錢峰，陳藝，劉俊磊，付聰，樊友平

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

近年來，風(fēng)力發(fā)電作為污染小、應(yīng)用成本低的新能源得到了廣泛快速的發(fā)展，但由于風(fēng)電具有強(qiáng)隨機(jī)性和間歇性，大規(guī)模風(fēng)電接入會增大電力系統(tǒng)源側(cè)隨機(jī)性，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[1-4]。傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法無法大規(guī)模消納風(fēng)電資源，導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象頻發(fā)，造成風(fēng)電資源嚴(yán)重浪費(fèi)；因此，有必要研究新的協(xié)調(diào)控制策略，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高風(fēng)電的消納量。

為此，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種抑制功率波動的風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電模型及其控制策略，但該策略未考慮風(fēng)電接入電力系統(tǒng)的消納量。文獻(xiàn)[6]建立了一種計(jì)及用戶側(cè)不確定性的用戶響應(yīng)模型，提出對用戶采用有序用電調(diào)度和無序用電調(diào)度的控制策略，但未考慮源側(cè)的不確定性。文獻(xiàn)[7]指出隨著風(fēng)電滲透率的提升，系統(tǒng)網(wǎng)損會逐步增加而電壓水平會降低，提出利用粒子群優(yōu)化算法對系統(tǒng)無功進(jìn)行優(yōu)化的方法，但并未考慮整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)[8]提出了一種主動配電網(wǎng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，但該策略的實(shí)現(xiàn)受限于配電網(wǎng)的輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[9]提出了一種將大規(guī)模風(fēng)光集群按照全網(wǎng)層、場群層、場站層順序逐層優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略，但其風(fēng)、光的出力依賴于有功分配權(quán)重系數(shù)，因此風(fēng)電的消納量會受到制約。文獻(xiàn)[10]提出了一種需求側(cè)參與風(fēng)電消納的日前調(diào)度模型，但該模型中的最優(yōu)轉(zhuǎn)換時刻需謹(jǐn)慎選取。上述文獻(xiàn)對大規(guī)模風(fēng)電接入對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了深入的研究，也討論了提高風(fēng)電資源消納的措施，但涉及需求側(cè)與源側(cè)同時參與系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方法較少。

為提高系統(tǒng)對風(fēng)電的消納能力，本文提出一種日前與實(shí)時控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略，對日前控制與實(shí)時控制分別進(jìn)行建模和闡述，并通過廣東湛江部分地區(qū)電網(wǎng)的仿真分析，對所提出協(xié)調(diào)控制策略的可行性與有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 大規(guī)模風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中電能的來源主要依靠火電、水電、核電3類，其電能的輸出可控且相對穩(wěn)定；因此傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制只需考慮來自需求側(cè)負(fù)荷的不確定性，且其影響因素較少，協(xié)調(diào)控制相對簡單。隨著各種柔性可控負(fù)荷、儲能裝置的廣泛應(yīng)用，需求側(cè)負(fù)荷的不確定性進(jìn)一步擴(kuò)大[11-13]。同時，由于大規(guī)模風(fēng)電、光伏等新能源的接入，系統(tǒng)源側(cè)也出現(xiàn)了強(qiáng)隨機(jī)性，電力系統(tǒng)需要在雙側(cè)隨機(jī)波動中尋求電能的供需平衡，傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法已經(jīng)不再適用。

需求側(cè)隨機(jī)性主要是指需求側(cè)負(fù)荷的用電需求會隨著政策調(diào)整、價格等市場激勵不斷變化，同時也與季節(jié)、節(jié)假日、晝夜等因素密切相關(guān)[14-16]。通過對需求側(cè)負(fù)荷的管理，可以促進(jìn)電力供需的二次分配平衡，有利于電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；因此，可以將需求側(cè)看作一種可控資源參與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

依據(jù)需求側(cè)負(fù)荷的響應(yīng)特性可以將其分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可平移負(fù)荷與可削減負(fù)荷3類[17]。可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是指在一個周期內(nèi)用電總量保持不變，但各個時間段內(nèi)的用電量可以靈活調(diào)節(jié)的負(fù)荷；可平移負(fù)荷是指負(fù)荷變化規(guī)律不能改變，只能將用電曲線在不同時段間進(jìn)行平移的負(fù)荷；可削減負(fù)荷是指可根據(jù)需要對用電量進(jìn)行削減的負(fù)荷。

基于此，可建立需求側(cè)負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型

PL=PZ+PP+PX.

