程 麗，柯 賽，熊 莉，劉凌宇

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 十堰供電公司，湖北 十堰 442099； 2.國(guó)電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新能源電力系統(tǒng)已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以風(fēng)電為代表的可再生能源成為占比較重的潔凈能源[1]。但風(fēng)電的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：不確定性、波動(dòng)性，風(fēng)電運(yùn)行由于靈活性不足導(dǎo)致的棄風(fēng)和切負(fù)荷操作，會(huì)對(duì)電網(wǎng)能源造成極大浪費(fèi)[2-3]。對(duì)于新能源的消納，需要保證電力系統(tǒng)的靈活性充裕。目前常用的電網(wǎng)調(diào)度有魯棒優(yōu)化法、無(wú)序調(diào)度法等，但是魯棒調(diào)度法只針對(duì)不確定因素，過(guò)于局限性，無(wú)法達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)；無(wú)序調(diào)度法沒(méi)有調(diào)度順序，沒(méi)有考慮電源之間的耦合關(guān)系，不能保證電網(wǎng)安全運(yùn)行[4]。

為了實(shí)現(xiàn)新能源消納，解決電力系統(tǒng)靈活性資源不足而導(dǎo)致電力系統(tǒng)資源浪費(fèi)等問(wèn)題[5]，將電力系統(tǒng)的靈活性資源合理配置為主要途徑，靈活性理論和電力系統(tǒng)相結(jié)合，提出一種基于靈活性裕度的電網(wǎng)荷源聯(lián)合協(xié)調(diào)調(diào)度方法來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗控制。從全局出發(fā)，將所有電源形容成一個(gè)有約束的調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行求解，得到最佳的結(jié)果。通過(guò)某省級(jí)電網(wǎng)短期調(diào)度數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證本文方法的效率性和可行性，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

1 靈活性裕度指標(biāo)

為了確定電力系統(tǒng)靈活性需求和靈活性供給能力，需要在建立每小時(shí)電力系統(tǒng)靈活性與供給模型的基礎(chǔ)上計(jì)算靈活性裕度。電力系統(tǒng)靈活性需求包括系統(tǒng)風(fēng)電出力特性、負(fù)荷特性。而靈活性供給能力需要每個(gè)時(shí)段機(jī)組出力狀態(tài)、抽蓄電站容量等因素[6-8]。

1.1 靈活性需求量化模型

1.1.1 不確定性資源建模

為了塑造風(fēng)電和負(fù)荷的不確定區(qū)間，使用魯棒優(yōu)化原理，公式如下：

(1)

可用公式(2)表示負(fù)荷不確定模型，公式如下：

(2)

2.1.2 靈活性需求量化

為了獲得電力系統(tǒng)靈活性需求，需要從相鄰時(shí)刻風(fēng)電出力、負(fù)荷的波動(dòng)性與不確定性3個(gè)方面研究[9]，靈活性需求有上調(diào)與下調(diào)靈活性需求2種量化方式，公式如下：

(3)

2.2 靈活性供給量化模型

靈活性量化資源多種多樣，下面重點(diǎn)通過(guò)火電、氣電、水電3種比較有代表性的靈活性資源進(jìn)行建模分析。抽水蓄能電站有裝機(jī)簡(jiǎn)單、固定出力運(yùn)行等特點(diǎn)，想要提高抽水蓄能電站靈活性，需要考慮電力系統(tǒng)的靈活性[10-11]。由于負(fù)荷的影響，將靈活性分成上調(diào)和下調(diào)靈活性，可用以下公式表示：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

負(fù)荷的上升和下降問(wèn)題通過(guò)靈活性需求解決，構(gòu)建了靈活性供給量化模型為：

(12)

