楊謙，劉繼春，蔣萬梟

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都市 610065)

0 引 言

化石能源的枯竭以及環(huán)境的惡化，使得以一次能源為核心的傳統(tǒng)電力生產(chǎn)消費(fèi)體系亟待轉(zhuǎn)型。風(fēng)電、光伏等清潔能源是我國(guó)能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，但目前對(duì)新能源出力特性維度研究過于單一，并且由于調(diào)峰資源及調(diào)峰容量的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)在高滲透率新能源接入下難以維持系統(tǒng)電力供需平衡，使得系統(tǒng)調(diào)峰壓力驟增，帶來巨大挑戰(zhàn)。

對(duì)于未來態(tài)新能源出力場(chǎng)景的推演已做了大量研究，文獻(xiàn)[1]結(jié)合實(shí)時(shí)云圖、太陽陰影等對(duì)光伏出力的影響，推導(dǎo)出了長(zhǎng)時(shí)間尺度的光伏場(chǎng)景。文獻(xiàn)[2]針對(duì)傳統(tǒng)預(yù)測(cè)算法在突變天氣條件下預(yù)測(cè)精度較低的問題，提出基于近鄰傳播聚類和回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的組合算法，通過近鄰傳播算法對(duì)光伏出力進(jìn)行分類，并根據(jù)預(yù)測(cè)日所屬類別建立回聲網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)方程進(jìn)行光伏出力預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[3]利用支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及深度學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)未來態(tài)短時(shí)間尺度新能源出力場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建。但現(xiàn)有文獻(xiàn)大多都僅從新能源某一特性進(jìn)行建模，并未考慮到新能源出力的多維特性。

電力系統(tǒng)調(diào)峰能力是指系統(tǒng)跟隨負(fù)荷變化的能力，新能源大規(guī)模并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力被嚴(yán)重削弱[4]。在考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)的電力系統(tǒng)調(diào)峰能力方面的研究，文獻(xiàn)[5]建立了考慮峰谷電價(jià)的風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)化效益的定量評(píng)估模型，研究了風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)中抽水蓄能電站對(duì)風(fēng)電移峰填谷的影響；文獻(xiàn)[6]建立了可變負(fù)荷、儲(chǔ)能電池、水電、火電、電制熱儲(chǔ)熱和核電等多種能源以及聯(lián)絡(luò)線、頻率綜合調(diào)節(jié)模型，進(jìn)而提出了電網(wǎng)調(diào)峰裕度的計(jì)算和監(jiān)測(cè)理論。文獻(xiàn)[7-8]基于對(duì)柔性負(fù)荷這一概念的研究和電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)節(jié)分析，在傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上建立了碳交易收益最大和綜合發(fā)電成本最小的多目標(biāo)模型，該模型綜合考慮了非線性的柔性負(fù)荷響應(yīng)成本和碳排放補(bǔ)償成本，并增加了柔性負(fù)荷約束條件。文獻(xiàn)[9]將高載能負(fù)荷規(guī)劃到調(diào)峰電源，以增加電力節(jié)能水平，從源、網(wǎng)、荷三方面提出電力節(jié)能量化指標(biāo)。文獻(xiàn)[10]根據(jù)可再生能源系統(tǒng)容量推導(dǎo)適用于光伏和風(fēng)力發(fā)電調(diào)峰的存儲(chǔ)裝置特征參數(shù)，通過德國(guó)配電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算出調(diào)峰所需容量和充電循環(huán)次數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定適當(dāng)?shù)恼{(diào)峰存儲(chǔ)技術(shù)。文獻(xiàn)[11-12]采用基于調(diào)峰充裕性的調(diào)峰能力算法，通過計(jì)算機(jī)組調(diào)峰容量來評(píng)價(jià)系統(tǒng)調(diào)峰充裕度，分析京津唐地區(qū)在風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)的調(diào)峰能力改變。但以上文獻(xiàn)在研究調(diào)峰時(shí)，均未綜合考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)資源調(diào)峰特性，無法有效促進(jìn)各側(cè)資源深度互動(dòng)。

