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        消納大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)源荷協(xié)同調(diào)度

        2016-09-08 06:49:25禤培正雷佳華棟鐘一鳴
        廣東電力 2016年8期
        關(guān)鍵詞:出力中斷風(fēng)電場(chǎng)

        禤培正,雷佳,華棟,鐘一鳴

        (1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510641;2.大連海事大學(xué),遼寧 大連 116026)

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        消納大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)源荷協(xié)同調(diào)度

        禤培正1,雷佳1,華棟1,鐘一鳴2

        (1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510641;2.大連海事大學(xué),遼寧 大連 116026)

        大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)將給傳統(tǒng)調(diào)度體系帶來(lái)新的挑戰(zhàn),充分利用負(fù)荷側(cè)的可調(diào)度資源能緩解電網(wǎng)的調(diào)度壓力。為了使發(fā)電側(cè)和用電側(cè)均參與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度,對(duì)可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行建模,建立了含多種可控負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度模型;采用極限場(chǎng)景法處理風(fēng)電的波動(dòng)場(chǎng)景并調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行計(jì)算。算例結(jié)果表明:源荷協(xié)同調(diào)度方式能使峰谷差下降389MW,并提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力,使最大能接納的風(fēng)電滲透率由11%上升至21%。

        源荷協(xié)同調(diào)度;風(fēng)電接納能力;可中斷負(fù)荷;可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

        目前,發(fā)展新能源已成為全球研究的熱點(diǎn),以風(fēng)電為代表的新能源具有間歇性及隨機(jī)性的特點(diǎn),這加劇了電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)峰問題和備用需求的優(yōu)化問題[1-2]。在傳統(tǒng)的電源側(cè)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中,通常采用常規(guī)機(jī)組預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用的方式來(lái)消納風(fēng)電的出力波動(dòng),但常規(guī)機(jī)組的調(diào)節(jié)能力有限,可能無(wú)法滿足大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下的調(diào)峰要求[3-5]。用戶側(cè)參與調(diào)度控制將是未來(lái)電力系統(tǒng)調(diào)度的有效補(bǔ)充方式。

        負(fù)荷種類多樣,有一部分負(fù)荷用電時(shí)間是靈活的,如加熱、制冷、電動(dòng)汽車等,這種負(fù)荷統(tǒng)稱為可控負(fù)荷??煽刎?fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度能緩解系統(tǒng)的調(diào)峰壓力,提高接納間歇性新能源的能力[6-8]。目前,負(fù)荷側(cè)參與調(diào)度的相關(guān)研究多集中在電力市場(chǎng)環(huán)境下的可中斷負(fù)荷模型,可中斷負(fù)荷管理是電力市場(chǎng)環(huán)境下需求側(cè)管理的重要組成部分,與電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)[9]。文獻(xiàn)[9]考慮了停電持續(xù)時(shí)間和停電總次數(shù)約束,以購(gòu)買費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)求解出最優(yōu)的可中斷負(fù)荷購(gòu)買方案。文獻(xiàn)[10]針對(duì)實(shí)施可中斷負(fù)荷管理過程中存在的問題,對(duì)可中斷負(fù)荷管理中的用戶響應(yīng)進(jìn)行分析,建立了用戶響應(yīng)模型。文獻(xiàn)[11]在分時(shí)電價(jià)的環(huán)境下,建立了微網(wǎng)中分布式電源與需求側(cè)負(fù)荷優(yōu)化管理的協(xié)調(diào)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[12-13]在含風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中考慮了價(jià)格型需求響應(yīng),以提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。上述文獻(xiàn)建立的模型大部分只考慮可中斷負(fù)荷,缺乏定量分析可控負(fù)荷對(duì)提升風(fēng)電接納能力的作用。文章[14]綜合考慮源荷協(xié)調(diào)對(duì)風(fēng)電消納和系統(tǒng)運(yùn)行的影響并建立了源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型,但仍采用傳統(tǒng)的備用整定法來(lái)處理風(fēng)電的隨機(jī)性。本文考慮了多種可控負(fù)荷,通過分析可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的運(yùn)行特性建立了一種消納大規(guī)模風(fēng)電的源荷協(xié)同調(diào)度模型,并采用極限場(chǎng)景法處理風(fēng)電的波動(dòng)場(chǎng)景,所述方法在某地區(qū)電網(wǎng)中進(jìn)行了算例驗(yàn)證。

        1 含風(fēng)電的安全約束機(jī)組組合模型

        某電網(wǎng)包含G臺(tái)火電機(jī)組數(shù),W個(gè)風(fēng)電場(chǎng),調(diào)度周期為T。其中,g=1,2,…,G;w=1,2,…,W;t=1,2,…,T。含風(fēng)電的安全約束機(jī)組組合(security-constrainedunitcommitment,SCUC)模型如下。

