張 峰 張建華

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

1 引言

近年來，能源危機和環(huán)境問題愈來愈成為世界各國面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔新能源已成為應(yīng)對兩大挑戰(zhàn)的最積極、最有效的選擇。受能源、環(huán)境政策的影響，電力系統(tǒng)調(diào)度模式不斷演變。我國電力系統(tǒng)調(diào)度經(jīng)歷了傳統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度、計劃電量調(diào)度、市場競爭調(diào)度、節(jié)能發(fā)電調(diào)度四個階段。傳統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度僅僅考慮以總煤耗最小或經(jīng)濟利益最大的單一目標優(yōu)化。節(jié)能發(fā)電調(diào)度綜合考慮影響多因素間的耦合關(guān)系，對煤耗量、碳排放量、電網(wǎng)經(jīng)濟效益、系統(tǒng)有功損耗、無功損耗中的部分目標進行優(yōu)化，電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度從單一目標最優(yōu)化逐漸過渡到多目標協(xié)同優(yōu)化。

為了實現(xiàn)能源資源的高效利用與節(jié)能減排的發(fā)展目標，保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，促進風電、光伏發(fā)電等清潔新能源發(fā)電的規(guī)?；瘧?yīng)用，新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式應(yīng)運而生，得到了普遍關(guān)注，實質(zhì)上是計及運行安全約束、互動需求響應(yīng)和電力市場環(huán)境，優(yōu)先考慮清潔新能源發(fā)電，兼顧經(jīng)濟效益與環(huán)境效益協(xié)同發(fā)展的多目標發(fā)電調(diào)度方式。

2 新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究現(xiàn)狀

2.1 理論熱點

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度實質(zhì)上是在滿足電源可靠性和負荷預(yù)測準確性的條件下追尋經(jīng)濟性最優(yōu)的調(diào)度計劃。然而，間歇性新能源發(fā)電并網(wǎng)運行給電網(wǎng)帶來持續(xù)性的隨機擾動，發(fā)電功率預(yù)測的難度較負荷預(yù)測的要大很多。如何在傳統(tǒng)調(diào)度模式基礎(chǔ)上合理考慮發(fā)電功率的不確定性影響是新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究過程中需要關(guān)注的熱點問題。此外，間歇性新能源并網(wǎng)容量比例較大時，僅依靠機組出力調(diào)整常常不能實現(xiàn)充分消納。為了給間歇性能源發(fā)電預(yù)留備用，常規(guī)燃煤機組不得不長期較低效率運行，造成能源資源間接浪費，也不能充分發(fā)揮新能源發(fā)電的節(jié)能減排效益。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，需求響應(yīng)參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)越來越受到關(guān)注。需求側(cè)資源有序參與電網(wǎng)互動運行，協(xié)同消納波動的新能源發(fā)電量，符合國家節(jié)能減排目標?？紤]需求側(cè)響應(yīng)機制的智能化互動電網(wǎng)調(diào)度模式成為了研究的熱點問題［1］。

2.2 動態(tài)建模

根據(jù)考慮因素的不同，電力系統(tǒng)多目標優(yōu)化調(diào)度問題通常分為計及多優(yōu)化目標、計及不同約束條件的動態(tài)建模與優(yōu)化求解問題。優(yōu)化目標大致包括常規(guī)發(fā)電機組發(fā)電成本或燃料成本、電力市場中的購電成本、風險指標、環(huán)境成本等。約束條件通常包括運行安全約束、備用約束、環(huán)境極限約束、風險約束等。在傳統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的基礎(chǔ)上，考慮機組發(fā)電成本、能源環(huán)境成本，提出了燃煤發(fā)電機組環(huán)境補償成本，同時考慮風電備用容量的補償成本，建立了電力市場環(huán)境中含風電機組的環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度模型［2］。國內(nèi)學者提出了考慮多目標安全約束機組組合模型，采用發(fā)電與碳排放權(quán)協(xié)同調(diào)度方式，尋求經(jīng)濟目標和環(huán)境目標(碳排放目標)的折中解［3］。然而，新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度更多地關(guān)注間歇性新能源并網(wǎng)帶來的不確定性問題及其解決方案。

近年來，國內(nèi)外專家學者對考慮間歇性新能源發(fā)電功率不確定性的優(yōu)化調(diào)度問題展開了大量研究。針對間歇性新能源發(fā)電功率不確定性的處理方式不同，數(shù)學建模方法大致分為確定性建模、模糊建模及基于概率的建模。電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度不再是一個確定性的優(yōu)化問題，而是含隨機變量的不確定規(guī)劃問題。在風力發(fā)電功率預(yù)測的基礎(chǔ)上，建立了基于機會約束規(guī)劃的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度數(shù)學模型，以概率形式描述約束條件，較好地處理了優(yōu)化調(diào)度問題中風電功率不確定性問題［4］。

