戴 暉，常 平，章 銳，湯 奕

(1.國網淮安供電公司，江蘇 淮安223001;2.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京210096;3.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出“非化石能源消費比重提高15%以上，煤炭消費比重降低在 58%以下，減小棄風、棄光比例[1]”。自規(guī)劃發(fā)布以來，風電、光伏等新能源裝機容量逐漸提高，光伏裝機容量持續(xù)擴大，截至2018年底，已占全部電力裝機容量的9.4%。由于光伏具有較強的隨機性、間歇性，且僅在白天發(fā)電，與負荷高峰時間不同步，高比例光伏并網使凈負荷曲線呈現(xiàn)鴨型，并產生一系列并網問題。美國加州獨立運營商(CAISO)將這一現(xiàn)象稱為“鴨子曲線”[2-3]。

目前，目前國內外學者主要從源端、需求端等方面對鴨子曲線進行緩解。在源端，主要通過調整光伏電池板的朝向來控制發(fā)電量，減少對電網沖擊[4]，該方法本質上以犧牲光伏功率換取較小爬坡壓力，沒有從根本上解決問題。在需求端，主要通過智能終端調節(jié)負荷使用方式、用電時間來減小用電高峰時段負荷、增大用電低谷時負荷，使用戶參與電網調峰，降低爬坡斜率[5]，但該方法降低了用戶負荷供電可靠性。有學者通過引入熱電站來緩解鴨子曲線問題[6]，取得一定效果，但光熱電站對光伏功率轉換效率不夠高，在本質上與棄光問題類似，還存在一定不足[7]。上述方法不能從根本上解決鴨子曲線問題，尤其在如何有效緩解火電機組爬坡壓力，保障火電機組運行穩(wěn)定性、火電機組抗擾動能力，提高光伏消納能力等方面研究還存在不足。

本文在上述研究基礎上，首先分析了鴨子曲線問題成因以及給電網調峰調壓、火電機組爬坡等帶來的挑戰(zhàn)。然后通過在高比例光伏并網系統(tǒng)中引入儲能電站，構造光儲系統(tǒng)，構建數(shù)學模型對高比例光伏并網下火電機組爬坡壓力進行緩解。數(shù)學模型以綜合成本最小為目標函數(shù)，并在目標函數(shù)中增加了火電機組爬坡成本，考慮光伏發(fā)電約束、儲能約束、火電機組約束、網絡安全約束等，構建緩解火電機組爬坡壓力數(shù)學模型，并利用線性規(guī)劃單純形法對模型進行求解。達到平滑鴨子凈負荷曲線、緩解機組爬坡壓力、保障火電機組安全穩(wěn)定運行、促進光伏并網消納目的。最后在IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)上仿真驗證所提策略優(yōu)越性和有效性。

2 高比例光伏并網問題分析

2.1 問題成因

與風力發(fā)電特性不同，光伏發(fā)電受日照強度和溫度影響，發(fā)電功率會在早晨從0開始增加到達一個峰值，然后開始下降，在傍晚時降低到0，在夜間無功率輸出。而負荷曲線在傍晚時會逐漸增加，并達到一個峰值。這種發(fā)電功率與負荷在時間上不同步帶來的負荷與發(fā)電功率間差值會產生凈負荷曲線，在形狀上與“鴨子”類似，如圖1所示。在凌晨至清晨時間段，凈負荷曲線波動較為平緩。從清晨開始，隨著光伏功率的升高，凈負荷曲線開始快速下降，在中午時刻達到最低點。清晨至傍晚時間段曲線被稱為“鴨肚”。在傍晚時分，隨著光伏功率的減小，凈負荷曲線開始陡然升高并達到最大值，該段時間曲線被稱為“鴨脖”。美國加州獨立運營商(CAISO)將其稱為“鴨子曲線”。我國淮安金湖縣正創(chuàng)建國家高比例可再生能源示范縣[8]，到2020年光伏裝機達500MW以上，屆時光伏并網也會產生類似“鴨子曲線”現(xiàn)象。

圖1 CAISO預測的鴨子曲線發(fā)展趨勢[2]

隨著光伏并網比例的增加，白天“鴨肚”將更大，傍晚“鴨脖”將更長，如圖1所示。這種大肚腩、長脖子的鴨子曲線將降低電壓質量、增加機組爬坡壓力。其它機組功率需要在清晨時刻迅速下降，在傍晚時刻快速上升，迅速達到峰值，才能滿足電網供需平衡，給其它機組安全穩(wěn)定運行帶來巨大壓力。

