雷旭，馬鵬飛，宋智帥，李衛(wèi)東

（1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼倫貝爾市 021000；2.呼倫貝爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼倫貝爾市 021000；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北省 承德市 067000）

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模逐漸增大，風(fēng)電消納比例逐步提高，但風(fēng)電出力的隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響也愈加明顯[1]。風(fēng)電的反調(diào)峰特性使得風(fēng)電大發(fā)期與用電高峰期產(chǎn)生了明顯的沖突，用戶(hù)參與電網(wǎng)調(diào)度已是促進(jìn)風(fēng)電消納的重要手段[2-3]。因此，研究計(jì)及風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的柔性負(fù)荷日內(nèi)調(diào)度模型具有重要意義。

當(dāng)前研究人員對(duì)含風(fēng)電功率不確定性的調(diào)度問(wèn)題展開(kāi)了大量的研究，文獻(xiàn)[4-5]引入模糊理論，使確定性的系統(tǒng)約束變?yōu)榛诳尚判岳碚摰哪：龣C(jī)會(huì)約束，構(gòu)建了考慮源-荷不確定性?xún)?yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)風(fēng)電功率呈現(xiàn)出的高階不確定性，提出了考慮風(fēng)電概率分布不確定性綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[8-11]通過(guò)分析各頻段功率波動(dòng)置信概率，構(gòu)建了考慮風(fēng)電波動(dòng)不確定性的兩階段魯棒分頻優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[12]將模型分為預(yù)優(yōu)化和實(shí)時(shí)優(yōu)化2個(gè)階段，采用場(chǎng)景描述風(fēng)電不確定性并通過(guò)調(diào)節(jié)可控串聯(lián)補(bǔ)償器(thyristor controlled series compensation，TCSC)參數(shù)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)中功率的分布。文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)歷史出力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析獲得風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差的分布特性，并考慮了風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差對(duì)次日風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。文獻(xiàn)[14]利用區(qū)間優(yōu)化理論方法，將含有風(fēng)電出力不確定的線(xiàn)性區(qū)間優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為2個(gè)確定性的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[15-17]采用高斯混合模型對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的概率密度分布進(jìn)行擬合，在此基礎(chǔ)上建立了考慮風(fēng)電不確定性的電力系統(tǒng)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[18]基于風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差隨時(shí)間尺度變化的規(guī)律，提出了一種基于偏差預(yù)控的負(fù)荷調(diào)度模式。

以上文獻(xiàn)針對(duì)風(fēng)電不確定性的調(diào)度模型進(jìn)行了大量且全面的研究，但對(duì)于利用柔性負(fù)荷彌補(bǔ)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差、提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)度模型研究較少。由于風(fēng)電預(yù)測(cè)存在誤差，僅依據(jù)日前調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度會(huì)出現(xiàn)電力系統(tǒng)功率不平衡、日前調(diào)度計(jì)劃不合理等問(wèn)題。本文建立以棄風(fēng)最小為目標(biāo)的調(diào)度模型，通過(guò)儲(chǔ)能負(fù)荷及可中斷的工業(yè)高載能負(fù)荷的快速響應(yīng)，彌補(bǔ)日前調(diào)度計(jì)劃的不足，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 可控柔性負(fù)荷建模

電網(wǎng)負(fù)荷主要包含剛性負(fù)荷、柔性負(fù)荷兩大類(lèi)。其中剛性負(fù)荷是指必須滿(mǎn)足的負(fù)荷，且不接受電網(wǎng)的調(diào)控，但是用戶(hù)可依據(jù)分時(shí)電價(jià)提前安排工作時(shí)間。柔性負(fù)荷指用電量可在指定區(qū)間內(nèi)變化或在不同時(shí)段間轉(zhuǎn)移的負(fù)荷，包含可調(diào)節(jié)負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、儲(chǔ)能、分布式電源等。本文所提的日內(nèi)調(diào)度策略?xún)H針對(duì)儲(chǔ)能負(fù)荷和可中斷的工業(yè)高載能負(fù)荷。

