劉喬波，謝平平，歐陽金鑫，朱繼忠，熊小伏，禤培正

(1. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510663)

0 引言

隨著環(huán)境問題和能源枯竭問題的日益加劇，風(fēng)能和太陽能等可再生能源得到了極大的發(fā)展，所占能源比重大幅上升。然而，由于風(fēng)能和太陽能具有間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性以及反調(diào)峰特性[1-3]，大規(guī)模新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[4-8]。

異質(zhì)能源是指能源種類和出力特性不同的能源。風(fēng)光水火等異質(zhì)能源在出力時(shí)空特性以及調(diào)節(jié)能力上具有一定的互補(bǔ)性，且其互補(bǔ)特性的強(qiáng)弱與時(shí)間尺度有關(guān)[9]。充分利用異質(zhì)能源之間的互補(bǔ)特性形成混合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，可有效地緩解單一風(fēng)力或光伏發(fā)電帶來的波動(dòng)性和反調(diào)峰特性[10-13]。在混合系統(tǒng)短期調(diào)度方面，文獻(xiàn)[14]引入環(huán)境污染懲罰成本和備用容量懲罰成本，建立了含有風(fēng)光互補(bǔ)電力的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；文獻(xiàn)[15]將新能源和常規(guī)電源打捆調(diào)度，提出了計(jì)及風(fēng)、光、水、火4種能源含三層調(diào)度模型的日前聯(lián)合調(diào)度方案；文獻(xiàn)[16]通過提取不同頻率下的風(fēng)光出力分量，制定各類補(bǔ)償電站出力計(jì)劃，提出風(fēng)光水氣儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)日前調(diào)度策略。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)多是針對單一日前時(shí)間尺度下互補(bǔ)調(diào)度策略的研究，鮮有研究日內(nèi)時(shí)間尺度的互補(bǔ)調(diào)度決策，由于日前風(fēng)光預(yù)測存在較大偏差[17]，實(shí)際情況下互補(bǔ)系統(tǒng)的互補(bǔ)效果往往大打折扣，日前計(jì)劃確定的混合電源出力對實(shí)際負(fù)荷曲線的平滑效果也十分有限，從而導(dǎo)致調(diào)度壓力和發(fā)電費(fèi)用的增加。

目前，國內(nèi)傳統(tǒng)短期調(diào)度主要采用日前調(diào)度計(jì)劃和自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)相結(jié)合的調(diào)度方式，時(shí)間尺度跨度大、調(diào)度模式較粗放，難以適應(yīng)大規(guī)模新能源接入后的電網(wǎng)調(diào)度[17]，現(xiàn)有一些研究通過多時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃的協(xié)調(diào)配合來提高電網(wǎng)對新能源的消納能力[18-19]。文獻(xiàn)[17]根據(jù)風(fēng)電預(yù)測精度隨時(shí)間尺度逐級提高的特性，提出了多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的有功調(diào)度模式；文獻(xiàn)[20]將風(fēng)電和負(fù)荷預(yù)測值用模糊參數(shù)表示，建立了多時(shí)間尺度下基于模糊機(jī)會(huì)約束的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；文獻(xiàn)[21]建立了多時(shí)間尺度下協(xié)調(diào)機(jī)組組合的含并網(wǎng)風(fēng)電電力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用預(yù)留容量的優(yōu)化模型。然而，上述文獻(xiàn)幾乎都只是針對含風(fēng)電簡單混合系統(tǒng)的多時(shí)間尺度調(diào)度模型，極少考慮光伏，沒有利用能源間的互補(bǔ)特性，同時(shí)在棄風(fēng)棄光約束的處理上也比較簡單。

基于上述分析，本文提出風(fēng)光水火等多種異質(zhì)能源多時(shí)間尺度互補(bǔ)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。首先，利用異質(zhì)能源間的互補(bǔ)特性將風(fēng)光水打捆成虛擬電源VP(Virtual Power)，并定義負(fù)荷跟蹤指標(biāo)使VP出力能很好地追蹤負(fù)荷曲線。同時(shí)，建立含日前24 h計(jì)劃、日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃以及實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃在內(nèi)的多時(shí)間尺度互補(bǔ)協(xié)同調(diào)度模型，設(shè)置遞進(jìn)修正的棄風(fēng)棄光約束，使得前一尺度調(diào)度計(jì)劃中風(fēng)光消納困難的時(shí)段在下一尺度調(diào)度計(jì)劃中具有更大的棄風(fēng)棄光上調(diào)裕度。利用不斷更新的預(yù)測信息，考慮不同時(shí)間尺度下的互補(bǔ)特性，滾動(dòng)修正水電、火電調(diào)度計(jì)劃和棄風(fēng)棄光約束，從而保持VP對負(fù)荷的良好追蹤，有效地提升互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)際的互補(bǔ)和平抑效果，并逐級減輕火電調(diào)度壓力，最終達(dá)到兼顧系統(tǒng)調(diào)節(jié)效益、環(huán)保效益以及經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 互補(bǔ)特性分析

