梁曉瑜

(國(guó)家電投浙江分公司，浙江 杭州 310016)

為保證電力系統(tǒng)輸送電力的可靠性，需要規(guī)劃最佳電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用具有間歇性的新能源仿真電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻[1]。電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的合理性意義重大，它會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與用戶供電的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。我國(guó)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)主體規(guī)劃單一[2-3]，為此需要加大配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，提高供電可靠性。但目前其仍存在運(yùn)行成本高昂等問(wèn)題，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電設(shè)施、線路老化，供電能力低[4]。為提升電力系統(tǒng)水平，保證電網(wǎng)供電安全性，應(yīng)益強(qiáng)等[5]基于新能源的隨機(jī)性提出多目標(biāo)的調(diào)峰策略，陸秋瑜等[6]通過(guò)次梯度投影控制方法提出調(diào)頻策略，但前者的收斂速度較慢，尋求最優(yōu)解的難度較高，規(guī)劃決策時(shí)間長(zhǎng)，后者的過(guò)程繁瑣，規(guī)劃效率低。

為此本文研究新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的仿真，以配電公司建設(shè)運(yùn)行成本最小規(guī)劃電力系統(tǒng)，調(diào)整電力用戶的用電，提升調(diào)峰調(diào)頻效果，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻仿真方法

1.1 新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型

通過(guò)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃設(shè)計(jì)的新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型，能夠獲取在某個(gè)已知置信度水平下的調(diào)峰優(yōu)化結(jié)果[7]。電力系統(tǒng)調(diào)峰模型如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)調(diào)峰模型Fig.1 Block diagram of peak shaving model of power system

圖1中，ΔPtie為交換功率；ΔPG為調(diào)頻功率；ΔPL為負(fù)荷變化量；B為調(diào)峰系數(shù)；R為調(diào)差系數(shù)；Δω=2πΔf，代表頻率偏差。

1.1.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)

啟動(dòng)成本和機(jī)組的停機(jī)時(shí)間關(guān)系密切[8-9]，新能源參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰模型內(nèi)，以最小總運(yùn)行成本為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：

(2)

機(jī)組處于深度調(diào)峰時(shí)的出力需添加額外運(yùn)行成本，添加至總運(yùn)行成本內(nèi)：參考可中斷負(fù)荷調(diào)峰時(shí)，需為用戶提供停電導(dǎo)致的損失費(fèi)用[11]，同樣添加至總運(yùn)行成本內(nèi)：

(3)

1.1.2 約束條件

(1)新能源參與電力系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)功率平衡約束。無(wú)需考慮網(wǎng)損情況下，系統(tǒng)輸出功率和負(fù)荷平衡的約束條件如下：

(4)

(2)系統(tǒng)備用約束。新能源參與的穩(wěn)定性較差，在參考系統(tǒng)備用約束情況下，機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型令系統(tǒng)在已知置信度水平時(shí)符合系統(tǒng)需要的備用容量需求[12]。正旋轉(zhuǎn)備用約束如下：

(5)

負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束如下：

(6)

1.1.3 模型求解

采用改進(jìn)蟻群算法求解新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型，求解過(guò)程如下：①初始化信息素濃度、算法參數(shù)、迭代次數(shù)；②設(shè)置k只螞蟻；③各螞蟻依據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)概率實(shí)時(shí)移動(dòng)；④螞蟻移至新節(jié)點(diǎn)后，修改禁忌表，更新路徑信息素；⑤迭代操作步驟②—步驟④，以全部螞蟻均找到可行路徑為止；⑥利用目標(biāo)函數(shù)選取最優(yōu)路徑；⑦更新所有路徑信息素；⑧達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，結(jié)束搜索，輸出模型最優(yōu)解，完成調(diào)峰控制[13]。

1.2 新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻控制仿真

新能源參與電力系統(tǒng)完成調(diào)峰后，確保系統(tǒng)輸出有功功率達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)度中心再按照電力系統(tǒng)的頻率偏差與聯(lián)絡(luò)線功率等參數(shù)求解功率缺額，并發(fā)送調(diào)度指令至新能源，令其配合新能源對(duì)發(fā)電機(jī)組的出力控制[14]，共同實(shí)現(xiàn)調(diào)頻任務(wù)，實(shí)時(shí)修正有功功率頻率穩(wěn)定。出力控制偏差公式如下：

PACE=ΔPt+εΔf

(7)

式中，ΔPt為聯(lián)絡(luò)線實(shí)際有功功率和預(yù)先協(xié)議值的差，有功功率正方向?qū)儆谳敵龇较?；ε為頻率偏差系數(shù)。

新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。圖2中，總頻率偏差為Δfc，鄰近區(qū)域頻率偏差為Δfj，控制偏差量為E。新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的上、下調(diào)容量分別為Ph，up，K、Ph，down，K。

圖2 新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻流程Fig.2 Frequency modulation flow chart of new energy participation in power system