        1.1目標(biāo)函數(shù)

        采用預(yù)測(cè)場(chǎng)景下的運(yùn)行成本作為目標(biāo)函數(shù),如式(1)所示。

        (1)

        式中:F(g,t)和Su(g,t)分別為發(fā)電成本和啟動(dòng)成本,其中發(fā)電成本采用式(2)的二次函數(shù)。

        F(g,t)=(agp2(g,t)+bgp(g,t)+cg)I(g,t).(2)

        其中,p(g,t)、I(g,t)分別為火電機(jī)組g在時(shí)段t的輸出功率和啟停狀態(tài)變量,系數(shù)ag、bg、cg通過實(shí)際運(yùn)行或?qū)嶒?yàn)獲得。啟動(dòng)成本由式(3)計(jì)算所得,其中Su,g為機(jī)組g的啟動(dòng)費(fèi)用。

        (3)

        1.2約束方程

        各約束方程分別如下:

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        (10)

        2 源荷協(xié)同調(diào)度模型

        一般來(lái)說,負(fù)荷D(t)包括不變負(fù)荷Dnc(t)和可控負(fù)荷Dc(t)兩部分,為方便討論,本文將可控負(fù)荷分為可中斷負(fù)荷D1(t)和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷D2(t)兩種。其中,可中斷負(fù)荷是指用戶負(fù)荷中心可以中斷的部分,典型的可中斷負(fù)荷有電動(dòng)汽車等。通過采用合理的中斷策略能降低電網(wǎng)的調(diào)峰壓力,提高接納新能源的能力??赊D(zhuǎn)移負(fù)荷是指用戶負(fù)荷中心可以轉(zhuǎn)移的部分。在調(diào)度周期內(nèi),將高峰時(shí)段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段,可起到削峰填谷的作用,提高常規(guī)機(jī)組的運(yùn)行效率。

        在上述建立的SCUC模型的基礎(chǔ)上考慮C1個(gè)可中斷負(fù)荷與C2個(gè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,則功率平衡方程為

        (11)

        (12)

        (13)

        (14)

        用戶按照合同規(guī)定中斷和轉(zhuǎn)移負(fù)荷,電力公司給予用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。調(diào)整后的目標(biāo)函數(shù)如式(16)所示,其中用戶的補(bǔ)償費(fèi)用與中斷電量及轉(zhuǎn)移電量成正比,λ為單位中斷電量的補(bǔ)償費(fèi)用,μ為單位轉(zhuǎn)移電量的補(bǔ)償費(fèi)用。

        3 風(fēng)電場(chǎng)的魯棒求解

        3.1場(chǎng)景描述

        采用場(chǎng)景法描述風(fēng)電出力的不確定性。對(duì)于包含W個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng),在某調(diào)度時(shí)段各風(fēng)電場(chǎng)可能出現(xiàn)的一組出力集合記為場(chǎng)景si,即

        (17)

        式中:p′max(w)、p′min(w)構(gòu)成了風(fēng)電場(chǎng)w的置信區(qū)間,是一定置信概率下的波動(dòng)范圍。

        所有風(fēng)電場(chǎng)的出力均為預(yù)測(cè)值時(shí)稱之為預(yù)測(cè)場(chǎng)景,否則為誤差場(chǎng)景。風(fēng)電出力在波動(dòng)范圍內(nèi)是連續(xù)隨機(jī)的,誤差場(chǎng)景有無(wú)窮多個(gè)。假設(shè)時(shí)段t發(fā)生場(chǎng)景si,若仍采用預(yù)測(cè)場(chǎng)景下的發(fā)電計(jì)劃,將產(chǎn)生功率缺額,故應(yīng)適當(dāng)調(diào)整常規(guī)機(jī)組的出力保證場(chǎng)景si下滿足功率平衡。如果能在調(diào)整時(shí)間約束內(nèi)完成機(jī)組的出力調(diào)整,則認(rèn)為該發(fā)電計(jì)劃能適應(yīng)場(chǎng)景si。