1.1 多種異質(zhì)能源互補(bǔ)特性分析

風(fēng)光水火等多種異質(zhì)能源之間的互補(bǔ)特性包括出力時(shí)空特性和調(diào)節(jié)能力2個(gè)方面，具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 多種異質(zhì)能源互補(bǔ)特性關(guān)系圖Fig.1 Complementary characteristics of various heterogeneous energies

風(fēng)電和光伏出力具有天然的時(shí)空互補(bǔ)性。在時(shí)間上，風(fēng)、光這2種能源在各種時(shí)間尺度上均具有良好的互補(bǔ)特性。從月時(shí)間尺度來看，冬季風(fēng)能一般較強(qiáng)，太陽能較弱，而夏季風(fēng)能較弱，太陽能較強(qiáng)，因此夏、冬這2季風(fēng)光互補(bǔ)特性較好；從日時(shí)間尺度來看，晴天太陽能充足，風(fēng)能較弱，而陰雨天則恰好相反；從小時(shí)時(shí)間尺度來看，白天光伏電站出力較大，風(fēng)電機(jī)組出力較小，而夜間光伏電站出力為0，風(fēng)電機(jī)組出力較大。在空間上，中國北部大陸和東部沿海廣域范圍內(nèi)分布的風(fēng)能和太陽能具有良好的各時(shí)間尺度下的空間互補(bǔ)性，而且2種可再生能源分散的面積越大，日、小時(shí)級別時(shí)間尺度下的空間互補(bǔ)性就越強(qiáng)[9]。

風(fēng)電和水電在時(shí)間上也呈現(xiàn)良好的互補(bǔ)特性。在我國內(nèi)陸如西北、華北和東北等地區(qū)，往往冬、春季風(fēng)能豐富，水資源短缺，而夏、秋季則水資源豐富，風(fēng)能貧乏，構(gòu)建風(fēng)水互補(bǔ)系統(tǒng)可以在充分利用風(fēng)電資源的同時(shí)提高水電的調(diào)峰能力[22]。

在調(diào)節(jié)能力方面，各異質(zhì)能源也形成良好互補(bǔ)。風(fēng)電、光伏出力主要與環(huán)境溫度、太陽輻射以及天氣變化有關(guān)，故其呈現(xiàn)明顯的日循環(huán)和季循環(huán)特征，并具有較強(qiáng)的間歇性與波動(dòng)性，可控性差。而水電和火電則具有較強(qiáng)的可控性，水電的調(diào)節(jié)庫容使其可在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，并不完全受自然降水、河道徑流的影響，而火電機(jī)組也能通過啟停調(diào)峰和壓出力調(diào)峰來應(yīng)對風(fēng)光波動(dòng)。此外，在調(diào)解速率方面，水電和火電也具有互補(bǔ)性。調(diào)整指令發(fā)出后，水電機(jī)組通?？稍? s之內(nèi)快速響應(yīng)，且調(diào)節(jié)速率快，可達(dá)每秒1%～2%Pe(Pe為額定功率)。而火電機(jī)組響應(yīng)延遲久，調(diào)節(jié)方向不易改變，調(diào)節(jié)速率慢，僅為每分鐘1.5%～3%Pe[23]?；诖颂匦?，火電機(jī)組可用于承擔(dān)基荷；水電機(jī)組則可做快速調(diào)節(jié)機(jī)組，平抑風(fēng)光波動(dòng)。

綜上所述，利用多種異質(zhì)能源間的互補(bǔ)特性，將其配置為VP，并合理安排調(diào)度方式，將產(chǎn)生較大的綜合效益。

1.2 負(fù)荷跟蹤指標(biāo)

從上述異質(zhì)能源互補(bǔ)特性的分析可知，風(fēng)電和光伏出力具有良好的時(shí)空互補(bǔ)性，且水電可控性強(qiáng)、調(diào)節(jié)速率快，可以快速調(diào)節(jié)風(fēng)光出力波動(dòng)，故從出力時(shí)空特性和調(diào)節(jié)能力兩方面綜合考慮，將風(fēng)、光、水這3種能源配置為VP，即風(fēng)光水電站。為了評價(jià)VP出力對負(fù)荷曲線的跟蹤能力，定義負(fù)荷跟蹤指標(biāo)Nr，Nr越小，表明VP出力曲線對負(fù)荷曲線的跟蹤和平滑效果越好。通過優(yōu)化，使VP出力曲線與負(fù)荷曲線的波動(dòng)基本一致，達(dá)到削峰填谷的目的。經(jīng)VP平抑后的負(fù)荷曲線稱為優(yōu)化負(fù)荷曲線Pr，其值等于在負(fù)荷曲線上扣除VP的工作位置。

