黃 慧, 羅劍波, 常海軍, 李兆偉, 劉 今

(1. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 2. 智能電網(wǎng)保護(hù)與運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市 211106; 3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇省南京市 210024)

0 引言

近年來(lái),中國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電快速發(fā)展,逐漸形成逆向分布、集中并網(wǎng)的電源格局,新能源的消納送出受到嚴(yán)重制約,迫切需要通過(guò)高壓直流跨區(qū)送出,以擴(kuò)大新能源消納范圍,實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍資源優(yōu)化配置,在這樣的背景下大規(guī)模新能源經(jīng)高壓直流遠(yuǎn)距離輸電的模式在中國(guó)西北等新能源資源豐富地區(qū)得到了大力發(fā)展[1-2]。

新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)[3-7],同時(shí)受電網(wǎng)傳輸能力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束,大規(guī)模新能源并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、調(diào)度運(yùn)行、發(fā)電計(jì)劃的制定造成較大影響。新能源基地的發(fā)電水平與直流輸送功率存在強(qiáng)耦合關(guān)系,一方面為了提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行裕度,計(jì)及新能源發(fā)電的隨機(jī)波動(dòng)特性,受制于直流輸電能力,往往導(dǎo)致新能源發(fā)電能力不能充分利用、棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重[8];另一方面,直流輸電功率計(jì)劃目前主要考慮系統(tǒng)約束及根據(jù)輸電量協(xié)議,較少考慮受端電網(wǎng)的負(fù)荷需求或協(xié)調(diào)考慮新能源出力波動(dòng)和外送需求,經(jīng)常出現(xiàn)“直線”或“反調(diào)峰”輸送計(jì)劃[9-11],給受端電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻及運(yùn)行方式安排也帶來(lái)了較大困難。目前國(guó)內(nèi)外已有研究考慮了風(fēng)速和負(fù)荷相關(guān)性,利用軼相關(guān)法模擬其相關(guān)性并驗(yàn)證了相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)可靠性的重要影響[12]。文獻(xiàn)[13]在考慮風(fēng)電不確定性基礎(chǔ)上,建立了交流聯(lián)絡(luò)線模型,靈活優(yōu)化不同區(qū)域間能量、備用計(jì)劃及跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃,但未涉及直流聯(lián)絡(luò)線特性。文獻(xiàn)[14]提出了基于直流輸送風(fēng)電的功率調(diào)節(jié)模式,根據(jù)短期新能源功率預(yù)測(cè)結(jié)果增加直流調(diào)節(jié)段數(shù),調(diào)節(jié)直流輸電功率,采用互補(bǔ)運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)直流輸電功率的多段式平穩(wěn)及風(fēng)電大規(guī)模送出。以此為基礎(chǔ),文獻(xiàn)[15]建立了直流計(jì)劃調(diào)整的混合整數(shù)線性約束模型,針對(duì)風(fēng)光火打捆直流跨區(qū)外送計(jì)劃缺乏應(yīng)對(duì)新能源出力波動(dòng)的問(wèn)題,在日前計(jì)劃中考慮新能源短期功率預(yù)測(cè)結(jié)果,提出了計(jì)及直流互動(dòng)的新能源與常規(guī)能源協(xié)調(diào)優(yōu)化的日前發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化方法,以促進(jìn)新能源消納。文獻(xiàn)[16]通過(guò)構(gòu)建基于外送風(fēng)光電力最大化消納的特高壓直流風(fēng)光火電力一體化調(diào)度計(jì)劃模型,研究采用配套火電和直流計(jì)劃參與調(diào)整提升風(fēng)光電力外送能力。但在制定直流輸電計(jì)劃時(shí),如何同時(shí)考慮新能源發(fā)電的隨機(jī)性/間歇性及受端負(fù)荷需求方面,尚缺乏相關(guān)研究。

本文在考慮新能源短期功率預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上,研究直流送端電網(wǎng)新能源發(fā)電和受端電網(wǎng)負(fù)荷間相關(guān)性,該相關(guān)性對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行控制有一定影響,從而提出一種計(jì)及送端新能源與受端負(fù)荷相關(guān)性的高壓直流功率修正方法,以促進(jìn)送端電網(wǎng)新能源消納,也為實(shí)現(xiàn)提高直流輸送利用率提供參考。