2.3 求解算法

根據(jù)間歇性能源發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型的特點，求解方法大致分為確定性與不確定性兩大類。建立模型過程中直接或間接考慮了新能源發(fā)電功率不確定性影響，主要求解方法分為傳統(tǒng)算法、直接搜索算法、粒子群算法、遺傳算法及其改進方法。智能算法與傳統(tǒng)算法相比，全局搜索能力強，對數(shù)學優(yōu)化模型適應(yīng)性強，可用于含多種函數(shù)形式的優(yōu)化模型，更具有工程應(yīng)用價值。針對風速—風電功率隨機分布的概率優(yōu)化模型，國內(nèi)學者采用了多場景調(diào)度方式，根據(jù)概率分布對風能樣本進行抽樣，形成多個離散運行場景，再對單個場景進行尋優(yōu)，整個過程仍是對確定性優(yōu)化模型的處理，求解模型過程中可采用隨機模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等混合智能算法，提高了算法收斂速度和計算性能。有些學者則應(yīng)用模糊集基礎(chǔ)理論建立了含風電場的電力系統(tǒng)動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度模型，借助隸屬函數(shù)來表示決策者的滿意度，將現(xiàn)有問題轉(zhuǎn)化為求取滿意度指標最大值的問題，使求解結(jié)果更貼切地反映決策者的意愿，從而更好地處理風電輸出功率的隨機性問題，并針對上述模型，利用下降搜索思想提出了對傳統(tǒng)粒子群算法的改進思路［5］。

3 新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的應(yīng)用展望

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展，新能源電力系統(tǒng)中將出現(xiàn)大量或集中或分散的新能源發(fā)電集群以及一系列可調(diào)度負荷集群。它們接入電網(wǎng)后，將給電力系統(tǒng)調(diào)度運行、控制保護等帶來深刻的影響，并網(wǎng)模式下的電網(wǎng)運行與管理面臨著諸多技術(shù)問題。在低碳智能電網(wǎng)的驅(qū)動下，虛擬發(fā)電廠技術(shù)有機融合了通信、自動控制等技術(shù)，具有自我管理、自我控制功能。虛擬發(fā)電廠通過多層分布能量管理系統(tǒng)將新能源發(fā)電集群、可控負荷集群有機整合為一個特殊電廠參與電力系統(tǒng)調(diào)度運行，有效地協(xié)調(diào)了間歇性發(fā)電單元個體之間以及與上層電網(wǎng)之間的矛盾，對解決間歇性能源接入、區(qū)域電網(wǎng)安全運行以及多種間歇性能源綜合高效利用等問題具有重要啟示作用。虛擬發(fā)電廠技術(shù)作為新型需求響應(yīng)形式，在整合清潔新能源、提高供電可靠性和靈活性等方面表現(xiàn)出巨大潛力。歐洲一些國家正在積極開展基于虛擬發(fā)電廠技術(shù)的需求響應(yīng)機制的研究與實踐，建立了示范工程和測試平臺，取得了諸多成果。我國在該領(lǐng)域研究處于起步階段，還有很多技術(shù)、政策、管理方面的問題有待解決。基于虛擬發(fā)電廠技術(shù)的新能源電力系統(tǒng)調(diào)度模式符合我國低碳智能電網(wǎng)的發(fā)展目標。隨著智能電網(wǎng)和新能源發(fā)電技術(shù)的深入發(fā)展，虛擬發(fā)電廠技術(shù)將會被更為廣泛地傳播與實踐。

4 結(jié)論

新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題是在智能電網(wǎng)與新能源綜合開發(fā)利用的新形勢下提出的，依靠發(fā)電側(cè)火電、風電、光伏發(fā)電等多類型電源與需求側(cè)互動響應(yīng)，實現(xiàn)能源資源綜合利用、有效消納間歇性新能源。新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式是傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式的繼承和發(fā)展，是電力系統(tǒng)發(fā)展到新能源與智能電網(wǎng)強耦合階段的客觀要求，對促進新能源發(fā)電的有效消納利用，引導科學用電，保障國家能源安全，實現(xiàn)電力行業(yè)的節(jié)能減排與經(jīng)濟可靠運行等具有廣泛與現(xiàn)實意義。

［1］武建東.智能電網(wǎng)與中國互動電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(4)：5-8.

［2］孫元章，吳俊，李國杰等.基于風速預(yù)測和隨機規(guī)劃的含風電場電力系統(tǒng)動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度［J］.中國電機工程學報，2009，29(4)：41-47.

［3］劉曉，艾欣，彭謙.計及需求響應(yīng)的含風電場電力系統(tǒng)發(fā)電與碳排放權(quán)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(1)：213-218.

［4］江岳文，陳沖，溫步瀛.基于隨機模擬粒子群算法的含風電場電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度［J］.電工電能新技術(shù)，2007，26(3)：37-41.

［5］陳海焱，陳金富，段獻忠.含風電場電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的模糊建模及優(yōu)化算法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(2)：22-26.