2.2 高比例光伏并網帶來的挑戰(zhàn)

鴨子曲線將進一步放大光伏功率的隨機性和波動性，增加系統(tǒng)運行難度和規(guī)劃的不確定性，影響系統(tǒng)其它機組運行特性[9]。現(xiàn)有電網以火電機組運行為主，火電機組運行特性[10]如圖2所示。

圖2 常規(guī)火電機組發(fā)電調節(jié)特性

若某臺機組從時刻1開始并網發(fā)電到時刻4與電網解列，則其發(fā)電功率范圍如曲線形成的面積所示。時刻1到時刻2階段為機組開機過程，時刻5到時刻6為機組停機過程，都沒有調節(jié)能力。從時刻2到時刻5機組處于正常運行狀態(tài)，可以在梯形BCDE內任意一點運行。但機組最大上坡率不能超過斜線BC，最大下坡率不能超過DE。隨著光伏并網比例的提高，鴨子曲線峰谷差將持續(xù)擴大，火電機組下坡能力、上坡能力可能無法響應其變化[11]。電網難以維持功率平衡、系統(tǒng)電壓或頻率也無法滿足要求，影響電網安全穩(wěn)定運行。

3 火電機組爬坡壓力緩解策略

3.1 光儲系統(tǒng)結構

圖3 光儲系統(tǒng)結構

本文思路是在白天光伏并網比例達到一定值后，由儲能系統(tǒng)進行儲能，儲能功率為PC，減小光伏直接并網功率，抬高白天凈負荷曲線，減緩凈負荷曲線變化速度。在夜間負荷高峰時段，由于光伏發(fā)電功率為零，由儲能系統(tǒng)進行放電，放電功率為PD，拉低夜間凈負荷曲線，緩解凈負荷變化速度，如圖4所示。通過減緩高比例光伏并網引發(fā)的鴨子凈負荷曲線變化速度，平滑凈負荷曲線，進而達到緩解火電機組爬坡壓力的目的。鴨子曲線功率PY計算如式(1)所示

(1)

式中PPV為光儲聯(lián)合出力，PL為負荷。

圖4 機組爬坡壓力緩解思路

3.2 緩解火電機組爬坡壓力數(shù)學模型

基于搭建的光儲系統(tǒng)結構和火電機組爬坡壓力緩解思路，以平滑鴨子凈負荷曲線、緩解火電機組調峰壓力、提高光伏消納能力為目標，構建緩解火電機組爬坡壓力數(shù)學模型。

3.2.1 目標函數(shù)

綜合考慮棄光、儲能與發(fā)電機的調節(jié)能力，以光儲系統(tǒng)綜合運行成本最小為目標，目標函數(shù)如式(2)所示

(2)

3.2.2 約束條件

約束條件主要包括有用平衡約束、光伏發(fā)電約束、儲能約束、火電機組約束、線路約束以及失負荷約束。

1)有功平衡約束。系統(tǒng)有功率要滿足平衡條件。如式(3)所示

(3)

式中，PLj，t為第j個負荷節(jié)點t時刻負荷功率，PPV，t為t時刻光儲聯(lián)合出力。

2)光伏發(fā)電約束。主要包括運行約束、爬坡約束以及棄光約束。具體如式(4)所示

(4)

3)儲能約束。主要包括儲能功率約束、儲能荷電率約束以及儲能容量約束。儲能功率約束如式(5)所示

(5)

式中PC，max為儲能最大充電功率，PD，max為儲能最大放電功率。

儲能荷電約束如式(6)所示，設置此項約束可以避免儲能過充、過放。

(6)

式中SOCmax、SOCmin為儲能最大、最小荷電率，SOC0為儲能系統(tǒng)初始荷電率，Et為儲能容量。

儲能容量約束如式(7)所示，確保儲能每時每刻的儲能容量滿足要求。

(7)

式中，EMax，EMin分別為儲能容量上下限(這里分別取100%的額定容量與10%的額定容量)，Δt為時間間隔，η1，η2分別為儲能放電與充電的效率。

4)火電機組約束。主要包括運行約束和爬坡約束，如式(8)所示

(8)

5)線路約束。主要包括線路功率等式約束、線路傳輸功率約束和節(jié)點相角約束。如式(9)所示

(9)

