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        用于提高輸電通道輸送功率限額的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法

        2020-12-16 04:45:18張雨薇劉文穎李亞樓
        可再生能源 2020年12期
        關(guān)鍵詞:端系統(tǒng)時間常數(shù)等值

        張雨薇, 劉文穎, 夏 鵬, 李亞樓, 安 寧, 林 俐

        (1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京102206; 2.中國電力科學(xué)研究院, 北京100192)

        0 引言

        我國大規(guī)模風電基地多遠離負荷中心, 本地負荷少,且常規(guī)電源調(diào)峰能力不足,因此,通過輸電通道外送成為消納風電的重要途徑[1],[2]。

        風電機組基于電力電子裝置接入電網(wǎng), 其機械部分與電氣部分解耦[3],在定子磁鏈和電壓定向的矢量控制下, 功角動態(tài)行為均具有快恢復(fù)特性[4]。 隨著風電接入送端電網(wǎng)的比例增高,送端電網(wǎng)慣性時間常數(shù)減小[5];另外,大規(guī)模風電基地外送通道線路長, 風電外送通道輸送功率限額通常受暫態(tài)穩(wěn)定限額制約[6]。

        國內(nèi)外對提高輸電通道暫態(tài)穩(wěn)定限額的問題進行了相關(guān)研究。 文獻[7]在正常運行情況下,通過提高系統(tǒng)電壓, 有效提高了長距離鏈式結(jié)構(gòu)的清潔能源外送通道的輸送功率限額, 然而系統(tǒng)電壓受電網(wǎng)正常運行電壓允許偏差及設(shè)備絕緣限制,調(diào)整范圍有限。 文獻[8]仿真分析了串聯(lián)補償、線路類型等因素對河西走廊750 kV 風電外送通道輸電能力的影響, 結(jié)果顯示采用串聯(lián)電容補償和緊湊型架空輸電線路技術(shù),能夠縮短送、受端系統(tǒng)間的電氣距離, 提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及風電外送通道輸電能力。 文獻[9]設(shè)計了一種功率振蕩阻尼控制器, 能夠控制晶閘管投切串聯(lián)電容器(TSSC)以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)線路電抗,從而連續(xù)調(diào)節(jié)送、受端系統(tǒng)間電氣距離。然而,對于現(xiàn)有電網(wǎng),加裝串補設(shè)備和更換線路類型,須要較長的規(guī)劃、建設(shè)周期和額外投資。 文獻[10]定義了基于擴展等面積法(EEAC)的發(fā)電機對輸電通道輸送功率限額的影響因子, 針對處于開機狀態(tài)的常規(guī)發(fā)電機組, 提出優(yōu)先安排影響因子大的機組出力提高通道輸送功率限額。 文獻[11]針對處于開機狀態(tài)的常規(guī)發(fā)電機組,提出了基于能量函數(shù)法(TEF)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度與發(fā)電機出力的靈敏度關(guān)系, 提出優(yōu)先安排靈敏度大的機組出力提高輸電通道輸送功率限額。

        上述提高輸電通道輸送功率限額的研究成果中,一部分須要改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、增添設(shè)備、投入額外的成本,且實現(xiàn)的周期長[6]~[9];一部分利用調(diào)整已開機常規(guī)機組出力提高輸電通道輸送功率限額, 但并未考慮常規(guī)機組啟停組合對輸電通道輸送功率限額的影響, 未能充分提高輸電通道輸送功 率 限 額[10],[11]。

        本文在現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下, 基于輸電通道輸送功率限額與常規(guī)電源組合方式的耦合關(guān)系, 提出用于提高輸電通道輸送功率限額的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法。 通過仿真計算驗證了該方法可顯著提高輸電通道輸送功率限額, 進而提升風電的消納水平。

        1 輸電通道輸送功率限額與常規(guī)電源組合方式耦合關(guān)系

        1.1 輸電通道輸送功率限額對風電消納的影響

        大規(guī)模風電集中接入的送端系統(tǒng)及外送輸電通道如圖1 所示。

        圖1 含大規(guī)模風電集中接入的送端系統(tǒng)及輸電通道示意圖Fig.1 Schematic diagram of sending system with large-scale centralized wind power integration and transmission section

        由圖1 可知,在風電大發(fā)時段,風電外送功率受輸電通道輸送功率限額制約, 導(dǎo)致風電外送受阻。 將含大規(guī)模風電集中接入的送端系統(tǒng)的風電出力作為負的負荷, 經(jīng)輸電通道送出的功率作為正的負荷進行等值,則送端系統(tǒng)的等效負荷為

