李本新，韓學(xué)山 ，劉國(guó)靜，王孟夏 ，李文博，蔣 哲

（1.山東大學(xué) 電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

機(jī)組組合是電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制中關(guān)鍵而核心的問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是制定日或周前的滿足發(fā)電、負(fù)荷及備用的機(jī)組啟停計(jì)劃［1-5］。

近年來(lái)，風(fēng)電等可再生能源發(fā)電得到了迅猛發(fā)展。其在發(fā)揮節(jié)能減排作用的同時(shí)，由于存在固有的強(qiáng)不確定性，使電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。為適應(yīng)這一挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能等各類(lèi)互補(bǔ)設(shè)施不斷涌現(xiàn)，其目的是促進(jìn)可再生能源發(fā)電的消納，如何實(shí)現(xiàn)這一最佳消納，成為機(jī)組組合決策面臨的新問(wèn)題。

針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)［6-7］建立了含風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)多目標(biāo)機(jī)組組合模型，分析了引入儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行成本、能源利用效率等因素的影響。為增強(qiáng)機(jī)組組合決策結(jié)果應(yīng)對(duì)不確定性的有效性，文獻(xiàn)［8］針對(duì)含風(fēng)電和抽水蓄能系統(tǒng)提出了魯棒機(jī)組組合決策方法，能夠有效計(jì)及風(fēng)電極限誤差的影響，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的抑制。文獻(xiàn)［9］采用置信區(qū)間法對(duì)風(fēng)電不確定性進(jìn)行建模，考慮了相鄰時(shí)段風(fēng)電極限場(chǎng)景間系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的牽制關(guān)系，可發(fā)揮抽水蓄能機(jī)組削峰填谷作用，促進(jìn)風(fēng)電的消納。依據(jù)隨機(jī)規(guī)劃理論，文獻(xiàn)［10］針對(duì)集中式儲(chǔ)能建立了含風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)隨機(jī)機(jī)組組合模型，儲(chǔ)能系統(tǒng)的峰谷調(diào)節(jié)作用不僅能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，而且能夠從一定程度上減輕風(fēng)電不確定性的影響，減少機(jī)組組合無(wú)解的情況。文獻(xiàn)［11］針對(duì)配置在各風(fēng)電場(chǎng)中的分散式儲(chǔ)能，提出了計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)備用約束的隨機(jī)機(jī)組組合模型，可實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)。

從目前的研究狀況看，儲(chǔ)能等補(bǔ)償設(shè)施的加入無(wú)疑提升了機(jī)組組合應(yīng)對(duì)不確定性的能力。然而，由其性質(zhì)可知，儲(chǔ)能等補(bǔ)償設(shè)施是依賴(lài)電網(wǎng)而存在的，其可控性源自對(duì)電網(wǎng)中電能的時(shí)空平移，在時(shí)變過(guò)程中盡可能發(fā)揮其位置、數(shù)量的有效改變，才能夠起到應(yīng)對(duì)不確定性的作用。若在研究周期內(nèi)將其按預(yù)期進(jìn)行鎖定，轉(zhuǎn)而當(dāng)預(yù)期出現(xiàn)偏差時(shí)，完全由火電機(jī)組承擔(dān)，導(dǎo)致機(jī)組必須同時(shí)應(yīng)對(duì)負(fù)荷與可再生能源2類(lèi)預(yù)期外的不確定性，造成機(jī)組提供更多的備用，或者出現(xiàn)切負(fù)荷、棄風(fēng)光發(fā)電現(xiàn)象。

對(duì)此，本文以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)對(duì)或消除風(fēng)電的不確定性為思路，建立了機(jī)組組合2層優(yōu)化決策模型。上層問(wèn)題以機(jī)組組合成本最小為目標(biāo)，下層問(wèn)題以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電、負(fù)荷間的互補(bǔ)程度為滿足對(duì)象，其中計(jì)及了自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）機(jī)組和非AGC機(jī)組的特性，以及系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)的作用。通過(guò)系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)的原理，下層問(wèn)題在上層問(wèn)題給定的優(yōu)化信息引導(dǎo)下，通過(guò)上、下層問(wèn)題的交替迭代對(duì)該模型予以求解，決策儲(chǔ)能系統(tǒng)充／放電功率、調(diào)控范圍及機(jī)組啟停方案，從而更有效提升風(fēng)電的接納能力。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的互補(bǔ)作用