1.1 儲(chǔ)能負(fù)荷

儲(chǔ)能裝置按照存儲(chǔ)方式主要分為電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能4種類(lèi)型[19-20]。儲(chǔ)能裝置在電力系統(tǒng)中的主要作用是輔助新能源消納、削峰填谷、提高供電可靠性等，此外，具有作為事故備用、改善配電網(wǎng)負(fù)荷特性及功率控制、改善電能質(zhì)量等附加功能。

儲(chǔ)能電池在使用過(guò)程根據(jù)自身能量狀態(tài)和運(yùn)行約束條件，按照儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略進(jìn)行充放電操作，其能量存儲(chǔ)狀態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)變化之中。為了能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)的能量變化情況進(jìn)行定量描述和計(jì)算，本文建立儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡(jiǎn)化線(xiàn)性模型，充放電后儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量計(jì)算公式為

式中：Ees表示儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電后的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量；Ees0表示儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電前的初始系統(tǒng)容量；表示t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際充電功率；ηc表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電效率；表示t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際放電功率；ηd表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電效率；δc和δd表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，δc=1，δd=0，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，δc=0，δd=1，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于停止充放電狀態(tài)時(shí)δc和δd均為0；Δt表示儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電操作的單位時(shí)間間隔。

荷電常數(shù)是儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電后的荷電常數(shù)計(jì)算公式為

式中：SOC表示儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電后的荷電狀態(tài)；EesN表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量。

1.2 工業(yè)高載能負(fù)荷

工業(yè)用戶(hù)是中國(guó)電能消耗的主要用戶(hù)，其電能消費(fèi)占總電能消費(fèi)比重超過(guò)70%。其中，以鋼鐵、煤炭、石油和化工為代表的重點(diǎn)高耗能企業(yè)的用電量占總工業(yè)用電比重超過(guò)60%[21]。因此，對(duì)工業(yè)用戶(hù)開(kāi)展需求響應(yīng)項(xiàng)目，能夠充分挖掘工業(yè)用戶(hù)的節(jié)能潛力，提高電能利用效率。工業(yè)用戶(hù)用電負(fù)荷量相對(duì)較大，用電負(fù)荷分布比較規(guī)律，且用電時(shí)段可調(diào)整，這使得工業(yè)用戶(hù)能夠很好地參與電力需求響應(yīng)。對(duì)工業(yè)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)調(diào)整和削減用電負(fù)荷，參與價(jià)格型需求響應(yīng)和激勵(lì)型需求響應(yīng)。工業(yè)用戶(hù)參與價(jià)格型需求響應(yīng)時(shí)，主要是根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)高低調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，選擇在夜間低谷電價(jià)時(shí)段進(jìn)行生產(chǎn)。工業(yè)用戶(hù)參與激勵(lì)型需求響應(yīng)時(shí)，會(huì)核算需求響應(yīng)收益和節(jié)約的用電成本是否高于正常生產(chǎn)產(chǎn)品所得收益，當(dāng)前者高于后者時(shí)，工業(yè)用戶(hù)會(huì)參與價(jià)格型需求響應(yīng)。依照用電習(xí)慣，可將工業(yè)高載能負(fù)荷分為可中斷型負(fù)荷和可平移負(fù)荷。本文僅考慮可中斷負(fù)荷。

可中斷負(fù)荷是指用戶(hù)與電網(wǎng)簽訂合約參與調(diào)度，從而獲取經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?？芍袛嘭?fù)荷主要為工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)用電質(zhì)量不高的負(fù)荷，以減小負(fù)荷需求的方式改善用戶(hù)的需求電量，減小峰谷差。相比發(fā)電機(jī)出力，其響應(yīng)速度快、中斷容量大，也不必受發(fā)電機(jī)爬坡約束限制?？芍袛嘭?fù)荷典型模型如圖1所示。與工廠簽訂合同主要確認(rèn)以下內(nèi)容：1）合同有效時(shí)間；2）用戶(hù)參與中斷的最大容量；3）補(bǔ)償費(fèi)用。

