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        新能源發(fā)電高壓配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的算法研究

        2024-12-04 00:00:00陳國寧
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年11期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化方法

        摘 要:本文針對跨區(qū)電能交易提出一種基于直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本的優(yōu)化方法,旨在改進(jìn)跨區(qū)直流計(jì)劃和日前發(fā)電計(jì)劃,并以中國東北某省級電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析。研究結(jié)果表明,該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和供需平衡,降低風(fēng)險(xiǎn)和成本,有助于維持整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

        關(guān)鍵詞:跨區(qū)電能交易;直流計(jì)劃調(diào)整;優(yōu)化方法

        中圖分類號:TM 73" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        隨著我國能源轉(zhuǎn)型加速,新能源發(fā)展迎來了歷史性機(jī)遇。新能源具有清潔、低碳和可再生等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐[1]。作為一種清潔能源,利用新能源發(fā)電逐漸成為我國能源體系的重要組成部分,然而新能源卻具有分布不均、波動性強(qiáng)以及不確定性大等特點(diǎn),導(dǎo)致新能源供需不平衡,因此需要通過跨區(qū)電能交易,將新能源從富集地區(qū)輸送到需求地區(qū),實(shí)現(xiàn)新能源利用的最大化[2]??鐓^(qū)電能交易是指在不同電網(wǎng)間進(jìn)行的電力市場交易,可以提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和靈活性,促進(jìn)新能源的消納和發(fā)展[3]。然而,跨區(qū)電能交易也存在電力輸送的不確定性、電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜性以及市場機(jī)制的不完善性等風(fēng)險(xiǎn),需要進(jìn)行深入研究[4]。

        因此,針對新能源發(fā)電高壓配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)問題,進(jìn)行科學(xué)、合理且有效的風(fēng)險(xiǎn)評估是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。本文以中國東北某省級電網(wǎng)為例,針對跨區(qū)直流輸電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,建立了一種基于直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本的優(yōu)化方法,可以解決直流輸電計(jì)劃的優(yōu)化調(diào)整問題。

        1 直流聯(lián)絡(luò)優(yōu)化模型建立

        跨區(qū)電能交易的實(shí)施需要考慮不同地區(qū)的電網(wǎng)特性、電力市場規(guī)則和輸電線路容量等因素,給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化跨區(qū)電能交易效果,需要對跨區(qū)直流計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整,其變化如公式(1)所示。

        p(d,t)=p0(d,t)+?p+(d,t)-?p-(d,t) (1)

        式中:p(d,t)為t時(shí)段的預(yù)定輸送功率;p0(d,t)為優(yōu)化調(diào)整后t時(shí)段的預(yù)定輸送功率;?p+(d,t)和?p-(d,t)分別為t時(shí)段增加或者減少的輸送功率。

        引入直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本因子λ和虛擬調(diào)整成本函數(shù)?C(d,t),精準(zhǔn)、高效地對直流計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整(如圖1所示)。

        根據(jù)圖1計(jì)算直流計(jì)劃虛擬調(diào)整成本函數(shù),分別如公式(2)、公式(3)所示。

        (2)

        (3)

        式中:λ(d,s)為虛擬調(diào)整因子;?CD(d,t)為虛擬調(diào)整成本函數(shù);p(d,s,t)為線路在t時(shí)段s段范圍內(nèi)的預(yù)定輸送功率;?p+(d,t)和?p-(d,t)分別為t時(shí)段增加或減少的輸送功率。

        假設(shè)對某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)直流電輸出電力的調(diào)整量為Y,如公式(4)所示。

        1≥Y(d,t)=Y +(d,t)+Y -(d,t) (4)

        式中:Y +(d,t)為輸出電力優(yōu)化正增量;Y -(d,t)為輸出電力優(yōu)化負(fù)增量。

        根據(jù)同一時(shí)間段內(nèi)的直流計(jì)劃不允許進(jìn)行反方向調(diào)整,則有公式(5)。

        (5)

        MAHER M J[5]指出輸出電力優(yōu)化正增量和輸出電力優(yōu)化負(fù)增量可在單位時(shí)間內(nèi)電能轉(zhuǎn)換成熱量的速率的變化大小的基礎(chǔ)上添加0、1二元變量T(d,t)來限制進(jìn)行表述,如公式(6)、公式(7)所示。