本文重點(diǎn)考慮風(fēng)電。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的分布與預(yù)測(cè)時(shí)間尺度有關(guān)，機(jī)組組合決策中預(yù)測(cè)時(shí)間尺度一般至少為24 h，此時(shí)風(fēng)電功率可認(rèn)為服從正態(tài)分布［12］。由預(yù)測(cè)技術(shù)獲得其概率分布規(guī)律后，考慮風(fēng)電波動(dòng)需滿足的置信度要求，可獲得調(diào)度決策需滿足的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值、最大值及最小值［13］。

風(fēng)電功率不確定性強(qiáng)，若僅依靠常規(guī)火電機(jī)組應(yīng)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)，會(huì)造成其備用增加、頻繁啟動(dòng)等，不僅代價(jià)高，還會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)電或切負(fù)荷等。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行靈活，在時(shí)變過(guò)程中應(yīng)盡可能發(fā)揮其位置、數(shù)量的有效改變，以起到減輕或消除被動(dòng)量不確定性的作用。為此，本文提出了儲(chǔ)能與不確定性互補(bǔ)的機(jī)制：儲(chǔ)能的決策不僅參與期望功率平衡約束，還將起到備用的作用，以減少常規(guī)火電機(jī)組備用容量，提高其運(yùn)行效率。下面以?xún)?chǔ)能應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性為例進(jìn)行說(shuō)明。圖1給出了風(fēng)電功率概率分布密度 曲線，Rupess，t、Rdness，t對(duì)應(yīng) t 時(shí)段儲(chǔ) 能應(yīng) 對(duì) 風(fēng) 電 不確定性的調(diào)控范圍。

圖1 應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性的基本原理Fig.1 Basic principle to cope with uncertainty of wind power

由圖1可見(jiàn)，陰影部分所對(duì)應(yīng)的風(fēng)電不確定性可通過(guò)儲(chǔ)能在運(yùn)行過(guò)程中調(diào)整充／放電功率予以平抑，而由常規(guī)火電機(jī)組集中應(yīng)對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)值鄰域內(nèi)有限的不確定性。若儲(chǔ)能在滿足基本用電需求的同時(shí)，仍存在較高冗余的調(diào)節(jié)空間，那么在理想情況下，儲(chǔ)能可完全消除風(fēng)電的不確定性。

對(duì)應(yīng)上述思路，在不考慮波動(dòng)對(duì)應(yīng)概率數(shù)值前提下，儲(chǔ)能與風(fēng)電互補(bǔ)過(guò)程中的調(diào)控策略可表示為：

其中，Pess，t為調(diào)度給定的t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率計(jì)劃值，負(fù)值表示放電為t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償風(fēng)電功率波動(dòng)后的實(shí)際充電功率為隨機(jī)波動(dòng)量，表示 t時(shí)段可能的風(fēng)電功率分別為 t時(shí)段風(fēng)電功率預(yù)測(cè)在一定置信范圍內(nèi)的最大值、最小值。為便于表示，對(duì)應(yīng)圖 1，式（1）中

2 機(jī)組組合的2層優(yōu)化決策模型

2.1 上層問(wèn)題

上層問(wèn)題以研究周期內(nèi)火電機(jī)組運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)可表示為：

其中，N 為機(jī)組數(shù)量；ai、bi、ci為機(jī)組 i的成本特性系數(shù)；Pi，t為機(jī)組 i在 t時(shí)段的輸出功率；ui，t為機(jī)組 i在t時(shí)段的啟停狀態(tài)，0 表示停運(yùn)，1 表示運(yùn)行；Si，t為機(jī)組i在t時(shí)段的啟動(dòng)成本。

約束條件包括以下5個(gè)方面。

（1）功率平衡約束。

其中，Pw，t、PD，t分別為 t時(shí)段風(fēng)電、常規(guī)負(fù)荷預(yù)測(cè)值；分別為 t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電功率計(jì)劃值，其取值根據(jù)下層優(yōu)化問(wèn)題決策結(jié)果確定，在上層問(wèn)題中為給定常數(shù)。

（2）機(jī)組輸出功率上下限約束。

其中分別為機(jī)組i允許的最大、最小輸出功率。

（3）機(jī)組爬坡速率約束。

其中分別為機(jī)組i輸出功率最大的向上、向下調(diào)節(jié)速率。

（4）機(jī)組最小開(kāi)停機(jī)時(shí)間約束。

其中分別為機(jī)組 i已開(kāi)機(jī)、停機(jī)的時(shí)段數(shù)；Ti，on、Ti，off分別為機(jī)組 i最小開(kāi)、停機(jī)時(shí)段數(shù)。