1 直流送、受端電網(wǎng)新能源發(fā)電與負(fù)荷相關(guān)性分析

1.1 新能源發(fā)電與負(fù)荷相關(guān)性分析需求

本文以某直流送、受端電網(wǎng)為例,研究新能源發(fā)電與負(fù)荷的相關(guān)性。送端新能源包括風(fēng)電和光伏,基于2015年調(diào)度能量管理系統(tǒng)(EMS)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),圖1為隨機(jī)抽取的某日送端電網(wǎng)的風(fēng)電和光伏發(fā)電數(shù)據(jù),與受端電網(wǎng)日負(fù)荷曲線相比,呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性。定性來(lái)看,風(fēng)電出力白天小夜間大,與受端負(fù)荷呈現(xiàn)“反調(diào)峰性”[17],加重了電網(wǎng)日常調(diào)峰壓力;光伏發(fā)電與負(fù)荷呈現(xiàn)“正調(diào)峰性”,二者疊加后,新能源整體與受端負(fù)荷呈正調(diào)峰趨勢(shì),但某些時(shí)段仍存在相反趨勢(shì),故送端新能源和受端負(fù)荷間相關(guān)性為開(kāi)展直流輸電計(jì)劃修正方法研究提供了契機(jī)。

圖1 送端新能源與受端負(fù)荷日曲線Fig.1 Typical daily curves of sending end new energy and receiving end loads

目前,國(guó)內(nèi)日前有功調(diào)度計(jì)劃中直流送出計(jì)劃通常由跨區(qū)電量交易計(jì)劃及各安全約束來(lái)制定,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定直流傳輸功率計(jì)劃,直流外送模式多為分段運(yùn)行方式,在每段內(nèi)輸送功率恒定[18-19]。如2015年,上述直流按照高峰時(shí)段3 600 MW電力計(jì)劃輸送受端電網(wǎng),如圖2所示,呈現(xiàn)出部分時(shí)間段“直線”輸送,未充分考慮送端新能源發(fā)電與受端負(fù)荷相關(guān)性,因此本文基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究二者相關(guān)性,在一定裕度空間內(nèi)修正直流有功功率,以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力,促進(jìn)新能源消納。

1.2 基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)r算法的送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性分析

皮爾遜相關(guān)系數(shù)法是一種準(zhǔn)確量度兩個(gè)變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[20-22]。計(jì)算公式為:

rxy=

(1)

式中:n為樣本量;x和y為2個(gè)變量。

圖2 直流系統(tǒng)現(xiàn)有輸出功率曲線Fig.2 Current power curve of high voltage direct current system

若r>0,表明兩個(gè)變量正相關(guān);若r<0,表明兩個(gè)變量負(fù)相關(guān)。r的絕對(duì)值越大，表明兩個(gè)變量的相關(guān)性越強(qiáng)。一般定義0.7≤|r|<1為高度線性相關(guān)。通過(guò)直流送、受端電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù),獲取某一時(shí)間段T內(nèi)不同采樣時(shí)刻t0,t1,…,tn的送端新能源發(fā)電預(yù)測(cè)有功出力Pw-s,t0,Pw-s,t1,…,Pw-s,tn,受端有功負(fù)荷Pl-r,t0,Pl-r,t1,…,Pl-r,tn,根據(jù)式(1)計(jì)算不同采樣時(shí)刻二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r,其中xti=Pw-s,ti,yti=Pl-r,ti。

2 基于相關(guān)系數(shù)法的直流輸電計(jì)劃修正方法

2.1 直流功率修正量計(jì)算

在計(jì)算直流送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性基礎(chǔ)上,基于根據(jù)跨區(qū)電能交易結(jié)果編制的初始輸電計(jì)劃,保證直流聯(lián)絡(luò)線日交易電量不變的前提下,計(jì)算直流功率可修正量。即

ΔP=min(|ΔPw-s,tn|,|ΔPl-r,tn|)

(2)

式中:ΔP為tn時(shí)刻直流有功修正量;ΔPw-s,tn為tn時(shí)刻送端電網(wǎng)新能源發(fā)電較當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)t0有功功率變化量;ΔPl-r,tn為tn時(shí)刻受端電網(wǎng)負(fù)荷較當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)t0有功功率變化量,該時(shí)段內(nèi)送端新能源與受端負(fù)荷有功功率變化量較小者定為直流有功功率修正量。

2.2 約束條件

直流輸電計(jì)劃的修正需考慮送、受端電網(wǎng)的運(yùn)行約束條件,本文計(jì)算直流功率修正量主要考慮以下約束條件。

1)送、受端系統(tǒng)線路容量約束

-Pl,max≤Pl,t0+AlΔP≤Pl,maxl=1,2,…,Br

(3)

式中:Al為直流有功功率修正量ΔP與線路l的傳輸功率之間的轉(zhuǎn)移分布因子;Pl,t0為當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)t0時(shí)刻線路l的初始功率;Pl,max為線路l的最大傳輸功率;Br為送、受端系統(tǒng)支路總數(shù)。

2)斷面穩(wěn)定限額約束

(4)

式中:N為送、受端系統(tǒng)總斷面數(shù);Nm為斷面m的組成線路數(shù);Pm,max為斷面m傳輸功率最大值;Pl,m,t0為當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)t0時(shí)刻斷面m的組成線路l的初始功率;Al,m為直流有功修正量ΔP與斷面m的組成線路l的傳輸功率之間的轉(zhuǎn)移分布因子。