        D(d,t)-D(d,t-1)≤A1T1(d,t) (6)

        D(d,t-1)-D(d,t)≤A1T2(d,t) (7)

        式中:A1、A2為使等式滿足條件的固定數(shù)值;T(d,t)為二元變量函數(shù);D(d,t)為直流功率。

        連接2個(gè)不同時(shí)間段的直流線路,其計(jì)劃變化頻率的限制應(yīng)該是與直流線路自身的運(yùn)行方式限制相匹配的,如公式(8)、公式(9)所示。

        P(d,t)-P(d,t-1)≤BU+(d,t)C(t) (8)

        P(d,t-1)-P(d,t)≤BU-(d,t)C(t) (9)

        式中:BU為直流計(jì)劃最大或最小變化速率;C(t)為研究段時(shí)長。

        為了保證直流計(jì)劃優(yōu)化平穩(wěn)進(jìn)行,在最小間隔時(shí)間內(nèi),直流計(jì)劃不進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,如公式(10)所示。

        (10)

        式中:NT為最小間隔時(shí)間內(nèi)的研究時(shí)段數(shù)量;E(d,t)為最小間隔時(shí)段內(nèi)優(yōu)化函數(shù)。

        同樣根據(jù)MAHER M J研究,BU可用0、1布爾變量E(d,t)來表述在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)是否進(jìn)行優(yōu)化,可得公式(11)~公式(13)。

        Y(d,t+1)-M(d,t)≤E+(d,t) (11)

        Y(d,t)-M(d,t)≤E-(d,t) (12)

        Y(d,t)-Y(d,t+1)≤1M(d,t) (13)

        式中:M(d,t)為引入的變量函數(shù)。

        為保證不同地區(qū)電力市場交易正常履行,優(yōu)化期間內(nèi)直流電的總輸出量必須符合市場交易合同規(guī)定的范圍,則有公式(14)。

        (14)

        式中:Q(d)為直流計(jì)劃優(yōu)化期間最大或最小交易電量;C(t)為研究段時(shí)長。

        在考慮了直流輸電過程中的損失(包括變壓器和線路損失)后,需要在接收端電網(wǎng)安全承受的上限和下限范圍內(nèi)對直流輸送功率進(jìn)行計(jì)算,如公式(15)所示。

        pe-(d,t))≤D(d,t))(1-I(t))≤pe+(d,t)) (15)

        式中:pe(d,t)為接受端電網(wǎng)能夠接受的最大或者最小電力;I(t)為t時(shí)段內(nèi)變壓器和線路損失的損失函數(shù)。

        由于2個(gè)跨區(qū)端口的電網(wǎng)相互依存,它們之間的電力傳輸需要遵循各自電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)范和安全要求。同時(shí)考慮這些限制條件可以保證調(diào)整后的直流計(jì)劃既滿足供電端的要求,又不會對接收端的電網(wǎng)造成過載或不穩(wěn)定的影響。

        本文在上述限制的基礎(chǔ)上,根據(jù)跨區(qū)電網(wǎng)的電力傳輸?shù)奶攸c(diǎn),設(shè)計(jì)了2種不同的優(yōu)化方法,用于改進(jìn)編制供電端電網(wǎng)的跨區(qū)直流計(jì)劃和日前發(fā)電計(jì)劃,如圖2所示。

        根據(jù)圖2所示,本文提出的雙階段優(yōu)化方法基于新能源功能預(yù)測、安全約束、電力符合以及機(jī)組約束、直流計(jì)劃調(diào)整約束等其他約束,對日前發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)考慮了多種影響因素,并分析了受電端口在安全條件下對直流電的最小接受能力曲線。如果受端電網(wǎng)直流電最低接納能力為所有時(shí)段直流電輸入的最小電量minF,如公式(16)所示。

        (16)

        同理最大電量maxF如公式(17)所示。

        (17)

        受端電網(wǎng)輸入和輸出電量達(dá)到穩(wěn)定時(shí),如公式(18)所示。

        (18)

        式中:L(t)為輸入端電網(wǎng)在t時(shí)刻接收的凈功率。

        根據(jù)SCUC算法可得可再生能源產(chǎn)能源極限產(chǎn)值,如公式(19)所示。

        (19)

        式中:C為發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)期間消耗的能源;Cst為發(fā)電機(jī)運(yùn)行或者停止所需要的成本;ΔCW為風(fēng)力或太陽能等資源的變化造成電力過剩時(shí)的遺棄成本;W為可再生能源發(fā)電機(jī)的總數(shù)。