（5）備用約束。

其中分別為機(jī)組i在t時(shí)段為應(yīng)對(duì)風(fēng)電和負(fù)荷不確定性所達(dá)到的最大功率值和最小功率值；分別為t時(shí)段負(fù)荷功率在一定置信范圍內(nèi)的最大值、最小值；βt為t時(shí)段系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，單位MW／Hz；Ki為機(jī)組i頻率調(diào)節(jié)系數(shù)為 s情景下t時(shí)段電網(wǎng)頻率相對(duì)額定頻率的偏差，s=1表示負(fù)荷位于波動(dòng)范圍上限而風(fēng)電位于波動(dòng)范圍下限的嚴(yán)峻情景，s=2表示負(fù)荷位于波動(dòng)范圍下限而風(fēng)電位于波動(dòng)范圍上限的嚴(yán)峻情景；Δfmax為正常運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)頻率允許的最大偏差；Δi是為了應(yīng)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)，AGC機(jī)組i輸出功率基點(diǎn)最大調(diào)整量，對(duì)于非AGC機(jī)組為 t時(shí)段儲(chǔ)能應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性的調(diào)控范圍，其取值根據(jù)下層優(yōu)化問(wèn)題決策結(jié)果確定，在上層問(wèn)題中為給定常數(shù)。

傳統(tǒng)機(jī)組組合決策中應(yīng)對(duì)負(fù)荷與風(fēng)電波動(dòng)主要對(duì)應(yīng)AGC機(jī)組二次調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)容量的配置。實(shí)際伴隨負(fù)荷與風(fēng)電波動(dòng)，電網(wǎng)頻率允許偏離額定值運(yùn)行，系統(tǒng)中運(yùn)行的所有機(jī)組以及負(fù)荷均可通過(guò)參與頻率調(diào)節(jié)應(yīng)對(duì)不確定性。進(jìn)一步考慮一次調(diào)節(jié)作用，相比于視電網(wǎng)頻率處于額定值不變、僅考慮AGC機(jī)組調(diào)節(jié)的方式，可增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不確定性的能力，避免調(diào)度無(wú)解而實(shí)際可行的情況［14］。t時(shí)段系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)系數(shù)可表示為：

其中，Dt為t時(shí)段負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.2 下層問(wèn)題

下層問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)可表示為：

其中，λt、μt、γt為上層問(wèn)題給定的協(xié)調(diào)信息。

λt取為t時(shí)段邊際發(fā)電成本，可根據(jù)上層問(wèn)題決策結(jié)果求得。λt可反映t時(shí)段發(fā)電與負(fù)荷有功平衡的緊張情況，一般在負(fù)荷高峰時(shí)段較大、負(fù)荷低谷時(shí)較小。將λt作為協(xié)調(diào)信息，引導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)充／放電功率的優(yōu)化決策，使之在負(fù)荷高峰（λt較大）時(shí)放電，在負(fù)荷低谷（λt較?。r(shí)充電，由此不僅能夠促進(jìn)上層問(wèn)題有功平衡，而且能夠使儲(chǔ)能系統(tǒng)在對(duì)電網(wǎng)中電能時(shí)空平移過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自身收益最大化。類(lèi)似地，μt、γt分別取為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供上調(diào)備用、下調(diào)備用的影子價(jià)格，該數(shù)值越大，則儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)留的調(diào)控范圍越大、儲(chǔ)能系統(tǒng)提供備用的收益越大，同時(shí)上層問(wèn)題中機(jī)組所需提供的備用容量越小，可有效避免機(jī)組頻繁啟停。

因本文主要研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)配置給定下的短期運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題，故下層問(wèn)題不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的投資成本，而是以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)中電能時(shí)空平移和提供備用所得收益最大為目標(biāo)，在這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，借助上層問(wèn)題給定的協(xié)調(diào)信息的引導(dǎo)，可促進(jìn)上層問(wèn)題有功平衡的實(shí)現(xiàn)以及減輕火電機(jī)組的備用負(fù)擔(dān)，提高機(jī)組組合決策的經(jīng)濟(jì)性。