3)直流額定功率約束

(5)

4)直流聯(lián)絡(luò)線輸送電量約束

(6)

直流外送電量計(jì)劃主要由跨區(qū)電力市場(chǎng)交易確定,為保證交易的執(zhí)行,計(jì)劃周期內(nèi)直流總送出電量應(yīng)在市場(chǎng)交易合同約定范圍內(nèi)。其中,Qmin和Qmax分別為直流在調(diào)度周期內(nèi)的最小和最大輸送電量。

除上述約束外,直流功率調(diào)節(jié)速率約束、直流調(diào)制間隔約束、相鄰時(shí)段直流功率調(diào)整方向約束等約束,與初始直流輸電計(jì)劃約束相同[15],發(fā)電計(jì)劃中的其他約束,如常規(guī)發(fā)電機(jī)組可調(diào)出力約束、爬坡/滑坡率約束、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束等均要考慮,在多篇文獻(xiàn)中已有詳細(xì)闡述[23-24],此處不做詳細(xì)介紹。

2.3 計(jì)及直流送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性的直流輸電計(jì)劃修正方法

本文結(jié)合皮爾遜相關(guān)系數(shù)法,通過(guò)以下4個(gè)步驟,給出適應(yīng)送端新能源發(fā)電和受端負(fù)荷隨機(jī)變化的新能源跨區(qū)外送直流功率修正量,如圖3所示。

步驟1:通過(guò)直流送、受端電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)計(jì)算不同采樣時(shí)刻計(jì)及直流送端新能源和受端負(fù)荷的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r。

步驟2:根據(jù)相關(guān)系數(shù),篩選相關(guān)系數(shù)r超過(guò)門(mén)檻值ε(ε>0)的時(shí)間段T作為直流有功修正的候選時(shí)間段。針對(duì)相關(guān)系數(shù)r為負(fù)的情況,存在送端新能源出力增加而受端負(fù)荷減少和送端新能源出力減少而受端負(fù)荷增加這兩種情況,這兩種情況下若調(diào)整直流功率,會(huì)加重其中一端電網(wǎng)的電力不平衡,帶來(lái)不利影響,因此本文對(duì)相關(guān)系數(shù)為負(fù)時(shí)段的直流功率不進(jìn)行修正。

步驟3:判定直流有功功率修正候選時(shí)間段T內(nèi)直流有功功率修正的方向,分別計(jì)算時(shí)間段T內(nèi)直流送端新能源和受端負(fù)荷變化斜率ks和ka。即

(7)

(8)

式中:xt0和xtn分別為當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)t0和時(shí)間段T中最大時(shí)間點(diǎn)tn時(shí)刻的直流送端電網(wǎng)新能源出力;yt0和ytn分別為當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)t0和最大時(shí)間點(diǎn)tn時(shí)刻的直流受端電網(wǎng)負(fù)荷有功功率。

若kska>0且ks>0,ka>0,則直流功率的修正方向?yàn)樘嵘绷饔泄β?若kska>0且ks<0,ka<0,則直流功率的修正方向?yàn)榛亟抵绷饔泄β省?/p>

步驟4:根據(jù)式(2)計(jì)算時(shí)間段T內(nèi)直流有功功率修正量,分別按式(3)至式(6)考慮直流送、受端電網(wǎng)約束,得出時(shí)間段T內(nèi)直流有功功率修正量ΔP。

圖3 計(jì)及送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性的直流輸電計(jì)劃修正方法流程圖Fig.3 Flow chart of a correction method for high voltage direct current transmission plan considering correlation between new energy in sending end and loads in receiving end

3 算例分析

以某直流的日前計(jì)劃算例為例進(jìn)行分析,應(yīng)用上述方法和步驟研究該直流輸電計(jì)劃修正方法的有效性。

3.1 皮爾遜相關(guān)系數(shù)r計(jì)算實(shí)例

對(duì)送、受端電網(wǎng)開(kāi)展2015年365天的日96時(shí)段調(diào)度數(shù)據(jù)跟蹤,每個(gè)時(shí)段15 min,隨機(jī)抽取某典型日直流送端新能源和受端電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)計(jì)算每小時(shí)時(shí)間尺度直流送、受端電網(wǎng)新能源和負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)r,如表1所示。

表1 送端新能源與受端負(fù)荷某典型日皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficient of new energy in sending end and loads in receiving end in a typical day

由表1數(shù)據(jù)得,一天中凌晨02:00—03:45、上午06:00—10:45、下午14:00—16:45多個(gè)時(shí)間段,送端新能源與受端負(fù)荷間呈現(xiàn)高度線性正相關(guān)性,為直流的靈活調(diào)度提供了依據(jù),選取上述時(shí)間段作為直流有功功率修正的候選時(shí)間段。

