一种具有rcaes的电力系统中机组组合的方法
一种具有rcaes的电力系统中机组组合的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种具有RCAES的电力系统中机组组合的方 法。
【背景技术】
[0002] 机组组合是支撑电力系统调度和运行的重要功能模块，通过机组组合，电力系统 可W根据设定的调度W最经济的方式保证电力系统各个时段的负荷平衡。然而，大规模 可再生能源单元并网给电力系统运行带来了新的挑战，该主要源于可再生能源单元的出力 不确定性及大量出现的反调高峰特性。为了有效应对可再生能源单元的出力不确定性及 反调高峰特性，一种可行的方式就是在电力系统中配置具有快速调节能力的储能系统，其 中，压缩空气储能（CAES，CompressedAir化ergyStorage)系统因为其可建设规模大、 使用寿命长、建设地点灵活等特点近年来备受关注，特别是回热式压缩空气储能（RCAES， RegenerativeCompressedAirElnergyStorage),近年来成为了研究的热点。RCAES系统 可W回收压缩过程中的高温高压空气释放的大部分热量，并在膨胀过程中加热压缩空气， 从而有效提高电力系统的能量转换效率。当RCAES系统配置在电力系统中时，如何在电力 系统中进行机组组合并对机组进行合理调度，从而提高电力系统在各个时段的负荷平衡成 为了一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明实施例提供一种具有RCAES系统的电力系统中机组组合的方 法，该方法能够提高电力系统在各个时段的负荷平衡。
[0004] 根据上述目的，本发明是该样实现的：
[0005] -种具有回热式压缩空气储能RCAES系统的电力系统机组组合的方法，该方法包 括：
[0006] 在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力 约束及储能能量约束。
[0007] 较佳地，该方法还包括；设置电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束、备用约 束及线路潮流约束；设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约 束及爬坡约束。
[0008] 较佳地，所进行的机组组合涉及的术语为：
[0009]
[0011] 较佳地，所述电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束的数学表达式为：
[0012]
[0013] 所述电力系统在每个时段需满足的备用约束的数学表达式为：
[0014]
[0015] 所述电力系统在每个时段需满足的线路潮流约束的数学表达式为：
[0016]
[0017] 较佳地，所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足出力约束的数学表达式 为：
[0018]
[0019] 所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足的最小开停机时间约束的数学 表达式为：
[0020]
[0021] 所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足爬坡约束的数学表达式为：
[0022]
[0023] 较佳地，所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束的数学表达式 为：
[0024]
[0025] 所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系统储能能量约束，其中RCAES系统中 的储气单元储气能量约束的数学表达式：
[0026]
[0027] RCAES系统中的储热单元储热能量约束的数学表达式：
[0028]
[0029] 较佳地，设置RCAES系统在压缩储能环节及膨胀环节具有相同的热交换占比，所 述的储气单元储气能量约束的数学表达式为：
[0030]
[0031] 所述的储热单元储热能量约束的数学表达式：
[0032]
[0033] 较佳地，该方法还包括：
[0034] 设置电力系统中RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率；
[0035] 根据所设置的RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率，确 定RCAES系统对电力系统运行影响。
[0036] 较佳地，所述RCAES系统的回热占比为；压缩环节及储热环节中，压缩空气向储热 单元释放的能量值占压缩空气能量值的比例，用目。。m表示；
[0037] 所述释热占比为；膨胀环节中，压缩空气从储热单元吸收的能量值占压缩空气能 量值的比例，用目tur表示；
[0038] 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为：
[0039] 设置RCAES系统的回热/释热占比的阔值范围，在该阔值范围下，电力系统的成本 及火电机组的开机数最少。
[0040] 较佳地，所述RCAES系统的储热环节的效率为；储热单元在膨胀环节被压缩空气 吸收的能量值同压缩环节及储热环节从压缩空气吸收的能量值之比，用ntw表示；
[0041] 所述RCAES系统的储气环节的效率：膨胀单元中节流阀出气口空气的能量值与储 气单元的储气罐进气口空气的能量值之比，用表示；
[0042] 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为：
[0043] 设置储热/储气环节的效率的阔值范围，在该阔值范围下，电力系统的成本及火 电机组的开机数最少。