        式中:PSL為送端系統(tǒng)的有功負荷;PD為輸電通道送出功率;PW為風電功率。

        由式(3)可得出送端系統(tǒng)風電消納受阻示意圖,如圖2 所示。

        圖2 風電消納示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind power consumption

        1.2 輸電通道輸送功率限額與送端系統(tǒng)常規(guī)電源組合方式的耦合關(guān)系

        由于輸電通道輸送功率限額大部分為暫態(tài)穩(wěn)定限額[12],因此,本文對影響輸電通道暫態(tài)穩(wěn)定限額的主要因素進行分析。 將圖1 的送端系統(tǒng)等值為一個常規(guī)電源,受端系統(tǒng)等值為無窮大電源,如圖3 所示。

        圖3 送端系統(tǒng)等值電源及輸電通道示意圖Fig.3 Schematic diagram of an equivalent generator of sending-side system and transmission section

        輸電通道的暫態(tài)穩(wěn)定限額為系統(tǒng)受到所規(guī)定范圍內(nèi)的大擾動后, 仍能保持穩(wěn)定運行的最大輸送功率,其暫態(tài)過程轉(zhuǎn)子運動方程為

        擾動過程中的功角增量Δδc由δ¨與故障持續(xù)時間決定[13],即:

        常規(guī)電源TJ增加對輸電通道輸送功率限額的影響如圖4 所示。

        圖4 常規(guī)電源TJ 增加對輸電通道輸送功率限額的影響Fig.4 Schematic diagram of multi-machine sending system and transmission section

        送端系統(tǒng)等值電源的電磁功率方程式為

        式中:E′為送端系統(tǒng)等值電源的次暫態(tài)電動勢;U為受端系統(tǒng)端電壓幅值;Xc為輸電通道電抗;XΣ為送端系統(tǒng)等值電源與輸電通道之間的電氣距離。 由于電網(wǎng)中電抗>>電阻,忽略電阻的影響。

        由式(8)可知,XΣ降低,Pe(t)增大。

        常規(guī)電源XΣ減小對輸電通道輸送功率限額的影響如圖5 所示。

        圖5 常規(guī)電源XΣ減小對輸電通道輸送功率限額的影響Fig.5 Schematic diagram of multi-machine sending system and transmission section

        送端系統(tǒng)等值電源與輸電通道之間的電氣距離XΣ[14]及送端系統(tǒng)等值電源的慣性時間常數(shù)表達式分別為

        式中:Im(*)為* 的虛部;YAA為送端系統(tǒng)的節(jié)點導(dǎo)納矩陣;YAB為送端系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點A 與節(jié)點B 的互導(dǎo)納列向量;E 為元素全部是1 的與YAB維數(shù)相同的列向量;YAA,YAB為Ui的函數(shù);Ui為常規(guī)電源組合方式變量; 當安排常規(guī)電源i 發(fā)電時,Ui=1,否則,Ui=0;TJij為常規(guī)電源i 內(nèi)發(fā)電機組j 的慣性時間常數(shù);SijN為額定容量;SB為基準容量;Np為送端系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)電源數(shù);Npi為常規(guī)電源i 內(nèi)發(fā)電機組數(shù);uij為常規(guī)電源i 內(nèi)發(fā)電機組的組合方式變量,uij=1 時常規(guī)電源i 內(nèi)發(fā)電機組j 為開機狀態(tài),uij=0 時該機組為關(guān)機狀態(tài)。

        由式(7),(8)可以看出,送端系統(tǒng)等值電源與輸電通道之間的電氣距離XΣ及送端系統(tǒng)等值電源的慣性時間常數(shù)TJ與常規(guī)電源組合方式具有強耦合關(guān)系。 結(jié)合分析輸電通道輸送功率限額與XΣ及TJ的關(guān)系可知,輸電通道輸送功率限額與常規(guī)電源組合方式具有強耦合關(guān)系。

        2 用于提高輸電通道輸送功率限額的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法

        2.1 用于提高輸電通道輸送功率限額的日前常規(guī)電源發(fā)電計劃原則

        通過分析可知, 輸電通道輸送功率限額與常規(guī)電源組合方式存在較強的耦合關(guān)系, 優(yōu)先安排與輸電通道間電氣距離小的常規(guī)電源發(fā)電, 可使送端系統(tǒng)等值電源與輸電通道之間的電氣距離X Σ減??; 優(yōu)先安排慣性時間常數(shù)大的發(fā)電機組發(fā)電,可使送端系統(tǒng)等值電源的慣性時間常數(shù)TJ增大。 同時,在制定常規(guī)電源發(fā)電計劃時,需考慮常規(guī)電源發(fā)電成本?;诖?,本文為提高大規(guī)模風電外送消納能力, 制定日前常規(guī)電源發(fā)電計劃原則如下。 原則1:優(yōu)先安排與輸電通道間電氣距離小的常規(guī)電源發(fā)電。 原則2:以送端系統(tǒng)等值慣性時間常數(shù)最大及常規(guī)電源發(fā)電成本最小為原則,制定常規(guī)電源內(nèi)發(fā)電機組發(fā)電計劃。