        3.2場(chǎng)景識(shí)別

        為保證調(diào)度的安全性,發(fā)電計(jì)劃需適應(yīng)所有可能出現(xiàn)的誤差場(chǎng)景,由于誤差場(chǎng)景個(gè)數(shù)太多,需要從中刷選出有效的場(chǎng)景。如果場(chǎng)景中每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的出力都處于置信區(qū)間的上限或下限,則稱之為極限場(chǎng)景[15-16]。文獻(xiàn)[17]證明了只要模型的解能適應(yīng)極限場(chǎng)景,則必然能適應(yīng)置信區(qū)間內(nèi)所有的誤差場(chǎng)景。換言之,極限場(chǎng)景集在應(yīng)對(duì)風(fēng)電的波動(dòng)區(qū)間時(shí)具有完全的代表性。以兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為例,極限場(chǎng)景集的選取方法如圖1所示。

        圖1 極限場(chǎng)景的選擇方法

        最極端的情況是,魯棒調(diào)度涵蓋了所有可能性(極限場(chǎng)景取為風(fēng)電的零出力和最大出力),但存在過于保守、對(duì)目標(biāo)函數(shù)犧牲過大的風(fēng)險(xiǎn)。因此,通常通過給定一個(gè)小于1的置信概率來(lái)獲取風(fēng)電的波動(dòng)范圍,即極限場(chǎng)景集。該極限場(chǎng)景集忽略了某些小概率的極端波動(dòng)情況,使調(diào)度方案能適應(yīng)絕大部分的風(fēng)電波動(dòng)并能得到相對(duì)較優(yōu)的發(fā)電成本。

        風(fēng)電的出力波動(dòng)主要對(duì)電網(wǎng)調(diào)度造成兩方面的影響,一是棄風(fēng)和切負(fù)荷損失,這體現(xiàn)在式(11)描述的功率平衡約束;二是線路潮流越限,這體現(xiàn)在式(10)描述的線路潮流約束。為保證調(diào)度的安全性,需保證式(10)和式(11)在風(fēng)電波動(dòng)區(qū)間內(nèi)均滿足要求。

        4 算例分析

        采用某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)算,包含15臺(tái)火電機(jī)組和5個(gè)風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)電、負(fù)荷的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和機(jī)組參數(shù)分別見表1和表2。根據(jù)文獻(xiàn)[9]所給的可控負(fù)荷參數(shù),本文考慮2個(gè)可中斷負(fù)荷和3個(gè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,見表3。

        表1負(fù)荷及風(fēng)電的預(yù)測(cè)出力MW

        時(shí)段負(fù)荷風(fēng)電出力時(shí)段負(fù)荷風(fēng)電出力128202501336923772270525414352039632614233153216409425422111632864305247022517367045062446219183920455726222561939504288281830620370240593074330213434396103410342223170385113665363232980363123704370242920340

        表2火電機(jī)組參數(shù)

        機(jī)組編號(hào)負(fù)荷上限/MW負(fù)荷下限/MW向上爬坡率/(MW·min-1)向下爬坡率/(MW·min-1)1400250332400250333300160334300160335290150336290150337290150338290150339200602210200602211130702212130702213130702214120302215803022

        表3 可控負(fù)荷的參數(shù)

        源荷協(xié)同調(diào)度模型是多場(chǎng)景、高維度的混合整數(shù)規(guī)劃問題。對(duì)模型的成本函數(shù)進(jìn)行分段線性化后,調(diào)用成熟的求解器CPLEX.12.1進(jìn)行求解,測(cè)試環(huán)境為內(nèi)存4 GB、主頻2.6 Hz 的個(gè)人計(jì)算機(jī)??煽刎?fù)荷參與調(diào)度,出力曲線如圖2所示。

        圖2 可控負(fù)荷變化曲線

        顯然,源荷協(xié)同調(diào)度方式有利于降低電網(wǎng)的調(diào)峰壓力,削峰填谷,提高機(jī)組運(yùn)行效率。本例中,源荷協(xié)同調(diào)度方式將負(fù)荷峰谷差由1 504MW降低至1 115MW,如圖3所示。

        圖3 調(diào)整前后負(fù)荷曲線

        對(duì)傳統(tǒng)電源側(cè)調(diào)度和源荷協(xié)同調(diào)度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表4。源荷協(xié)同調(diào)度通過合理中斷和轉(zhuǎn)移可控負(fù)荷,減少火電機(jī)組開機(jī)臺(tái)數(shù),從而降低了發(fā)電成本。即使考慮補(bǔ)償給用戶的額外費(fèi)用,該調(diào)度方式仍較傳統(tǒng)調(diào)度方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

        表4兩種方法對(duì)比

        方法火電開機(jī)臺(tái)數(shù)發(fā)電成本/萬(wàn)元補(bǔ)償費(fèi)用/萬(wàn)元總費(fèi)用/萬(wàn)元電源側(cè)調(diào)度14876.76110876.7611源荷協(xié)同調(diào)度10809.923453.8863.7234

