一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型制造技术

本发通过分析得复杂水力联系对出清结果的影响为流域来水对流域梯级电站发电能力的影响，基于此提出了一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型。模型先将非线性约束线性化，再将复杂水力联系转化成流域梯级电站的最大、最小发电量，进一步将水电机组以满足梯级发电量约束的等效“火电机组”方式参与现货市场出清，从而消除复杂水力联系。以云南水电外送广东为例进行验证，结果显示：所提模型能有效处理水电机组的复杂水力联系，得到节点边际电价(LMP)；流域梯级发电量约束的阻塞分量可以合理地表征流域来水给发电造成的阻塞成本；随着流域来水增多，联络线约束成主要阻塞，梯级发电量约束降为次要阻塞。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型
本专利技术属于电力交易现货市场领域，特别涉及一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型。技术背景2017年8月，文件《关于开展电力现货市场建设试点工作的通知》正式印发，明确了在南方(以广东起步)、蒙西、浙江、山西、山东、福建、四川、甘肃等8个地区开展电力现货试点，拉开了我国现货市场的改革序幕。2019年8月，文件《关于深化电力现货市场建设试点工作的意见》出台，进一步深化了电力市场化改革，旨在完善市场化电力电量平衡机制和价格形成机制，促进形成清洁低碳、安全高效的能源体系。电力现货市场可以还原电力的商品属性，其价格信号能够反映电能生产成本与供求关系，以及引导中长期电能资源优化配置。推动清洁能源参与现货市场交易，可以充分发挥清洁能源边际成本低的优势，以市场化方式来促进清洁能源消纳。然而，目前我国参与电力现货市场的研究主要以火电为主。不同于以火电为主的现货市场，水电由于梯级上下游水力联系、三维水力发电特性等，增大了现货市场出清的建模与求解难度，特别是对于水电居主导地位的云南与四川电网。如果将水电直接等同于火电，不考虑水电的特殊运行约束，则出清结果容易造成机组无水可发或被迫弃水。因此在现货市场出清模型中考虑复杂水力联系，是亟待解决的理论与实践挑战，这成为本专利技术关注的焦点。电力商品的价格发现是电力市场设计的核心内容。当前，国外现货市场采用的电价机制主要分为区域边际电价(zonalmarginalprice)和节点边际电价(locationalmarginalprice,LMP)2种。市场出清的标准化模型共分为安全约束机组组合(securityconstrainedunitcommitment,SCUC)模型、安全约束经济调度(securityconstrainedeconomicdispatch,SCED)模型和LMP计算模型3部分。为了推动水电等清洁能源在更大范围有效消纳，可以充分利用交直流联络线通道，进行跨区市场交易。本专利技术在传统出清模型的基础上，结合水电复杂水力联系的特点，考虑水电跨区消纳的场景，提出了耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型，得到机组发电计划与LMP，并重点分析了流域来水对出清结果的影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型，结合水电复杂水力联系的特点，考虑水电跨区消纳的场景，提出了耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型，得到机组发电计划与LMP，并重点分析了流域来水对出清结果的影响。本专利技术的技术方案为：一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型，按照下述步骤1-4获得可行的现货市场出清的发电计划和节点边际电价：1.约束线性化策略：为提高求解精度与效率，采用约束线性化策略将非线性化约束进行线性化处理1)水头线性化水头线性化是对库容-水位函数与出库流量-尾水位函数进行线性化处理。由于本专利技术选取的调度周期是1d，坝上水位与库容在1d内波动较小，因此对库容-水位函数直接在坝上初始水位附近进行线性逼近，其精度可满足计算需要，同时有效减少0-1整数变量的数量，提高求解效率。