6)失負荷約束。即系統(tǒng)中某節(jié)點的失負荷功率不能大于該節(jié)點負荷功率。具體如式(10)所示

0≤PLDj，t≤PLj，t

(10)

3.3 線性規(guī)劃單純形法

緩解火電機組爬坡壓力數(shù)學模型包括：目標函數(shù)、等式約束條件、不等式約束條件、上下限約束條件以及求解變量。該數(shù)學模型是一個標準的線性規(guī)劃問題，故本文基于線性規(guī)劃單純形法對模型進行求解[13]。緩解火電機組爬坡壓力的線性規(guī)劃模型如式(11)所示

(11)

結合緩解火電機組爬坡壓力數(shù)學模型，式(11)中變量具體如(12)所示

(12)

式中f為成本，包括機組運行成本、機組爬坡成本、失負荷成本、棄光成本、儲能運行成本。x為待求量，包括機組輸出功率、節(jié)點相角、線路有功功率、光伏發(fā)電功率、失負荷功率、棄光功率以及儲能充放電功率。A為系數(shù)矩陣，包括機組爬坡功率系數(shù)矩陣(一般取K=[K]，k=±1)、充放電功率系數(shù)矩陣。b為不等式約束向量，包括機組上下爬坡率，充放電約束。E0為儲能系統(tǒng)初始時刻功率。Aeq為等式系數(shù)矩陣，包括線路有功等式約束、系統(tǒng)功率平衡約束系數(shù)矩陣。BIJ=[Bij]。Beq為等式向量矩陣，包括線路有功等式向量、系統(tǒng)負荷功率向量。ub、lb分別為火電機組發(fā)電功率、節(jié)點相角、線路熱穩(wěn)定功率、光伏發(fā)電功率、負荷功率、棄光功率、儲能充電放電、儲能荷電率、儲能容量的上限、下限向量?；趩渭冃畏ㄇ蠼鈺r一般遵循以下步驟：確定初始基可行解，檢驗所得到的基可行解是否最優(yōu)，迭代求新的基可行解。

3.4 火電機組爬坡壓力緩解策略

基于根據(jù)構建數(shù)學模型和線性規(guī)劃單純性求解算法，構建火電機組爬坡壓力緩解策略，如圖7所示。具體如下：

1)設置成本參數(shù)火電機組CGi、失負荷成本CL、棄光成本CPV、儲能成本CC，機組爬坡成本Cq，儲能容量E0，時間T等。

3)準備線性模型中參數(shù)，如成本向量f′?；痣姍C組爬坡功率系數(shù)矩陣A?；痣姍C組上下爬坡率及充放電約束向量b。線路有功等式約束和系統(tǒng)功率平衡約束系數(shù)矩陣Aeq。線路有功等式向量，系統(tǒng)負荷功率向量Beq?；痣姍C組發(fā)電功率、節(jié)點相角、線路熱穩(wěn)定功率、光伏發(fā)電功率、負荷功率、棄光功率、儲能充電放電功率、儲能荷電率、儲能容量上限，下限向量ub，lb。

4)由上述矩陣和向量，構造緩解火電機組爬坡壓力線性數(shù)學模型。

5)設置或更新模型的初始可行解X(t)=(b1，b2…，bm，0，…，0)′，并計算校驗數(shù)δj，若δj≤0則計算下一時刻t=Δt+t的最優(yōu)解。

6)δj中有一個大于零，則計算換入變量xk，換出變量xl，更新初始可行解，并進行迭代、檢驗計算，直到得到最優(yōu)可行解。

7)若所有時刻均求出可行解，則輸出最優(yōu)解。具體如圖5所示。

圖5 火電機組爬坡壓力緩解策略

4 算例分析

4.1 仿真系統(tǒng)搭建

為了驗證本文所提策略的優(yōu)越性和有效性，借助MATLAB搭建了IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)，并對其進行改進，改進后的系統(tǒng)結構如圖6所示，對上述緩解火電機組爬坡壓力線性數(shù)學模型進行仿真分析，驗證本文構建的光儲系統(tǒng)和數(shù)學模型可以緩解高比例光伏并網帶來的火電機組爬坡壓力問題，促進光伏消納。IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)中火電機組的出力功率范圍如表1所示，爬坡率取為每分鐘調節(jié)2%的最大出力，采用對比分析：

策略1：只在原系統(tǒng)19節(jié)點并入光伏電站；

策略2(本文所提策略)：在策略1的基礎上再在19節(jié)點上接入儲能系統(tǒng)。

圖6 改進的IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)結構

表1 火電機組出力功率及成本數(shù)據(jù)