(1)

式中：PL為總負(fù)荷量；PZ為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷總量；PP為可平移負(fù)荷總量；PX為可削減負(fù)荷總量。

綜上所述，本文提出一種日前控制與實(shí)時控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略，整體思路可以分為預(yù)測、計(jì)算、實(shí)時控制3個部分。

a)預(yù)測：依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和測量裝置對風(fēng)電出力以及不同響應(yīng)特性的負(fù)荷需求進(jìn)行日前分段(每個時段為10 min)的預(yù)測。

b)計(jì)算：以風(fēng)電最大消納為目標(biāo)、以常規(guī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本為約束，結(jié)合日前風(fēng)電預(yù)測、日前負(fù)荷預(yù)測及常規(guī)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力極限，綜合制訂常規(guī)發(fā)電機(jī)組的啟停及出力計(jì)劃。

c)實(shí)時控制：在判斷電力供需不平衡后，依據(jù)設(shè)定好的優(yōu)先級進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以確保電能供需的實(shí)時平衡。其中可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的優(yōu)先級最高，常規(guī)自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)機(jī)組次之，可削減負(fù)荷最低。

日前控制具體流程如圖1所示。

圖1 日前控制流程Fig.1 Flow chart of day-ahead control

實(shí)時控制是在日內(nèi)進(jìn)行的協(xié)調(diào)控制策略，將需求側(cè)負(fù)荷看作可控資源，使其全面參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，從而減少常規(guī)機(jī)組的頻繁啟停，降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)性，主要分為3個步驟：

步驟1，供需雙側(cè)存在有功缺額，則依據(jù)有功缺額的大小將相應(yīng)量的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移至有功裕度較大時段，以平抑功率波動；

步驟2，當(dāng)通過對需求側(cè)負(fù)荷的調(diào)整無法實(shí)現(xiàn)供需平衡時，則選擇增加AGC機(jī)組的出力以來彌補(bǔ)系統(tǒng)的有功缺額；

步驟3，若是系統(tǒng)AGC機(jī)組的有功出力達(dá)到極限，但系統(tǒng)依然存在有功缺額，則選擇切除相應(yīng)量的可削減負(fù)荷。

實(shí)時控制流程如圖2所示。其中，ΔPt為t時段由于風(fēng)電功率與負(fù)荷功率波動造成的有功缺額，ΔPW,t為t時段的風(fēng)電波動功率，ΔPL,t為t時段需求側(cè)負(fù)荷有功功率波動值，ΔPZ,t為t時段可參與調(diào)節(jié)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量，ΔPi,t為發(fā)電機(jī)組i在t時刻的增加出力，PZ,min與PZ,max分別為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的最小與最大負(fù)荷量。

圖2 實(shí)時控制流程Fig.2 Flow chart of real-time control

2 控制策略建模

2.1 日前控制目標(biāo)及約束條件

日前控制是指依據(jù)日前風(fēng)電預(yù)測曲線以及日前負(fù)荷曲線，制訂常規(guī)發(fā)電機(jī)組的啟停及出力計(jì)劃，并按據(jù)常規(guī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本最小選擇最優(yōu)計(jì)劃執(zhí)行。

a)日前控制目標(biāo)為風(fēng)電最大消納，控制對象為常規(guī)發(fā)電機(jī)組的啟停及出力，其目標(biāo)函數(shù)可表示為

(2)

