第十四届全国大学生电工数学建模竞赛A题-高比例风电电力系统储能运行及配置分析

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目录

题目背景

问题分析

代码实现

结果展现

 2022年电工杯A题--高比例风电电力系统储能运行及配置分析

“碳中和”目标驱动下未来电力系统必将是高比例可再生能源电力系统，可 再生能源输出功率强随机波动性导致系统运行中功率实时平衡困难；储能被认为 是保障系统功率实时平衡的有效手段，由于储能成本相对昂贵，利用储能平衡系 统功率将增加系统运行成本；下面以高比例风电电力系统为例，探究“供给侧” 低碳化转型对电力系统运行经济性、可靠性影响。 待研究系统包含火电、风电、储能和负荷，火电机组 3 台、装机容量 1050MW； 某日风电、负荷归一化功率（1.0p.u.风电对应其装机容量，1.0p.u.负荷对应最大 负荷功率）数据见附件 1，风电渗透率（最大风电功率与最大负荷功率之比）递 增可能造成系统弃风、失负荷，影响系统功率平衡。 定义：系统单位供电成本=系统发电总成本/系统总负荷电量，发电总成本= 火电成本+风电成本+储能成本+弃风损失+失负荷损失，其中： 火电成本包括运行成本、碳捕集成本，其中火电运行成本由运行维护成 本和发电煤耗成本构成，，P 为机组出力/MW；运行维护成本按照 0.5 倍煤耗 成本考虑，碳捕集成本取决于碳排放量及碳捕集单价，火电机组相关参 数如附表 1 所示，电煤价格为 700 元/t。  风电成本仅考虑运维成本，相关参数如附表 2。 储能成本由投资成本、运维成本构成，相关参数如附表 3。注：在计算 每天成本时，需将投资成本平摊至每天，即平均每天投资成本=总投资 成本/运行年限/365 天。 弃风损失按 0.3 元/kWh 计算，失负荷损失按 8 元/kWh 计算。 基本题： 假设系统日负荷功率最大值 900MW，单位碳捕集成本分别为 0 元/t、60 元 /t、80 元/t、100 元/t，摄动风电渗透率，分析计算以下问题：

1. 无风电接入，火电以最小成本运行，绘制机组日发电计划曲线，计算系 统单位供电成本，将结果填于表 1 相应栏（保留三位有效数字）。

2. 风电装机 300MW、替代机组 3 时，系统功率平衡发生什么变化？弃风电 量多少？在此场景下，为减少弃风又不失负荷，风电接入装机容量可以降低多少？

3. 风电装机 600MW、替代机组 2 时，系统功率平衡又发生什么变化？在此 场景下，为不失负荷，风电接入容量可增加多少？

4. 针对上述 2-3 风电替代场景，考虑上述 4 种碳捕捉成本，系统按最低发 电成本供电，计算系统单位供电成本，并将相关计算结果填入表 2、3。

5. 风电装机 900MW、替代机组 2、3 时，失负荷电量多少？为不失负荷，需 要配置的最小储能容量是多少（储能充放电效率 90%）？考虑储能成本、单位碳 捕捉成本（取 60 元/t），此时系统单位供电成本多大？

6. 当负荷功率不变，试分析风电替代容量递增給系统可靠供电带来哪些挑 战？为保障可靠供电，系统单位供电成本发生了什么变化？结合上述计算结果进 行定量分析。

问题分析：

1、第一题的思路比较简单，系统没有风电接入，仅考虑火力发电，且当日负荷最大值小于三个火力机组最大技术出力之和，则系统成本没有储能成本、弃风成本和失负荷成本。所以以火电成本最小为目标函数，考虑系统功率平衡约束。对模型求解即可得到日发电计划曲线。求解方法可采用粒子群算法或采用CPLEX求解器求解,本文采用CPLEX求解器求解.

建立目标函数如下：

                           

 约束条件考虑功率平衡约束和机组上、下限约束：

                                    

2、代码实现

clc
clear
data = xlsread('附件1.xlsx');
T = 96;
N = 3; %火电机组的个数
%%提取负荷数据
pt = data(:,2);  
PT_MAX = 900;
PT = PT_MAX*pt;
figure(1)
plot(PT)
%%火电机组最大最小出力
WT_MAX = [600 300 150];
WT_MIN = [180 90 45];
%% 发电耗能相关系数
a = [0.226 0 0;0 0.588 0;0 0 0.785];
b = [30.42 65.12 139.6];
c = [786.80 451.32 1049.50];
%%电煤单价
PRICE_WT = 700/1000;%%转换为1Kg电煤单价
%%碳捕集单价
d = 0;%依次修改为0、60、80、100
PRICE_C = d/1000;
%碳排放量
CARB = [0.72 0.75 0.79];
P = sdpvar(3,T);
Constraints = [];
%%功率平衡约束
for i = 1:T
    Constraints = [Constraints; sum(P(:,i)) == PT(i)];
end
for i = 1:T
    Constraints = [Constraints; WT_MIN(1) <= P(1,i) <= WT_MAX(1);
                                 WT_MIN(2) <= P(2,i) <= WT_MAX(2);
                                 WT_MIN(3) <= P(3,i) <= WT_MAX(3)];
end
%%目标函数
Objective = 0;
for i = 1:T
    Objective = Objective +1.5*0.25*PRICE_WT*(P(:,i)'*a*P(:,i)+b*P(:,i)+c*ones(3,1))+1000*0.25*PRICE_C*CARB*P(:,i);
end
ops = sdpsettings('solver','cplex');%设定求解器
result = optimize(Constraints,Objective,ops);%求解
t = 1:96;
p = value(P);%火电机组出力
Objective = value(Objective);%目标函数最优解
figure(2)
plot(t,p(1,:),'r-','Linewidth',1);hold on;
plot(t,p(2,:),'k-','Linewidth',1);hold on;
plot(t,p(3,:),'b-','Linewidth',1);hold on;
plot(t,ones(length(t)),'k--');hold on;
legend('火电机组1','火电机组2','火电机组3');
P_c1=zeros(3,1);
for i = 1:3
    P_c1(i,1) = d*0.25*CARB(i)*sum(p(i,:))/10000;
end
P_c=sum(P_c1)  %碳捕捉成本,万元
P_om1=zeros(3,1);
for j = 1:3
    for i = 1:T
        P_om1(j) = P_om1(j) +1.5*0.25*PRICE_WT*(a(j,j)*p(j,i)^2+b(j)*p(j,i)+c(j)*ones(1,1));
    end
end
P_om=sum(P_om1)/10000  %火电运行成本
P_gd=(P_c+P_om)/(sum(PT)/4)*10  %单位供电成本，元/KWh
P_s=P_om+P_c %总发电成本

 3 、结果展示

不同占空比的日发电计划曲线

  

 

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[jiang5223992]

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