Nr=m1Dt+m2Ds+m3Dc

(1)

(2)

Pv.t=Pw.t+Pp.t+Ph.t

(3)

(4)

Pr.t=PL .t-Pv.t

(5)

(6)

由于風(fēng)電和光伏出力的可控性差，除少數(shù)負(fù)荷在低谷時(shí)段需適當(dāng)棄風(fēng)棄光外，優(yōu)化VP出力幾乎等同于優(yōu)化水電出力。使VP與常規(guī)火電站一起參與系統(tǒng)調(diào)度，VP始終保持開機(jī)狀態(tài)，并且當(dāng)負(fù)荷一定時(shí)，VP的出力保持不變。

2 滾動(dòng)調(diào)度模型基本架構(gòu)

由于互補(bǔ)系統(tǒng)的互補(bǔ)效果以及VP對負(fù)荷的跟蹤能力隨時(shí)間步長的減少而提高，故本文設(shè)計(jì)了含日前24 h計(jì)劃、日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃和實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃在內(nèi)的3種時(shí)間尺度的調(diào)度計(jì)劃。

日前24 h計(jì)劃在每日24∶00制定一次，根據(jù)日前24 h共96個(gè)時(shí)段的風(fēng)、光及負(fù)荷的短期預(yù)測值，利用多種異質(zhì)能源的互補(bǔ)特性，通過負(fù)荷跟蹤指標(biāo)Nr安排水電機(jī)組出力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步安排火電機(jī)組的啟停機(jī)計(jì)劃和大致出力計(jì)劃。

日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃每15 min滾動(dòng)制定一次，在日前24 h計(jì)劃的基礎(chǔ)上，依據(jù)最新上報(bào)的未來4 h風(fēng)、光及負(fù)荷超短期預(yù)測值，在保證VP對負(fù)荷良好追蹤的前提下，對[t+1，t+17]時(shí)段的發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)為了避免反復(fù)地調(diào)整日內(nèi)滾動(dòng)計(jì)劃，僅對[t+16，t+17]時(shí)段的水電、火電出力和機(jī)組組合狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際在線修正控制。

實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃也是每15 min滾動(dòng)制定一次，在日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃確定的機(jī)組出力值的基礎(chǔ)上，依據(jù)最新的未來15 min實(shí)時(shí)預(yù)測值，對下一個(gè)調(diào)度時(shí)段(未來15 min)的機(jī)組出力值進(jìn)行在線修正。

3種時(shí)間尺度的調(diào)度計(jì)劃如圖1所示。

圖2 各時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃Fig.2 Dispatch plans with different time scales

3 各時(shí)間尺度調(diào)度模型及求解

3.1 日前24 h計(jì)劃

日前24 h計(jì)劃分為兩層，即VP優(yōu)化調(diào)度層和火電優(yōu)化調(diào)度層，每層需要遵循一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。第一層以負(fù)荷跟蹤指標(biāo)Nr最小為目標(biāo)函數(shù)，得到VP出力曲線和日前優(yōu)化負(fù)荷曲線Pr.24 h。然后，在Pr.24 h上安排常規(guī)火電的工作位置，以火電機(jī)組總發(fā)電成本最低為第二層的目標(biāo)函數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)如下：

minNr=m1Dt+m2Ds+m3Dc

(7)

Ui.t(1-Ui.t-1)Si]

(8)

約束條件如下。

a. 功率平衡約束。

(9)

b. 機(jī)組有功出力約束。

(10)

其中，Pw.max為風(fēng)電機(jī)組的出力上限；Pp.max為光伏電站的出力上限；Pmin.h和Ph.max分別為水電機(jī)組的出力下限和出力上限；Pmin.i和Pmax .i分別為火電機(jī)組i的出力下限和出力上限。

c. 機(jī)組爬坡能力約束。

(11)

其中，Ru.i、Rd.i分別為火電機(jī)組i的爬坡速率和滑坡速率。

d. 機(jī)組最小開停機(jī)時(shí)間約束。

(12)

e. 棄風(fēng)、棄光約束。

(13)

f. 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束。

Rst=Rt.st+Rh.st≥αPw.t+βPp.t+γPL .t

(14)

其中，Rst為t時(shí)段系統(tǒng)所能增加的旋轉(zhuǎn)備用總?cè)萘浚籖t.st、Rh.st分別為t時(shí)段火電機(jī)組和水電機(jī)組所能增加的旋轉(zhuǎn)備用量；α為系統(tǒng)風(fēng)電出力預(yù)測誤差對旋轉(zhuǎn)備用的需求；β為光伏出力預(yù)測誤差對旋轉(zhuǎn)備用的需求；γ為負(fù)荷預(yù)測誤差對旋轉(zhuǎn)備用的需求。