[0044] 由上述方案可W看出，本发明在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个 时段需满足的功率平衡约束、备用约束及线路潮流约束；设置电力系统在每个时段需满足 的火电机组出力约束、最小开停机约束及爬坡约束；设置电力系统在每个时段需满足的 RCAES系统出力约束及储能能量约束。更进一步地，本发明设置电力系统中RCAES系统的回 热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率，根据设置的RCAES系统的回热/释热占比， 或/和，储热/储气环节的效率，确定RCAES系统对电力系统运行影响，从而在进行电力系 统的机组组合时，就可W充分考虑RCAES系统对电力系统运行影响，提高电力系统在各个 时段的负荷平衡。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明实施例提供的RCAES系统的结构示意图；
[0046] 图2为本发明实施例提供的RCAES系统的能量的存储和转换的关系示意图；
[0047] 图3为本发明实施例提供的具有RCAES的电力系统中机组组合的方法流程图； [004引图4为本发明实施例提供的电力系统中的系统负荷、各时段机组出力及RCAES系 统出力的示意图；
[0049] 图5为本发明实施例提供的RCAES系统中储热单元和储气单元的所存储能量的示 意图；
[0050] 图6为本发明实施例提供的各时段火电机组的开停示意图；
[0051] 图7为本发明实施例提供的不同时段RCAES系统出力示意图；
[0052] 图8为本发明实施例提供的不同目值下电力系统中的火电机组总开机数及机组 组合总成本示意图；
[0053] 图9为本发明实施例提供的不同目值下RCAES系统总效率示意图；
[0054] 图10为本发明实施例提供的不同的nt。,和取值下，电力系统中的机组组合 总成本和RCAES系统的整体效率的变化规律示意图。
【具体实施方式】
[0055] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下参照附图并举实施例，对 本发明作进一步详细说明。
[0056] 本发明在电力系统中设置机组组合并调度所涉及的术语如下：
[0057]
[0058] -个典型的RCAES系统包括压缩单元、储气单元、储热单元及膨胀单元四个部分， 如图1所示，图1为本发明实施例提供的RCAES系统的结构示意图，如图所示，将电能和空 气经过压缩单元（图中为压缩机）的压缩后，分别存储在储气单元和储热单元（图中为储气 罐）中，储气单元及储热单元则将储气及储热传输给膨胀单元（图中表示为透平）进行膨胀 处理后输出电能，在每个环节，都会存 在能量损失。
[0059] 本发明为了描述RCAES系统在电力系统中能量转换和传递的过程，定义了RCAES 系统的各种指标，如下所述：
[0060] 压缩环节效率：压缩储能过程中，压缩空气存储的能量值与电力系统输入能量值， 也就是电能之比，用n。。。表示，压缩环节效率可W衡量压缩过程中压缩机的电能、机械能损 耗及高品味电能转换为低品位热能时做功能力的损耗；
[0061] 储热环节效率：储热单元在膨胀环节被压缩空气吸收的能量值同压缩环节及储热 环节从压缩空气吸收的能量值之比，用ntw表示，储热环节效率可衡量压缩空气同储热单 元热交换过程中的能量损耗及储热单元自身的能量损耗；
[0062] 储气环节效率：膨胀单元中节流阀出气口空气的能量值与储气单元的储气罐进气 口空气的能量值之比，用表示，储气环节效率可衡量压缩气体在储气罐内的损耗及气 体经过节流阀时做功能力的损耗；
[0063] 膨胀环节效率；膨胀过程中，RCAES系统向电力系统输送的能量值，即电能与膨胀 释能过程中压缩空气能量值之比，用ntur表示，膨胀环节效率可衡量膨胀单元中透平及调 速器的机械能损耗；
[0064] 回热占比：压缩环节及储热环节中，压缩空气向储热单元释放的能量值占压缩空 气能量值的比例，用目。。m表示。
[0065] 释热占比；膨胀环节中，压缩空气从储热单元吸收的能量值占压缩空气能量值的 比例，用目tur表示。
[0066] 根据上述定义，可W得到RCAES系统的能量，也就是能量值的存储和转换的 关系不意图，如图2所不，在图2中，P;。，Pqut分别表不RCAES系统在各个环节同电力 系统交换功率值，根据能量，也就是能量的守恒，RCAES系统的整体效率可W表示为： n肪祀S=ne〇mnturWntesrKl-目)Hstoro
[0067] 受RCAES系统中的压缩机排气量及电动机功率限制，RCAES系统从电力系统吸收 的电功率必然存在一个上限；同理，受RCAES系统中的发电机及透平进气量的限制，RCAES 系统向电力系统提供的电功率也必然存在一个上限。电功率的上下限构成RCAES系统同电 力系统交换的功率约束，也就是出力约束，RCAES系统中的储气单元及储热单元的储能容量 则构成RCAES系统的储能容量约束。
[0068] 图3为本发明实施例提供的具有RCAES的电力系统中机组组合的方法流程图，其 具体步骤为：
[0069] 步骤301、在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的功率平 衡约束、备用约束及线路潮流约束；
[0070] 在本步骤中，该些都是电力系统的总约束。
[0071] 步骤302、设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约束 及爬坡约束。
[0072] 步骤303、设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束及储能能量约 束；
[0073] 在本步骤中，所述RCAES系统的储能能量约束包括；储气能量约束和储热能量约 束。
[0074] 图3所述的方法具体过程如下。
[00巧]考虑到具有RCAES系统的电力系统中的机组组合不仅包含一般约束条件，还包含 对RCAES系统的约束条件。在设置电力系统的机组组合时，一般不考虑RCAES系统的运行 成本，设置电力系统中的机组组合时，优化目标为最小化火电机组的运行成本。
[0076] 首先，确定电力系统的火电机组的运行成本
[0077] 火电机组的运行成本包括燃料费用、机组开停费用两大部分，其数学表达式如 下：
[0078]
(!)