分別計(jì)算上述時(shí)間段每小時(shí)時(shí)間尺度下送、受端電網(wǎng)新能源和負(fù)荷變化斜率ks和ka,從而確定直流功率修正方向,如表2所示。可得時(shí)間段02:00—03:45和14:00—16:45為直流功率回降階段,06:00—10:45為直流功率提升階段,其余時(shí)間段因送、受端電網(wǎng)新能源與負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)性或相關(guān)性不大,則仍保持原有日前有功調(diào)度計(jì)劃運(yùn)行。

表2 直流有功修正方向Table 2 Adjustment direction of high voltage direct current power flow

3.2 候選時(shí)間段直流功率修正量

忽略送、受端系統(tǒng)線路容量約束和斷面穩(wěn)定限額約束,以下研究上述候選時(shí)間段直流功率可修正量?；?015年能量管理系統(tǒng)(EMS)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),首先根據(jù)式(2)計(jì)算06:00—10:45直流功率增加量,具體見(jiàn)表3。

表3 直流功率增加量Table 3 Increment value of high voltage direct current power

再根據(jù)式(2)計(jì)算02:00—03:45和14:00—16:45直流功率減少量,具體如表4。

表4 直流功率減少量Table 4 Decrement value of high voltage direct

3.3 直流輸電計(jì)劃修正結(jié)果

在保證修正前后直流聯(lián)絡(luò)線交換電量不變的情況下,通過(guò)計(jì)算得出該典型日直流有功功率可修正時(shí)間段及可修正量,修正前后的直流輸電計(jì)劃如圖4所示。

圖4 修正前后直流輸出功率曲線Fig.4 Original and adjusted output power curves of direct current

其中,06:00—10:45時(shí)間段修正后直流輸送功率較原有直流功率有所提高,與目前采用的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度方法相比,采用本文提出的直流輸電計(jì)劃修正方法,考慮送端新能源與受端電網(wǎng)負(fù)荷相關(guān)性后,某些時(shí)間段直流輸送功率可以得到提高,同時(shí)滿(mǎn)足了送端新能源的消納和受端負(fù)荷的供電需求;另外,在某些時(shí)段(如算例中02:00—03:45，14:00—16:45)送端新能源和受端負(fù)荷均下降,在約束范圍內(nèi)可適當(dāng)減少直流聯(lián)絡(luò)線功率,此直流功率回降并非受限于電網(wǎng)約束引起的,不會(huì)額外增加棄風(fēng)棄光量,這部分電力會(huì)被新能源自身出力的減少而平衡,并且此情況下回降直流功率有利于解決受端電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題,并使得送端電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組出力平緩,避免了常規(guī)機(jī)組出力的大幅波動(dòng),減輕了送端電網(wǎng)出力壓力,提高了送端電網(wǎng)的整體效益,通過(guò)充分利用跨區(qū)直流送電通道,利用送端新能源出力特性及受端電網(wǎng)負(fù)荷特性,挖掘了送、受端電網(wǎng)之間電源結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)效益,發(fā)揮了網(wǎng)間負(fù)荷特性的錯(cuò)峰效益[20]。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高新能源消納送出能力和直流輸送效率,本文通過(guò)考慮新能源風(fēng)、光的實(shí)際出力特性和受端電網(wǎng)負(fù)荷相關(guān)性,提出了一種計(jì)及二者相關(guān)性的高壓直流功率修正方法。

根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)法計(jì)算送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)系數(shù),以直流聯(lián)絡(luò)線日交易電量不變?yōu)榍疤?篩選出直流有功功率可修正候選時(shí)間段,并確定直流可調(diào)方向,建立了直流功率修正模型,考慮送、受端系統(tǒng)線路容量約束、斷面安全約束及直流額定功率約束,并結(jié)合實(shí)際直流輸電工程,通過(guò)分析直流送、受端電網(wǎng)2015年調(diào)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了該方法的可行性,本文提出的方法和計(jì)算步驟同樣適用于通過(guò)特高壓直流輸電工程實(shí)現(xiàn)大型能源基地大規(guī)模電力外送的計(jì)算和研究,對(duì)促進(jìn)新能源消納和跨區(qū)資源協(xié)調(diào)優(yōu)化有積極意義,計(jì)算結(jié)果可供運(yùn)行調(diào)度人員決策參考。由于本文未充分考慮安全約束機(jī)組組合、安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度及直流系統(tǒng)運(yùn)行特性約束等約束條件,后續(xù)將對(duì)基于上述約束的直流輸電計(jì)劃修正模型展開(kāi)進(jìn)一步研究[11,25]。

感謝國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目“特高壓輸電條件下大受端電網(wǎng)源網(wǎng)快速協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)及安全性研究”對(duì)本篇文章的資助與支持。