式中：PW,t為t時段風(fēng)電預(yù)測出力值；T為控制周期；PL,t為t時段系統(tǒng)的總有功負(fù)荷；N為常規(guī)發(fā)電機(jī)組個數(shù)；Si,t為t時段第i個發(fā)電機(jī)組的啟停狀態(tài)，Si,t= 0表示發(fā)電機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，Si,t=1表示發(fā)電機(jī)組處于開機(jī)狀態(tài)；Pi,t為發(fā)電機(jī)組i在t時段的有功出力。

約束條件包括系統(tǒng)功率平衡約束、系統(tǒng)備用容量約束、常規(guī)發(fā)電機(jī)組出力約束、常規(guī)發(fā)電機(jī)組爬坡速率約束、常規(guī)發(fā)電機(jī)組啟停時間約束和風(fēng)電功率約束[18-19]。

①系統(tǒng)功率平衡約束為

(3)

該式表示電力系統(tǒng)有功功率在任意時刻的供需平衡。

②系統(tǒng)備用容量約束為：

(4)

(5)

式中：Pi,UP,t和Pi,DOWN,t分別為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i在t時段的最大可用出力和最小可用出力；RL,UP,t和RL,DOWN,t分別為風(fēng)電尚未接入時系統(tǒng)需要的上下旋轉(zhuǎn)備用；RW,UP,t和RW,DOWN,t分別為t時段應(yīng)對風(fēng)電功率波動所需的上、下旋轉(zhuǎn)備用。

③常規(guī)發(fā)電機(jī)組出力約束為

Pi，min≤Pi,t≤Pi,max.

(6)

式中Pi，min和Pi,max分別為機(jī)組出力下限和出力上限。

④常規(guī)發(fā)電機(jī)組爬坡速率約束為

|Pi,t-Pi,t-1|≤Pi,R.

(7)

式中Pi,R為發(fā)電機(jī)組i的爬坡速率限制。

⑤常規(guī)發(fā)電機(jī)組啟停時間約束為：

(8)

式中：Xi,on和Xi,off分別為機(jī)組i的運(yùn)行時間和停運(yùn)時間；Ti,on和Ti,off分別為機(jī)組i的最短運(yùn)行時間和最短停運(yùn)時間。

⑥風(fēng)電功率約束條件為

0≤PW,t≤PW,max,t.

(9)

式中PW,max,t為t時段風(fēng)電功率預(yù)測最大出力值。

b)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行成本包括控制周期內(nèi)機(jī)組的啟停費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用以及機(jī)組的發(fā)電成本等，其數(shù)學(xué)模型為

(10)

式中：J為常規(guī)發(fā)電機(jī)組總的運(yùn)行成本；Fi(t)為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i的啟停成本；Ci(t)為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i單位發(fā)電成本。

2.2 實(shí)時控制目標(biāo)及約束條件

實(shí)時控制策略是在日前控制策略的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，日前控制基本實(shí)現(xiàn)電力供需平衡，但由于風(fēng)電功率或需求側(cè)負(fù)荷預(yù)測誤差的存在，可能導(dǎo)致電力供需無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時平衡。實(shí)時控制的數(shù)學(xué)模型為

(11)

t時刻有功缺額

ΔPt=|ΔPW,t-ΔPL,t|.

(12)

實(shí)時控制依據(jù)式(12)的有功缺額進(jìn)行，基本步驟為：

步驟1，依據(jù)有功缺額，優(yōu)先調(diào)節(jié)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷用電量，約束條件為

PZ,min≤ΔPZ,t≤PZ,max.