[0079] 火电机组的燃料费用函数一般为火电出力的二次函数，为了转换为易于求解的线 性模型，采用分段线性化的模型；火电机组开停费用采用单态开机费用模型，其数学表达式 如下：
(2)
[0080]
[0081] 然后，设置电力系统的各个约束
[0082] (1)电力系统的总约束
[0083] 功率平衡约束，将RCAES系统考虑在内，电力系统在每个时段必须满足功率的平 衡约束，数学表达式表示如下：
[0084]
(3)
[0085] 电力系统备用约束，电力系统在每个时段必须满足对备用容量的基本要求，且备 用均由电力系统中的火电机组提供，其数学表达式如下：
[0088] 电力系统的线路潮流约束，在各时段，线路的有功潮流应始终保持在允许范围内， 数学表达式如下：
[0089]
[0090] (2)电力系统中的火电机组约束
[0091] 火电机组出力约束，火电机组一旦开机，其出力必须在最大和最小值之间。同时， 火电机组的最大可达出力也必须在其最大和最小值出力之间，数学表达式如下：
[0092]
(6)
[0093] 火电机组最小开停机时间约束，火电机组一旦开机/停机后，必须在最小时间要 求后才能停机/开机，数学表达式如下：
[0094]
(7)
[0095] 火电机组爬坡约束，火电机组在开机后、停机前的时段必须满足相应的出力要 求。对于相邻的两个时段，还必须满足火电机组的向上和向下爬坡出力要求，数学表达式如 下：
[0096]
[0099] (3)电力系统中的RCAES系统约束
[0100] RCAES系统出力约束，设定RCAES系统同电力系统交换功率的上下限，可W得到其 出力约束的数学表达式如下：
[0101]
[0102] 储气单元储气能量约束，其中的储气罐工作压强上下限，可W对应得到储气单元 储气能量约束的数学表达式如下：
[0103]
[0104] 并且，本发明实施例假定RCAES系统在压缩储能环节，及膨胀环节有相同的热交 换占比，即目。。m=目tw=目。相邻时段间，储气单元储气能量可按W下数学表达式计算：
[0105]
[0106] 储热单元储热能量约束，设定储热单元的相关参数，可得到储热单元储热能量约 束的数学表达式如下：
[0107]
(12)
[010引同样在目。。m=目tut=目假设下，储热单元相邻时段储热能量可按W下数学表达式计 算：
[0109]
[0110] 在本发明中，电力系统中RCAES系统的回热/释热占比、储热/储气环节的效率是 RCAES系统中与电力系统的效率直接相关的核也参数，可W分析RCAES系统的各个指标对 电力系统运行影响，W下在后续的具体实施例进行详细说明。
[0111] 在本发明实施例中，电力系统的基本数据采用IE邸39节点系统标准算例系统，在 该里不再给出。各时段上电力系统备用约束为电力系统负荷的10%。
[0112]RCAES系统并入电力系统的节点5,其各个指标参数如表1所示：
[011 引
[0114]表 1
[0115] 基于上述的RCAES系统及电力系统的基本参数，按照图3所述的过程进行具有 RCAES的电力系统中机组组合。
[0116] 更进一步地，分析与RCAES系统效率直接相关的指标参数对电力系统运行特性的 影响
[0117] 首先，RCAES系统对电力系统机组组合产生的影响进行分析
[011引 电力系统设置RCAES系统后，分别参考图4、图5和图6,图4为本发明实施例提供 的电力系统中的系统负荷、各时段机组出力及RCAES系统出力的示意图；图5为本发明实施 例提供的RCAES系统中储热单元和储气单元的所存储能量的示意图；图6为本发明实施例 提供的各时段火电机组的开停示意图。
[0119] 表2为设置/不设置RCAES系统的电力系统机组组合结果对比。
[0120]
[0121] 表 2
[0122] 从图4~图6及表2可W看出，电力系统在负 荷高峰的时段11~13及19~21 的机组开机数均有减少，而仅在时段3由于RCAES系统充电而增加了一台开机机组。在电 力系统中并入RCAES系统后，机组组合的成本降低了约0. 49%。该一方面验证了设置RCAES 系统的电力系统在机组组合设置的约束的正确性，同时验证了在电力系统设置RCAES系统 的有效性。图5中，储气及储热单元的储能容量并未完全被利用，该表明该两个单元还有进 一步优化的空间。
[0123] 然后，分析RCAES系统中的回热/释热占比对电力系统中的机组组合的影响
[0124] 本发明实施例假定压缩环节及膨胀环节的回热效率均是相等的，即 目?m=目目，并且目从5%到95%依次变化，而储热单元及储气单元效率分别固定在60% 及 80〇/〇。
[0125] 图7为本发明实施例提供的不同时段RCAES系统出力示意图。结合图6和图7所 示，表明电力系统中的火电机组开机数及RCAES系统出力主要在负荷高峰时段和负荷低谷 时段受到了较大的影响，该表明了RCAES系统并入电力系统后在电力系统中主要起到了削 峰填谷的作用。
[0126] 图8为本发明实施例提供的不同目值下电力系统中的火电机组总开机数及机组 组合总成本示意图，其中，左图为不同目值下电力系统中的火电机组总开机数示意图，右 图为不同目值下电力系统中的机组组合总成本示意图。图9为本发明实施例提供的不同 目值下RCAES系统总效率示意图。从图8和图9可W看出，尽管随着目的增大RCAES系 统的整体效率一直是降低的，但电力系统的总火电机组开机数及总运行成本却先降后升， 当目G[0.5,0.引时，电力系统的总运行成本是最低的，该表明RCAES系统的回热/释热 占比的设计将对电力系统的运行特性产生直接的影响，实际中应对此进行优化设计，从而 从整体上提高电力系统运行的效率与经济性。
[0127] 最后，分析RCAES系统中的储气/储热环节的效率对电力系统的机组组合的影响 [012引本发明实施例假定电力系统的回热/释热占比固定在70%，而RCAES系统中的储热 单元及储气单元的效率分别为HtesE[10%90%]和llstDrE[10%90%]。
[0129] 图10为本发明实施例提供的不同的nte,和取值下，电力系统中的机组组合 总成本和RCAES系统的整体效率的变化规律示意图。从图10可W看出，RCAES系统整体效 率是ntw和的增函数，但当ntw《20%或n,tpr《20%时，电力系统机组组合的总成 本却并未因此而降低，也即RCAES系统在电力系统中并未起到任何作用，而该主要是由于 RCAES系统本身存在一定的能量损耗，当RCAES系统中的储气单元或储热单元效率过低时， 电力系统若调度RCAES系统并不能降低系统运行的成本，故电力系统需要设定RCAES系统 不运行。从图10还可W看出，提高RCAES系统中储气单元及储热单元的效率到一定阔值W 上是发挥RCAES系统作用的基本前提。