        2.2 日前常規(guī)電源發(fā)電組合方法

        基于上述發(fā)電計劃原則1, 提出常規(guī)電源組合方法。

        設(shè)xi為常規(guī)電源與輸電通道之間的電氣距離, 常規(guī)電源所在節(jié)點i 到輸電通道邊界節(jié)點之間的所有路徑中, 電抗值最小的路徑的電抗[15],即:

        式中:N 為送端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合;B 為圖3 中輸電通道邊界節(jié)點。

        對各常規(guī)電源按照其xi由小到大進行排序,優(yōu)先安排xi較小的常規(guī)電源發(fā)電,直至常規(guī)電源發(fā)電滿足等效負荷與備用,其表達式為

        常規(guī)電源計劃發(fā)電功率為

        2.3 日前發(fā)電機組發(fā)電優(yōu)化組合方法

        基于發(fā)電計劃原則2, 對安排發(fā)電的常規(guī)電源內(nèi)部發(fā)電機組進行優(yōu)化組合。

        2.3.1 發(fā)電機組優(yōu)化組合模型

        機組組合后慣性時間常數(shù)最大, 常規(guī)電源發(fā)電成本最小分別為

        式中:Tji為常規(guī)電源i 的等值慣性時間常數(shù);Ci為常規(guī)電源i 的發(fā)電成本;aij,bij,cij為常規(guī)電源i 內(nèi)發(fā)電機組j 的發(fā)電成本系數(shù);Δt 為時段t 的持續(xù)時間長度。

        2.3.2 約束條件

        ①常規(guī)電源內(nèi)發(fā)電機組優(yōu)化組合后, 發(fā)電功率應(yīng)滿足常規(guī)電源的計劃發(fā)電功率

        ②常規(guī)發(fā)電機組出力約束

        2.3.3 模型求解

        本文采用多目標粒子群算法[16]對常規(guī)電源內(nèi)發(fā)電機組優(yōu)化組合模型進行求解。求解步驟:①初始化mp個粒子構(gòu)成一個種群; ②更新粒子速度、位置;③更新粒子最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置集;④重復(fù)步驟②,③,迭代足夠次后,停止并輸出全局最優(yōu)位置集(帕累托最優(yōu)解集);⑤計算帕累托最優(yōu)解集內(nèi)各最優(yōu)解對應(yīng)的輸電通道輸送功率限額, 從帕累托最優(yōu)解集中選擇出效益最大的最優(yōu)解作為最終解, 最后形成優(yōu)化后的日前常規(guī)電源發(fā)電計劃,即:

        2.4 用于提高輸電通道輸送功率限額的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法

        綜上, 用于提高輸電通道輸送功率限額的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法如圖6 所示。

        圖6 日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法流程圖Fig.6 Flow chart of the day-ahead generation scheduling optimization method

        3 算例分析3.1 算例背景

        本文采用IEEE39 節(jié)點測試系統(tǒng), 對本文所提方法進行驗證,其節(jié)點分布如圖7 所示。 圖中,虛線將測試系統(tǒng)分為送、 受端兩個系統(tǒng), 聯(lián)絡(luò)線9-8,3-4,17-16 構(gòu)成輸電通道。

        圖7 IEEE39 節(jié)點系統(tǒng)分區(qū)域接線圖及簡化示意圖Fig.7 Diagram of IEEE 39-bus system with divided systems and its simplified schematic diagram

        為驗證本文所提方法的有效性,在節(jié)點17 接入裝機容量為1 500 MW 的等值雙饋風電場,風電受阻成本為350 元/(MW·h),節(jié)點30,37,38,39為常規(guī)電源, 常規(guī)電源及其內(nèi)發(fā)電機組裝機容量參數(shù)如表1 所示。 常規(guī)電源機組慣性時間參數(shù)及發(fā)電成本參數(shù)如表2 所示。 系統(tǒng)基準容量為SB=100 MV·A。

        表1 常規(guī)電源及其內(nèi)發(fā)電機組裝機容量參數(shù)Table 1 Capacity parameters of conventional power plants and the units inside them

        表2 常規(guī)機組的慣性時間常數(shù)和發(fā)電成本Table 2 Inertia constants and generation cost parameters of different conventional power units