出库流量-尾水位函数为非线性一元函数，选择计算效率较高的SOS2(SpecialOrderSetsofType2)约束进行建模，具体细节见说明书附录A。2)水电机组动力特性线性化水电机组动力特性的线性化，常用方法有二类：一类是将动力特性曲线看成不同发电水头下的出力-发电流量曲线簇，将水头区间离散，在每个水头区间内选一条水头关联机组动力特性曲线，将三维关系转换为出力与发电流量的二维关系；另一类是将动力特性曲线看成三维曲面函数，利用三角剖分技术近似表示相应区域的曲面。本专利技术采用第一类方法对水电机组动力特性线性化处理。2.将水电机组转化为等效“火电机组”的建模：将复杂水力联系转化成流域梯级电站的电量约束，以此作为等效“火电机组”进行建模在电站末水位固定、日前来水已知的情况下，确定流域梯级水电站的最大、最小发电量，以此将复杂水力联系转换成电量约束。又我国清洁能源消纳政策要求在保证电力系统安全运行的前提下优先全额消纳水电等清洁能源。即在不弃水的条件下，确定流域梯级最大、最小发电量。下面以流域梯级发电量最大为目标建模，梯级最小发电量以此类推。模型的约束包括：a)水电机组的水力与电力相关约束(见后文式(9)-(22)所示)。b)联络线相关约束(见后文式(7)-(8)所示)。将上述约束线性化处理后，得到混合整数线性规划(MILP)模型，调用求解器可得流域梯级发电量的最大值。上述步骤将复杂水力联系转换成电量约束，以此可将水电机组等效为“火电机组”，只是除了火电机组固有的约束外，还有额外的电量约束(见后文式(40))。3.确定机组组合的SCUC模型：以发电成本最小作为目标函数构建机组组合的SCUC模型。以发电成本最小作为目标函数(见具体实施方式中的式(1))来构建SCUC模型，约束条件为系统的所有约束。将非线性约束线性化，即可调用求解器得到机组开机组合。4.确定发电计划与LMP的SCED模型：以确定的SCUC模型方案为基础确定发电计划与LMP的SCED模型。SCED模型是在给定发电机组的启停方案基础上进行经济调度，并且此时有复杂水力联系的水电机组等效为“火电机组”，则以后文式(33)为SCED模型的目标函数，不考虑机组的启停成本，约束条件为不考虑机组开停机持续时间约束的常规约束。同一流域的水电机组还需要满足电量约束：式中：Eb,min、Eb,max分别为流域梯级电站的最小、最大发电量。LMP有两种计算方法，本专利技术采用拉格朗日函数L对机组出力pm,t求偏导。将模型转化成拉格朗日函数形式(4.2),并根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优性条件可得式(4.3)：式中：λt为功率平衡约束的拉格朗日乘子；μm,t为机组爬坡与上下限约束对应的拉格朗日乘子；γl,t为联络线爬坡与上下限约束对应的拉格朗日乘子；ηb为流域梯级电量约束对应的拉格朗日乘子；B为流域数量。根据LMP的定义与推导，当机组为火电机组时，即m≠m′，可得LMP如式(4.4)所示，此时火电机组阻塞分量为0。式中：为机组m对应节点在时段t的LMP。当机组为水电机组时，即m＝m′，可得LMP如式(4.5)所示，此时阻塞分量包括两部分：联络线阻塞分量γl,t，流域梯级电量阻塞分量ηb。推导公式(4.3)也从另一角度解释了LMP的构成，有助于分析理解机组运行约束对LMP的影响，与经典的LMP由发电边际成本分量、阻塞分量、网损分量组成的定义并不矛盾。获得LMP与发电计划后，即可用于市场结算，至此出清模型构建完毕。本专利技术对比现有技术有如下有益效果：本专利技术的模型可以有效处理水电机组的复杂水力联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)约束线性化策略：为提高求解精度与效率，采用约束线性化策略将非线性化约束进行线性化处理；/n(2)将水电机组转化为等效“火电机组”的建模：将复杂水力联系转化成流域梯级电站的电量约束，作为等效“火电机组”进行建模；/n(3)确定机组组合的SCUC模型：以发电成本最小作为目标函数构建机组组合的SCUC模型；/n(4)确定发电计划与LMP的SCED模型：以确定的SCUC模型方案为基础确定发电计划与LMP的SCED模型；/n所述的约束线性化策略，具体如下：/nA.水头线性化/n水头线性化是对库容-水位函数与出库流量-尾水位函数进行线性化处理，对库容-水位函数直接在坝上初始水位附近进行线性逼近；选择SOS2约束进行建模，具体方法如下：/n将出库流量u离散成一系列点，得到出库流量集合