[0130] 因此，本发明实施例所提出的分析与RCAES系统效率直接相关的指标对电力系统 的运行特性影响可W在实际工程中指导电力系统中RCAES系统的整体优化设置，充分发挥 RCAES系统在电力系统中的作用，从而有效降低电力系统运行的成本。
[0131] 从上述方案可W看出，本发明提供的设置有RCAES系统的电力系统进行机组组合 的方法，可W应用到电力系统的调度决策过程中，使得所指定的决策可W充分发挥RCAES 系统的作用，从而从整体上优化电力系统的运行，带来一定的经济效益。所提出的与RCAES 系统效率直接相关的指标对电力系统的运行特性影响的分析，可W直接指导电力系统在设 置RCAES系统时的整体配置。
[0132] 上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应 理解的是，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种具有回热式压缩空气储能RCAES系统的电力系统机组组合的方法，其特征在 于，该方法包括： 在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束 及储能能量约束。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括： 设置电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束、备用约束及线路潮流约束； 设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约束及爬坡约束。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所进行的机组组合涉及的术语为：〇4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力系统在每个时段需满足的功率平 衡约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的备用约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的线路潮流约束的数学表达式为：5. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力系统在每个时段需满足的火电机 组满足出力约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足的最小开停机时间约束的数学表达 式为：所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足爬坡约束的数学表达式为：6. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系 统出力约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系统储能能量约束，其中RCAES系统中的储 气单元储气能量约束的数学表达式：RCAES系统中的储热单元储热能量约束的数学表达式：7. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，设置RCAES系统在压缩储能环节及膨胀环节 具有相同的热交换占比，所述的储气单元储气能量约束的数学表达式为：所述的储热单元储热能量约束的数学表达式：8. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括： 设置电力系统中RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率； 根据所设置的RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率，确定 RCAES系统对电力系统运行影响。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述RCAES系统的回热占比为：压缩环节及 储热环节中，压缩空气向储热单元释放的能量值占压缩空气能量值的比例，用β _表示； 所述释热占比为：膨胀环节中，压缩空气从储热单元吸收的能量值占压缩空气能量值 的比例，用β tur表不； 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为： 设置RCAES系统的回热/释热占比的阈值范围，在该阈值范围下，电力系统的成本及火 电机组的开机数最少。10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述RCAES系统的储热环节的效率为：储 热单元在膨胀环节被压缩空气吸收的能量值同压缩环节及储热环节从压缩空气吸收的能 量值之比，用Htes表示； 所述RCAES系统的储气环节的效率：膨胀单元中节流阀出气口空气的能量值与储气单 元的储气罐进气口空气的能量值之比，用nst"表示； 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为： 设置储热/储气环节的效率的阈值范围，在该阈值范围下，电力系统的成本及火电机 组的开机数最少。
【专利摘要】本发明公开了一种具有回热式压缩空气储能RCAES系统的电力系统机组组合方法，该方法在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束、备用约束及线路潮流约束；设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约束及爬坡约束；设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束及储能能量约束。该机组组合方法能够充分考虑并发挥电力系统中RCAES系统的作用，提高电力系统运行的可靠性与经济性。