3.2 日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃

對于當(dāng)前時(shí)段t，依據(jù)最新未來4 h風(fēng)、光及負(fù)荷超短期預(yù)測值，在保證VP追蹤能力的前提下，重新規(guī)劃[t+1，t+17]時(shí)段水電和火電機(jī)組出力及機(jī)組組合狀態(tài)。同時(shí)，為了避免日內(nèi)滾動(dòng)計(jì)劃反復(fù)調(diào)節(jié)，僅對[t+16，t+17]時(shí)段進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。

日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃仍包含VP優(yōu)化調(diào)度層和火電優(yōu)化調(diào)度層兩層計(jì)劃。但是，由于本時(shí)間尺度較小，周期較短，異質(zhì)能源互補(bǔ)性的全局性明顯次于日前24 h調(diào)度計(jì)劃，若繼續(xù)以[t+1，t+17]時(shí)段內(nèi)Nr最小值作為VP優(yōu)化調(diào)度層的目標(biāo)函數(shù)，將會(huì)使求出的該時(shí)段的日內(nèi)4 h優(yōu)化負(fù)荷曲線Pr.4 h.T與該時(shí)段的日前24 h優(yōu)化負(fù)荷曲線Pr.24 h.T出現(xiàn)較大偏差，從而導(dǎo)致火電調(diào)度計(jì)劃的大幅變動(dòng)?；诖耍琕P優(yōu)化調(diào)度層直接以本時(shí)段的Pr.4 h.T與Pr.24 h.T相同為目標(biāo)函數(shù)來修正水電出力，超出水電調(diào)節(jié)范圍的才更改Pr.4 h.T即調(diào)整火電出力計(jì)劃。

火電優(yōu)化調(diào)度層以本時(shí)段內(nèi)火電出力調(diào)整成本和啟停成本最低為目標(biāo)函數(shù)。火電機(jī)組組合狀態(tài)的微調(diào)主要是按照優(yōu)先順序法確定的機(jī)組開機(jī)優(yōu)先權(quán)來安排中小火電機(jī)組的快速啟停。

目標(biāo)函數(shù)如下：

Pr.4 h .T=Pr.24 h .T

(15)

(16)

約束條件如下。

a. 棄風(fēng)、棄光約束。

(17)

其中，Ww.24 h .T、Wp.24 h .T分別為日前計(jì)劃在[t+1，t+17]時(shí)段內(nèi)所確定的棄風(fēng)、棄光容量；ΔWw.4 h .T、ΔWp.4 h .T分別為日內(nèi)滾動(dòng)計(jì)劃在該時(shí)段內(nèi)所允許增加的棄風(fēng)、棄光容量調(diào)整量；λ1、λ2為調(diào)整系數(shù)，按需求設(shè)置；C2、C2為常數(shù)。

由于日前計(jì)劃中棄風(fēng)、棄光量越多的時(shí)段，實(shí)際調(diào)度中越容易出現(xiàn)較強(qiáng)的反調(diào)峰特性，風(fēng)光消納越容易出現(xiàn)困難，通過這樣的修正，可以使得日前計(jì)劃中棄風(fēng)、棄光量更大的時(shí)段，在日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃中具有更大的棄風(fēng)、棄光上調(diào)裕度，有效避免可能出現(xiàn)的風(fēng)光消納困難的情況，從而優(yōu)化互補(bǔ)系統(tǒng)的實(shí)際互補(bǔ)和平抑效果，減少火電出力的波動(dòng)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

b. 機(jī)組最小開停機(jī)時(shí)間約束。

啟停時(shí)間小于4 h的機(jī)組才參與啟停，即：

(18)

其中，Tstart.i和Tstop.i分別為機(jī)組i的啟動(dòng)、停止時(shí)間。

其余約束與日前24 h計(jì)劃類似。

3.3 實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃

同樣地，實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃通過令下一調(diào)度時(shí)段的實(shí)時(shí)15 min優(yōu)化負(fù)荷曲線的取值Pr.min .t與日內(nèi) 4 h 優(yōu)化負(fù)荷曲線的取值Pr.4 h .t相同來調(diào)整VP出力，同時(shí)，由于上一時(shí)間尺度下的超短期預(yù)測精度已經(jīng)較高，故本時(shí)間尺度下水電和火電出力的調(diào)整量較小，且機(jī)組組合狀態(tài)不發(fā)生調(diào)整。此時(shí)以火電機(jī)組實(shí)時(shí)調(diào)整成本最小為目標(biāo)，且無機(jī)組啟停費(fèi)用項(xiàng)。

