并网型绿电铝企业风光消纳电网优化运行方法

本发明属于电力系统优化运行领域，具体地说是一种并网型绿电铝企业风光消纳电网优化运行方法。

背景技术：

1、所谓绿电铝是指由绿电生产电解铝产品，包括电解原铝液和重熔用铝锭，电解铝企业可通过一定生产周期内绿电使用量申请绿电铝额度,为企业打上绿色标签，相较于传统火电铝的高污染模式，绿电铝因其采用新能源供电，能够大幅降低电解铝生产过程碳排放。

2、含新能源的高耗能电解铝工业电网可根据与外部大电网网架结构进行分类：一类是含新能源的离网型高耗能电解铝工业电网，主要提供电力系统调频控制；另一类是含新能源的并网型高耗能电解铝工业电网，可采用适当的控制手段使电解铝负荷为风光消纳提供灵活性调节资源。

3、随着高载能负荷作为风光消纳的灵活性资源调节能力逐步被挖掘，利用火电机组与高载能负荷协同优化消纳弃风弃光的方法受到广泛关注。目前有研究为解决高载能负荷与风电特性不匹配的问题，提出日前时间尺度下采用离散型高载能负荷，日内时间尺度采用连续性高载能负荷的方法；同时也有研究以高载能负荷调控对自身工业生产影响最小为目标，采用多类型工业负荷协调优化控制方法。综合目前研究来看，主要集中于传统高耗能企业参与优化调度、消纳弃风弃光，并未对绿色低碳转型高耗能企业的电网优化运行进行分析，不适用于绿电铝企业的负荷调控。

4、因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种并网型绿电铝企业风光消纳电网优化运行方法，用于解决现有的传统高耗能电解铝企业电网负荷协调优化方法不适用于绿电铝企业的技术问题。

2、并网型绿电铝企业风光消纳电网优化运行方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：

3、步骤一、并网型绿电铝企业除了借助自备电厂给电解铝负荷供电外，还与外部大电网进行电能交易构成并网型绿电铝企业的工业电网，所述自备电厂包括火电机组、风光机组和光伏机组，并网型绿电铝企业日综合用电成本f最小为目标，建立并网型绿电铝企业日综合用电成本模型：

4、

5、式中，cfu为火电机组燃煤成本；cstart为火电机组启动成本；cwind/pv为风光机组运行成本；cdis为弃风弃光惩罚；clt为与外部大电网的交互成本；cco2为碳排放成本；

6、其中，火电机组燃煤成本表示为：

7、

8、式中，t为电解铝负荷单位生产周期，取24小时；nth为绿电铝企业自备电厂火电机组台数；a、b、c分别为火电机组煤耗系数；pth,i(t)为第i台火电机组t时刻的出力；

9、火电机组启动成本表示为：

10、

11、式中，chot,i为第i台火电机组的热启动成本；ccold,i为第i台火电机组的冷启动成本；tcold,i为第i台火电机组的冷启动时间；toff,i,min为第i台火电机组的最小停运时间；

12、风光机组运行成本表示为：

13、

14、式中，pwind(t)与ppv(t)分别为t时刻风电、光伏机组出力；pwind与ppv分别为风电、光伏机组单位运行价格；

15、弃风弃光惩罚表示为：

16、

17、式中，pwind,dis(t)与ppv,dis(t)分别为t时刻弃风、弃光量；βwind,dis与βpv,dis分别为单位弃风、弃光惩罚系数；

18、与外部大电网的交互成本表示为：

19、

20、式中，pbuy(t)与psell(t)分别为t时刻购电、售电量；pbuy与psell分别为单位购电、售电价格；

21、碳排放成本表示为：

22、

23、

24、

25、

26、

27、式中，与分别为t时刻火电铝、绿电铝碳排放成本；kal为铝锭单位产品综合交流电耗或铝液单位产品综合交流电耗采信值；pwind,green和ppv,green分别为用于生产电解铝产品所用风、光电量；βth与βgreen为单位火电铝、绿电铝产品碳排放成本系数；ceth,al和cegreen,al分别为单位火电铝、绿电铝产品碳排放当量值；为碳税；

28、步骤二，建立目标函数的线性和非线性约束条件：

29、1)电解铝企业工业电网功率平衡约束为：

30、

31、式中，pal(t)为t时刻电解铝负荷的功率；

32、2)电解铝可调负荷约束：

33、①运行功率上下限约束：

34、pal,min≤pal(t)≤pal,max  (13)

35、式中，pal,max和pal,min分别为电解铝负荷的功率上、下限；

36、②爬坡约束，以便稳定地调整通入的直流电流：

37、-pal,down≤pal(t)-pal(t-1)≤pal,down t∈[1,t]  (14)

38、式中，pal,down和pal,up分别为电解铝槽的功率爬坡下限、上限；

39、③调节时间约束：

40、在此约束中，通过引入0、1两组辅助变量，将约束表示成0、1混合整数线性形式，用于描述各个时刻下电解铝负荷有功功率无法即时调节和频繁调节的特性：

41、

42、

43、

44、

45、

46、式中，yu(k)和yd(k)分别表示电解铝负荷在k时刻的上调、下调操作位，1为调整，0为不动作；tal,0为电解铝负荷在初始时刻不能调节负荷的时段数；

47、④调整量约束：

48、在此约束中，引入0、1两组辅助变量，用于描述电解铝负荷可调性受限特性：

49、0≤wu(t)+wd(t)≤1  (20)