針對(duì)上述文獻(xiàn)的不足之處，本文提出源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)的電力系統(tǒng)調(diào)峰策略。首先，根據(jù)光伏不同滲透率，得到在允許峰谷差范圍內(nèi)不同的系統(tǒng)調(diào)峰能力需求；然后，刻畫源網(wǎng)荷儲(chǔ)四側(cè)資源的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特性；最后，利用本文建立的模型得到在源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源技術(shù)特性約束下，與系統(tǒng)調(diào)峰能力相匹配的4種資源的最優(yōu)組合及其投運(yùn)優(yōu)先順序，體現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源間互補(bǔ)互濟(jì)的深度協(xié)同能力，完成不同滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力的動(dòng)態(tài)匹配。

1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰原理

隨著化石能源的枯竭，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電并網(wǎng)成為必然趨勢(shì)。其與水力發(fā)電、火力發(fā)電等常規(guī)發(fā)電方式最根本的不同點(diǎn)在于其出力具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性。這些特點(diǎn)決定了新能源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須由常規(guī)電源為其出力提供補(bǔ)償，以保證對(duì)負(fù)荷安全可靠地供電。

目前主流調(diào)峰方式是利用電源側(cè)火電機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)峰，但隨著光伏滲透程度逐漸加深，火電機(jī)組調(diào)峰容量不足且深度調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性較低，這降低了火電機(jī)組的調(diào)峰積極性，使得系統(tǒng)調(diào)峰壓力進(jìn)一步加劇。單一的調(diào)峰資源已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求，因此，迫切需要探究更多類型資源互濟(jì)支撐方法來平衡系統(tǒng)波動(dòng)。

不同于傳統(tǒng)單一調(diào)峰方式，本文提出了源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)的電力系統(tǒng)調(diào)峰策略。圖1為源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)的調(diào)峰原理示意圖。

圖1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰原理Fig.1 Principle of deeply interactive peak regulation of source-network-load-storage

首先，考慮風(fēng)電出力的波動(dòng)性、季節(jié)性與隨機(jī)性，收集并補(bǔ)齊風(fēng)電歷史出力數(shù)據(jù)，通過模糊C均值聚類(fuzzy C-means，F(xiàn)CM)與高斯擬合法得到光伏多維出力特性；然后，刻畫了各資源調(diào)峰容量、系統(tǒng)故障處理能力、用戶滿意度等特性，獲得不同的調(diào)峰策略，也即對(duì)應(yīng)了不同的電力系統(tǒng)調(diào)峰能力；最后，以電力系統(tǒng)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)光伏不同滲透率與電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的最優(yōu)匹配。

2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)調(diào)峰資源特性分析

2.1 不確定量模型

2.1.1光伏多維特性

光伏發(fā)電效率受時(shí)間、自然環(huán)境以及突發(fā)事件等多維度因素影響。光伏發(fā)電技術(shù)的原理是利用太陽光照射太陽能電池板的光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其發(fā)電量主要受到光照強(qiáng)度、溫度等因素影響，因此其出力特性具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、季節(jié)性等特性，同時(shí)光照強(qiáng)度、溫度等因素大小也將直接影響光伏的出力大小。通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊C均值聚類及高斯擬合，將此類特性模型化，可得光伏出力特性：

(1)

PPV=rηmaxAPVηPVcosθ

(2)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，一天中太陽輻射量遵循Beta分布，而光伏出力與太陽輻射呈線性關(guān)系，故光伏出力也服從Beta分布，如下所示：

(3)

(4)

ε1、ε2可由下述公式得到：

(5)

式中：μ、δ分別為某時(shí)段內(nèi)太陽輻射量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2.1.2負(fù)荷模型

現(xiàn)階段已有大量文獻(xiàn)研究負(fù)荷波動(dòng)，本文采用最為常見的正態(tài)分布來描述負(fù)荷，如下所示[13]：

(6)

式中：Pload、μL、δL分別為參考時(shí)段內(nèi)負(fù)荷值、負(fù)荷的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)調(diào)峰資源特性分析