約束條件包括以下4個(gè)方面。

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)充／放電功率約束。

其中分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)允許的最大放電、充電功率分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電、充電的標(biāo)志。式（18）保證儲(chǔ)能系統(tǒng)不能同時(shí)處于充電和放電狀態(tài)。

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)充／放電功率調(diào)控范圍約束。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電或充電功率等于其最大允許值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將喪失上調(diào)或下調(diào)的調(diào)控能力。本文通過(guò)式（19）、（20）對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控范圍與其計(jì)劃充／放電功率的牽制關(guān)系進(jìn)行了描述。

當(dāng)t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有在應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性過(guò)程中儲(chǔ)能系統(tǒng)可采取的調(diào)控手段包括：風(fēng)電低于預(yù)測(cè)值或負(fù)荷高于預(yù)測(cè)值時(shí)減少充電功率，為避免儲(chǔ)能系統(tǒng)在短時(shí)內(nèi)反復(fù)充／放電影響電池壽命，充電功率最多減少至0，調(diào)控范圍受式（19）的限制；風(fēng)電高于預(yù)測(cè)值或負(fù)荷低于預(yù)測(cè)值時(shí)增加充電功率，充電功率最大為調(diào)控范圍受式（20）的限制。

類(lèi)似地，當(dāng)t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有風(fēng)電低于預(yù)測(cè)值或負(fù)荷高于預(yù)測(cè)值時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可增加放電功率，放電功率最大為調(diào)控范圍受式（19）的限制；風(fēng)電高于預(yù)測(cè)值或負(fù)荷低于預(yù)測(cè)值時(shí)應(yīng)減少放電功率，為避免短時(shí)內(nèi)反復(fù)充／放電，放電功率最多減少至0，調(diào)控范圍受式（20）的限制。

（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量約束。

其中，Eess，t為 t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量值；ηch、ηd分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、放電效率；Emax、Emin為儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量允許的最大值、最小值。

（4）儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量調(diào)控范圍約束。

儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量處于最大值或最小值時(shí)將喪失部分調(diào)控能力，為此應(yīng)使存儲(chǔ)能量預(yù)留一定的調(diào)節(jié)空間，需滿足如下約束：

式（23）、（24）為儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在時(shí)變過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)對(duì)不確定性的作用預(yù)留了存儲(chǔ)能量的調(diào)節(jié)空間。

2.3 求解流程

本文模型采用上、下層問(wèn)題交替迭代的方式求解，具體求解流程如下：

a.對(duì)上層問(wèn)題中機(jī)組啟停計(jì)劃、備用配置進(jìn)行優(yōu)化決策，儲(chǔ)能系統(tǒng)充／放電功率、風(fēng)電補(bǔ)償后的功率等下層問(wèn)題互補(bǔ)結(jié)果在上層問(wèn)題中為給定常數(shù)；

b.根據(jù)上層問(wèn)題決策結(jié)果計(jì)算 λt、μt、γt，對(duì)下層問(wèn)題中儲(chǔ)能系統(tǒng)充／放電功率及調(diào)控范圍進(jìn)行優(yōu)化決策；

c.依據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電互補(bǔ)的調(diào)控策略對(duì)風(fēng)電波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，提高其不確定性的可信度；

d.若機(jī)組運(yùn)行成本在迭代過(guò)程中不再下降，或者達(dá)到給定的迭代步數(shù)或計(jì)算時(shí)間，則認(rèn)為迭代收斂，否則返回上層問(wèn)題重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

3 算例分析

3.1 算例概述

采用10機(jī)組系統(tǒng)對(duì)本文模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證?；痣姍C(jī)組容量、爬坡速率等參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［15］，風(fēng)電數(shù)據(jù)和常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)［10］基礎(chǔ)上做適當(dāng)修改。儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如下：最大充／放電功率50 MW，電量最大值300 MW·h，電量最小值10 MW·h，電量初始值60MW·h，充電效率0.85，放電效率1.0。將機(jī)組二次耗量特性函數(shù)進(jìn)行分段線性化（三分段，分段大小相等）。系統(tǒng)頻率為50 Hz，正常運(yùn)行時(shí)頻率允許變化范圍為（50±0.1）Hz。

為說(shuō)明本文模型有效性，考慮以下3種情況：情況1為機(jī)組組合決策中不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)；情況2為機(jī)組組合決策中考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)，但儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與系統(tǒng)備用，通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化確定其充／放電功率后直接下發(fā)執(zhí)行；情況3為采用本文模型。

