呂 盼，樊國(guó)旗，李小騰，樊國(guó)偉，瞿迪慶，徐晨龍，施振威，陳 聰，黃東航

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321001；3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710010）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)下，高比例風(fēng)電可以促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和能源清潔低碳轉(zhuǎn)型[1-3]，但是由于風(fēng)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性對(duì)電力系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，會(huì)因風(fēng)電功率波動(dòng)越限造成懲罰，和因風(fēng)電隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電和負(fù)荷不同步造成的系統(tǒng)爬坡靈活性不足[4-5]。

針對(duì)此類問題，文獻(xiàn)[6]采用改變快速分類的非支配序遺傳算法提高電解槽和超級(jí)電池能量分配的計(jì)算效率;文獻(xiàn)[7]通過窮舉法確定功率指令最佳分解點(diǎn)，降低儲(chǔ)能配置成本；文獻(xiàn)[8]結(jié)合儲(chǔ)能特點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)能出力進(jìn)行二次分配，增加儲(chǔ)能電池使用壽命；文獻(xiàn)[9]提出風(fēng)電調(diào)峰評(píng)估模型，衡量并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)不同調(diào)峰特性需要承擔(dān)的調(diào)峰成本；文獻(xiàn)[10]指出風(fēng)電和負(fù)荷不同步變化，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰所需的爬坡能力不足；文獻(xiàn)[11]利用隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，考慮爬坡能力特性，計(jì)算風(fēng)電接入容量；文獻(xiàn)[12]提出以爬坡等靈活性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)演繹未來西北電網(wǎng)發(fā)展。上述文獻(xiàn)，并沒有綜合考慮風(fēng)電波動(dòng)性和隨機(jī)性帶來的越限懲罰和靈活性不足問題，在爬坡靈活性評(píng)估方面僅通過火電機(jī)組衡量系統(tǒng)爬坡等靈活性資源，未考慮通過源荷互動(dòng)，降低風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)靈活性不足的影響。

因此，本文提出一種風(fēng)電波動(dòng)性及對(duì)系統(tǒng)靈活性不足的源荷互動(dòng)策略，針對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)越限問題，通過蓄電池和超級(jí)電容平抑，針對(duì)風(fēng)電負(fù)荷不同步導(dǎo)致的靈活性不足問題，通過對(duì)風(fēng)電荷負(fù)荷狀態(tài)的劃分和不同狀態(tài)調(diào)用不同資源提高負(fù)荷和風(fēng)電的同步性，通過某地區(qū)實(shí)際算例，驗(yàn)證本文策略的可行性。

1 風(fēng)電功率波動(dòng)影響及控制策略

1.1 風(fēng)電功率波動(dòng)影響

某新能源基地按照文獻(xiàn)[4]標(biāo)準(zhǔn)，1 min時(shí)間尺度下風(fēng)電功率波動(dòng)臨界值為51.87 MW（裝機(jī)容量的3%）。某日風(fēng)電功率波動(dòng)和風(fēng)電功率如圖1所示，其中深色為風(fēng)電功率波動(dòng)，淺色為風(fēng)電功率。

圖1 風(fēng)電功率波動(dòng)和風(fēng)電功率

風(fēng)電功率波動(dòng)通過風(fēng)電功率越限次數(shù)和風(fēng)電功率波動(dòng)分布概率衡量。

風(fēng)電功率波動(dòng)越限次數(shù)v如式（1）所示，風(fēng)電功率波動(dòng)越限判斷Ut如式（2）所示，風(fēng)電越限懲罰成本Cw,y如式（3）所示：

式中：dPw,t為風(fēng)電功率波動(dòng)變化值；cw,t為風(fēng)電單次越限懲罰成本。

風(fēng)電功率波動(dòng)分布概率σw如式（4）所示：

式中：Ng,w為風(fēng)電功率波動(dòng)總次數(shù)；Nw為風(fēng)電某功率波動(dòng)范圍的次數(shù)。

1.2 小波包分解方法風(fēng)電功率分解

將原序列按照小波分解方法，分解成不同頻率的功率序列，三層小波包分解示意圖如圖2所示。

圖2 三層小波包分解示意圖

小波包三層分解公式如式（5）所示：

式中：0S為原風(fēng)電功率序列；3,iS為分解后的第3層的第i個(gè)風(fēng)電功率序列。

將風(fēng)電功率序列按照小波包分解的方法，分解成低頻、中頻和高頻分量，通過蓄電池平抑中頻分量和超級(jí)電容平抑高頻分量后，與原低頻序列組成輸出序列，輸入序列功率如式（6）所示，其具體控制策略如圖3所示。