(13)

如果滿足ΔPZ,t=ΔPt，則表示通過調(diào)節(jié)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量可以補(bǔ)償系統(tǒng)的有功缺額，調(diào)節(jié)結(jié)束，否則進(jìn)行步驟2。

步驟2，調(diào)節(jié)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的出力。在步驟1的調(diào)節(jié)之后，系統(tǒng)的有功缺額會有所下降，此時系統(tǒng)AGC機(jī)組開始參與調(diào)節(jié)。需要注意的是，在選擇調(diào)節(jié)機(jī)組時應(yīng)首先將AGC機(jī)組依據(jù)調(diào)節(jié)裕度從高到低進(jìn)行排序，再從中篩選出調(diào)節(jié)速率較高的機(jī)組。

其中，調(diào)節(jié)裕度可定義為：

(14)

式中σi,up,t和σi,down,t分別為機(jī)組i在t時刻向上和向下的調(diào)節(jié)裕度。

機(jī)組的調(diào)節(jié)速率與機(jī)組自身的性能有關(guān)，目前國內(nèi)應(yīng)用的火電機(jī)組調(diào)節(jié)速率大約為(1%～2%)Pr/min(Pr為額定功率)，水電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率大約為(50%～80%)Pr/min[20]。

假設(shè)選取發(fā)電機(jī)組i作為調(diào)節(jié)機(jī)組，則其需要增加的出力需滿足約束條件

ΔPZ,t+ΔPi,t≥ΔPt.

(15)

該式表示通過調(diào)節(jié)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量與發(fā)電機(jī)組出力補(bǔ)償了系統(tǒng)的有功缺額，即系統(tǒng)電力供需實(shí)現(xiàn)了實(shí)時平衡。

步驟3，假設(shè)系統(tǒng)所有AGC調(diào)節(jié)機(jī)組均已到達(dá)出力極限，但系統(tǒng)仍然存在有功缺額，則應(yīng)選擇其他機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)或者依據(jù)缺額多少對可削減負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 算例分析

隨著廣東電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，新能源接入規(guī)模不斷擴(kuò)大[21-22]，截至2017年11月底，廣東電網(wǎng)新能源并網(wǎng)裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到6 790 MW，占廣東電網(wǎng)總裝機(jī)容量的6.3%。其中，風(fēng)電主要分布在湛江、陽江、汕頭等沿海地區(qū)，分布式光伏主要集中在佛山、東莞等地區(qū)。本文以廣東湛江部分地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，該地區(qū)風(fēng)電場接入情況如圖3所示。該地區(qū)共有風(fēng)電場12座，裝機(jī)總?cè)萘?93 MW，火電機(jī)組容量為1 670 MW，2018年最高負(fù)荷預(yù)測約為1 800 MW。

圖3 廣東湛江部分風(fēng)電場示意圖Fig.3 Schematic diagram of some wind farms in Zhanjiang，Guangdong

3.1 日前控制策略分析

日前控制將1 d分為144個控制時段，每個時段10 min。圖4為日前風(fēng)電預(yù)測曲線、日前負(fù)荷預(yù)測曲線以及常規(guī)發(fā)電機(jī)組計(jì)劃出力曲線。

1—日前風(fēng)電預(yù)測曲線；2—常規(guī)發(fā)電機(jī)組計(jì)劃出力曲線；3—日前負(fù)荷預(yù)測曲線。

圖4 常規(guī)發(fā)電機(jī)組計(jì)劃出力曲線
Fig.4 Planned output curve of conventional generator sets

a)在1—24時段內(nèi)，風(fēng)電出力很小，負(fù)荷所需有功由常規(guī)發(fā)電機(jī)組提供，并留有一定的備用容量。

b)在48—60時段內(nèi)，風(fēng)電出力大幅增加，此時負(fù)荷用電需求最高達(dá)1 200 MW，需要選取AGC機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加常規(guī)發(fā)電機(jī)組的有功出力。

c)在60—72時段與84—96時段內(nèi)，風(fēng)電出力約為300 MW與600 MW，負(fù)荷需求增加放緩，因此常規(guī)發(fā)電機(jī)組的出力只需正常跟隨負(fù)荷增加即可。

d)在108—144時段，負(fù)荷需求下降，而風(fēng)電功率維持不變，為了最大限度消納風(fēng)電功率，則需要相應(yīng)減少常規(guī)發(fā)電機(jī)組的出力，并保證發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行。

