張鵬巖

【摘 要】介紹了潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題，得出了一些總結(jié)性的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】潔凈能源發(fā)電；調(diào)度模型；解算算法

【中圖分類號(hào)】P754.1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0408-02

0 引言

隨著社會(huì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的不斷提高，能源需求的不斷增長使得傳統(tǒng)能源如煤炭、石油、天然氣等資源日趨枯竭。目前，風(fēng)電為代表的潔凈能源發(fā)電已受到人們格外青睞，同時(shí)，在這樣一種大背景下，太陽能發(fā)電也正在經(jīng)歷著前所未有的應(yīng)用和發(fā)展速度。

解決大規(guī)模潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度問題對(duì)我國電力事業(yè)的發(fā)展意義深遠(yuǎn)而重大。在世界范圍內(nèi)發(fā)展大規(guī)模潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行是改善電源布局和優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)的理想選擇，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)電力供應(yīng)的理想模式。因此，解決潔凈能源發(fā)電的調(diào)度問題對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)和經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行具有決定性的作用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，在國外潔凈能源技術(shù)已經(jīng)成熟，最近幾年，風(fēng)電的發(fā)展在國內(nèi)也已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，因此，國內(nèi)外對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度問題的研究也已經(jīng)取得了一定的成果并正在不斷完善。