圖3 風(fēng)電功率控制策略

式中：w,,stP為儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電功率；w,tP為風(fēng)電功率；b,tP為蓄電池平抑功率；c,tP為超級(jí)電容平抑功率。

2 風(fēng)電靈活性影響及匹配策略

2.1 風(fēng)電靈活性影響

風(fēng)電存在隨機(jī)波動(dòng)性，當(dāng)風(fēng)電和負(fù)荷同時(shí)增大或減小時(shí)，風(fēng)電增加系統(tǒng)靈活性狀態(tài)，會(huì)減小系統(tǒng)的爬坡壓力；當(dāng)風(fēng)電和負(fù)荷不能同時(shí)增大或者減小時(shí)，風(fēng)電降低系統(tǒng)靈活性狀態(tài)，會(huì)增加系統(tǒng)的爬坡壓力；為衡量風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)靈活性的壓力，通過公式（7）計(jì)算系統(tǒng)靈活性壓力ò。

式中：l,dtP為負(fù)荷功率變化率。

風(fēng)電功率波動(dòng)分布概率fσ如式（8）所示：

式中：g,fN為靈活性不足總次數(shù)；fN為靈活性不足某范圍的次數(shù)。

2.2 風(fēng)電與負(fù)荷狀態(tài)劃分

當(dāng)風(fēng)電與負(fù)荷不能同時(shí)增大或減小時(shí)，風(fēng)電降低系統(tǒng)靈活性，增大系統(tǒng)爬坡壓力。為更精確劃分降低系統(tǒng)靈活性狀態(tài)關(guān)系，將其劃分為如圖4的8種狀態(tài)，其中深色為風(fēng)電，淺色為負(fù)荷。前4個(gè)狀態(tài)負(fù)荷增加風(fēng)電減小，后4個(gè)狀態(tài)負(fù)荷減少風(fēng)電增加；①代表負(fù)荷增大風(fēng)電減小，記為增中；②代表負(fù)荷增大風(fēng)電減大，記為增極大；③代表負(fù)荷增小風(fēng)電減小，記為增??；④代表負(fù)荷增小風(fēng)電減大，記為增大；⑤代表負(fù)荷減小風(fēng)電增大，記為減中；⑥代表負(fù)荷減小風(fēng)電增小，記為減小；⑦代表負(fù)荷減大風(fēng)電增極大，記為減大；⑧代表負(fù)荷減大風(fēng)電增小，記為減大。

圖4 風(fēng)電與負(fù)荷狀態(tài)劃分

2.3 風(fēng)電與負(fù)荷匹配策略

人體適宜溫度范圍為+20 ℃~+24 ℃，因此可以根據(jù)風(fēng)電和負(fù)荷的關(guān)系改變室內(nèi)溫度。電解鋁負(fù)荷電壓可以在0.9 p.u~1.1 p.u.工作，因此可以改變電解鋁負(fù)荷兩端電壓，改變電解鋁負(fù)荷功率。當(dāng)增小時(shí)，影響較小不處理；當(dāng)增中時(shí)，熱負(fù)荷增大；當(dāng)增大和增極大時(shí)，電解鋁負(fù)荷增大。當(dāng)減小時(shí)，影響較小不處理；當(dāng)減中時(shí)，熱負(fù)荷減??；當(dāng)減大和減極大時(shí)，電解鋁負(fù)荷減小。匹配策略如圖5所示。

圖5 不同狀態(tài)匹配策略

調(diào)用總成本C如式（9）所示：

式中：r()C t為調(diào)用熱負(fù)荷成本；d,l()C t為調(diào)用電解鋁負(fù)荷成本；d,l,tP為調(diào)用電解鋁負(fù)荷功率；rc為調(diào)用熱負(fù)荷單位成本；d,lc為調(diào)用電解鋁負(fù)荷單位成本。

約束條件包括熱負(fù)荷功率調(diào)用約束如式（12），電解鋁負(fù)荷調(diào)用功率約束如式（13）。

式中：Pr,max為熱負(fù)荷最大調(diào)用功率；Pd,1,max為電解鋁負(fù)荷最大調(diào)用功率。

3 算例分析

某地區(qū)電解鋁負(fù)荷200 MW，通過電壓調(diào)節(jié)電解鋁負(fù)荷最大可達(dá)242 MW，最小可達(dá)162 MW。風(fēng)電功率波動(dòng)單次越限懲罰成本為175元/次，電解鋁負(fù)荷調(diào)用成本為200元/MWh,熱負(fù)荷調(diào)用成本為150元/MWh。

