期下的最优余留库容决策仍需深入研究基于此
8、本文提出了一种基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法以实现有限预报信息条件下水库长期余留库容动态决策 首先结合数学期望模型提出水光互补调度两阶段随机优化决策框架然后基于水库调度的周期性马尔科夫特性提出逐步迭代方法对多能互补系统的余留期效益函数进行近似逼近并建立基于余留期效益函数的水光互补两阶段决策模型用以指导水光互补系统长期发电计划滚动更新最后以锦屏一级水库及周边光伏电站为实例检验所提出方法的合理性和有效性 研究方法.两阶段随机优化决策框架在约束条件或目标函数中包含随机变量的情况下使目标函数的期望值达到最优的数学规划称为期望值模型 该模型要求在随机变量还未实现的情况下做出可以最大化目标函
9、数期望值的决策对于这种随机优化问题可将问题划分为两个阶段:随机变量 实现前为第一阶段实现后为第二阶段 第一阶段制定的决策为 获得的阶段效益为()待随机变量 实现后在第二阶段制定策略 获得额外效益()两阶段决策框架为:()()()式中:()为第二阶段所有可能出现的情形下决策 的效用函数 为第二阶段的期望值水光互补调度的任务是:根据水库当前阶段初的水库库容和该时段的径流、光伏出力预报信息将光伏出力作为约束条件通过水库优化调度方法对水库进行再调度不断滚动向前做出水库的最优调度决策其不仅要兼顾当前阶段的近期效益还要通过余留库容考虑远期效益以实现全景效益最优图 为水光互补两阶段随机优化决策框架可见水光互
10、补系统根据调度期可大致分为当前阶段(第 时段)和余留期(第 时段至调度期末 )互补系统可以根据当前阶段的水库初始库容、预报径流 和光伏预测出力 通过决策当前阶段的水库余留库容 将水电和光伏出力联合送出和集中消纳提高当前阶段的即时效益()也可以根据余留库容、余留期径流序列和余留期光伏出力序列 在余留期采用调度策略提高余留期效益()图 水光互补两阶段决策框架.定义水光互补调度的两阶段随机优化决策框架如下:()()()()()()()式中:()为互补系统在 时段的最优水光期望发电效益 为 时段关于随机变量(径流、光伏出力)的二元联合期望算子本文假定径流与光伏出力之间相互独立、分别为 时段的水光出力、
11、水电出力和光伏出力 为互补系统的保证出力 为惩罚系数 为 时段的时间长度实施水光互补两阶段随机优化调度的前提是获得各个调度时段的余留期效益函数 但是余留期效益受到当前阶段的余留库容、余留期径流序列、光伏出力序列、调度策略等方面的影响这使得余留期效益函数难以获得 通过逆向递推计算可以获得不同状态变量(余留库容)和随机变量(径流、光伏出力)组合的余留期效益 但是传统的 存在缺陷:需要对所有的状态变量和随机变量进行离散遍历离散点过少会导致精度过低无法应对所有的工况离散点过多会使状态变量和随机变量的组合工况数量呈指数上升无法避免“维数灾”问题 为了克服传统 的缺陷本文提出一种逐步迭代方法对余留期效益函
12、数进行近似逼近.余留期效益函数近似本文提出一种基于 的逐步迭代方法:采用较少的离散节点获得余留期效益函数的输出样本然后在给定的收敛准则下通过逐步迭代的方法拟合样本输入和输出之间的函数关系推求余留期效益的近似函数 其主要求解步骤如下:步骤 建立考虑径流、光伏功率不确定性的 的递推方程:()()()()()()式中:、为径流、光伏出力等级指标()为径流的状态转移概率表示 时段径流为 时 时 段 径 流等 级 为的 概 率()为光伏出力的状态转移概率表示 时段光伏出力为 时 时段光伏出力 等级为 的概率()为 时段的余留期效益径流、光伏出力在月尺度上均有一定的转移规律可视为周期性的马尔科夫过程、一定
13、程度上反映余留期的径流形势 和光伏出力形势可假定()()步骤 将每个时段的初、余留库容在库容上下限范围内离散为 个点径流可根据皮尔逊型曲线划分为 个区间光伏出力可根据威布尔分布划分为 个区间步骤 假定 时段末余留期效益为 即()()步骤 初始设置 步骤 通过式()计算 时段初库容状态为、径流为、光伏出力为 时的余留期效益值遍历所有的库容、径流、光伏出力离散状态从而获得 时段初余留期效益值的所有样本集合()步骤 以库容状态、径流、光伏出力 为输入样本 为输出样本使用支持向量机智能黑箱模型作为余留期效益函数的近似器获取 时段初的余留期效益近似函数:()()()步骤 如果 转入步骤 否则令 并转入步
14、骤 步骤 更新 时段末的余留期效益值样本:()()()()步骤 采用智能黑箱模型获取 时段末的余留期效益近似函数 如果满足收敛准则式()则停止计算并保存最终的余留期效益近似函数否则转入步骤()()()()()式中:为迭代的次数 为允许误差随着逆向递推计算迭代次数增加余留期效益值将不断累积增大 但是对于 影响水库调度决策的是不同库容状态下的余留期效益之差而不是某个具体的余留期效益值 因此步骤 是为了避免余留期效益值在逐步迭代过程中不断累积增大并不影响其在随机优化调度中的作用.水光互补两阶段决策模型获取各个时段的余留期效益近似函数之后建立水光互补两阶段决策模型基于逐月的径流、光伏出力预报数据滚动向
15、前决策将原多阶段序贯决策的调度问题简化为两阶段的调度问题解决在长期预报精度低且预见期有限条件下的调度难题.目标函数水光互补随机优化调度通过决策每个调度时段水库的余留库容发挥水库的调节作用对水库水量和径流进行再分配促进光伏能源的消纳最大限度地提高整个调度期的水光发电量 其通常以互补系统发电量最大和发电保证率最大为目标构造目标函数表示为 ()()式中 为水光互补系统在调度期内兼顾发电保证率的最优期望发电量.约束条件模型考虑的约束条件包括水量平衡约束、水库库容约束、泄流能力约束、发电流量约束、电站出力约束和传输能力约束:()()式中:为水库在第 时段的出库流量 为 时段的时间长度、为水库在 时段的库
16、容下限(死库容)、上限(正常蓄水位或防洪限制水位)、为水库在 时段的下泄流量下限(最小生态需水流量)、上限(河道允许最大流量)为水库在第 时段的发电流量 为水库在 时段最大允许发电引用流量、分别为水电站在 时段的水电出力下限、上限 为外送通道传输能力本研究取水电装机容量 实例验证.工程概况与数据来源雅砻江流域水能资源丰富是我国第三大水电基地雅砻江下游是雅砻江流域的资源密集区也是整个雅砻江清洁能源基地的重点 选取锦屏一级水电站及周边光伏电站组成的水光互补系统为研究对象 锦屏一级水电站是雅砻江下游梯级电站中的龙头电站其正常蓄水位为 死水位为 防洪限制水位为 兴利调节库容为.亿 具有年调节性能水电装
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