        直流計(jì)劃優(yōu)化虛擬費(fèi)用和發(fā)電費(fèi)用間的關(guān)系如公式(20)所示。

        C(i,t)lt;?CD(d,t)lt;?CW(w,t) (20)

        2 算例分析

        本文以中國東北某省級電網(wǎng)為例進(jìn)行分析,綜合考慮受端電網(wǎng)安全等約束條件后的受端電網(wǎng)的直流安全接納范圍如圖3所示。根據(jù)圖3可知,受端電網(wǎng)全天可吸納的直流輸送功率高達(dá)4000MW,足以滿足大部分電力需求,但白天高峰時(shí)段的電力需求旺盛,需要至少3000MW的直流注入才能滿足負(fù)荷需求。凌晨時(shí)段,系統(tǒng)具備充分的調(diào)節(jié)余地,直流注入功率的變化不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)平衡,系統(tǒng)有足夠的空間進(jìn)行調(diào)節(jié),以保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于不考慮調(diào)峰,因此導(dǎo)致電網(wǎng)早晚備用不足,需要限制風(fēng)電出力。如果電網(wǎng)的備用容量不足,將無法滿足電力需求,可能會導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷。因此,為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要考慮調(diào)峰問題,增加電網(wǎng)的備用容量,以便在高峰期間滿足負(fù)荷需求。說明需要在電網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中充分考慮電力需求的變化和如何有效調(diào)節(jié)電力供應(yīng),以滿足這些需求。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對風(fēng)電出力的限制,避免電網(wǎng)早晚備用不足情況的發(fā)生。風(fēng)電是一種可再生能源,具有環(huán)保、清潔等優(yōu)點(diǎn),但其出力受風(fēng)速等自然條件的影響,存在一定的不穩(wěn)定性,需要對風(fēng)電出力進(jìn)行有效控制,以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述,電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要充分考慮和平衡各種因素,包括電力需求的變化、電源的穩(wěn)定性以及備用容量的充足程度等。

        本文采用日前發(fā)電計(jì)劃協(xié)調(diào)優(yōu)化方法對送端電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前、后的直流送出計(jì)劃如圖4所示。

        根據(jù)圖4可知,通過本文的優(yōu)化調(diào)整,送端電網(wǎng)日前計(jì)劃接受可再生能源發(fā)電量從302600MW·h增至308100MW·h。優(yōu)化后,系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提高,有利于更好地消納新能源,表明優(yōu)化方案可有效增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性和適應(yīng)能力,并有效整合和利用可再生能源。同時(shí),為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)的靈活性和適應(yīng)能力,可以考慮增加電網(wǎng)的備用容量,以便在高峰期間滿足負(fù)荷需求。

        3 結(jié)論

        為了滿足跨區(qū)域電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和供需平衡,降低風(fēng)險(xiǎn)和成本,本文以中國東北某省級電網(wǎng)為例進(jìn)行分析,針對跨區(qū)直流輸電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,得到以下4個(gè)結(jié)論。1)本文建立了跨區(qū)電能交易模型,并評估了跨區(qū)電能交易對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明,跨區(qū)電能交易可以有效平衡區(qū)域間的電力供需差異,提高新能源的消納水平,降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本,增加電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和靈活性。2)本文考慮了直流計(jì)劃調(diào)整對電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響,將直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本作為直流計(jì)劃優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),建立直流計(jì)劃調(diào)整優(yōu)化模型,求解了最優(yōu)直流計(jì)劃調(diào)整量,并通過案例驗(yàn)證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。3)本文考慮了直流計(jì)劃優(yōu)化的多種限制條件,包括直流換流器的運(yùn)行特性、直流計(jì)劃的變化頻率和幅度、直流計(jì)劃的交易約束、直流輸送功率的容量限制以及受端電網(wǎng)的接納能力等,保證了直流計(jì)劃優(yōu)化的可行性和安全性。4)本文設(shè)計(jì)了2種不同的優(yōu)化方法,分別為階段1和階段2,用于改進(jìn)編制供電端電網(wǎng)的跨區(qū)直流計(jì)劃和日前發(fā)電計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能發(fā)電和新能源消納的目標(biāo)。

        參考文獻(xiàn)

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