3.1 風(fēng)電波動(dòng)評(píng)估

將該日原始風(fēng)電功率序列按照3層小波包分解的方法，得到如圖5所示的8個(gè)風(fēng)電功率序列。

圖6 小波分解功率序列

第二序列和第三序列分配給蓄電池，第四至第七序列分配給超級(jí)電容。

不同功率配置的蓄電池和超級(jí)電容情況下，越限次數(shù)如圖7所示。

圖7 不同功率配置的蓄電池和超級(jí)電容的越限次數(shù)對(duì)比

由圖7可知，蓄電池配置為40 MW、超級(jí)電容配置為60 MW時(shí)為最佳容量，儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電越限次數(shù)為18次，原始風(fēng)電越限次數(shù)179次，繼續(xù)增大配置容量對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)越限次數(shù)減少不明顯。儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電功率波動(dòng)相對(duì)原始風(fēng)電功率波動(dòng)減少89.7%，限懲罰成本為3 150元，相比原越限懲罰成本31 325元減少21 875元。

原始風(fēng)電功率波動(dòng)和儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電波動(dòng)及其概率分布分別如圖8和圖9所示。

圖8 原始風(fēng)電功率波動(dòng)和儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電波動(dòng)

圖9 原始風(fēng)電功率波動(dòng)和儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電波動(dòng)概率分布

由圖8可知，配置儲(chǔ)能后能夠有效平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。由圖9可知，原始風(fēng)電功率波動(dòng)分布在-10 MW~10 MW范圍內(nèi)為34.9%，儲(chǔ)能平抑后風(fēng)電功率波動(dòng)分布在-10 MW~10 MW范圍內(nèi)為78.3%，降低了43.4個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 風(fēng)電調(diào)峰評(píng)估

某日負(fù)荷功率如圖10所示，選取其中4個(gè)風(fēng)電和負(fù)荷狀態(tài)；狀態(tài)1：25~49時(shí)段，風(fēng)電增大負(fù)荷減小，記為增大；狀態(tài)2：73~97時(shí)段，風(fēng)電減小負(fù)荷增大，記為增大；狀態(tài)3：129~145時(shí)段，風(fēng)電增大負(fù)荷減大，記為減極大；狀態(tài)4：258~267時(shí)段，風(fēng)電增小負(fù)荷減小，記為增小。

圖10 負(fù)荷功率和部分風(fēng)電與負(fù)荷狀態(tài)劃分

原始靈活性壓力和源荷互動(dòng)后靈活性壓力及其概率分布分別如圖11和圖12所示。

圖11 原始靈活性壓力和源荷互動(dòng)后靈活性壓力

圖12 原始靈活性壓力和源荷互動(dòng)后靈活性壓力概率分布

由圖11計(jì)算可知靈活性壓力為1 025.6 MWh，源荷互動(dòng)平衡后靈活性壓力為248.7 MWh，降低靈活性壓力75.8%；源荷互動(dòng)后87.5%的靈活性壓力小于20 MW，相比源荷互動(dòng)前59.8%的靈活性壓力小于20 MW，提升了27.7個(gè)百分點(diǎn)。熱負(fù)荷調(diào)用量為322.6 MWh，電解鋁負(fù)荷調(diào)用量為251.9 MWh，總調(diào)用成本為9.887萬元。

5 結(jié)論

本文提出一種風(fēng)電波動(dòng)性及對(duì)系統(tǒng)靈活性不足的源荷互動(dòng)策略，解決風(fēng)電功率波動(dòng)越限和系統(tǒng)靈活性不足問題，實(shí)際算例表明，本文策略具有良好的平抑效果，并得到如下結(jié)論：

1）通過蓄電池和超級(jí)電容組合充放電可以有效減少風(fēng)電功率波動(dòng)越限懲罰成本，且可以降低風(fēng)電功率波動(dòng)范圍；并計(jì)算出配置蓄電池和超級(jí)電容最佳容量為40 MW和60 MW。

2）通過對(duì)風(fēng)電和負(fù)荷的狀態(tài)劃分，并根據(jù)不同的狀態(tài)調(diào)用不同的資源，可以有效降低系統(tǒng)靈活性壓力。