3.2 情況1決策結(jié)果

在情況1下，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，機(jī)組1、6、7在所有時(shí)段均投入運(yùn)行，其他7臺(tái)機(jī)組啟停計(jì)劃如表1所示。

表1 情況1對(duì)應(yīng)的機(jī)組啟停計(jì)劃Table 1 Unit commitment scheme for case 1

總運(yùn)行成本為$472 414，共涉及13次機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程。在研究周期內(nèi)AGC機(jī)組（機(jī)組6—10）啟停頻繁，在時(shí)段12、13需要5臺(tái)AGC機(jī)組全部投入運(yùn)行，而在時(shí)段16—19僅需要2臺(tái)AGC機(jī)組。可見(jiàn)，為滿足風(fēng)電和常規(guī)負(fù)荷不確定性，僅依靠火電的機(jī)組組合方法需要在研究周期內(nèi)進(jìn)行較為頻繁的機(jī)組啟停，運(yùn)行成本較高。

3.3 情況2決策結(jié)果

在情況2下，不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電互補(bǔ)應(yīng)對(duì)不確定性的作用，風(fēng)電和常規(guī)負(fù)荷不確定性完全由火電機(jī)組承擔(dān)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，機(jī)組1、6、7在所有時(shí)段均投入運(yùn)行，機(jī)組3在所有時(shí)段均停運(yùn)，其他6臺(tái)機(jī)組啟停計(jì)劃如表2所示。

表2 情況2對(duì)應(yīng)的機(jī)組啟停計(jì)劃Table 2 Unit commitment scheme for case 2

總運(yùn)行成本為$464784，共涉及11次機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程。相較于不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)度決策的情況1，運(yùn)行成本和機(jī)組啟停次數(shù)有所減少。但由于備用仍完全由火電機(jī)組承擔(dān)，在運(yùn)行過(guò)程中AGC機(jī)組（機(jī)組6—10）啟停仍較為頻繁。

3.4 情況3決策結(jié)果

采用本文模型，經(jīng)過(guò)3次交替迭代后收斂。根據(jù)本文模型計(jì)算結(jié)果，機(jī)組1在所有時(shí)段均投入運(yùn)行，機(jī)組3、9、10在所有時(shí)段均停運(yùn)，其他6臺(tái)機(jī)組的啟停計(jì)劃如表3所示。

表3 情況3對(duì)應(yīng)的機(jī)組啟停計(jì)劃Table 3 Unit commitment scheme for case 3

總運(yùn)行成本為$420 671，共涉及9次機(jī)組啟停過(guò)程，相較于前2種情況均有較為明顯的減少。同時(shí)，在研究周期內(nèi)需要投入運(yùn)行的AGC機(jī)組數(shù)量明顯減少，在部分時(shí)段（如時(shí)段13—19）可完全通過(guò)風(fēng)儲(chǔ)互補(bǔ)的方式，并結(jié)合系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)不確定性的消納，減少了AGC機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)。

根據(jù)本文模型計(jì)算結(jié)果，各時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量計(jì)劃值如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量Fig.2 Scheduled SOC of ESS

圖2中，虛線分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量允許的最大值、最小值。由圖2可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)在凈負(fù)荷較小的時(shí)段2—5充電，在凈負(fù)荷較高的時(shí)段9—11、20、21放電，可起到峰谷調(diào)節(jié)的作用。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量基本維持在允許范圍的中間值附近，從而保證儲(chǔ)能系統(tǒng)留有調(diào)節(jié)余量，能夠通過(guò)調(diào)整充電或放電功率應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性。

為說(shuō)明本文模型決策結(jié)果的有效性，通過(guò)生產(chǎn)模擬的方式隨機(jī)生成一個(gè)風(fēng)電和負(fù)荷波動(dòng)的情景，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，以此為例，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在互補(bǔ)過(guò)程中的調(diào)控策略以及電網(wǎng)頻率變化情況進(jìn)行仿真計(jì)算。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)備用容量的釋放，各時(shí)段存儲(chǔ)電量實(shí)際變化情況如圖3所示。

表4 負(fù)荷和風(fēng)電功率隨機(jī)模擬數(shù)據(jù)Table 4 Simulative loads and wind powers

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量實(shí)際變化情況Fig.3 Real SOC of ESS