現(xiàn)代電力系統(tǒng)調(diào)峰資源主要分布在源網(wǎng)荷儲(chǔ)四個(gè)方面，電源側(cè)通過調(diào)節(jié)電源出力大小及增設(shè)調(diào)峰機(jī)組來提高系統(tǒng)調(diào)峰能力，電網(wǎng)側(cè)通過增加網(wǎng)絡(luò)彈性來提高系統(tǒng)調(diào)峰能力，負(fù)荷側(cè)通過負(fù)荷分級(jí)需求響應(yīng)來提高調(diào)峰能力，儲(chǔ)能側(cè)則在電力需求波動(dòng)高峰時(shí)提供/儲(chǔ)存額外出力來提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。

2.2.1常規(guī)調(diào)峰機(jī)組

電源側(cè)主要是增加調(diào)峰機(jī)組來提高系統(tǒng)調(diào)峰能力，常規(guī)調(diào)峰機(jī)組主要有水電和火電機(jī)組。水電機(jī)組不計(jì)調(diào)峰成本，故調(diào)峰成本主要來自火電?；痣姍C(jī)組調(diào)峰通常分為基礎(chǔ)調(diào)峰階段、不投油深度調(diào)峰階段、投油深度調(diào)峰階段三部分，基礎(chǔ)調(diào)峰階段的調(diào)峰成本即為燃煤成本和機(jī)組的開停機(jī)損耗，燃煤量采用耗量特性表示。而投油與不投油深度調(diào)峰階段還需考慮機(jī)組的損耗與油耗成本?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰的成本為[4]：

(7)

(8)

Csun(PT)=φCunit/[2Nt(PT)]

(9)

Coil=Cconcoil

(10)

式中：PT為火電機(jī)組出力；f(PT)為機(jī)組耗量特性函數(shù)；Csun(PT)、Coil分別為機(jī)組損耗成本與機(jī)組油耗成本；Pmax為機(jī)組最大出力；Pmin為機(jī)組基礎(chǔ)調(diào)峰階段的最小技術(shù)出力；Pa為不投油深度調(diào)峰階段的最低穩(wěn)燃出力；Pb為投油深度調(diào)峰階段的穩(wěn)燃極限出力；T、NG分別為總時(shí)段數(shù)與機(jī)組臺(tái)數(shù)；xi,t和yi,t表示機(jī)組i在t時(shí)段是否切換到啟動(dòng)和停機(jī)狀態(tài)；a、b、c為火電機(jī)組煤耗函數(shù)系數(shù)；Pcoal為當(dāng)前燃煤價(jià)格，元/t；pss、pst分別為機(jī)組一次開、停機(jī)成本；φ為火電機(jī)組運(yùn)行影響系數(shù)，表示不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)機(jī)組的影響；Cunit為機(jī)組的購機(jī)成本；Nt為轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次，可由轉(zhuǎn)子低周疲勞曲線確定；Ccon為機(jī)組運(yùn)行時(shí)的油耗量；coil為當(dāng)前燃油價(jià)格。

由于式(7)為分段函數(shù)，不利于求解，因此引入布爾變量m和n，故機(jī)組i的調(diào)峰成本可改寫為：

(11)

(12)

2.2.2輸電系統(tǒng)響應(yīng)

故障應(yīng)對(duì)能力是指電力系統(tǒng)在遇到故障時(shí)的緊急處理能力，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)彈性可有效降低線路故障概率。電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰是通過增強(qiáng)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)彈性來提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力，適當(dāng)改變輸電線路的潮流分布可緩解線路過載、節(jié)點(diǎn)電壓越限等電網(wǎng)阻塞，以增強(qiáng)系統(tǒng)故障應(yīng)對(duì)能力。本文采用的線間潮流控制器(interline power flow controller，IPFC)作為一種功能強(qiáng)大的新型柔性輸電系統(tǒng)控制裝置，它具備直接控制串聯(lián)部分所安裝線路潮流的能力，而且可以實(shí)現(xiàn)不同線路間功率的定向、定量交互，進(jìn)而達(dá)到同時(shí)控制不同線路間潮流的目的，IPFC的結(jié)構(gòu)見參考文獻(xiàn)[14]。