目標(biāo)函數(shù)如下：

Pr.min .t=Pr.4 h.t

(19)

(20)

棄風(fēng)、棄光約束如下：

(21)

其中，Pr.min .t、Pr.4 h .t分別為t時(shí)段實(shí)時(shí)15 min和日內(nèi)4 h 優(yōu)化負(fù)荷曲線的值；Ww.4 h .t、Wp.4 h .t分別為日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃在t時(shí)段所確定的棄風(fēng)和棄光容量；ΔWw.min.t、ΔWp.min.t分別為實(shí)時(shí)15 min調(diào)度計(jì)劃在t時(shí)段所允許增加的棄風(fēng)、棄光容量調(diào)整量；λ3、λ4為調(diào)整系數(shù)，按需求設(shè)置；C3、C4為常數(shù)。

由于ΔWw.min .t和ΔWp.min .t對應(yīng)的是時(shí)間跨度為1個(gè)時(shí)間點(diǎn)(15 min)的棄風(fēng)、棄光調(diào)整量，而ΔWw.4 h .T、ΔWp.4 h .T對應(yīng)的是時(shí)間跨度為16個(gè)時(shí)間點(diǎn)(4 h)的棄風(fēng)、棄光調(diào)整量，因此實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃的C3、C4應(yīng)比日內(nèi)4 h計(jì)劃的C2、C2的值小。一般可以按照時(shí)間跨度的比例確定C3、C4與C2、C2的取值比例，同時(shí)考慮到實(shí)時(shí)調(diào)度階段棄風(fēng)、棄光的需求可能更為急迫，可以適當(dāng)為C3、C4的取值保留一定的裕度。

其余約束與日前24 h計(jì)劃類似。

3.4 模型求解

動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的求解主要包括2個(gè)部分：VP優(yōu)化調(diào)度層的求解，火電機(jī)組滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度層的求解。首先通過螢火蟲算法(FA)[25]完成日前24 h計(jì)劃的第一層優(yōu)化，即VP的優(yōu)化調(diào)度，求取使負(fù)荷跟蹤度Nr最小的水電機(jī)組的出力曲線，基本步驟如圖3所示。

圖3 算法流程圖Fig.3 Flowchart of algorithm

完成VP優(yōu)化調(diào)度層的求解后，再采用優(yōu)先順序法求取各機(jī)組的啟停機(jī)順序，然后通過粒子群優(yōu)化(PSO)算法的滾動(dòng)計(jì)算求解得出多種時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃下火電機(jī)組的機(jī)組組合狀態(tài)、工作位置、發(fā)電總費(fèi)用等，具體流程如下。

a. 采用PSO算法對日前調(diào)度模型進(jìn)行求解：首先隨機(jī)初始化火電機(jī)組所有時(shí)段啟停狀態(tài)的初代種群；評價(jià)每個(gè)粒子的適應(yīng)度值式(8)，并得到當(dāng)前個(gè)體最優(yōu)位置和適應(yīng)度值；更新粒子速度、個(gè)體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置；滿足迭代次數(shù)，則停止搜索，輸出日前調(diào)度計(jì)劃的機(jī)組組合狀態(tài)、工作位置和發(fā)電總費(fèi)用，否則返回繼續(xù)搜索。

b. 將日前調(diào)度計(jì)劃求得的機(jī)組組合狀態(tài)和工作位置直接代入日內(nèi)滾動(dòng)模型中作為輸入量，以式(16)作為適應(yīng)度值函數(shù)，仍采用PSO算法求解得到快速啟停機(jī)組的機(jī)組狀態(tài)、各機(jī)組工作位置以及調(diào)整費(fèi)用。

c. 將日內(nèi)滾動(dòng)計(jì)劃求得的機(jī)組組合狀態(tài)和工作位置直接代入實(shí)時(shí)調(diào)度模型中作為輸入量，以式(20)作為適應(yīng)度值函數(shù)，繼續(xù)采用PSO算法優(yōu)化求解得到所有機(jī)組的工作位置以及調(diào)整費(fèi)用。