國內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型及其解算算法的研究起步較早，研究成果也相當(dāng)豐富。文獻(xiàn)[1]提出了一種計(jì)及風(fēng)電環(huán)境效益，風(fēng)電備用容量成本和火電機(jī)組環(huán)境補(bǔ)償成本的基于最小購電成本最小為目標(biāo)函數(shù)的調(diào)度模型，使用新型智能技術(shù)遺傳算法對(duì)調(diào)度模型進(jìn)行解算，調(diào)度結(jié)果經(jīng)濟(jì)合理、經(jīng)濟(jì)。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建了一種包含分布式電源的電網(wǎng)調(diào)度模型，并開發(fā)了相應(yīng)的求解算法。通過一個(gè)具體的算例研究了分布式電源對(duì)電力系統(tǒng)的線損以及各節(jié)點(diǎn)的邊際電價(jià)的影響，表明分布式電源能夠有效降低線損和阻塞，為用戶提供足夠的電力，保障供電可靠性。當(dāng)風(fēng)電、光伏發(fā)電等潔凈能源發(fā)電作為分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)，該文所采用的調(diào)度模型具有重大參考價(jià)值。文獻(xiàn)[3]以風(fēng)電場的短期風(fēng)速預(yù)測為基礎(chǔ)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電不同接入容量對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的不同，建立含有風(fēng)電場的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并使用了先進(jìn)的優(yōu)化算法，調(diào)度結(jié)果較精確、可信。文獻(xiàn)[4]對(duì)水電調(diào)度模型進(jìn)行了深入的研究論述，以發(fā)電量最大為目標(biāo)建立了優(yōu)化的調(diào)度模型，提出了雙決策變量線性調(diào)度函數(shù)，并討論了雙決策線性函數(shù)建立的方法和決策規(guī)則的確定。文獻(xiàn)[5]基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃提出了一種新的水火電力系統(tǒng)短期優(yōu)化調(diào)度的不確定性模型。允許所形成的調(diào)度方案在某些比較極端的情況下不滿足約束條件，但這種情況發(fā)生的概率必須小于某一置信水平。兼顧日前交易和在此計(jì)劃下可能存在的實(shí)時(shí)交易的費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的火電機(jī)組和用以實(shí)時(shí)平衡的功率調(diào)整的費(fèi)用最小化，并針對(duì)該模型給出了基于粒子群算法和蒙特卡羅仿真的求解方法。文獻(xiàn)[6]提出用改進(jìn)的直接搜索算法（DSM），即懲罰函數(shù)直接搜索算法PF-DSM求解系統(tǒng)調(diào)度問題。結(jié)果表明，改進(jìn)后的直接搜索算法對(duì)調(diào)度模型的求解更有效。文獻(xiàn)[7]介紹了一種基于模擬退火的粒子群算法，并用其求解以水電站年發(fā)電量最大建立的優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，本文將模擬退火的思想應(yīng)用到具有雜交和變異的粒子群算法當(dāng)中，通過模擬退火的降溫過程來提高算法后期的進(jìn)化速度和精度。最后，以普定水電站的優(yōu)化調(diào)度為例進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，該算法的性能較基本粒子群算法有了較大改善，且明顯優(yōu)于常規(guī)調(diào)度方法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。文獻(xiàn)[8]采用模糊粒子群算法（FCPSO）求解多目標(biāo)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題。文獻(xiàn)[9]采用遺傳算法和模糊邏輯控制混合算法來求解環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題。文獻(xiàn)[10]分析了韶關(guān)地區(qū)小水電群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際建立了小水電群優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法和遺傳算法的基本步驟進(jìn)行研究和改進(jìn)，提出了基于改進(jìn)遺傳算法的模型求解方法，并對(duì)韶關(guān)電網(wǎng)系統(tǒng)中的兩個(gè)小水電站進(jìn)行了聯(lián)合模擬求解，結(jié)果表明了該方法科學(xué)可行，對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行和提高水電能源的利用具有重要意義。文獻(xiàn)[11]中的環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型——目標(biāo)函數(shù)包括系統(tǒng)排放物最少和系統(tǒng)費(fèi)用最少的同時(shí)維持發(fā)電機(jī)組無功出力在一個(gè)可以接受的水平。文獻(xiàn)[12]基于遺傳算法研究包含風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方式，通過計(jì)算分析了應(yīng)用風(fēng)電所能帶來的化石性燃料的節(jié)省效益，并研究了傳統(tǒng)煤電水力發(fā)電機(jī)組可否有效彌補(bǔ)風(fēng)電隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行所帶來的沖擊。該文在建立調(diào)度模型并考慮了新能源發(fā)電對(duì)電網(wǎng)造成的安全穩(wěn)定問題，所建模型合理，應(yīng)用價(jià)值高。文獻(xiàn)[13]則專門分別研究了遺傳、進(jìn)化算法等模擬生物進(jìn)化的優(yōu)化問題，對(duì)解算調(diào)度問題的算法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，解決了調(diào)度模型的求解問題。文獻(xiàn)[14]提出并設(shè)計(jì)了一種基于混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的水電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)，為反映機(jī)組復(fù)雜的非線性工作特性，建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的耗水量模型， 在此基礎(chǔ)上采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)機(jī)組進(jìn)行了優(yōu)化組合。結(jié)果表明： 數(shù)字仿真及其現(xiàn)場應(yīng)用都取得了滿意的結(jié)果。文獻(xiàn)[15]對(duì)機(jī)組出力變化與分時(shí)電價(jià)波動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，構(gòu)建了一種新的水火電短期優(yōu)化調(diào)度模型，該模型以實(shí)現(xiàn)電力市場條件下最大發(fā)電收益為目標(biāo)，同時(shí)綜合考慮了峰谷分時(shí)電價(jià)和環(huán)境保護(hù)成本對(duì)發(fā)電側(cè)經(jīng)濟(jì)效益的影響，還考慮了梯級(jí)水電站群的蓄水量、下泄流量、機(jī)組出力等約束條件，由此得出機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度方案。針對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化算法難以處理高維梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度多約束條件的缺陷，利用微分進(jìn)化算法對(duì)此優(yōu)化模型進(jìn)行求解，仿真計(jì)算結(jié)果證明了該模型的合理性和算法的有效性。文獻(xiàn)[16]在考慮環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源以及水電廠運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種以火電廠總運(yùn)行費(fèi)用、污染氣體排放量、水電廠棄水量為優(yōu)化目標(biāo)的水火電站群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。應(yīng)用基于Agent的啟發(fā)式計(jì)算方法求解。計(jì)算表明，該模型有利于節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，提高了水力資源的利用程度，提升了電力系統(tǒng)的綜合運(yùn)行效益，為水火電力系統(tǒng)短期優(yōu)化調(diào)度提供了新的研究思路。文獻(xiàn)[17]針對(duì)風(fēng)電場出力的隨機(jī)性，在風(fēng)速預(yù)測的基礎(chǔ)上，應(yīng)用隨機(jī)規(guī)劃理論建立了考慮機(jī)組組合的含風(fēng)電場電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。鑒于以上眾多原因，關(guān)于光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度方面的文獻(xiàn)很少，對(duì)光伏發(fā)電調(diào)度建模和仿真的研究則更為罕見。因此，可以預(yù)見，對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度模型的研究將成為一種趨勢并在未來得到快速的發(fā)展，最終得到成熟的調(diào)度技術(shù)。