在確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和負(fù)荷的情況下，使用線間潮流控制器改變潮流分布以增強(qiáng)電網(wǎng)彈性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。安裝IPFC線路增加的有功潮流ΔP、電壓差ΔV為：

(13)

(14)

式中：Vi、Vj分別表示節(jié)點(diǎn)i和j的電壓；Vseij為等效電壓源幅值；xij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的電抗；ψj為Vi與Vj的相位差；Pij表示支路ij的有功功率。

約束條件為：

(15)

分別表示支路ij的有功功率最小、最大值。線間潮流控制器經(jīng)濟(jì)成本低，可忽略不計(jì)。

2.2.3負(fù)荷分級(jí)需求響應(yīng)

圖2為負(fù)荷分級(jí)響應(yīng)示意圖，調(diào)度中心可根據(jù)智能用電系統(tǒng)確定調(diào)峰需求量，上級(jí)調(diào)度命令逐層到達(dá)基層變電站[15-16]，再由負(fù)荷中心的數(shù)據(jù)中心控制多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)按照一定次序響應(yīng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與電網(wǎng)的需求聯(lián)動(dòng)。

圖2 分級(jí)需求響應(yīng)Fig.2 Grading response requirements

由于智能調(diào)度中心的存在，本文主要考慮通過可轉(zhuǎn)移負(fù)荷實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)對(duì)調(diào)峰壓力的緩解。可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是指日常生活中可以變換使用時(shí)間的負(fù)荷，例如洗衣機(jī)、空調(diào)等，稍微調(diào)整使用時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不大，但會(huì)影響用戶的滿意程度。因此，當(dāng)需要用戶配合進(jìn)行調(diào)峰時(shí)，需給用戶參與調(diào)峰進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)置不同的用戶滿意度閾值，使得在根據(jù)不同滲透率匹配最優(yōu)調(diào)峰策略時(shí)，也可考慮到用戶的滿意度?？赊D(zhuǎn)移費(fèi)用如下所示：

(16)

2.2.4儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能設(shè)備通過在負(fù)荷低谷時(shí)期充電、高峰時(shí)期放電來緩解電量缺失和富余情況，進(jìn)而降低系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差。儲(chǔ)能設(shè)備作為電力系統(tǒng)的一種優(yōu)質(zhì)調(diào)峰資源[17]，可以有效地平滑系統(tǒng)因新能源并網(wǎng)帶來的功率波動(dòng)，合理調(diào)度儲(chǔ)能設(shè)施，鼓勵(lì)并優(yōu)先使用儲(chǔ)能輔助調(diào)峰是解決調(diào)峰問題的有效途徑。最常見的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電成本函數(shù)如下：

(17)

3 光伏不同滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力匹配

3.1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)模型

不同于傳統(tǒng)單一資源的調(diào)峰方式，源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰方式考慮了各側(cè)資源間互補(bǔ)互濟(jì)的深度協(xié)同能力，再與不同的光伏滲透率匹配出最優(yōu)策略，以平衡系統(tǒng)峰谷差。針對(duì)多因素影響的調(diào)峰資源耦合方式建模思路，本文是將一個(gè)多因素影響的能源系統(tǒng)抽象成如圖3所示的二端口網(wǎng)絡(luò)。

圖3 源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)樞紐Fig.3 Deep interactive hub of source-net-load-storage

圖3中f1～fn為該樞紐的輸入，包括調(diào)峰需求、各側(cè)調(diào)峰資源技術(shù)特性、用戶滿意度等；S1～S4為調(diào)峰資源類型，其不同的組合方式即代表不同的調(diào)峰策略。源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)樞紐輸入輸出關(guān)系可由如下數(shù)學(xué)模型表示。

(18)

3.2 滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力最優(yōu)匹配模型

以系統(tǒng)總調(diào)峰成本最低為目標(biāo)函數(shù)，得出滿足源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源特性下的最優(yōu)調(diào)峰策略，從而實(shí)現(xiàn)光伏滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力的最優(yōu)匹配。其調(diào)峰成本函數(shù)如下：