圖1中：ρ為可中斷負(fù)荷的比例；rup為中斷重新開(kāi)啟的啟動(dòng)斜率；tcut為中斷開(kāi)始的時(shí)間；ton為重新上電的時(shí)間；Pr為額定功率。

圖1 可中斷負(fù)荷Fig.1 Interruptible load

2 日內(nèi)調(diào)度模型

2.1 源-荷系統(tǒng)模型

根據(jù)不同時(shí)間尺度將調(diào)度方式分為日前調(diào)度和日內(nèi)調(diào)度。日前調(diào)度提前一天向電力系統(tǒng)各個(gè)單元下達(dá)未來(lái)24 h的調(diào)度指令，采樣時(shí)間為1 h，側(cè)重于電力系統(tǒng)源-荷系統(tǒng)長(zhǎng)期的協(xié)調(diào)配合及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，本文所考慮的源-荷系統(tǒng)如圖2所示。日內(nèi)調(diào)度在日前計(jì)劃的基礎(chǔ)上按照日內(nèi)出現(xiàn)的不同情況調(diào)整各單元的出力，采樣時(shí)間為15min，側(cè)重于電力系統(tǒng)的可靠性。

圖2 源-荷系統(tǒng)模型Fig.2 Model of source-load system

2.2 風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的概率分布特性可以表征風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值的不確定程度[22]。也有文獻(xiàn)提出先假設(shè)風(fēng)速服從Weibull分布或正態(tài)分布，再經(jīng)過(guò)功率-風(fēng)速特性曲線(xiàn)間接得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)功率的概率密度函數(shù)。其中，正態(tài)分布假設(shè)應(yīng)用最為廣泛，故本文也采用此類(lèi)假設(shè)。因此，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的概率密度函數(shù)可以表示為

式中：δ表示風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；ω表示風(fēng)電功率實(shí)際值；μ表示風(fēng)電預(yù)測(cè)出力。

2.3 調(diào)度模型

風(fēng)電不確定性會(huì)影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，帶來(lái)?xiàng)夛L(fēng)限電的風(fēng)險(xiǎn)，日內(nèi)調(diào)度的目的是通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負(fù)荷的調(diào)控，彌補(bǔ)由于風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差造成的日前計(jì)劃的缺陷，同時(shí)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負(fù)荷的快速響應(yīng)特性消納風(fēng)電。因此，模型目標(biāo)函數(shù)為日內(nèi)棄風(fēng)電量最小，表示為

式中：EΔwind表示調(diào)度周期內(nèi)棄風(fēng)電量；表示t時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組的日內(nèi)實(shí)際出力；表示日前計(jì)劃中t時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)功率；表示t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)量；表示t時(shí)刻工業(yè)高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)量；T表示優(yōu)化周期內(nèi)總采樣時(shí)間數(shù)。

2.4 約束條件

1）儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率以及荷電狀態(tài)約束

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的問(wèn)題，為避免儲(chǔ)能充放電功率過(guò)大以及過(guò)充過(guò)放的問(wèn)題，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率調(diào)節(jié)量應(yīng)限定在指定范圍內(nèi)，且調(diào)整后儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率應(yīng)不超過(guò)額定功率，荷電狀態(tài)也應(yīng)限定在指定范圍內(nèi)：

2）工業(yè)高載能負(fù)荷約束

考慮到用戶(hù)經(jīng)濟(jì)性，可調(diào)控柔性負(fù)荷須限定在指定范圍內(nèi)：

3）功率平衡約束

為保證用電設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)柔性負(fù)荷與儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)控需滿(mǎn)足電網(wǎng)的功率平衡，即