4 算例分析

圖4 負(fù)荷預(yù)測曲線Fig.4 Predictive curves of load

圖5 風(fēng)電出力預(yù)測曲線Fig.5 Predictive curves of wind power

圖6 光伏出力預(yù)測曲線Fig.6 Predictive curves of photovoltaic power

以某地區(qū)為例，該地區(qū)共有26臺火電機(jī)組，機(jī)組參數(shù)見附錄中表A1，總裝機(jī)容量為3 105 MW；水電總裝機(jī)容量為1 500 MW，水電機(jī)組出力下限為50 MW， 上限為1 500 MW；風(fēng)電總裝機(jī)容量為1 400 MW；光伏總裝機(jī)容量為800 MW。圖4 — 6分別為該地區(qū)電網(wǎng)某夏季典型日上報(bào)的各時(shí)間尺度下負(fù)荷、風(fēng)電及光伏功率預(yù)測曲線。負(fù)荷跟蹤指標(biāo)權(quán)重系數(shù)m1=4、m2=4、m3=1。允許的最大棄風(fēng)率δ2=0.05[26]，棄風(fēng)調(diào)整系數(shù)λ1=λ3=0.1，由于光伏出力的不確定性較風(fēng)電出力的不確定性更小，且光伏僅在白天出力，為了更好地利用風(fēng)、光出力的互補(bǔ)性，應(yīng)盡可能多地消納光伏出力，因此，令最大棄光率和棄光調(diào)整量適當(dāng)小于最大棄風(fēng)率和棄風(fēng)調(diào)整量，最大棄光率δ2=0.03，棄光調(diào)整系數(shù)λ2=λ4=0.06，常數(shù)項(xiàng)C1=10 MW·h，C2=6 MW·h，C3=1 MW·h，C4=0.6 MW·h。

4.1 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

首先，對一天24 h連續(xù)的日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。

在日前24 h計(jì)劃中，首先以式(7)為目標(biāo)函數(shù)求出使Nr最小的VP出力，負(fù)荷曲線扣除VP出力后進(jìn)一步得到日前優(yōu)化負(fù)荷曲線Pr.24 h，即火電出力曲線；接著，在Pr.24 h的位置以式(8)為目標(biāo)函數(shù)安排26臺火電機(jī)組的工作位置，完成日前24 h計(jì)劃的第二層優(yōu)化；然后，利用日內(nèi)4 h滾動(dòng)調(diào)度和實(shí)時(shí)15 min 調(diào)度計(jì)劃對日前調(diào)度結(jié)果進(jìn)行遞進(jìn)修正，最終的調(diào)度結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，通過多時(shí)段滾動(dòng)修正，VP出力曲線可以很好地跟蹤負(fù)荷曲線，使得火電出力曲線在大部分時(shí)段非常平滑，只在30 —40時(shí)間點(diǎn)之間出現(xiàn)較明顯的凸起，主要原因是此時(shí)段為負(fù)荷高峰期，而風(fēng)電和光伏出力較弱，水電出力上調(diào)至最大值仍無法填補(bǔ)功率缺額，故只能上調(diào)火電出力。

圖7 24 h連續(xù)的日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)調(diào)度結(jié)果Fig.7 Day-ahead，intra-day and real-time dispatch results in 24 h

圖8顯示了經(jīng)過遞進(jìn)修正后的各時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃下的棄風(fēng)、棄光情況。88—96時(shí)間點(diǎn)為深夜負(fù)荷低谷期，光伏出力為0，但風(fēng)電出力大幅增加，具有強(qiáng)烈的反調(diào)峰特性，超過了水電的調(diào)節(jié)極限，日前24 h計(jì)劃確定的棄風(fēng)容量已達(dá)棄風(fēng)約束上限。在日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃和實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃中，此時(shí)段的風(fēng)電出力預(yù)測值進(jìn)一步增大，通過式(17)和式(21)對棄風(fēng)、棄光約束進(jìn)行上調(diào)修正后，實(shí)際的棄風(fēng)量較日前計(jì)劃略微增加，避免了風(fēng)光消納困難的情況，減少了火電出力的波動(dòng)，通過少量風(fēng)電的犧牲換取了互補(bǔ)系統(tǒng)互補(bǔ)效果和平抑效果的提升。

圖8 不同時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃下的棄風(fēng)情況Fig.8 Wind curtailment of different time-scale dispatch plan

為進(jìn)一步分析不同時(shí)間尺度計(jì)劃下火電機(jī)組的調(diào)節(jié)情況，選取第32個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行具體分析。該時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)、光及負(fù)荷日內(nèi)4 h超短期預(yù)測值較日前24 h短期預(yù)測值的偏差量分別為-48.3%、-41.2%、6.9%，而實(shí)時(shí)15 min預(yù)測值相較于日內(nèi)4 h超短期預(yù)測值的偏差量分別為-14.3%、-12.5%、1.27%。

在日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃中，為了填補(bǔ)較大的功率缺額，首先應(yīng)調(diào)用優(yōu)先級更高的水電機(jī)組，上調(diào)水電機(jī)組出力至其上限后，剩余303 MW的功率缺額需通過火電機(jī)組填補(bǔ)，26臺火電機(jī)組的出力調(diào)整情況如表1所示。由于將日前24 h計(jì)劃中所有開機(jī)機(jī)組出力上調(diào)至其最大調(diào)節(jié)速率也無法填補(bǔ)功率缺額，故應(yīng)按已求出的機(jī)組啟停順序表，新開經(jīng)濟(jì)性較好的13號快速啟停機(jī)組，同時(shí)，其余已開機(jī)機(jī)組均達(dá)到其調(diào)節(jié)極限。