(19)

(20)

(21)

源網(wǎng)荷儲(chǔ)多側(cè)資源協(xié)同參與調(diào)峰時(shí)，需滿足諸多約束條件，系統(tǒng)電力平衡條件如式(22)所示。

(22)

調(diào)峰機(jī)組約束及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束條件如(23)—(30)所示。其中，式(23)為調(diào)峰機(jī)組的出力范圍；式(24)—(28)為機(jī)組的開停機(jī)時(shí)間及開停機(jī)次數(shù)約束。

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

BxΦ=P

(29)

(30)

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的約束條件如式(31)—(33)所示。

(31)

(32)

(33)

建湖縣水稻種植方式主要是麥后直播和機(jī)插栽插兩種形式，面積大約1：1，水稻品種主要為：淮稻5號(hào)、南粳9108、華粳5號(hào)、蘇秀867、武運(yùn)粳27等，常年直播稻播種時(shí)間在6月10日前后，機(jī)插秧在6月20日左右栽插。由于種植方式、栽培品種以及氣候條件的變化，其病蟲發(fā)生表現(xiàn)為三個(gè)特點(diǎn)：

儲(chǔ)能系統(tǒng)的約束條件如(34)—(37)所示。

(34)

Soc,min≤Soc,t+1≤Soc,max

(35)

Pes,c,min≤Pcha,t≤Pes,c,max

(36)

Pes,de,min≤Pde,t≤Pes,de,max

(37)

3.3 模型的轉(zhuǎn)化與求解

3.3.1模型的轉(zhuǎn)化

本文建立的優(yōu)化調(diào)度模型是復(fù)雜的混合整數(shù)二次規(guī)劃問題，而火電機(jī)組深度調(diào)峰成本為非線性約束條件，無法利用CPLEX軟件求解，故將式(10)、(11)轉(zhuǎn)化為一系列不等式約束集合，即將火電機(jī)組深度調(diào)峰成本的非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed integer linear programming，MILP)問題，便于模型利用MATLAB求解。其等效約束如下：

(38)

式中：z代表機(jī)組狀態(tài)變量；g、h分別為大于0的常量，保證m′=z=0,n′=z=0時(shí)第4行和第6行不等式成立。

3.3.2匹配模型求解步驟

本文研究光伏不同滲透率與電力系統(tǒng)調(diào)峰能力匹配的流程如圖4所示。

圖4 光伏滲透率與調(diào)峰能力的匹配流程Fig.4 Matching flowchart of photovoltaic penetration rate and peak regulation capacity

步驟1：收集光伏歷史出力數(shù)據(jù)，利用樣條插值法將缺損數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，再利用FCM聚類法與高斯模擬將光伏出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性等多維特性模型化。

步驟2：設(shè)置光照序列 、滲透率序列 、調(diào)峰裕度集合。

步驟3：判斷系統(tǒng)是否需要調(diào)峰，是，則進(jìn)行下一步。

步驟4：利用功率分布轉(zhuǎn)移因子法將式(29)轉(zhuǎn)化為線性約束條件。

步驟5：綜合考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)資源的調(diào)峰經(jīng)濟(jì)技術(shù)特性，利用源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)匹配模型獲得調(diào)峰策略集合。

步驟6：以系統(tǒng)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，優(yōu)化出對(duì)應(yīng)光伏滲透率下的最優(yōu)調(diào)峰策略，并調(diào)整光伏滲透率、系統(tǒng)調(diào)峰裕度。

步驟7：輸出不同調(diào)峰裕度與不同光伏滲透率下各資源出力及調(diào)峰成本。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)