        在含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)中,調(diào)度計(jì)劃能否有效跟隨風(fēng)電的出力至關(guān)重要。當(dāng)風(fēng)電出力波動(dòng)時(shí),電網(wǎng)出現(xiàn)有功不平衡,要求在調(diào)整時(shí)間tc內(nèi)完成機(jī)組出力的調(diào)整,使電網(wǎng)恢復(fù)功率平衡?;痣姍C(jī)組的出力調(diào)整受到上下限及爬坡率的雙重限制,調(diào)整時(shí)間內(nèi)機(jī)組的下調(diào)容量d(t)和上調(diào)容量u(t)分別根據(jù)式(18)和式(19)計(jì)算。

        (18)

        (19)

        以風(fēng)電出力發(fā)生向下波動(dòng)為例,為維持有功平衡要求常規(guī)機(jī)組向上調(diào)整出力?;痣姍C(jī)組各時(shí)段的上調(diào)容量如圖4所示。在負(fù)荷高峰時(shí)段(t=17~19 h),由于火電機(jī)組出力接近上限值,向上調(diào)節(jié)容量不足,當(dāng)風(fēng)電出力向下波動(dòng)較大時(shí),單靠電源側(cè)的調(diào)整可能無(wú)法維持有功平衡,從而影響電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。當(dāng)考慮可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用時(shí),將極大地提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。此時(shí),電網(wǎng)能適應(yīng)風(fēng)電絕大部分的出力波動(dòng)。

        圖4 火電及可控負(fù)荷能提供的上調(diào)容量對(duì)比

        隨著風(fēng)電滲透率的增加,風(fēng)電的出力波動(dòng)也將增大,當(dāng)滲透率足夠大時(shí),電網(wǎng)將無(wú)法維持有功平衡,需采用切負(fù)荷和棄風(fēng)措施。此時(shí),認(rèn)為調(diào)度計(jì)劃無(wú)法接納這種情況下的風(fēng)電波動(dòng)。在本文算例中,4種調(diào)度方案的風(fēng)電接納能力見表5??梢姡捎迷春蓞f(xié)同調(diào)度方式能夠有效提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力。

        表54種方法的風(fēng)電接納能力

        方法最大能接納的風(fēng)電滲透率/%傳統(tǒng)的電源側(cè)調(diào)度11考慮可中斷負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度13考慮可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度19同時(shí)考慮兩種可控負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度21

        5 結(jié)論與展望

        大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰和風(fēng)電的消納水平提出了更高的要求,通過合理控制負(fù)荷側(cè)的可調(diào)度資源能夠有效緩解調(diào)度的壓力。本文綜合考慮可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷兩種類型的可控負(fù)荷,在傳統(tǒng)SCUC模型的基礎(chǔ)上建立了源荷協(xié)同調(diào)度模型并調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解。算例表明,源荷協(xié)同調(diào)度方式通過合理地中斷和轉(zhuǎn)移可控負(fù)荷,起到了削峰填谷的作用,降低了發(fā)電成本并提高了風(fēng)電消納水平。

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        (編輯查黎)

        Source-load Coordination Dispatching for Power System Considering Large-scaleWindPowerAccommodation

        XUAN Peizheng1, LEI Jia1, HUA Dong1, ZHONG Yiming2

        (1.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510641,China; 2.DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

        Large-scalewindpowerintegrationintothepowergridmaybringnewchallengestotraditionaldispatchingsystemandfullutilizationofload-sideschedulableresourcescanremitdispatchingpressureofthepowergrid.Inordertomakebothgenerationsideandusersideparticipateineconomicdispatchingforthepowergrid,thispapersetsupmodelsforinterruptibleloadandtransferableloadaswellasthesource-loadcoordinationdispatchingmodelincludingmultiplecontrollableload.ItusesextremescenariomethodtodisposefluctuationscenarioofwindpowerandCPLEXsolverforcalculation.Theresultsindicatethatthemodeofsource-loadcoordinationdispatchingcanmakethepeakvalleydifferencedecrease389MWandimprovewindpoweracceptancecapacityofthepowergrid,ofwhichthemaximumacceptablewindpowerpermeabilityrisesfrom11%to21%.

        source-loadcoordinationdispatching;windpoweracceptancecapacity;interruptibleload;transferableload

        2016-02-03

        2016-06-07

        國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015AA050201)

        10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.003

        TM71

        A

        1007-290X(2016)08-0011-06

        禤培正(1990),男,廣東肇慶人。在讀碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。

        雷佳(1992),女,湖南永州人。在讀碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。

        華棟(1976),女,上海人。講師,工學(xué)博士,研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)、新能源并網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)。

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