2 潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

以風(fēng)、光能源發(fā)電為代表的潔凈能源發(fā)電具有隨機(jī)性及不可控的特點(diǎn)，這給調(diào)度帶來了困難。因此，必須解決與其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 功率預(yù)測與控制

潔凈能源發(fā)電要參與系統(tǒng)的功率平衡，需做的工作，一是其輸出功率的預(yù)測，二是輸出功率的控制。以風(fēng)電為例，對(duì)風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行控制，有利于減小系統(tǒng)的備用容量，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。風(fēng)電場綜合控制系統(tǒng)輸入信號(hào)有調(diào)度的指令、風(fēng)速、并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率、無功功率、電壓等，控制目標(biāo)為保持風(fēng)電場的有功、無功、電壓等在合理范圍內(nèi)。丹麥Eltra電力公司規(guī)定了風(fēng)電場參與功率控制的7種方法[20-22]。一般風(fēng)電場輸出功率大于90%額定容量的概率小于10%，因此通過對(duì)風(fēng)電場進(jìn)行功率控制達(dá)到減少系統(tǒng)備用容量的作用，而不會(huì)損失太多的風(fēng)電功率。風(fēng)電功率預(yù)測的意義主要在以下幾個(gè)方面：用于經(jīng)濟(jì)調(diào)度，根據(jù)風(fēng)電場預(yù)測的出力曲線優(yōu)化常規(guī)機(jī)組的出力，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。掌握了風(fēng)電出力變化規(guī)律就減少了不確定性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可控性。但適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)度要求的準(zhǔn)確的風(fēng)電場出力模型是制約含風(fēng)電的環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度發(fā)展的瓶頸問題之一。文獻(xiàn)[21]-[24]從不同的角度介紹了國內(nèi)外對(duì)這一問題的研究情況。風(fēng)電功率預(yù)測的基本方法可分為基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的物理預(yù)測模型（統(tǒng)計(jì)模型（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊數(shù)學(xué)方法等））和時(shí)間序列模型（持續(xù)預(yù)測方法、卡爾曼濾波方法等）兩大類。文獻(xiàn)[26]指出由于風(fēng)電具有隨機(jī)性， 目前尚無法較準(zhǔn)確預(yù)側(cè)其出力， 因此含有風(fēng)電的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度不再是一個(gè)常規(guī)意義下的確定性問題。利用傳統(tǒng)的方法也難獲得既經(jīng)濟(jì)又有較高可靠性的解。

2.2 系統(tǒng)備用容量的選擇

由于潔凈能源并網(wǎng)發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，為了保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，必須以常規(guī)能源發(fā)電為系統(tǒng)預(yù)留一定的備用發(fā)電容量。以風(fēng)電為例，保證風(fēng)電功率的波動(dòng)特性如果與電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)特性一致，那么風(fēng)電就有自然調(diào)峰的作用，反之，會(huì)使電網(wǎng)的調(diào)峰問題更加突出。在有些情況下，從長時(shí)期來看，風(fēng)電與電網(wǎng)負(fù)荷變化規(guī)律一致，但這并不能排除在有些時(shí)段內(nèi)，風(fēng)電出力正好與負(fù)荷變化規(guī)律相反，使電網(wǎng)面臨嚴(yán)重的情況。這就需要合理安排系統(tǒng)的備用容量，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是，目前對(duì)于合理選擇備用容量沒有成熟的理論和方法。調(diào)度部門選擇的備用容量往往與實(shí)際需要的備用容量不太符合，這樣必然造成了電力浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。因此，建立一種合理的備用容量選取方法必將成為一個(gè)意義重大的且具有很高經(jīng)濟(jì)效益的突破點(diǎn)。

3 結(jié)束語

針對(duì)潔凈能源發(fā)電各自的特點(diǎn)，并根據(jù)電力實(shí)際運(yùn)行需要，建立相應(yīng)的調(diào)度模型，解決調(diào)度相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題，并采用有效的數(shù)學(xué)解算方法，保證調(diào)度結(jié)果符合系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行原則，是解決調(diào)度問題的關(guān)鍵。

隨著太陽能等潔凈能源的大力開發(fā)，潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度技術(shù)必將不斷完善，最終實(shí)現(xiàn)潔凈能源在一定程度上取代傳統(tǒng)能源。

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