本文以改進(jìn)的某實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)見本文附錄圖A1。該系統(tǒng)包含2個(gè)50 MW的光伏陣列；一座梯級(jí)水電站，總裝機(jī)容量為120 MW。2個(gè)容量為10 MW的儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能設(shè)備相關(guān)參數(shù)見參考文獻(xiàn)[18]。其中調(diào)峰電廠共有2臺(tái)機(jī)組，忽略機(jī)組實(shí)際調(diào)峰能力，參照我國(guó)現(xiàn)有規(guī)定，設(shè)定Pb為機(jī)組額定容量Pn的30%，Pa為Pn的45%，Pmin為Pn的60%?；痣姍C(jī)組的參數(shù)源于參考文獻(xiàn)[19]，如表1所示。其余參數(shù)取自于參考文獻(xiàn)[20-21]。負(fù)荷預(yù)測(cè)采取本地同年某日的預(yù)測(cè)值，光伏預(yù)測(cè)曲線為本地2019年某典型日的光伏陣列的歷史出力數(shù)據(jù)經(jīng)過FCM擬合而成，如圖5所示，改變其裝機(jī)容量即可對(duì)應(yīng)不同滲透率。本文中煤價(jià)選取的是某電廠2019年入爐標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)577.55元/t，油價(jià)選取的是同年某市12月平均油價(jià)6 450.1元/t。

表1 火電機(jī)組參數(shù)Table 1 Parameters of thermal power units

4.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)分析

選取85%、95%這2種調(diào)峰裕度，CON取85，在源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)資源深度互動(dòng)下探究不同滲透率與電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的最優(yōu)匹配，得到在10.25%、16.12%、21.71%、28.46%、35.64%這5種滲透率、2種調(diào)峰裕度下各調(diào)峰資源參與情況，如表2所示。

圖5 本地負(fù)荷與光伏預(yù)測(cè)曲線Fig.5 Local load and PV forecast curves

由表2中資源組合參與情況可知，儲(chǔ)能作為一種優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰資源，調(diào)峰成本較小且出力特性穩(wěn)定，調(diào)用優(yōu)先級(jí)高于需求響應(yīng)。當(dāng)滲透率較低且為10.25%時(shí)，僅由火電機(jī)組參與即可完成調(diào)峰任務(wù)。當(dāng)滲透率為16.12%時(shí)，此時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生一定的峰谷差，在85%和95%這2種調(diào)峰裕度下，平衡系統(tǒng)波動(dòng)已需要常規(guī)調(diào)峰機(jī)組與儲(chǔ)能設(shè)備兩者協(xié)同完成。當(dāng)滲透率為21.71%和28.46%時(shí)，此時(shí)由于儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)峰容量有限，系統(tǒng)的波動(dòng)便需要常規(guī)調(diào)峰機(jī)組、需求響應(yīng)和儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)同完成。而在滲透率為35.64%時(shí)，此時(shí)光伏滲透率較大，在傳輸電能時(shí)超過了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)約束，則需要線間潮流控制器改變網(wǎng)架中重載線路潮流，在滿足線路約束條件后與源荷儲(chǔ)三側(cè)資源協(xié)同完成系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)，而傳統(tǒng)的利用火電機(jī)組調(diào)峰方法則可能會(huì)出現(xiàn)無法完成調(diào)峰任務(wù)的情況。由此可見，隨著光伏滲透率的升高，系統(tǒng)的波動(dòng)也越來越大，需要平衡系統(tǒng)波動(dòng)而參與的調(diào)峰資源類型也逐漸增多。

表2 不同滲透率下各資源參與情況Table 2 Resource participation under different penetration rate

4.3 不同滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力的最優(yōu)策略分析

綜合考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)四側(cè)調(diào)峰資源經(jīng)濟(jì)特性，以系統(tǒng)調(diào)峰成本最小為目標(biāo)函數(shù)，在經(jīng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)四側(cè)資源深度互動(dòng)匹配出的調(diào)峰策略集合中，得出光伏不同滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力的最優(yōu)匹配策略，得到不同滲透率下各資源的出力情況，如表3所示。

表3 不同滲透率下各資源出力及系統(tǒng)總調(diào)峰成本Table 3 Each resource output and system total peak-regulating cost under different penetration rate