【IPC分类】H02J3/28
【公开号】CN104901323
【申请号】CN201410081768
【发明人】方陈, 陈来军, 张宇, 刘锋, 施侠, 刘隽, 梅生伟, 刘斌, 王程, 王召健
【申请人】国网上海市电力公司, 清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月7日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种具有RCAES的电力系统中机组组合的方 法。
【背景技术】
[0002] 机组组合是支撑电力系统调度和运行的重要功能模块，通过机组组合，电力系统 可W根据设定的调度W最经济的方式保证电力系统各个时段的负荷平衡。然而，大规模 可再生能源单元并网给电力系统运行带来了新的挑战，该主要源于可再生能源单元的出力 不确定性及大量出现的反调高峰特性。为了有效应对可再生能源单元的出力不确定性及 反调高峰特性，一种可行的方式就是在电力系统中配置具有快速调节能力的储能系统，其 中，压缩空气储能（CAES，CompressedAir化ergyStorage)系统因为其可建设规模大、 使用寿命长、建设地点灵活等特点近年来备受关注，特别是回热式压缩空气储能（RCAES， RegenerativeCompressedAirElnergyStorage),近年来成为了研究的热点。RCAES系统 可W回收压缩过程中的高温高压空气释放的大部分热量，并在膨胀过程中加热压缩空气， 从而有效提高电力系统的能量转换效率。当RCAES系统配置在电力系统中时，如何在电力 系统中进行机组组合并对机组进行合理调度，从而提高电力系统在各个时段的负荷平衡成 为了一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明实施例提供一种具有RCAES系统的电力系统中机组组合的方 法，该方法能够提高电力系统在各个时段的负荷平衡。
[0004] 根据上述目的，本发明是该样实现的：
[0005] -种具有回热式压缩空气储能RCAES系统的电力系统机组组合的方法，该方法包 括：
[0006] 在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力 约束及储能能量约束。
[0007] 较佳地，该方法还包括；设置电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束、备用约 束及线路潮流约束；设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约 束及爬坡约束。
[0008] 较佳地，所进行的机组组合涉及的术语为：
[0009]
[0011] 较佳地，所述电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束的数学表达式为：
[0012]
[0013] 所述电力系统在每个时段需满足的备用约束的数学表达式为：
[0014]
[0015] 所述电力系统在每个时段需满足的线路潮流约束的数学表达式为：
[0016]
[0017] 较佳地，所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足出力约束的数学表达式 为：
[0018]
[0019] 所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足的最小开停机时间约束的数学 表达式为：
[0020]
[0021] 所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足爬坡约束的数学表达式为：
[0022]
[0023] 较佳地，所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束的数学表达式 为：
[0024]
[0025] 所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系统储能能量约束，其中RCAES系统中 的储气单元储气能量约束的数学表达式：
[0026]
[0027] RCAES系统中的储热单元储热能量约束的数学表达式：
[0028]
[0029] 较佳地，设置RCAES系统在压缩储能环节及膨胀环节具有相同的热交换占比，所 述的储气单元储气能量约束的数学表达式为：
[0030]
[0031] 所述的储热单元储热能量约束的数学表达式：
[0032]
[0033] 较佳地，该方法还包括：
[0034] 设置电力系统中RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率；
[0035] 根据所设置的RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率，确 定RCAES系统对电力系统运行影响。
[0036] 较佳地，所述RCAES系统的回热占比为；压缩环节及储热环节中，压缩空气向储热 单元释放的能量值占压缩空气能量值的比例，用目。。m表示；
[0037] 所述释热占比为；膨胀环节中，压缩空气从储热单元吸收的能量值占压缩空气能 量值的比例，用目tur表示；
[0038] 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为：
[0039] 设置RCAES系统的回热/释热占比的阔值范围，在该阔值范围下，电力系统的成本 及火电机组的开机数最少。
[0040] 较佳地，所述RCAES系统的储热环节的效率为；储热单元在膨胀环节被压缩空气 吸收的能量值同压缩环节及储热环节从压缩空气吸收的能量值之比，用ntw表示；
[0041] 所述RCAES系统的储气环节的效率：膨胀单元中节流阀出气口空气的能量值与储 气单元的储气罐进气口空气的能量值之比，用表示；
[0042] 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为：
[0043] 设置储热/储气环节的效率的阔值范围，在该阔值范围下，电力系统的成本及火 电机组的开机数最少。