【技术特征摘要】
1.一种耦合复杂水力联系的跨区交易现货市场出清模型，其特征在于，具体步骤如下：
(1)约束线性化策略：为提高求解精度与效率，采用约束线性化策略将非线性化约束进行线性化处理；
(2)将水电机组转化为等效“火电机组”的建模：将复杂水力联系转化成流域梯级电站的电量约束，作为等效“火电机组”进行建模；
(3)确定机组组合的SCUC模型：以发电成本最小作为目标函数构建机组组合的SCUC模型；
(4)确定发电计划与LMP的SCED模型：以确定的SCUC模型方案为基础确定发电计划与LMP的SCED模型；
所述的约束线性化策略，具体如下：
A.水头线性化
水头线性化是对库容-水位函数与出库流量-尾水位函数进行线性化处理，对库容-水位函数直接在坝上初始水位附近进行线性逼近；选择SOS2约束进行建模，具体方法如下：
将出库流量u离散成一系列点，得到出库流量集合与对应的坝下水位集合



引入非负实数变量σj，建模方法为：









SOS2(σ0,σ1,…,σJ)(A5)
B.水电机组动力特性线性化
将动力特性曲线看成不同发电水头下的出力-发电流量曲线簇，将水头区间离散，在每个水头区间内选一条水头关联机组动力特性曲线，将三维关系转换为出力与发电流量的二维关系；具体如下；
将水头离散成一系列点如式(1)；



I个点将水头取值范围分割成(I-1)个子区间，水头hr,n,t只能位于唯一子区间，引入辅助变量δr,n,t,i，构建数学表达：






δr,n,t,i∈{0,1}(4)
在每个水头子区间内，选定水头为对应的出力-发电流量曲线则机组动力特性表达如下：






……



式中：为的简写；
由式(3)得水头只能落入唯一子区间，假设δr,n,t,1＝1，则同时约束(6)到(7)被松弛掉，这样将机组动力特性转换成二维非线性曲线再采用水头线性化策略对其线性化处理；
为进一步提高求解精度与效率，可以精细化地确定净水头的取值范围；在短期优化调度中，坝上水位波动范围很小，坝下水位可以由发电流量为0到最大值计算出对应的取值范围，由此可确定净水头范围：






式中：frzq(ur,avg)为电站r平均出库流量ur,avg对应的尾水位，可由历史资料或试算获得；ΔH为净水头的搜索范围；
所述的水电机组转化为等效“火电机组”的建模，具体如下：
在电站末水位固定、日前来水已知的情况下，确定流域梯级水电站的最大、最小发电量，将复杂水力联系转换成电量约束；在不弃水的条件下，确定流域梯级最大、最小发电量；以流域梯级发电量最大为目标建模，梯级最小发电量以此类推；
模型目标函数为：



式中：b为流域编号；r∈b表示电站r位于流域b；
模型的约束包括：
a)水电机组的水力与电力相关约束：
A.始末库容约束：



式中：vr,t为电站r在时段t的库容；分别为电站r的初始库容与末库容；
B.水量平衡方程：



式中：dr,t为电站r在时段t的区间流量；Ω为电站r的直接上游电站数量；ur,t为电站r在时段t的出库流量；为直接上游电站σ在时段(t-Γσ,r)的出库流量；Γσ,r为直接上游电站σ到电站r的水流滞时；
C.净水头方程：



式中：hr,n,t、分别为水电机组n在时段t的净水头、水头损失；frzv(vr,t)为库容-水位函数；frzq(ur,t)为出库流量-尾水位函数；
D.出库流量方程：



式中：qr,n,t为机组n在时段t的发电流量；sr,t为电站r在时段t的弃水流量；
E.电站库容、出库流量与净水头的上下限约束：
Vr,min≤vr,t≤Vr,max(15)
Ur,min≤ur,t≤Ur,max(16)
Hr,min≤hr,t≤Hr,max(17)
式中：Vr,min与Vr,max分别为电站r的库容下限与上限；Ur,min与Ur,max分别为电站r的出库流量下限与上限；Hr,...

【专利技术属性】
技术研发人员：李崇浩，唐红兵，李树山，吴慧军，陈凯，廖胜利，程春田，钟儒鸿，刘欢，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44