彭 誠(chéng)

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車系，安徽 巢湖238000）

0 引言

全球在歷經(jīng)兩次石油危機(jī)后，興起對(duì)能源使用的全面反思，伴隨火力發(fā)電而來(lái)的二氧化碳、氮氧化物等氣體污染造成了溫室效應(yīng)，使得我們對(duì)新能源與潔凈能源的需求極為迫切。以風(fēng)力能源為基礎(chǔ)的混合發(fā)電系統(tǒng)成為再生能源應(yīng)用中相當(dāng)重要的一種方式，隨著新建風(fēng)力電廠的增加，妥善地調(diào)度與規(guī)劃風(fēng)力機(jī)組，可減少電力系統(tǒng)的發(fā)電成本，降低產(chǎn)業(yè)界的電費(fèi)支出，有助于國(guó)家各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［1－2］。

風(fēng)力的隨機(jī)性及不確定性，造成了其發(fā)電量的不穩(wěn)定性，使得其運(yùn)行及控制較為復(fù)雜。合理的常規(guī)能源與間歇性能源發(fā)電協(xié)調(diào)優(yōu)化，有助于挖掘電網(wǎng)潛力。當(dāng)前大部分電力系統(tǒng)中仍然以火電為主，因此，風(fēng)電與火電的協(xié)調(diào)調(diào)度成為了研究熱點(diǎn)［3－4］。文獻(xiàn)［5］利用機(jī)組組合方法，分別從兩種不同的調(diào)度模式對(duì)火電機(jī)組啟停對(duì)風(fēng)電功率消納的影響進(jìn)行了分析，通過(guò)常規(guī)發(fā)電機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組統(tǒng)一優(yōu)化，得到系統(tǒng)整體棄風(fēng)電量。文獻(xiàn)［6］考慮環(huán)境因素，提出了CO2價(jià)格機(jī)制，通過(guò)綜合分析經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行計(jì)劃，提高了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)風(fēng)電功率實(shí)施優(yōu)先并網(wǎng)策略。實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，一旦出現(xiàn)棄風(fēng)，會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)諸多壓力，因此，風(fēng)電與火電的協(xié)調(diào)運(yùn)行成為了關(guān)鍵。

本文建立大規(guī)模風(fēng)電與火電經(jīng)濟(jì)調(diào)度分析模型，考慮上升備用容量和下降備用容量的需求，適當(dāng)?shù)卦u(píng)估出風(fēng)力機(jī)可接入系統(tǒng)的最大發(fā)電容量，以達(dá)到系統(tǒng)燃料成本最大化節(jié)省的目標(biāo)。通過(guò)大容量電力系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性，為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行提供了相應(yīng)的參考。

1 風(fēng)電與火電經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

風(fēng)電與火電混合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度是指根據(jù)系統(tǒng)所需電量，合理地安排各風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組的運(yùn)行情況，以此來(lái)滿足系統(tǒng)需求，同時(shí)，在符合系統(tǒng)及機(jī)組規(guī)劃上的限制的情況下，使系統(tǒng)中火電機(jī)組燃料成本最低。由于風(fēng)電與火電混合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略將影響系統(tǒng)的運(yùn)行成本，為確保系統(tǒng)供電的安全及可靠性，風(fēng)電機(jī)組出力必須保持在可接受的發(fā)電量。對(duì)于系統(tǒng)成本計(jì)算，模型一般假設(shè)火電機(jī)組的燃料成本為二次式，可用下式計(jì)算：

式中，F(xiàn)i為第i組火力機(jī)組的燃料成本；ai、bi、ci分別為火電機(jī)組發(fā)電電量報(bào)價(jià)曲線系數(shù)；PTi為第i組火電機(jī)組的出力。

風(fēng)電與火電混合發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)力發(fā)電不需要耗費(fèi)燃料，因此，可以將最小化之目標(biāo)函數(shù)寫(xiě)成：