3 算例分析

為驗(yàn)證本文所提儲(chǔ)能負(fù)荷和工業(yè)高載能負(fù)荷的日內(nèi)調(diào)度策略對(duì)于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、提升風(fēng)電消納比例的有效性，利用遺傳算法對(duì)本文所提的日內(nèi)調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

3.1 參數(shù)設(shè)置

本算例考慮了火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)和柔性負(fù)荷，其相關(guān)參數(shù)和日前負(fù)荷預(yù)測(cè)、日前風(fēng)電預(yù)測(cè)均取自文獻(xiàn)[23]，并基于文獻(xiàn)[23]所提日前調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到日前調(diào)度計(jì)劃如表1所示。本文假設(shè)日前負(fù)荷預(yù)測(cè)為精準(zhǔn)值，而日前風(fēng)電預(yù)測(cè)存在誤差，其預(yù)測(cè)誤差服從正態(tài)分布。日前負(fù)荷預(yù)測(cè)、日前與日內(nèi)風(fēng)電預(yù)測(cè)見(jiàn)圖3。利用MATLAB中遺傳算法工具箱進(jìn)行優(yōu)化時(shí)其種群大小等相關(guān)參數(shù)均取默認(rèn)值。

圖3 風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測(cè)Fig.3 Prediction of wind power and load demand

表1 日前調(diào)度計(jì)劃Tab.1 Day-ahead dispatch plan MW

3.2 仿真結(jié)果分析

基于以上參數(shù)設(shè)置以及風(fēng)電、負(fù)荷預(yù)測(cè)，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)以及工業(yè)高載能負(fù)荷日內(nèi)調(diào)度量后，將儲(chǔ)能系統(tǒng)功率以及工業(yè)高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)量與日前調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別如圖4、5所示。

通過(guò)觀察圖4、5中曲線(xiàn)可知，與日前的調(diào)度結(jié)果相比，經(jīng)過(guò)日內(nèi)調(diào)度后儲(chǔ)能系統(tǒng)功率曲線(xiàn)和工業(yè)高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)量波動(dòng)性有所增加，尤其處于風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差較大時(shí)段，曲線(xiàn)波動(dòng)幅度較大，但調(diào)節(jié)量均在儲(chǔ)能系統(tǒng)和柔性負(fù)荷可調(diào)量約束范圍內(nèi)以保證用戶(hù)舒適度以及商業(yè)用戶(hù)正常生產(chǎn)。由于儲(chǔ)能電池造價(jià)較高，可考慮主要通過(guò)利用工業(yè)高載能負(fù)荷彌補(bǔ)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差，而儲(chǔ)能電池起輔助作用，通過(guò)這一方式可有效彌補(bǔ)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差，有效提升風(fēng)電消納比例。

日前計(jì)劃風(fēng)電消納比例為79.15%，通過(guò)日內(nèi)對(duì)柔性負(fù)荷的調(diào)度，風(fēng)電消納比例達(dá)到80.98%，提升了1.83%。圖6為日前計(jì)劃與日內(nèi)實(shí)際風(fēng)電消納情況，可以觀察到，如果按照日前計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度，就會(huì)存在日前調(diào)度計(jì)劃高于日內(nèi)風(fēng)機(jī)實(shí)際出力的不合理指令；若其他機(jī)組均按照日前計(jì)劃出力，則會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)功率不平衡等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而通過(guò)日內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)和可調(diào)柔性負(fù)荷的調(diào)控，能有效彌補(bǔ)日前計(jì)劃的風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差，且有助于大幅度提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電的快速響應(yīng)能力，提出了計(jì)及風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的柔性負(fù)荷調(diào)度策略，并通過(guò)算例分析得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負(fù)荷的日內(nèi)調(diào)度，有利于提高電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電的快速響應(yīng)能力，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）可短時(shí)調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負(fù)荷有利于彌補(bǔ)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差，提升風(fēng)電消納比例。

3）隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，負(fù)荷種類(lèi)隨之增多，包含多類(lèi)負(fù)荷的調(diào)度策略將會(huì)成為下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。