50、0≤δpalu(t)≤wu(t)pal,ra  (21)

51、0≤δpald(t)≤wd(t)pal,cut  (22)

52、式中，wu(t)和wd(t)分别为t时刻电解铝负荷向上调整和向下调整状态位，1代表调整，0代表不动作；δpalu为t时刻电解铝负荷参与调整后的功率上调量；δpald为t时刻电解铝负荷参与调整后的功率下调量；pal,ra和pal,cut分别为电解铝负荷上调、下调功率上限；

53、⑤调整后电解铝负荷功率平衡约束：

54、paln(t)＝δpalu(t)-δpald(t)+palb(t)  (23)

55、式中，paln(t)为t时刻参与调整后电解铝负荷功率；palb(t)为t时刻电解铝负荷基线负荷功率；δpalu(t)和δpald(t)分别为t时刻电解铝负荷相较于基线负荷的功率上调、下调量；

56、⑥电解铝企业日产量约束：

57、

58、式中，yal为电解铝企业日产量要求；

59、3)火电机组约束为：

60、①出力约束

61、wth(t)pth,min≤pth(t)≤wth(t)pth,max  (25)

62、pth(t)＝pth,al(t)+pth,sell(t)  (26)

63、式中，wth(t)为t时刻发电机组的运行状态位，1为运行，0为停机；pth,max和pth,min分别为火电机组出力上、下限；pth,al(t)为t时刻火电机组用于电解铝的火电量；pth,sell(t)为t时刻出售给大电网的火电量；

64、②爬坡约束：

65、-pth,down≤pth(t)-pth(t-1)≤pth,up  (27)

66、式中，pth,up和pth,down分别为火电机组的上、下爬坡速率限值；

67、③由火电机组提供旋转备用容量，并进行旋转备用容量约束：

68、

69、式中，pspare(t)为火电机组在t时刻提供的旋转备用容量；

70、④启停时间约束：

71、

72、

73、wth,i(t)-wth,i(t-1)＝uth,i(t)-dth,i(t)  (31)

74、

75、

76、式中，tstop,i,0和tstart,i,0分别为第i台火电机组在初始时刻还需停运、运行的时间；ton,i,min和toff,i,min分别为第i台火电机组最小运行、停运时间；uth,i(t)和dth,i(t)为第i台火电机组t时刻的启动、停机操作位，1为动作，0为不动作；

77、4)风电机组约束为：

78、①风电出力约束

79、0≤pwind(t)≤pwind,pro(t)  (34)

80、式中，pwind,pro(t)为t时刻风电机组预测出力；

81、②风电出力平衡约束

82、pwind,pro(t)＝pwind(t)+pwind,dis(t)  (35)

83、pwind(t)＝pwind,green(t)+pwind,sell(t)  (36)

84、式中，pwind,sell(t)为t时刻出售给大电网的风电量；

85、5)光伏机组约束为：

86、①光伏出力约束

87、0≤ppv(t)≤ppv,pro(t)  (37)

88、式中，ppv,pro(t)为t时刻风电机组预测出力；

89、②光伏出力平衡约束

90、ppv,pro(t)＝ppv(t)+ppv,dis(t)  (38)

91、ppv(t)＝ppv,green(t)+ppv,sell(t)  (39)

92、式中，pwind,sell(t)为t时刻出售给大电网的风电量；

93、6)与外部大电网交互约束为：

94、0≤pbuy(t)≤wbuy(t)plt,max  (40)

95、0≤psell(t)≤wsell(t)plt,max  (41)

96、0≤wbuy(t)+wsell(t)≤1  (42)

97、psell(t)＝pwind,sell(t)+ppv,sell(t)+pther,sell(t)  (43)

98、式中，wbuy和wsell分别为电解铝企业工业电网与外部大电网的购、售电标志位，1为动作，0为不动作；pth,sell(t)为t时刻火电机组出售给大电网的电量。

99、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

100、本发明通过分析并网型绿电铝企业运营模式和基于生产过程的电解铝负荷功率特性，在此基础上综合考虑工业电网电力电量平衡约束、电解铝负荷约束、自备风光火机组约束和外部电网交互约束，以综合用电成本最小为优化目标，构建了并网型绿电铝企业风光消纳电网优化运行模型；通过引入四组反映电解铝负荷调节特性的0、1辅助变量，能够精确地描述电解铝负荷不能即时调节和频繁调节的特性，实现其调节性能对风光出力不确定性适应能力的解析表达，并将优化模型表达为线性0、1混合整数规划模型。通过实施例分析，验证了所提模型方法的有效性，以及并网型绿电铝企业在大幅降低企业碳排放成本和提高风光发电利用率方面的优势。

101、相比于传统火电铝电网运营模式，本发明公开的方法利用绿电铝负荷配合自备火电机组协同优化为电解铝企业工业电网内风光资源消纳提供灵活性，在绿电铝企业综合用电成最小的基础上，实现大幅度降低企业碳排放成本并有效提高工业电网内风光发电利用率，有效解决高耗能电解铝企业高污染、高排放问题并降低其工业电网内弃风弃光率。