一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法

1.本发明涉及虚拟电厂优化调度领域，特别是涉及一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法。


背景技术：

2.由于新能源的大力发展，风电、光伏、储能以及居民负荷(如电动汽车，电热水壶以及空调等设备)广泛接入电网，一方面给电力系统带来了较大的负荷需求，另一方面也给电力系统的调峰备用等带来了挑战。但是灵活性资源本身也具有一定的可调空间，传统电力系统由于通信等设施的不完善，导致忽略了这些资源的调节能力。随着新型电力系统的构建，越来越多的主动负荷以及新能源开始参与市场调节，但是单一资源的能力始终有限，为了更好的利用灵活性资源，聚合商采用虚拟电厂的技术统一控制灵活性资源。不同资源聚合下虚拟电厂的调节能力不同，这使得虚拟电厂难以参与辅助服务决策，甚至影响电网的安全可靠运行。因此，虚拟电厂在聚合和管理项目数量大、响应性能差异明显的可控负载时，不仅需要考虑可控负载的功率特性，还需要考虑可控负荷时域响应性能与不同辅助服务要求的兼容性。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法，本发明主要研究虚拟电厂可调空间构建与实时调度问题，可以实时给出灵活性资源聚合后可调节范围，并主动参与日内实时调度，预控电网稳定性；本发明量化了虚拟电厂内部资源的响应特征，通过建立了多维空间中的热稳定安全域分析模型，进而构建了以二维平面表示的虚拟电厂可调空间的可视化方法，为电网运行调度的控制和决策提供技术支持。
4.为了解决现有技术，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法，所述方法基于电力系统的灵活性资源聚合后的可调能力以及热稳定极限的节点出力限制，结合虚拟电厂耦合节点的可调节功率上下限，构建单一节点的安全区间的图形表示；包括如下步骤：
6.步骤1：依据在线的虚拟电厂中的半受控资源数据和全受控资源数据按照如下公式构建虚拟电厂聚合模型：
[0007][0008]
其中，p
base
是t时刻虚拟电厂聚合功率，是半控型资源的功率输出预测值，ns是半控型资源的数量，是全控型资源的功率输出预测值，nc是全控型资源的数量；
[0009]
步骤2、所述虚拟电厂聚合模型根据半受控资源数据和全受控资源数据预估输出功率差异获得虚拟电厂聚合模型的可调节空间输出值：
[0010][0011]
步骤3、依据离线电力系统中关键节点空间按照如下公式构建热稳定安全域超平面解析模型：
[0012][0013]
其中，α
b,k
是超平面系数，pk是节点有功注入，ω(branch)是支路集合，ω(vpp)是虚拟电厂集合；
[0014]
步骤4：采用极限搜索的算法对所述热稳定安全域超平面解析模型进行单节点可用空间计算构建二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型：
[0015][0016][0017]
其中：系统节点有功功率输出的安全上限，应取每个支路上的最小值，即，
[0018]
p
i,sr_max
＝min{p
(1,i),sr_max
,
…
,p
(b,i),sr_max
}
[0019]
系统节点有功功率输出的安全下限值应为各支路上的最大值，即：
[0020]
p
i,sr_min
＝max{p
(1,i),sr_min
,
…
,p
(b,i),sr_min
}
[0021]
其中，p
i,sr_max
是节点功率上限，p
i,sr_min
是节点功率下限。
[0022]
进一步，根据步骤1中的虚拟电厂聚合模型对电力负荷侧全受控资源数据控制过程：
[0023]
按照如下公式建立空调系统模型：
[0024][0025]
其中，c
op
是能量消耗系数；p
air
是压缩机所需功率；α
ac
是空调的开关状态；
[0026]
按照如下公式建立电热水壶模型：
[0027]