表1 第32個(gè)時(shí)間點(diǎn)火電機(jī)組在各時(shí)間尺度下的出力及調(diào)整值Table 1 Output and adjustment power of thermal power units during 32nd period with different time scales

在實(shí)時(shí)15 min調(diào)度計(jì)劃中，由于功率缺額進(jìn)一步增大，故需要繼續(xù)上調(diào)火電機(jī)組出力。由于此時(shí)預(yù)測偏差量較小，無需開啟新機(jī)組，只需上調(diào)已開啟機(jī)組出力即可。優(yōu)先將經(jīng)濟(jì)性最好的17、18號機(jī)組增出力至滿發(fā)，再增加19號機(jī)組出力至滿足功率缺額。實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃調(diào)整量比日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃的功率調(diào)整量小，符合實(shí)際情況。通過各時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃的遞進(jìn)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)測偏差量的逐級消納，減輕了調(diào)度人員及AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)。

4.2 與其他互補(bǔ)調(diào)度模型的對比分析

為了分析本文所提互補(bǔ)調(diào)度模型的優(yōu)越性，將其與另外3種互補(bǔ)調(diào)度模型進(jìn)行對比研究。

調(diào)度模型A：多時(shí)段風(fēng)光全消納模型。采用本文所提多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度模型，但風(fēng)光全消納。

調(diào)度模型B：日前調(diào)度風(fēng)光全消納模型。僅采用本文所提日前24 h調(diào)度模型對各種能源進(jìn)行配置，且風(fēng)光全消納。

調(diào)度模型C：日前調(diào)度棄風(fēng)棄光模型。僅采用本文所提日前24 h調(diào)度模型對各種能源進(jìn)行配置，但適當(dāng)棄風(fēng)、棄光。

各種調(diào)度模式下VP對負(fù)荷曲線的追蹤情況以及火電機(jī)組出力曲線分別如圖9、圖10所示。可以看出，本文所提調(diào)度模型中VP對負(fù)荷的追蹤最好，相應(yīng)的火電機(jī)組出力曲線也最平滑。同樣采用多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度模型的模型A與本文所提調(diào)度模型的曲線走勢基本一致，但由于未適當(dāng)棄風(fēng)、棄光，其火電機(jī)組出力曲線在第90個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后出現(xiàn)明顯缺口。同時(shí)，由于未進(jìn)行滾動(dòng)修正，模型B和C中VP的追蹤情況很差，火電機(jī)組出力曲線波動(dòng)劇烈，其中，未適當(dāng)棄風(fēng)、棄光的模型B最差。

圖9 各調(diào)度模型下VP出力情況Fig.9 Output power of VP in each dispatch model

圖10 各調(diào)度模型下火電出力曲線Fig.10 Output power of thermal power units in each dispatch model

圖11—13給出了4種調(diào)度模型下水電和火電的功率調(diào)整量，調(diào)整量是當(dāng)前尺度調(diào)度計(jì)劃相對于前一尺度調(diào)度計(jì)劃而言的?？梢钥闯?，本文所提調(diào)度模型的火電調(diào)整量最小，2種時(shí)間尺度的調(diào)度計(jì)劃中，水電機(jī)組均承擔(dān)了大部分的調(diào)節(jié)任務(wù)，且實(shí)時(shí)15 min計(jì)劃中水電、火電出力調(diào)整量要明顯小于日內(nèi)4 h滾動(dòng)計(jì)劃中的調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)了遞進(jìn)調(diào)節(jié)。模型A與本文所提調(diào)度模型的調(diào)整量接近，但由于未適當(dāng)棄風(fēng)、棄光，深夜負(fù)荷低谷時(shí)段的火電調(diào)整量明顯增大。模型B和C中無多時(shí)間尺度遞進(jìn)調(diào)節(jié)，沒有對日前計(jì)劃確定的水電出力進(jìn)行修正，僅依靠AGC機(jī)組參與快速調(diào)節(jié)，故只有火電調(diào)整量，且調(diào)整量均很大。

圖11 本文所提調(diào)度模型下水電、火電功率調(diào)整情況Fig.11 Power adjustment of hydropower and thermal power units in proposed dispatch model

圖12 調(diào)度模型A下水電、火電功率調(diào)整情況Fig.12 Power adjustment of hydropower and thermal power units in dispatch model A