[0044] 由上述方案可W看出，本发明在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个 时段需满足的功率平衡约束、备用约束及线路潮流约束；设置电力系统在每个时段需满足 的火电机组出力约束、最小开停机约束及爬坡约束；设置电力系统在每个时段需满足的 RCAES系统出力约束及储能能量约束。更进一步地，本发明设置电力系统中RCAES系统的回 热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率，根据设置的RCAES系统的回热/释热占比， 或/和，储热/储气环节的效率，确定RCAES系统对电力系统运行影响，从而在进行电力系 统的机组组合时，就可W充分考虑RCAES系统对电力系统运行影响，提高电力系统在各个 时段的负荷平衡。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明实施例提供的RCAES系统的结构示意图；
[0046] 图2为本发明实施例提供的RCAES系统的能量的存储和转换的关系示意图；
[0047] 图3为本发明实施例提供的具有RCAES的电力系统中机组组合的方法流程图； [004引图4为本发明实施例提供的电力系统中的系统负荷、各时段机组出力及RCAES系 统出力的示意图；
[0049] 图5为本发明实施例提供的RCAES系统中储热单元和储气单元的所存储能量的示 意图；
[0050] 图6为本发明实施例提供的各时段火电机组的开停示意图；
[0051] 图7为本发明实施例提供的不同时段RCAES系统出力示意图；
[0052] 图8为本发明实施例提供的不同目值下电力系统中的火电机组总开机数及机组 组合总成本示意图；
[0053] 图9为本发明实施例提供的不同目值下RCAES系统总效率示意图；
[0054] 图10为本发明实施例提供的不同的nt。,和取值下，电力系统中的机组组合 总成本和RCAES系统的整体效率的变化规律示意图。
【具体实施方式】
[0055] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下参照附图并举实施例，对 本发明作进一步详细说明。
[0056] 本发明在电力系统中设置机组组合并调度所涉及的术语如下：
[0057]
[0058] -个典型的RCAES系统包括压缩单元、储气单元、储热单元及膨胀单元四个部分， 如图1所示，图1为本发明实施例提供的RCAES系统的结构示意图，如图所示，将电能和空 气经过压缩单元（图中为压缩机）的压缩后，分别存储在储气单元和储热单元（图中为储气 罐）中，储气单元及储热单元则将储气及储热传输给膨胀单元（图中表示为透平）进行膨胀 处理后输出电能，在每个环节，都会存 在能量损失。
[0059] 本发明为了描述RCAES系统在电力系统中能量转换和传递的过程，定义了RCAES 系统的各种指标，如下所述：
[0060] 压缩环节效率：压缩储能过程中，压缩空气存储的能量值与电力系统输入能量值， 也就是电能之比，用n。。。表示，压缩环节效率可W衡量压缩过程中压缩机的电能、机械能损 耗及高品味电能转换为低品位热能时做功能力的损耗；
[0061] 储热环节效率：储热单元在膨胀环节被压缩空气吸收的能量值同压缩环节及储热 环节从压缩空气吸收的能量值之比，用ntw表示，储热环节效率可衡量压缩空气同储热单 元热交换过程中的能量损耗及储热单元自身的能量损耗；
[0062] 储气环节效率：膨胀单元中节流阀出气口空气的能量值与储气单元的储气罐进气 口空气的能量值之比，用表示，储气环节效率可衡量压缩气体在储气罐内的损耗及气 体经过节流阀时做功能力的损耗；
[0063] 膨胀环节效率；膨胀过程中，RCAES系统向电力系统输送的能量值，即电能与膨胀 释能过程中压缩空气能量值之比，用ntur表示，膨胀环节效率可衡量膨胀单元中透平及调 速器的机械能损耗；
[0064] 回热占比：压缩环节及储热环节中，压缩空气向储热单元释放的能量值占压缩空 气能量值的比例，用目。。m表示。
[0065] 释热占比；膨胀环节中，压缩空气从储热单元吸收的能量值占压缩空气能量值的 比例，用目tur表示。
[0066] 根据上述定义，可W得到RCAES系统的能量，也就是能量值的存储和转换的 关系不意图，如图2所不，在图2中，P;。，Pqut分别表不RCAES系统在各个环节同电力 系统交换功率值，根据能量，也就是能量的守恒，RCAES系统的整体效率可W表示为： n肪祀S=ne〇mnturWntesrKl-目)Hstoro
[0067] 受RCAES系统中的压缩机排气量及电动机功率限制，RCAES系统从电力系统吸收 的电功率必然存在一个上限；同理，受RCAES系统中的发电机及透平进气量的限制，RCAES 系统向电力系统提供的电功率也必然存在一个上限。电功率的上下限构成RCAES系统同电 力系统交换的功率约束，也就是出力约束，RCAES系统中的储气单元及储热单元的储能容量 则构成RCAES系统的储能容量约束。
[0068] 图3为本发明实施例提供的具有RCAES的电力系统中机组组合的方法流程图，其 具体步骤为：
[0069] 步骤301、在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的功率平 衡约束、备用约束及线路潮流约束；
[0070] 在本步骤中，该些都是电力系统的总约束。
[0071] 步骤302、设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约束 及爬坡约束。
[0072] 步骤303、设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束及储能能量约 束；
[0073] 在本步骤中，所述RCAES系统的储能能量约束包括；储气能量约束和储热能量约 束。
[0074] 图3所述的方法具体过程如下。
[00巧]考虑到具有RCAES系统的电力系统中的机组组合不仅包含一般约束条件，还包含 对RCAES系统的约束条件。在设置电力系统的机组组合时，一般不考虑RCAES系统的运行 成本，设置电力系统中的机组组合时，优化目标为最小化火电机组的运行成本。
[0076] 首先，确定电力系统的火电机组的运行成本
[0077] 火电机组的运行成本包括燃料费用、机组开停费用两大部分，其数学表达式如 下：
[0078]
(!)