p
wh
＝p
heater
α
wh
[0028]
其中，p
heater
是电热水壶的用电功率，α
wh
是电热水壶的开关状态；
[0029]
按照如下公式建立电动汽车具体模型如下：
[0030]
p
ev
＝p
ev_num
α
ev
[0031]
其中，p
ev_num
是电动汽车充放电功率，α
ev
是电动汽车储能系统的充放电状态。
[0032]
有益效果
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0034]
1、本发明基于安全域理论，构建节点注入空间的安全域解析模型，可有效改进电力系统规模庞大，数据复杂以及潮流非线性的问题，现有问题多基于逐点法思路，计算时间
长且难得到有效解。
[0035]
2、发明以虚拟电厂节点为关键节点，构建关键节点功率注入空间的耦合关系，在非关键节点功率注入不变的前提下，得到安全域低维解析模型，旨在解决电力系统规模庞大的问题，仅通过观察关键节点的有功注入即可保持系统的安全性。
[0036]
3、本发明采用极限搜索的方法，对低维安全域模型进行单节点可用空间搜索，得到二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型；本发明为电网运行调度的控制和决策提供技术支持。
附图说明
[0037]
图1为本发明提供的方法流程框图；
[0038]
图2为本发明中二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图1-2对本发明作出详细说明：
[0040]
如图1所示，本发明提供一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法；该方法根据边界方法机理，分别介绍灵活性资源聚合方法和可调空间构建方法两个环节。本发明方法包括内容：首先建立了以虚拟电厂节点为关键节点的发电机节点有功输出空间下的支路热稳定安全域模型；然后，以有功功率注入为坐标轴，建立了多维热稳定安全域分析模型及其在关键节点空间的快速求解方法；考虑到实际工程的应用需求，研究了二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型。
[0041]
1、通过灵活性资源聚合方法构建虚拟电厂聚合模型
[0042]
作为新型电力系统中能源互联网技术的典型代表，虚拟电厂可以通过信息与能源的交互，有效聚合大量分布式资源，实现广域能源互联共享。虚拟发电厂由可再生分布式能源(包括风电、光伏等)、可控分布式电力(cg)(包括燃气轮机发电机组等)、负荷和储能(es)等组成。虚拟发电厂的内部资源向虚拟电厂运营商(vppo)报告其输出信息和运行情况。vppo提前报告了自己的运营基线和可调整空间，并整合了电能量市场和辅助服务市场的电价信息，以调整第二天的内部资源运营计划。其中：涉及负荷侧的能量存储构建模型：
[0043]
(1)空调系统模型
[0044]
在暖通空调系统中，假设它是一个恒定风量的空调系统。当压缩机用于室内制冷或制热时，系统以额定功率运行。当压缩机在室内停止并进入供气模式时，系统功率为零。假设太阳辐射仅通过窗户传输到房间，在使用习惯方面，假设在使用空调时保持门关闭，而忽略了在打开和关闭门时由于房屋内外的热交换而引起的室温波动。空调系统具体模型如下：
[0045][0046]
其中，c
op
是能量消耗系数；p
air
是压缩机所需功率；α
ac
是空调的开关状态。
[0047]
(2)电热水壶模型
[0048]
考虑储水式电热水器；假设电热水器主电路的电源在循环加热过程中是恒定功率或额定功率，并且只有在电热水器未加热时才通过控制电路监测热水器内的温度，而忽略
功率；在电热水器的出水口安装了一个恒温阀。出水方式为恒流恒温型，出水期间保持加热状态。电热水壶具体模型如下：
[0049]
p
wh
＝p
heater
α
wh
ꢀꢀꢀ
(2)
[0050]
其中，p
heater
是电热水壶的用电功率，α
wh
是电热水壶的开关状态。