調(diào)頻時(shí)會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)潮流分布出現(xiàn)較大波動(dòng)，降低系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[15]，令Ph，up，K與Ph，down，K低于新能源額定容量GK×δ，可確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，閾值是δ。

新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的總上、下調(diào)容量PG，up，K、PG，down，K：

(8)

不同新能源單元參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的上、下調(diào)容量Pup，m、Pdown，m：

(9)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以某市接入新能源的電力系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻，使用MATLAB仿真軟件仿真該電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻情況。

2.1 調(diào)頻效果測(cè)試

設(shè)置該新能源接入電力系統(tǒng)的頻率偏差數(shù)值上下不超過(guò)0.2 Hz，頻率上限為1.4 Hz，下限為0.4 Hz，使用本文方法對(duì)其頻率進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果如圖3所示，圖3中虛線為頻率上下限。

圖3 調(diào)頻效果測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of FM effect

分析圖3可知，新能源接入電力系統(tǒng)的頻率在未使用本文方法對(duì)其進(jìn)行調(diào)頻時(shí)，其頻率數(shù)值隨著時(shí)間的增加高于所設(shè)上限數(shù)值并低于下限，其中上限最大差值出現(xiàn)在時(shí)間為58 s左右，超出數(shù)值約為1.63 Hz，下限超出最大數(shù)值出現(xiàn)在時(shí)間為42 s左右，超出數(shù)值為0.25 Hz左右。圖3(b)內(nèi)經(jīng)過(guò)本文方法對(duì)該新能源接入電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻后，該電網(wǎng)的頻率數(shù)值明顯降低，雖存在超出所設(shè)上限和下限情況，但超出數(shù)值均未高于頻率偏差數(shù)值。上述結(jié)果表明：本文方法可有效調(diào)整新能源接入電力系統(tǒng)的頻率，且調(diào)整效果較好。

測(cè)試本文方法對(duì)該新能源接入電力系統(tǒng)的有功功率調(diào)節(jié)效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 有功功率調(diào)節(jié)結(jié)果Fig.4 Active power regulation results

分析圖4可知，在未經(jīng)過(guò)本文方法調(diào)節(jié)前的電力系統(tǒng)有功功率數(shù)值波動(dòng)較大。其中，最高數(shù)值和最低數(shù)值分別為1 000 W左右和-1 000 W左右，且有功功率的初始值約為280 W，經(jīng)過(guò)本文方法對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，有功功率數(shù)值降低明顯，初始有功功率數(shù)值接近0 W，而有功功率最高數(shù)值和最低數(shù)值分別為350 W左右和-350 W左右。上述結(jié)果表明，使用本文方法對(duì)該電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，其有功功率數(shù)值下降明顯。

2.2 調(diào)峰效果測(cè)試

以電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)率作為衡量調(diào)峰效果指標(biāo)，測(cè)試本文方法調(diào)峰效果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)率Fig.5 Power grid load fluctuation rate

分析圖5可知，本文方法對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰處理前，該電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)率數(shù)值較大，最高值出現(xiàn)在14：00左右，電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)率數(shù)值接近4.0。而經(jīng)過(guò)本文方法對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰處理后，該電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)率曲線雖然與調(diào)峰前波動(dòng)情況相同，但波動(dòng)率數(shù)值呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)，此時(shí)波動(dòng)率最高值依然在14：00左右，但波動(dòng)率數(shù)值較為調(diào)峰前低2.73個(gè)百分點(diǎn)。上述結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)本文方法調(diào)峰后，該電力系統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)率下降較為明顯，電力系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。

為更充分呈現(xiàn)本文方法的有效性，設(shè)置備用電容不同時(shí)，從調(diào)峰充裕度角度對(duì)本文方法進(jìn)行測(cè)試，通常調(diào)峰充裕度在0.1%以上可確保電力系統(tǒng)在新能源接入時(shí)的穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 調(diào)峰充裕度Tab.1 Peak adjustment abundance

分析表1可知，調(diào)峰充裕度與新能源接入電力系統(tǒng)的備用容量呈反比例關(guān)系。其中，該方法在電力系統(tǒng)備用容量不同時(shí)的調(diào)峰充裕度均較高，且該方法的調(diào)峰充裕度隨著備用容量的增加下降幅度較小，當(dāng)備用容量為200 MW時(shí)，該方法調(diào)峰下的充裕度始終高于0.1%，可確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。上述結(jié)果表明，本文方法具備較好的調(diào)峰能力。

3 結(jié)論

本文研究新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的仿真方法，并以某市接入新能源的電力系統(tǒng)為研究對(duì)象，使用本文方法對(duì)其進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻。通過(guò)仿真軟件模擬調(diào)峰調(diào)頻情況，仿真結(jié)果表明，本文方法應(yīng)用后該電力系統(tǒng)的頻率數(shù)值和有功功率數(shù)值均呈現(xiàn)降低態(tài)勢(shì)，電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)率數(shù)值下降明顯，電力系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，且調(diào)峰充裕度數(shù)值較高，具備較優(yōu)秀的調(diào)峰能力。