式中，NT為火電機(jī)組總數(shù)。

1.2 系統(tǒng)約束條件

風(fēng)電出力具有隨機(jī)性和不確定性，同時(shí)，在系統(tǒng)輕載時(shí)段，因考慮火電機(jī)組最低發(fā)電量限制，風(fēng)電場(chǎng)必須強(qiáng)制降低或切除發(fā)電功率。為了避免因風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量不穩(wěn)定而影響供電質(zhì)量及火電機(jī)組頻繁啟停導(dǎo)致發(fā)電成本增加，本文除了考慮上升備用容量需求以外，也規(guī)劃了下降備用容量的需求。文中，上升備用容量需求假設(shè)隨著風(fēng)力發(fā)電量的增加而呈線性遞增，而下降備用容量需求則取一個(gè)固定值，因此，系統(tǒng)平衡條件為：

式中，PD，t為系統(tǒng)負(fù)荷。

系統(tǒng)上升備用容量需求：

式中，USi為發(fā)電機(jī)組i的上升備用容量；USRB為基本上升備用容量需求；r為額外提供之上升備用容量系數(shù)（新增備用系數(shù)），其值為實(shí)際風(fēng)力發(fā)電量的某一百分比；PmaxWT為系統(tǒng)所有風(fēng)電機(jī)組實(shí)際最大出力。

系統(tǒng)下降備用容量需求：

式中，DSi為發(fā)電機(jī)組i的下降備用容量；DSRB為基本下降備用容量需求。

1.3 火電約束條件

為了提高風(fēng)電與火電混合發(fā)電系統(tǒng)供電的可靠性，火電機(jī)組必須有能力提供系統(tǒng)負(fù)載及備用容量需求，同時(shí)，也須限制每個(gè)火電機(jī)組備用容量上限值，以此增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)緊急事故的能力。因此，火電機(jī)組最大發(fā)電量及最小發(fā)電量限制如下：

式中，PTi，min、PTi，max為機(jī)組i出力的最小和最大值。

考慮到控制性能標(biāo)準(zhǔn)（CPS：Control Performance Standard）的要求，備用容量約束：

式中，T為備用調(diào)節(jié)周期；Rdi、Rui為發(fā)電機(jī)組i的正、負(fù)爬坡速率。

2 風(fēng)電出力模型與約束

風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量取決于風(fēng)速大小，其與風(fēng)速之關(guān)系可用風(fēng)機(jī)—功率曲線近似表示如下：

式中，vin為風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速；vout為風(fēng)電機(jī)組切出風(fēng)速；vr為風(fēng)電機(jī)組額定風(fēng)速；pj（v）為第j臺(tái)風(fēng)機(jī)的出力與風(fēng)速之關(guān)系式；PRj為風(fēng)電場(chǎng)額定容量。

除了風(fēng)速之外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也可以通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行調(diào)整來(lái)控制其輸出功率。風(fēng)機(jī)實(shí)際出力的可控制范圍如PWj下所示：

式中，PWj為第j臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際出力為第j臺(tái)風(fēng)機(jī)的可用功率。

因此，系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在特定風(fēng)速下的出力情況為：

考慮到系統(tǒng)下降備用容量需求及火電機(jī)組最低出力的限制，風(fēng)電機(jī)組的出力必須滿足下式：

此外，系統(tǒng)可提供最大上升備用容量的大小也限制風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，因此，風(fēng)電機(jī)組的出力必須滿足下式：

根據(jù)式（11）（12）（13）可決定風(fēng)電機(jī)組實(shí)際可并入系統(tǒng)的最大發(fā)電量，如下所示：

3 算例分析

為了驗(yàn)證本文提出的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，本文選取文獻(xiàn)［7］提供的區(qū)域電網(wǎng)，系統(tǒng)52臺(tái)火電機(jī)組，系統(tǒng)機(jī)組的燃料成本曲線都可用二次式表示，負(fù)載需求為18 000MW，下降備用容量需求DSRB為900MW，基本上升備用容量需求USRB也為900MW，r為20%。本文假設(shè)系統(tǒng)可用的風(fēng)力發(fā)電量為4 000MW，系統(tǒng)實(shí)際可產(chǎn)生的最大風(fēng)力發(fā)電量為4 000MW。通過(guò)仿真計(jì)算，因風(fēng)電接入而節(jié)省的發(fā)電成本約為10.1萬(wàn)美元，系統(tǒng)額外增加的備用容量為800MW。為了了解系統(tǒng)備用容量需求對(duì)調(diào)度結(jié)果所造成的影響，針對(duì)不同的r值進(jìn)行一系列仿真。