[0051]
(3)电动汽车模型
[0052]
目前，锂电池广泛应用于电动汽车中，具有能量密度高、平均电压高、单体电池重量轻、充电效率高等优点。家用电动汽车的充电设施通常是交流充电桩，输出功率小，充电时间长，对电池的损坏小。在电动汽车电池的充放电过程中，家庭用户对自己的用电周期不太敏感，而且锂电池没有记忆效应，内部没有结晶影响使用寿命，因此可以进行间歇性充放电操作。电动汽车动力电池充电一般包括恒流和恒压两个阶段。恒压级的充电效率低，功率小，可以忽略不计；恒流充电时电压变化范围较小，可以视为恒功率充电。电动汽车具体模型如下：
[0053]
p
ev
＝p
ev_num
α
ev
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
其中，p
ev_num
是电动汽车充放电功率，α
ev
是电动汽车储能系统的充放电状态。
[0055]
(4)虚拟电厂聚合模型
[0056]
提取虚拟电厂内部资源的运行特征，根据虚拟电厂对资源的控制程度将内部资源分为两类：半受控资源和可控资源。在虚拟电厂参与主辅服务市场的过程中，两类资源所需的决策信息不同，因此需要对两类资源分别建模。半受控资源是指虚拟电厂在调节和控制方面灵活性较低的资源，通常根据其运行情况进行聚合或切换，主要包括风电、光伏等可再生分布式能源和基于价格的需求响应负载。这类资源受外部环境因素(如天气、地理位置、生活习惯等)的影响很大，产出是间歇性和随机的。全控资源是指能够主动响应虚拟电厂发出的命令，受外部环境因素影响较小，可控程度较高的资源，主要包括电力侧可控分布式电源(如燃气轮机发电机组)，激励需求响应负荷(如可中断负荷、可转换负荷)和负荷侧的能量存储。考虑到可中断负荷是可转换负荷的一种特殊情况，本发明选择了一个具有代表性的可转换负荷进行建模。
[0057]
为了求解虚拟电厂的可调空间模型，首先需要求解虚拟电厂的运行基线。虚拟电厂的预测净负荷曲线在统计虚拟电厂中半受控和可控资源的预测输出后，得到虚拟电厂第二天的运行基线：
[0058][0059]
其中，p
base
是t时刻虚拟电厂聚合功率，是半控型资源的功率输出预测值，ns是半控型资源的数量，是全控型资源的功率输出预测值，nc是全控型资源的数量。
[0060]
通过以上分析，分别描述了虚拟电厂中两种资源的可调容量。
[0061]
虚拟电厂中第二天半控型资源输出的差异可以表示为：
[0062][0063]
其中，δpi(t)是输出功率差异，pi(t)是实际输出功率，是输出功率预测值。
[0064]
全控型资源具有明确的容量、输出范围等参数。可以根据其资源参数来确定其可调整容量，这体现在可控资源的操作和调度之后产值的增加/减少。
[0065]
[0066]
其中，δpj(t)是输出功率差异，pj(t)是实际输出功率，是输出功率预测值。
[0067]
尽管不同的可控资源以不同的方式运行，但可以根据不同的数据形成输出范围、可调节容量和输出预期。
[0068]
虚拟发电厂的可调节空间输出值可以表示为：
[0069][0070]
2、建立安全域的边界拟合，即本发明热稳定安全域超平面解析模型：
[0071]
电力系统的热稳定安全域ω
thsr
(h)定义在节点注入功率空间中，是满足系统热稳定安全约束的所有运行点(功率注入)的集合。热稳定安全域由系统的网络拓扑结构决定，不随运行点的变化而变化。为了便于描述，它可以缩写为ω
thsr
(h)，其中h表示给定的网络拓扑。
[0072][0073]
其中，p
ij
是支路潮流功率值，是支路潮流上限，sb是支路集合，f(x)＝p是潮流约束。
[0074]
基于上述分析，关键节点空间下的热稳定安全域可以定义为
[0075][0076]
其中，n
vpp
是虚拟电厂的数量，αi和b
t
是超平面的系数，p
min
和p
max
是节点功率上下限。
[0077]
关键节点空间中热稳定安全域的边界为：
[0078][0079]
其中，ω(branch)是支路集合，ω(vpp)是虚拟电厂集合。表1为热稳定安全域超平面解析模型系数：