[0079] 火电机组的燃料费用函数一般为火电出力的二次函数，为了转换为易于求解的线 性模型，采用分段线性化的模型；火电机组开停费用采用单态开机费用模型，其数学表达式 如下：
(2)
[0080]
[0081] 然后，设置电力系统的各个约束
[0082] (1)电力系统的总约束
[0083] 功率平衡约束，将RCAES系统考虑在内，电力系统在每个时段必须满足功率的平 衡约束，数学表达式表示如下：
[0084]
(3)
[0085] 电力系统备用约束，电力系统在每个时段必须满足对备用容量的基本要求，且备 用均由电力系统中的火电机组提供，其数学表达式如下：
[0088] 电力系统的线路潮流约束，在各时段，线路的有功潮流应始终保持在允许范围内， 数学表达式如下：
[0089]
[0090] (2)电力系统中的火电机组约束
[0091] 火电机组出力约束，火电机组一旦开机，其出力必须在最大和最小值之间。同时， 火电机组的最大可达出力也必须在其最大和最小值出力之间，数学表达式如下：
[0092]
(6)
[0093] 火电机组最小开停机时间约束，火电机组一旦开机/停机后，必须在最小时间要 求后才能停机/开机，数学表达式如下：
[0094]
(7)
[0095] 火电机组爬坡约束，火电机组在开机后、停机前的时段必须满足相应的出力要 求。对于相邻的两个时段，还必须满足火电机组的向上和向下爬坡出力要求，数学表达式如 下：
[0096]
[0099] (3)电力系统中的RCAES系统约束
[0100] RCAES系统出力约束，设定RCAES系统同电力系统交换功率的上下限，可W得到其 出力约束的数学表达式如下：
[0101]
[0102] 储气单元储气能量约束，其中的储气罐工作压强上下限，可W对应得到储气单元 储气能量约束的数学表达式如下：
[0103]
[0104] 并且，本发明实施例假定RCAES系统在压缩储能环节，及膨胀环节有相同的热交 换占比，即目。。m=目tw=目。相邻时段间，储气单元储气能量可按W下数学表达式计算：
[0105]
[0106] 储热单元储热能量约束，设定储热单元的相关参数，可得到储热单元储热能量约 束的数学表达式如下：
[0107]
(12)
[010引同样在目。。m=目tut=目假设下，储热单元相邻时段储热能量可按W下数学表达式计 算：
[0109]
[0110] 在本发明中，电力系统中RCAES系统的回热/释热占比、储热/储气环节的效率是 RCAES系统中与电力系统的效率直接相关的核也参数，可W分析RCAES系统的各个指标对 电力系统运行影响，W下在后续的具体实施例进行详细说明。
[0111] 在本发明实施例中，电力系统的基本数据采用IE邸39节点系统标准算例系统，在 该里不再给出。各时段上电力系统备用约束为电力系统负荷的10%。
[0112]RCAES系统并入电力系统的节点5,其各个指标参数如表1所示：
[011 引
[0114]表 1
[0115] 基于上述的RCAES系统及电力系统的基本参数，按照图3所述的过程进行具有 RCAES的电力系统中机组组合。
[0116] 更进一步地，分析与RCAES系统效率直接相关的指标参数对电力系统运行特性的 影响
[0117] 首先，RCAES系统对电力系统机组组合产生的影响进行分析
[011引 电力系统设置RCAES系统后，分别参考图4、图5和图6,图4为本发明实施例提供 的电力系统中的系统负荷、各时段机组出力及RCAES系统出力的示意图；图5为本发明实施 例提供的RCAES系统中储热单元和储气单元的所存储能量的示意图；图6为本发明实施例 提供的各时段火电机组的开停示意图。
[0119] 表2为设置/不设置RCAES系统的电力系统机组组合结果对比。
[0120]
[0121] 表 2
[0122] 从图4~图6及表2可W看出，电力系统在负 荷高峰的时段11~13及19~21 的机组开机数均有减少，而仅在时段3由于RCAES系统充电而增加了一台开机机组。在电 力系统中并入RCAES系统后，机组组合的成本降低了约0. 49%。该一方面验证了设置RCAES 系统的电力系统在机组组合设置的约束的正确性，同时验证了在电力系统设置RCAES系统 的有效性。图5中，储气及储热单元的储能容量并未完全被利用，该表明该两个单元还有进 一步优化的空间。
[0123] 然后，分析RCAES系统中的回热/释热占比对电力系统中的机组组合的影响
[0124] 本发明实施例假定压缩环节及膨胀环节的回热效率均是相等的，即 目?m=目目，并且目从5%到95%依次变化，而储热单元及储气单元效率分别固定在60% 及 80〇/〇。
[0125] 图7为本发明实施例提供的不同时段RCAES系统出力示意图。结合图6和图7所 示，表明电力系统中的火电机组开机数及RCAES系统出力主要在负荷高峰时段和负荷低谷 时段受到了较大的影响，该表明了RCAES系统并入电力系统后在电力系统中主要起到了削 峰填谷的作用。
[0126] 图8为本发明实施例提供的不同目值下电力系统中的火电机组总开机数及机组 组合总成本示意图，其中，左图为不同目值下电力系统中的火电机组总开机数示意图，右 图为不同目值下电力系统中的机组组合总成本示意图。图9为本发明实施例提供的不同 目值下RCAES系统总效率示意图。从图8和图9可W看出，尽管随着目的增大RCAES系 统的整体效率一直是降低的，但电力系统的总火电机组开机数及总运行成本却先降后升， 当目G[0.5,0.引时，电力系统的总运行成本是最低的，该表明RCAES系统的回热/释热 占比的设计将对电力系统的运行特性产生直接的影响，实际中应对此进行优化设计，从而 从整体上提高电力系统运行的效率与经济性。
[0127] 最后，分析RCAES系统中的储气/储热环节的效率对电力系统的机组组合的影响 [012引本发明实施例假定电力系统的回热/释热占比固定在70%，而RCAES系统中的储热 单元及储气单元的效率分别为HtesE[10%90%]和llstDrE[10%90%]。
[0129] 图10为本发明实施例提供的不同的nte,和取值下，电力系统中的机组组合 总成本和RCAES系统的整体效率的变化规律示意图。从图10可W看出，RCAES系统整体效 率是ntw和的增函数，但当ntw《20%或n,tpr《20%时，电力系统机组组合的总成 本却并未因此而降低，也即RCAES系统在电力系统中并未起到任何作用，而该主要是由于 RCAES系统本身存在一定的能量损耗，当RCAES系统中的储气单元或储热单元效率过低时， 电力系统若调度RCAES系统并不能降低系统运行的成本，故电力系统需要设定RCAES系统 不运行。从图10还可W看出，提高RCAES系统中储气单元及储热单元的效率到一定阔值W 上是发挥RCAES系统作用的基本前提。