圖1為新增上升備用系數(shù)與系統(tǒng)發(fā)電成本的關(guān)系曲線，圖2為新增上升備用系數(shù)與系統(tǒng)額外增加成本的關(guān)系曲線。隨著r的增加，系統(tǒng)必須額外規(guī)劃更多的備用容量，將使得發(fā)電成本隨之快速遞增。當(dāng)r值過(guò)大時(shí)，受限于系統(tǒng)供應(yīng)備用容量上限的影響，系統(tǒng)實(shí)際最大風(fēng)力發(fā)電量卻必須減少。

圖3為可用風(fēng)力發(fā)電量與發(fā)電成本的關(guān)系曲線，圖4為實(shí)際最大風(fēng)力發(fā)電量與節(jié)省成本的關(guān)系曲線。由圖中可以看到，各負(fù)荷在考慮與不考慮風(fēng)力發(fā)電容量時(shí)，其發(fā)電成本所節(jié)省的程度：輕載（12 000MW）時(shí)，雖然系統(tǒng)有足夠的能力供給備用容量需求，卻受限于火電機(jī)組最小發(fā)電量的限制和系統(tǒng)下降備用容量的需求，使得風(fēng)電接入所能節(jié)省的燃料成本并不明顯；隨著負(fù)載的增加（16 000MW），發(fā)電成本之節(jié)省程度亦隨之提升；而在重載（18 000MW）時(shí)，由于風(fēng)力發(fā)電取代了部分較昂貴機(jī)組的發(fā)電量，促進(jìn)了系統(tǒng)發(fā)電成本的節(jié)省程度大幅提升。從圖中可以得出，過(guò)大的風(fēng)力發(fā)電容量，在輕載時(shí)，風(fēng)電的輸出容易受到火電機(jī)組最小發(fā)電量的影響；但在重載時(shí)，由于系統(tǒng)備用容量的限制，將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組實(shí)際可提供的最大發(fā)電量降低。

圖1 r與發(fā)電成本的關(guān)系

圖2 r與額外增加成本的關(guān)系

圖3 可用風(fēng)力發(fā)電量與發(fā)電成本的關(guān)系

圖4 實(shí)際最大風(fēng)力發(fā)電量與節(jié)省成本的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)孤立系統(tǒng)并入大量的風(fēng)力發(fā)電容量時(shí)，調(diào)度與規(guī)劃的觀念需要做相應(yīng)的改進(jìn)，以確保系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全及可靠。考慮風(fēng)力發(fā)電的不確定性，系統(tǒng)必須額外規(guī)劃足夠的上升備用容量，以此來(lái)應(yīng)付負(fù)荷和風(fēng)電的突然波動(dòng)，而系統(tǒng)下降備用容量的設(shè)置則可減少風(fēng)電機(jī)組在輕載時(shí)強(qiáng)迫降低發(fā)電量的概率，同時(shí)，避免火力機(jī)組的頻繁啟停，達(dá)到最大化節(jié)省發(fā)電成本的目標(biāo)。實(shí)例仿真結(jié)果證明了本優(yōu)化調(diào)度模型的有效性，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供調(diào)度及規(guī)劃的參考。

［1］李俊峰，蔡豐波，喬黎明，等.2014中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告［R］，2014.

［2］國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì).電網(wǎng)企業(yè)全額收購(gòu)可再生能源電量監(jiān)管辦法［Z］，2007.

［3］Contaxis G C，Kabouris J.Short Term Scheduling in a Wind／Diesel Autonomous Energy System［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1991，6（3）：1161－1167.

［4］Karaki S H，Chedid R B，Ramadan R.Probabilistic Production Costing of Diesel－Wind Energy Conversion Systems［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2000，15（3）：284－289.

［5］張粒子，周娜，王楠.大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)調(diào)度模式的經(jīng)濟(jì)性比較［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（22）：105－110.

［6］王彩霞，喬穎，魯宗相，等.低碳經(jīng)濟(jì)下風(fēng)火互濟(jì)系統(tǒng)日前發(fā)電計(jì)劃模式分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（22）：111－117.

［7］Chen C L，Chen N M.Direct Search Method for Solving Economic Dispatch Problem Considering Transmission Capacity Constraints［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2001，16（4）：764－769.