根據(jù)上述模型確定靈活性供給能力需要每個(gè)時(shí)段機(jī)組出力狀態(tài)、抽蓄電站容量等因素。

3 節(jié)能降耗控制模型

3.1 日前調(diào)度控制模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

以獲得最大抽蓄調(diào)峰效益、最大風(fēng)電消納電量、降低發(fā)電機(jī)組能耗為目標(biāo)，建立荷源聯(lián)合協(xié)調(diào)調(diào)度控制模型。其中抽水蓄能電站調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷峰谷的差值所產(chǎn)生的效益就是抽蓄調(diào)峰效益。此次函數(shù)不僅要計(jì)算火電機(jī)組和氣電機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用，還需要計(jì)算棄風(fēng)量懲罰、上調(diào)和下調(diào)靈活性缺額懲罰：

(13)

上述機(jī)組出力成本計(jì)算公式如下：

(14)

式中，ai、bi、ci、aj、bj、cj分別為火電和氣電運(yùn)轉(zhuǎn)成本系數(shù)。

3.1.2 約束條件

(1)功率平衡約束。功率平衡約束表達(dá)式為：

(15)

(2)系統(tǒng)靈活性約束。在靈活性缺額前提下，靈活性供給將無(wú)法滿(mǎn)足靈活性需求，公式如下：

(16)

(3)火電機(jī)組約束?；痣姍C(jī)組的出力范圍約束為：

(17)

火電機(jī)組的爬坡約束為

(18)

電力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電主體是大型火電機(jī)組，雖然大型火電機(jī)組能耗比較小，但由于受到調(diào)度指令影響，大型火電機(jī)組的鍋爐從冷備狀態(tài)到并網(wǎng)需要1～2 d甚至更長(zhǎng)時(shí)間，所以火電機(jī)組運(yùn)行期間，在24 h內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，靈活性調(diào)度模型計(jì)算將不考慮火電機(jī)組短時(shí)間內(nèi)或者日內(nèi)的運(yùn)行情況。

(4)水電站約束。下游水庫(kù)水力聯(lián)系表示為：

Lmh，t=Imh-1，t-τ+LR，mh，t-Smh-1，t-τ

(19)

式中，Imh，t為水電站mh的進(jìn)庫(kù)量；Imh-1，t-τ為電站mh-1的發(fā)電量；τ為相鄰電站之間的水流滯時(shí)、LR，mh，t為流量；Smh-1，t-τ為水電站mh-1的棄水量。

水量平衡約束：

Vmh，t=Vmh，t-1+3 600(Lmh，t-Lmh，t-Smh，t)Δt

(20)

式中，Vmh，t為水電站mh在時(shí)刻t的庫(kù)容；Δt為時(shí)段步長(zhǎng)。

庫(kù)水位約束：

(21)

末水位控制：

Wmh，t=Wmh，end

(22)

式中，Wmh，end為電站mh在調(diào)度期末的水位控制值。

出庫(kù)流量約束：

(23)

電站出力上下約束：

(24)

電站爬坡能力約束：

(25)

3.2 日內(nèi)荷源聯(lián)合滾動(dòng)調(diào)度控制

由于負(fù)荷預(yù)估差值跟時(shí)間相互聯(lián)系，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，需要在利用非常短期的負(fù)荷預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，了解抽水蓄能電站的發(fā)電狀態(tài)，同時(shí)優(yōu)化調(diào)整電力系統(tǒng)各發(fā)電出力。在約束條件下，對(duì)日前調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行建模調(diào)整，可以決定第2 d機(jī)組啟停狀態(tài)與各個(gè)時(shí)間段的規(guī)劃出力，也可使日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度滿(mǎn)足最新的短期預(yù)估信息和負(fù)荷要求，可分為5步：①配置各種靈活性資源初始狀態(tài)、出力和運(yùn)行參數(shù)等滾動(dòng)調(diào)度的初始數(shù)據(jù)；②為了獲取下一次滾動(dòng)窗口的負(fù)荷預(yù)測(cè)，設(shè)置每一小時(shí)一個(gè)周期的自動(dòng)讀??；③下個(gè)周期初始數(shù)據(jù)是由上個(gè)周期滾動(dòng)周期末的各種靈活性數(shù)據(jù)代入計(jì)算得來(lái)；④滾動(dòng)調(diào)度程序運(yùn)行后，即可計(jì)算抽水蓄電站等各部位的機(jī)組啟停、出力、接納容量等；⑤再次執(zhí)行②—④步驟，直至結(jié)束全部日前調(diào)度周期。