由表3可看出，隨著滲透率的不斷提高，源網(wǎng)荷儲(chǔ)參與調(diào)峰的資源類型逐漸增加，系統(tǒng)總調(diào)峰成本也隨之增加。當(dāng)在滲透率較低時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的波動(dòng)僅由火電機(jī)組非深度調(diào)峰即可完成，此時(shí)主要調(diào)峰費(fèi)用包括燃煤成本及火電調(diào)峰機(jī)組開停機(jī)成本。當(dāng)滲透率在16.12%～21.71%之間時(shí)，此時(shí)由于光伏出力而產(chǎn)生的部分波動(dòng)已無法通過火電機(jī)組基礎(chǔ)調(diào)峰階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，而儲(chǔ)能作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源，充放電價(jià)格與日前市場(chǎng)出清價(jià)格關(guān)聯(lián)，而需求側(cè)則會(huì)受到用戶滿意度的影響，故在此階段也需要一部分的儲(chǔ)能調(diào)峰成本。當(dāng)滲透率達(dá)到28.46%、調(diào)峰裕度為95%時(shí)，此時(shí)的系統(tǒng)總調(diào)峰費(fèi)用已經(jīng)高達(dá)141.123萬元，此時(shí)源荷儲(chǔ)三側(cè)均已參與到調(diào)峰任務(wù)中，這是由于儲(chǔ)能側(cè)容量有限，且源端調(diào)峰機(jī)組進(jìn)入不投油深度調(diào)峰階段，考慮到經(jīng)濟(jì)性，則會(huì)損失一定的用戶滿意度增加需求響應(yīng)成本。當(dāng)光伏滲透率為35.64%時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致線路阻塞，則需線間潮流控制器配合源荷儲(chǔ)三側(cè)共同工作，改變線路潮流以平衡系統(tǒng)波動(dòng)。

圖6為光伏不同滲透率下、調(diào)峰裕度取85%與95%時(shí)，傳統(tǒng)的單一資源火電機(jī)組調(diào)峰與本文提出的源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰策略的系統(tǒng)調(diào)峰成本對(duì)比。從圖中可看出，當(dāng)滲透率為10.25%與16.12%時(shí)，兩種方法的調(diào)峰成本基本相同，這是因?yàn)樵诘蜐B透率下，系統(tǒng)的波動(dòng)大多都由火電機(jī)組平衡，此時(shí)的調(diào)峰成本都為機(jī)組煤耗成本與機(jī)組開停機(jī)成本。當(dāng)滲透率大于21.71%時(shí)，參與系統(tǒng)調(diào)峰的資源類型逐漸增多，而并不局限于傳統(tǒng)的利用火電機(jī)組深度調(diào)峰完成，減少了油耗及損耗成本，因此，源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰方法成本逐漸低于傳統(tǒng)調(diào)峰方法的成本。

圖6 傳統(tǒng)調(diào)峰與源網(wǎng)荷儲(chǔ)最優(yōu)策略成本比較Fig.6 Cost comparison between the traditional method and the optimal strategy of source-network-load-storage

圖7為在源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)資源深度互動(dòng)后，不同光伏滲透率及調(diào)峰裕度條件下各資源的調(diào)峰成本。

由圖7可知，在不同滲透率下，源端火電機(jī)組調(diào)峰成本遠(yuǎn)大于其他兩種調(diào)峰資源的成本，這是由于火電機(jī)組的調(diào)峰容量遠(yuǎn)大于儲(chǔ)能和負(fù)荷側(cè)資源的調(diào)峰容量。隨著光伏滲透率的升高，光伏出力波動(dòng)性變大，一部分火電機(jī)組逐漸進(jìn)入深度調(diào)峰階段，油耗及損耗也大大增加，火電機(jī)組調(diào)峰成本也隨之變大，因此需要采取增加調(diào)峰補(bǔ)償?shù)仁侄蝸泶碳せ痣姍C(jī)組的調(diào)峰積極性。與此同時(shí)，當(dāng)α≤10.25%時(shí)，調(diào)峰成本僅為火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰成本，此時(shí)光伏滲透率較低，僅調(diào)用火電機(jī)組進(jìn)行基礎(chǔ)調(diào)峰即可完成；當(dāng)10.25%<α≤21.71%時(shí)，此時(shí)凈負(fù)荷波動(dòng)變大，由于儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性較高且不會(huì)影響負(fù)荷滿意度，調(diào)用源儲(chǔ)兩側(cè)資源可完成調(diào)峰任務(wù)；當(dāng)21.71%<α<28.46%時(shí)，此時(shí)高滲透率下峰谷差波動(dòng)更大，為保證經(jīng)濟(jì)性，故源荷儲(chǔ)三側(cè)資源均參與了系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)；而當(dāng)α≥35.64%時(shí)，此時(shí)易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，可調(diào)用IPFC適當(dāng)改變線路潮流，四側(cè)資源協(xié)同完成調(diào)峰任務(wù)?？梢钥闯?，各資源參與調(diào)峰的優(yōu)先級(jí)均是以系統(tǒng)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)來確定，這與本文所建立優(yōu)化模型的邏輯是相符的。