3.2 實(shí)時控制策略分析

實(shí)時控制主要針對的是負(fù)荷突然增加或者風(fēng)電功率忽然減小的情況，優(yōu)先選擇調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷[22-23]，以此來平抑功率波動，保證電力供需平衡，實(shí)時控制周期為10 min。選取96時段進(jìn)行實(shí)時控制算例分析，圖5所示為96時段內(nèi)風(fēng)電實(shí)時預(yù)測與日前預(yù)測曲線。

從圖5可以看出，日前風(fēng)電預(yù)測與實(shí)時風(fēng)電預(yù)測誤差造成源側(cè)有功波動，需求側(cè)出現(xiàn)了有功缺額，電力系統(tǒng)雙側(cè)電力供需不能實(shí)時平衡，必須采取措施來平抑風(fēng)電波動，彌補(bǔ)有功缺額。按照日前控制策略，依據(jù)功率缺額對可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，在該時段內(nèi)負(fù)荷有功增加，但風(fēng)電與常規(guī)機(jī)組出力有小幅波動，不能滿足負(fù)荷需求，按照實(shí)時控制策略轉(zhuǎn)移部分可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。可以看出經(jīng)過協(xié)調(diào)控制，電力供需實(shí)現(xiàn)平衡并保留一定裕度。

1—該時段風(fēng)電日前預(yù)測出力曲線；2—該時段風(fēng)電實(shí)時(1 min)預(yù)測出力曲線。

圖5 96時段內(nèi)風(fēng)電實(shí)時預(yù)測與日前預(yù)測曲線
Fig.5 Real-time forecast and day-ahead forecast curves of wind power in 96 Period

1—轉(zhuǎn)移前負(fù)荷曲線；2—轉(zhuǎn)移后負(fù)荷曲線；3—風(fēng)電與常規(guī)機(jī)組出力曲線。

圖6 調(diào)整轉(zhuǎn)移負(fù)荷
Fig.6 Adjustment of transfer load

當(dāng)將所有可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移后依然不能實(shí)現(xiàn)功率平衡，則此時調(diào)節(jié)AGC機(jī)組增加出力，在保證一定的有功裕度的同時需滿足常規(guī)發(fā)電機(jī)的出力約束。控制過程曲線如圖7所示。

1—轉(zhuǎn)移前負(fù)荷曲線；2—轉(zhuǎn)移后負(fù)荷曲線；3—風(fēng)電與常規(guī)機(jī)組出力曲線；4-切除后負(fù)荷曲線；5-常規(guī)機(jī)組極限出力曲線。

圖7 AGC機(jī)組參與調(diào)節(jié)
Fig.7 Participation of AGC in regulation

從圖7可以看出，經(jīng)過實(shí)時控制策略調(diào)整，即先調(diào)整可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量，接著調(diào)整AGC機(jī)組出力后依然無法實(shí)現(xiàn)電力供需平衡，因此在第8 min切除部分可削減負(fù)荷，此時電力供需重新恢復(fù)平衡，并留有一定裕度。

4 結(jié)論

為解決風(fēng)電消納不足的問題，本文提出了一種日前控制與實(shí)時控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略，分別對日前控制策略與實(shí)時控制策略進(jìn)行了建模和仿真分析，得到以下結(jié)論：

a)日前風(fēng)電預(yù)測和日前負(fù)荷預(yù)測對日前控制的效果有重要影響。為了保證風(fēng)電功率的最大消納，系統(tǒng)應(yīng)有足夠的AGC機(jī)組以待調(diào)節(jié)。

b)使需求側(cè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參與系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)可以有效平抑風(fēng)電波動，有助于減少常規(guī)發(fā)電機(jī)組的頻繁啟停，提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。