3.3 控制模型求解

聯(lián)合調(diào)度是通過(guò)整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃的非常復(fù)雜的計(jì)算，較難直接解析。為了提升解析功效，縮小問(wèn)題解搜尋維度，得到合適的解析方法，對(duì)電網(wǎng)荷源的水電、氣電、火電3個(gè)調(diào)度層進(jìn)行求解，求解思想：水電、氣電、火電3個(gè)調(diào)度層分別采用變尺度調(diào)度優(yōu)化法、24 h啟停調(diào)峰運(yùn)行法、機(jī)組組合啟發(fā)式搜索法結(jié)合改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法(Improved Particle Swarm Optimization，IPSO)算法進(jìn)行分層求解。求解策略框架如圖1所示。

圖1 整體求解策略框架Fig.1 Overall solution strategy framework

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文方法節(jié)能控制效果，選取某省電網(wǎng)秋季日調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較?？刂浦芷跒槊刻臁⒖刂齐A段為每小時(shí)。電網(wǎng)有9個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)，1個(gè)梯級(jí)水電站，9臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組和36臺(tái)電機(jī)組。

4.1 靈活性資源配置前后需求與供給對(duì)比

在靈活性裕度指示標(biāo)準(zhǔn)前提下，將分成兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行靈活性資源配置前后的電力系統(tǒng)仿真比較分析。①設(shè)置靈活性配置前為場(chǎng)景一，其中火電機(jī)組為靈活性供給的主要來(lái)源，在融入棄風(fēng)與切負(fù)荷懲罰的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上，強(qiáng)迫風(fēng)電全額消納，棄風(fēng)與切負(fù)荷懲罰所產(chǎn)生的費(fèi)用都達(dá)到2 000美元/MW；②設(shè)置靈活性配置后為場(chǎng)景二，此時(shí)風(fēng)電最好的消納電量為風(fēng)電資源優(yōu)化后的結(jié)果，其中火電、氣電機(jī)組、抽水蓄能均可提供靈活性供給。

(1)靈活性資源配置前。靈活性配置前各電源出力情況如圖2所示，場(chǎng)景一靈活性資源配置前的靈活性供給和需求如圖3所示。

圖2 靈活資源配置前的各電源出力Fig.2 Power output before flexible resource allocation

初始時(shí)段(0:00—8:00)風(fēng)電出力最大，而火電機(jī)組技術(shù)出力最小，從而導(dǎo)致上調(diào)靈活性剩余，下調(diào)靈活性不足的缺點(diǎn)，為了機(jī)組安全性，將產(chǎn)生棄風(fēng)；上午時(shí)段(8:00—12:00)，用電負(fù)荷增加，需增加上調(diào)靈活性資源以期與系統(tǒng)功率平衡，沒(méi)有可用的靈活性資源，此時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)上調(diào)靈活性不足無(wú)法調(diào)動(dòng)多余資源的問(wèn)題；12：00—15:00負(fù)荷下降，有足夠的上調(diào)與下調(diào)靈活性資源，但沒(méi)有其他使用導(dǎo)致靈活性資源浪費(fèi)；17:00進(jìn)入晚高峰期，火電機(jī)組開(kāi)始大量出力，上調(diào)靈活性裕度跌至0以下，18:00—20:00出現(xiàn)切負(fù)荷情況，火電機(jī)組負(fù)責(zé)調(diào)峰。綜上可知，靈活性配置前，只有火電機(jī)組提供靈活性資源的情況，會(huì)產(chǎn)生棄風(fēng)與切負(fù)荷，存在電網(wǎng)能源大量浪費(fèi)情況，直接影響新能源消納和穩(wěn)定的電網(wǎng)安全運(yùn)行，電網(wǎng)節(jié)能降耗控制效果較差。