圖13 調(diào)度模型B、C下水電和火電功率調(diào)整情況Fig.13 Power adjustment of hydropower and thermal power units in dispatch model B and C

表2比較了本文所提調(diào)度模型與調(diào)度模型A、B、C的棄風(fēng)、棄光量和發(fā)電費(fèi)用。可以看出，本文所提調(diào)度模型的發(fā)電費(fèi)用最少，模型B的發(fā)電費(fèi)用最多。盡管棄風(fēng)容量非常接近，包含多時(shí)段滾動(dòng)計(jì)劃的本文調(diào)度模型的發(fā)電費(fèi)用明顯低于僅含日前調(diào)度的調(diào)度模型C。同時(shí)，對比本文調(diào)度模型和模型A可知，少量的棄風(fēng)可以帶來發(fā)電費(fèi)用的明顯降低，更有利于系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

表2 各調(diào)度模型的棄風(fēng)、棄光指標(biāo)和發(fā)電總費(fèi)用比較Table 2 Comparison of wind curtailment，solar curtailment and generation costs among four dispatch models

4.3 負(fù)荷跟蹤指標(biāo)權(quán)重系數(shù)影響分析

為了分析權(quán)重系數(shù)對負(fù)荷跟蹤指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的影響，選取不同負(fù)荷跟蹤指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的組合對Nr進(jìn)行優(yōu)化，并求出相應(yīng)的相對波動(dòng)率Dt、負(fù)荷波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差Ds、負(fù)荷功率變化率Dc以及日前24 h調(diào)度計(jì)劃的發(fā)電費(fèi)用Ccost和棄風(fēng)容量(棄光容量均為0)等指標(biāo)，如表3所示。

表3 不同負(fù)荷跟蹤指標(biāo)權(quán)重系數(shù)組合下的優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimization results with different combination of load tracking index weight coefficients

可以看出，m1、m2、m3分別取4、4、1時(shí)，優(yōu)化結(jié)果最好。分析表3數(shù)據(jù)可知，單獨(dú)增加某一指標(biāo)的權(quán)重，可適當(dāng)減小該指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，但同時(shí)會(huì)略微惡化另2個(gè)指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果。若同時(shí)增加2個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，則可適當(dāng)減小該2個(gè)指標(biāo)的值，優(yōu)化結(jié)果較單獨(dú)增加1個(gè)指標(biāo)權(quán)重的結(jié)果更好。但權(quán)重系數(shù)也不是越大越好，不論是單獨(dú)增加1個(gè)還是同時(shí)增加2個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，當(dāng)權(quán)重系數(shù)繼續(xù)增加到8時(shí)，優(yōu)化結(jié)果都反而不如為4時(shí)好。進(jìn)一步分析可知Dt和Ds對發(fā)電費(fèi)用的影響較大，這2個(gè)指標(biāo)越小則發(fā)電費(fèi)用越小，Dt對棄風(fēng)容量的影響也較大，Dt越小，棄風(fēng)容量越小。

同時(shí)也可以看出，權(quán)重系數(shù)的變化對優(yōu)化結(jié)果的影響較小。

5 結(jié)論

針對目前單一的互補(bǔ)系統(tǒng)日前調(diào)度模型難以保證互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)際的互補(bǔ)及平抑效果的問題，本文提出了基于異質(zhì)能源多時(shí)間尺度互補(bǔ)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，該策略具有如下特點(diǎn)。

a. 利用負(fù)荷跟蹤指標(biāo)，VP可以很好地跟蹤負(fù)荷曲線的波動(dòng)，從而有效地平抑火電機(jī)組出力曲線。

b. 通過設(shè)置遞進(jìn)修正的棄風(fēng)、棄光約束，使前一尺度調(diào)度計(jì)劃中棄風(fēng)、棄光容量更多的時(shí)段在下一尺度調(diào)度計(jì)劃中具有更大的棄風(fēng)、棄光上調(diào)裕度，有效地避免可能出現(xiàn)的風(fēng)光消納困難的情況，緩解間歇性電源的反調(diào)峰特性，以少量的棄風(fēng)、棄光換取VP互補(bǔ)效果和追蹤能力的最大化。

c. 通過日內(nèi)多時(shí)間尺度的互補(bǔ)調(diào)度計(jì)劃，滾動(dòng)修正水電和火電出力，能夠保持VP對負(fù)荷的良好追蹤，從而保證互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)際的互補(bǔ)和平抑效果。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組的遞進(jìn)調(diào)節(jié)，有效地減輕了調(diào)度人員及AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)。

整個(gè)調(diào)度計(jì)劃將異質(zhì)能源互補(bǔ)發(fā)電與多時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃有效地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，為多種新能源并網(wǎng)問題提供了有價(jià)值的解決方案。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http:∥www.epae.cn)。

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