[0080][0081]
在系统当前运行模式下，通过综合实时测量，可以获得每个关键节点的有功功率输出向量由此，可以得到支路k上节点i的安全功率输出上限值和安全功率输出下限值的计算公式如下：
[0082][0083][0084]
考虑到系统节点有功功率输出的安全上限，应取每个支路上的最小值，即：
[0085]
p
i,sr_max
＝min{p
(1,i),sr_max
,
…
,p
(b,i),sr_max
}
ꢀꢀ
(14)
[0086]
系统节点有功功率输出的安全下限值应为各支路上的最大值，即：
[0087]
p
i,sr_min
＝max{p
(1,i),sr_min
,
…
,p
(b,i),sr_min
}
ꢀꢀꢀ
(15)。

技术特征：
1.一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法，其特征在于，所述方法基于电力系统的灵活性资源聚合后的可调能力以及热稳定极限的节点出力限制，结合虚拟电厂耦合节点的可调节功率上下限，构建单一节点的安全区间的图形表示；包括如下步骤：步骤1：依据在线的虚拟电厂中的半受控资源数据和全受控资源数据按照如下公式构建虚拟电厂聚合模型：其中，p
base
是t时刻虚拟电厂聚合功率，是半控型资源的功率输出预测值，n
s
是半控型资源的数量，是全控型资源的功率输出预测值，n
c
是全控型资源的数量；步骤2、所述虚拟电厂聚合模型根据半受控资源数据和全受控资源数据预估输出功率差异获得虚拟电厂聚合模型的可调节空间输出值：步骤3、依据离线电力系统中关键节点空间按照如下公式构建热稳定安全域超平面解析模型：其中，α
b,k
是超平面系数，p
k
是节点有功注入，ω(branch)是支路集合，ω(vpp)是虚拟电厂集合；步骤4：采用极限搜索的算法对所述热稳定安全域超平面解析模型进行单节点可用空间计算构建二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型：间计算构建二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型：其中：系统节点有功功率输出的安全上限，应取每个支路上的最小值，即，p
i,sr_max
＝min{p
(1,i),sr_max
,
…
,p
(b,i),sr_max
}系统节点有功功率输出的安全下限值应为各支路上的最大值，即：p
i，sr_min
＝max{p
(1，i)，sr_min
，...，p
(b，i)，sr_min
}其中，p
i，sr_max
是节点功率上限，p
i，sr_min
是节点功率下限。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法，其特征在于，根据步骤1中的虚拟电厂聚合模型对电力负荷侧全受控资源数据控制过程：按照如下公式建立空调系统模型：
其中，c
op
是能量消耗系数；p
air
是压缩机所需功率；α
ac
是空调的开关状态；按照如下公式建立电热水壶模型：p
wh
＝p
heater
α
wh
其中，p
heater
是电热水壶的用电功率，α
wh
是电热水壶的开关状态；按照如下公式建立电动汽车具体模型如下：p
ev
＝p
ev_num
α
ev
其中，p
ev_num
是电动汽车充放电功率，α
ev
是电动汽车储能系统的充放电状态。

技术总结
本发明公开了基于虚拟电厂的灵活性资源可调区间构建方法，首先建立了以虚拟电厂节点为关键节点的发电机节点有功输出空间下的支路热稳定安全域模型；然后，以有功功率注入为坐标轴，建立了多维热稳定安全域分析模型及其在关键节点空间的快速求解方法；考虑到实际工程的应用需求，研究了二维平面组合图形表示的多维安全域显示模型。多维安全域显示模型。多维安全域显示模型。


技术研发人员：李豹 谢惠藩 张蔷 肖亮 周鑫 黄兆棽 曾沅 秦超 任郡枝
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/9/22