圖3 靈活性資源配置前的上下調(diào)靈活性需求與供給Fig.3 Up and down flexible demand and supply before flexible resource allocation

(2)靈活性資源配置后。靈活性資源配置后各系統(tǒng)電源出力情況、靈活性需求與供給如圖4、圖5所示。

圖4 靈活資源配置后的各電源出力Fig.4 Output of each power supply after flexible resource allocation

從圖4、圖5中可以看出，為了改善電力系統(tǒng)的靈活性，加入了氣電、抽蓄。在初始時(shí)間段(00:00—08:00)，因火電機(jī)組下調(diào)靈活性供給較小，而下調(diào)靈活性是棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)化成勢(shì)能的主要來(lái)源，所以下調(diào)靈活性將由抽水蓄能電站的抽水操作為主體所提供；中后期(9:00—22:00)，電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷增大，將耗費(fèi)大量靈活性，為了減少上調(diào)靈活性缺額的出現(xiàn)，將氣電機(jī)組參與到該時(shí)段的資源調(diào)度，火電機(jī)組運(yùn)行能力達(dá)到最大值，將氣電機(jī)組、抽水蓄能所提供的上調(diào)靈活性供給滿(mǎn)足所有靈活性需求。由于氣電、抽蓄的統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)切負(fù)荷情況也沒(méi)有出現(xiàn)，風(fēng)電資源被全額消納，使電力系統(tǒng)可以更加安全地運(yùn)行。因此，靈活性資源配置后可最大限度利用電網(wǎng)資源，達(dá)到電網(wǎng)荷源聯(lián)合調(diào)峰節(jié)能降耗控制的目的。

圖5 靈活性資源配置后的上下調(diào)靈活性需求與供給Fig.5 Flexible demand and supply after flexible resource allocation

4.2 節(jié)能降耗控制效果

該方法對(duì)電網(wǎng)荷源進(jìn)行聯(lián)合調(diào)峰節(jié)能降耗控制前后滿(mǎn)足同等負(fù)荷所需的機(jī)組數(shù)量與污染物排放量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 本文方法控制前后對(duì)比Tab.1 Comparison before and after control

由表1可知，本文方法控制后電網(wǎng)實(shí)際調(diào)度污染物排放可減少341 t，減排率達(dá)到4.3%，同時(shí)滿(mǎn)足風(fēng)電全部消納和系統(tǒng)靈活性需求。靈活性資源合理地分配到各個(gè)電力系統(tǒng)，等負(fù)荷情況下機(jī)組使用減少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法控制后可有效實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)荷源節(jié)能降耗。

5 結(jié)論

可再生資源優(yōu)化已經(jīng)成為電力發(fā)展的趨勢(shì)，從靈活性視角分析電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題至關(guān)重要。為此文章提出一種基于靈活性裕度的電網(wǎng)荷源聯(lián)合調(diào)峰節(jié)能降耗控制方案，經(jīng)過(guò)算例分析，得到以下結(jié)論。

(1)通過(guò)協(xié)調(diào)調(diào)度靈活性資源，利用火電、氣電、抽蓄水電的運(yùn)行特性和每個(gè)時(shí)段機(jī)組運(yùn)行的調(diào)度能力，提升火電機(jī)組的運(yùn)行效率。

(2)為了優(yōu)化電力系統(tǒng)的可靠性，建立日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度控制模型，優(yōu)化日內(nèi)所有機(jī)組的出力，以及各種靈活性資源調(diào)度策略，在保證電網(wǎng)靈活性需求的同時(shí)，降低了污染物排放量。

(3)在靈活性裕度的基礎(chǔ)上，將風(fēng)電作為優(yōu)化變量參與資源調(diào)度，建立分層調(diào)度模型計(jì)算局部調(diào)度最優(yōu)解，再經(jīng)過(guò)統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度得到全局調(diào)度最優(yōu)解，最后達(dá)到節(jié)能降耗控制作用。