由圖3可知，按照本文模型決策結(jié)果，儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可順利發(fā)揮應(yīng)對(duì)不確定性的作用，未出現(xiàn)調(diào)節(jié)能力受限的情況。同時(shí)，僅需要在時(shí)段2、13、15調(diào)用電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)資源，在頻率允許范圍內(nèi)偏離額定值運(yùn)行。對(duì)比表2、表3可知，在上述時(shí)段利用電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，可充分發(fā)揮非AGC機(jī)組及負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)作用，減少了AGC機(jī)組調(diào)節(jié)容量配置。

3.5 應(yīng)對(duì)不確定性能力對(duì)比

為進(jìn)一步說(shuō)明本文模型應(yīng)對(duì)不確定性的能力，將風(fēng)電功率相對(duì)預(yù)測(cè)值的偏差以一定步長(zhǎng)逐漸增加，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 應(yīng)對(duì)不確定性能力對(duì)比Table 5 Comparison of ability to cope with uncertainty

由表5中情況1可知，隨著風(fēng)電不確定性的增強(qiáng)，僅依靠常規(guī)火電機(jī)組難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的消納。對(duì)比情況1、情況2可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入在一定程度上增加了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不確定性的能力，但情況2對(duì)應(yīng)的運(yùn)行成本明顯高于本文模型方法，并且隨著風(fēng)電不確定性的增強(qiáng)，出現(xiàn)了機(jī)組組合無(wú)可行解的情況。而在表5中所示的不確定性范圍內(nèi)，本文方法均可得到可行解，增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不確定性的能力，有利于可再生能源發(fā)電的消納。

3.6 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量對(duì)機(jī)組組合決策的影響

為分析本文模型下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量對(duì)機(jī)組組合決策的影響，對(duì)第3.1節(jié)中除充放電效率參數(shù)外的其他儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)按等比例放縮，然后依據(jù)本文模型進(jìn)行計(jì)算，所得的機(jī)組組合總運(yùn)行成本隨儲(chǔ)能系統(tǒng)容量變化的趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 機(jī)組組合總運(yùn)行成本隨儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的變化趨勢(shì)Fig.4 Curve of unit commitment cost vs.capacity of ESS

由圖4可知，機(jī)組組合總運(yùn)行成本隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的增加呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)，且這一變化過(guò)程是非線性的，原因在于該問(wèn)題的非凸性，當(dāng)儲(chǔ)能容量達(dá)到某些臨界值時(shí)，如60 MW·h，會(huì)引起機(jī)組啟停的變化，從而造成總運(yùn)行成本波動(dòng)性的變化；當(dāng)然，如果儲(chǔ)能系統(tǒng)容量位于機(jī)組啟停相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，如330～390 MW·h，由于總運(yùn)行成本的降低來(lái)源于機(jī)組輸出功率的優(yōu)化，未涉及機(jī)組啟停調(diào)整，使這一變化的趨勢(shì)則相對(duì)平緩。最后，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量達(dá)到某一限值（本文為570 MW·h），由于系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不確定性的能力相當(dāng)充裕甚至出現(xiàn)冗余，再增加儲(chǔ)能系統(tǒng)容量也無(wú)法引起電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升?？梢?jiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置需要與電網(wǎng)不確定運(yùn)行環(huán)境相適應(yīng)，既要避免因容量不足引起的電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低，又要避免因配置容量過(guò)大出現(xiàn)冗余造成投資浪費(fèi)。

4 結(jié)論

針對(duì)如何在火電機(jī)組組合決策中利用儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電不確定性的問(wèn)題，本文提出儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性的互補(bǔ)機(jī)制，建立了火電機(jī)組組合2層優(yōu)化決策的模型。分析結(jié)果得到結(jié)論如下：

a.本文模型中儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可參與期望的功率平衡約束，還能夠通過(guò)與風(fēng)電的互補(bǔ)起到備用的作用，有直接消除不確定性的能力；

b.在提升接納不確定性能力的基礎(chǔ)上，避免了火電機(jī)組頻繁啟停；

c.在決策中考慮了電力系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)效應(yīng)，使決策免除保守性，更符合實(shí)際。

當(dāng)然，儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)備用作用的真實(shí)發(fā)揮，將體現(xiàn)在分鐘級(jí)、實(shí)時(shí)的控制中，以及概率、風(fēng)險(xiǎn)度量等問(wèn)題，這些有待于進(jìn)一步深入研究。

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