        設(shè)優(yōu)化前的送端系統(tǒng)常規(guī)電源發(fā)電計劃基于式(1)的等效預(yù)測負荷,送端系統(tǒng)4 座常規(guī)電源均安排發(fā)電, 各常規(guī)電源以發(fā)電成本最低為原則安排機組的發(fā)電計劃。 優(yōu)化前的常規(guī)電源日前發(fā)電計劃如表3 所示。

        表3 優(yōu)化前的日前常規(guī)電源發(fā)電計劃Table 3 Pre-optimized day-ahead conventional generation scheduling MW

        該發(fā)電計劃下輸電通道輸送功率限額為980 MW,由于受輸電通道輸送功率限額制約,在風電多發(fā)的1~10 時段,常規(guī)電源最小出力>等效預(yù)測負荷,出現(xiàn)受阻風電。 圖2 中t1~t2時段區(qū)域,受阻風電電量為1 613 MW·h。

        3.2 日前發(fā)電計劃優(yōu)化仿真計算

        3.2.1 日前常規(guī)電源發(fā)電組合

        由式(9)得到送端系統(tǒng)各常規(guī)電源與輸電通道間的電氣距離。 優(yōu)先安排與輸電通道間電氣距離小的常規(guī)電源發(fā)電, 得到日前常規(guī)電源組合方案,如表4 所示。

        表4 送端系統(tǒng)常規(guī)電源與輸電通道間的電氣距離及日前常規(guī)電源優(yōu)化組合方案Table 4 Electrical distance of each conventional generation plant from the transmission section and the day-ahead conventional generation plant commitment

        3.2.2 日前發(fā)電機組發(fā)電優(yōu)化組合

        以機組組合后慣性時間常數(shù)最大及發(fā)電成本最小為目標,分別建立常規(guī)電源電廠30,37,39 內(nèi)發(fā)電機組發(fā)電計劃優(yōu)化模型, 求解后得到帕累托最優(yōu)解集, 從帕累托最優(yōu)解集中選擇出的最終解作為日前各常規(guī)電源內(nèi)發(fā)電機組優(yōu)化組合方案及發(fā)電計劃,如表5 所示。

        表5 常規(guī)電源內(nèi)發(fā)電機組優(yōu)化組合方案及慣性時間常數(shù)Table 5 Day-ahead conventional generation unit commitment inside the conventional generation plant and the inertia constants

        經(jīng)過以上優(yōu)化, 形成優(yōu)化后的日前常規(guī)電源發(fā)電計劃如表6 所示。 通過式(9),(10)得到發(fā)電計劃優(yōu)化前、 后的送端系統(tǒng)等值電源與輸電通道之間的電氣距離X∑及送端系統(tǒng)等值電源的慣性時間常數(shù)TJ。 基于優(yōu)化后的發(fā)電計劃計算得到的輸電通道輸送功率限額為1 102 MW,風電受阻時段為1~8 時段,受阻風電電量為426 MW·h,發(fā)電計劃優(yōu)化前、后對比如表7 所示。 由表7 可知,通過采用本文提出的用于提高輸電通道輸送功率限額的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法, 使得送端系統(tǒng)等值電源與輸電通道之間的電氣距離較優(yōu)化前減小了0.023 p.u., 送端系統(tǒng)等值電源慣性時間常數(shù)較優(yōu)化前提高了5.18 s, 從而使輸電通道輸送功率限額提高了122 MW,減少受阻風電1 187 MW·h,有效提高了風電外送消納水平。 優(yōu)化后的常規(guī)電源發(fā)電成本較優(yōu)化前的常規(guī)電源發(fā)電成本增加32.57 萬元,優(yōu)化后的受阻風電成本減少41.55 萬元,因此整體效益提升8.98 萬元。

        表6 優(yōu)化后的日前常規(guī)電源發(fā)電計劃Table 6 Optimized day-ahead conventional generation scheduling MW

        表7 發(fā)電計劃優(yōu)化前后對比表Table 7 Comparation of the pre-optimized and optimized day-ahead conventional generation scheduling

        4 結(jié)論

        本文在現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上, 通過對日前常規(guī)電源發(fā)電組合及對內(nèi)部機組進行優(yōu)化組合,顯著提高了送端系統(tǒng)外送輸電通道的輸送功率限額,從而提高了風電的外送消納。 同時,本文提出的方法也具有一定的局限性, 如發(fā)電機組優(yōu)化組合模型為目標函數(shù)量綱不同的多目標優(yōu)化模型,須要逐個比較帕累托最優(yōu)解集中解的經(jīng)濟性以獲得最終解,計算量較大。

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