[0130] 因此，本发明实施例所提出的分析与RCAES系统效率直接相关的指标对电力系统 的运行特性影响可W在实际工程中指导电力系统中RCAES系统的整体优化设置，充分发挥 RCAES系统在电力系统中的作用，从而有效降低电力系统运行的成本。
[0131] 从上述方案可W看出，本发明提供的设置有RCAES系统的电力系统进行机组组合 的方法，可W应用到电力系统的调度决策过程中，使得所指定的决策可W充分发挥RCAES 系统的作用，从而从整体上优化电力系统的运行，带来一定的经济效益。所提出的与RCAES 系统效率直接相关的指标对电力系统的运行特性影响的分析，可W直接指导电力系统在设 置RCAES系统时的整体配置。
[0132] 上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应 理解的是，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种具有回热式压缩空气储能RCAES系统的电力系统机组组合的方法，其特征在 于，该方法包括： 在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束 及储能能量约束。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括： 设置电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束、备用约束及线路潮流约束； 设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约束及爬坡约束。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所进行的机组组合涉及的术语为：〇4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力系统在每个时段需满足的功率平 衡约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的备用约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的线路潮流约束的数学表达式为：5. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力系统在每个时段需满足的火电机 组满足出力约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足的最小开停机时间约束的数学表达 式为：所述电力系统在每个时段需满足的火电机组满足爬坡约束的数学表达式为：6. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系 统出力约束的数学表达式为：所述电力系统在每个时段需满足的RCAES系统储能能量约束，其中RCAES系统中的储 气单元储气能量约束的数学表达式：RCAES系统中的储热单元储热能量约束的数学表达式：7. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，设置RCAES系统在压缩储能环节及膨胀环节 具有相同的热交换占比，所述的储气单元储气能量约束的数学表达式为：所述的储热单元储热能量约束的数学表达式：8. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括： 设置电力系统中RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率； 根据所设置的RCAES系统的回热/释热占比，或/和，储热/储气环节的效率，确定 RCAES系统对电力系统运行影响。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述RCAES系统的回热占比为：压缩环节及 储热环节中，压缩空气向储热单元释放的能量值占压缩空气能量值的比例，用β _表示； 所述释热占比为：膨胀环节中，压缩空气从储热单元吸收的能量值占压缩空气能量值 的比例，用β tur表不； 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为： 设置RCAES系统的回热/释热占比的阈值范围，在该阈值范围下，电力系统的成本及火 电机组的开机数最少。10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述RCAES系统的储热环节的效率为：储 热单元在膨胀环节被压缩空气吸收的能量值同压缩环节及储热环节从压缩空气吸收的能 量值之比，用Htes表示； 所述RCAES系统的储气环节的效率：膨胀单元中节流阀出气口空气的能量值与储气单 元的储气罐进气口空气的能量值之比，用nst"表示； 所述确定RCAES系统对电力系统运行影响为： 设置储热/储气环节的效率的阈值范围，在该阈值范围下，电力系统的成本及火电机 组的开机数最少。
【专利摘要】本发明公开了一种具有回热式压缩空气储能RCAES系统的电力系统机组组合方法，该方法在电力系统进行机组组合时，设置电力系统在每个时段需满足的功率平衡约束、备用约束及线路潮流约束；设置电力系统在每个时段需满足的火电机组出力约束、最小开停机约束及爬坡约束；设置电力系统在每个时段需满足的RCAES系统出力约束及储能能量约束。该机组组合方法能够充分考虑并发挥电力系统中RCAES系统的作用，提高电力系统运行的可靠性与经济性。
【IPC分类】H02J3/28
【公开号】CN104901323
【申请号】CN201410081768
【发明人】方陈, 陈来军, 张宇, 刘锋, 施侠, 刘隽, 梅生伟, 刘斌, 王程, 王召健
【申请人】国网上海市电力公司, 清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月7日
最新回复(0)