各節(jié)點的負荷隨時間變化，總負荷預測功率和光伏預測功率如圖7所示，數(shù)據(jù)參考2016年10月22日加利福尼亞負荷與與光伏數(shù)據(jù)。爬坡率上、下限均為20MW/min，儲能系統(tǒng)運行成本系數(shù)為9$/MWh。棄光懲罰系數(shù)為11$/MWh，失負荷懲罰系數(shù)為1000$/MWh。火電機組爬坡成本因子取25。

圖7 總負荷和光伏預測功率

本文基于圖5所示的火電機組爬坡壓力緩解策略，借助線性規(guī)劃單純形算法，利用MATLAB對模型進行求解。結果如下。

4.2 方法優(yōu)越性分析

(13)

光伏滲透率計算結果如圖8、圖9所示。由圖可以看出，各光伏發(fā)電比例下策略2的棄光功率均低于策略1，策略2的光伏滲透率高于策略1。這是由于策略1僅依靠傳統(tǒng)火電機組消納高比例光伏功率，而火電機組爬坡能力有限，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，不得不丟棄部分光伏功率。策略2的光儲系統(tǒng)對高比例光伏功率進行適當?shù)貎δ芎头烹?，減小棄光功率，使其可以更多的被火電機組消納。

按比例逐漸增加圖7中光伏預測功率，分別對策略1、策略2下的光儲系統(tǒng)綜合成本進行求解，結果如圖10所示。由圖可以看出，不同光伏并網比例下，策略2的綜合成本始終低于策略1。這是由于策略1的棄光功率、機組爬坡壓力均比策略2高，導致策略1的棄光成本、機組爬坡成本高于策略2。與策略1相比，本文所提策略2有效降低了光儲系統(tǒng)綜合成本，提高系統(tǒng)運行經濟性。

圖8 棄光功率曲線

圖9 光伏滲透率曲線

圖10 光儲系統(tǒng)綜合成本曲線

4.3 方法有效性分析

經過上述仿真驗證可知，策略2的方法優(yōu)于策略1，在減小棄光功率、提高光伏消納水平、降低系統(tǒng)綜合成本上具有一定優(yōu)勢，下面進一步分析策略2的方法有效性。在光伏發(fā)電比例1.4的情況下，對策略2的鴨子凈負荷曲線進行求解，如圖11所示。

圖11 鴨子凈負荷曲線

由圖11可以看出，策略2得到的凈負荷曲線與原始凈負荷曲線相比在整體上較為平滑，曲線波動性也相對較小。這是由于策略2的儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電功率高發(fā)時段進行儲能，在光伏發(fā)電功率低谷進行放電產生的效果，策略2在平滑鴨子凈負荷曲線上具有一定的效果。

進一步對原始凈負荷曲線及策略2凈負荷曲線對應的機組爬坡率進行求解，結果如圖12所示。由圖12可以看出，在早上8：00和晚上17：00，原始凈負荷曲線對應的機組爬坡率均出現(xiàn)峰值，而策略2在此時間段分別對其進行了有效的緩解，減小對火電機組爬坡的壓力。這是由于儲能系統(tǒng)在早上6：00-8：00時間段放電補充光伏發(fā)電功率，在8：00-17：00時間儲能消納光伏過剩的發(fā)電功率，在17：00-20：00時間段又放電補充光伏發(fā)電功率的不足產生的效果。凈負荷曲線的下坡和上坡時段功率得到平滑后，可有效減小火電機組的爬坡壓力。具有重要的工程應用價值。

圖12 凈負荷對應的機組爬坡率

5 結論

高比例光伏并網使凈負荷曲線在白天出現(xiàn)極低的谷值，凈負荷波動幅度加大，火電機組不能及時響應凈負荷波動，爬坡壓力極大，危及電網安全穩(wěn)定運行。本文搭建的光儲系統(tǒng)結構、構建的緩解火電機組爬坡壓力數(shù)學模型以及提出的火電機組爬坡壓力緩解策略，可較好的平滑鴨子凈負荷曲線、有效緩解火電機組爬坡壓力，在減小光伏棄光率、提高光伏消納能力、緩解調峰壓力的同時，保障了火電機組的安全穩(wěn)定運行能力、抗擾動能力，對保障電網安全穩(wěn)定運行具有重要的學術研究意義和工程實用價值。