圖8為不同光伏滲透率下火電調(diào)峰機(jī)組各種損耗的成本曲線，圖8(a)為傳統(tǒng)單一的火電機(jī)組調(diào)峰方式，圖8(b)為本文提出的源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰方式。從圖8兩圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩種調(diào)峰策略下的機(jī)組開停機(jī)成本并沒有太大變化，油耗與機(jī)組損耗則發(fā)生了較大變化。這是由于火電機(jī)組的開停機(jī)成本較高，當(dāng)滲透率較高時(shí)，火電機(jī)組可進(jìn)入不投油深度調(diào)峰階段、投油深度調(diào)峰階段，減少機(jī)組的開停機(jī)次數(shù)。同時(shí)，由于調(diào)峰資源容量增多，在不同滲透率下源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性則更優(yōu)。

圖8 不同光伏滲透率下調(diào)峰機(jī)組損耗成本Fig.8 Loss cost of peak-regulating units under different penetration rate

圖9為不同光伏滲透率區(qū)間源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰策略中調(diào)峰資源的組合情況。隨著光伏滲透率逐漸升高，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)求得的最優(yōu)調(diào)峰策略中資源的種類也越來越多?？梢?，隨著光伏滲透率的升高，系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求也逐漸增大。

圖9 不同光伏滲透率下的調(diào)峰策略Fig.9 Peak regulation strategies under different penetration rate

5 結(jié) 論

本文基于光伏大規(guī)模并網(wǎng)的背景，綜合分析了源網(wǎng)荷儲(chǔ)四側(cè)調(diào)峰資源間的互補(bǔ)互濟(jì)能力，利用源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)實(shí)現(xiàn)了不同光伏滲透率與系統(tǒng)調(diào)峰能力的匹配。本文研究表明：

1)隨著光伏滲透率的增大，系統(tǒng)的調(diào)峰壓力也隨之升高，通過源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)，能夠充分利用調(diào)峰資源減小系統(tǒng)調(diào)峰壓力，提高系統(tǒng)供電可靠性。

2)在不同的光伏滲透率下設(shè)置系統(tǒng)調(diào)峰裕度，根據(jù)源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)資源調(diào)峰特性得出對(duì)應(yīng)光伏滲透率下的最優(yōu)調(diào)峰策略，實(shí)現(xiàn)光伏滲透率與電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的匹配。

3)在不同滲透率與調(diào)峰裕度下，調(diào)峰容量的增加減緩了火電機(jī)組進(jìn)入深度調(diào)峰的時(shí)段，系統(tǒng)及火電機(jī)組調(diào)峰成本對(duì)應(yīng)減少。故伴隨新能源并網(wǎng)規(guī)模變大，可適當(dāng)增加系統(tǒng)調(diào)峰容量提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。

本文提出的源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)調(diào)峰策略，可在未來新能源大規(guī)模并網(wǎng)下為解決因新能源多維時(shí)空特性而造成的系統(tǒng)調(diào)峰需求問題提供參考，對(duì)提高和穩(wěn)定系統(tǒng)調(diào)峰需求具有重要意義。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，基于市場(chǎng)資源配置與系統(tǒng)調(diào)峰能力匹配從而提高新能源消納將是下一步研究方向。