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        可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法研究

        2024-12-31 00:00:00王書君
        資源節(jié)約與環(huán)保 2024年7期
        關鍵詞:可再生能源優(yōu)化方法

        摘要: 傳統(tǒng)可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法雖然直接對協(xié)調函數的平衡約束條件進行了設計,但未對可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數進行計算,導致傳統(tǒng)方法優(yōu)化效果較差。研究提出可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法,建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數,設計協(xié)調函數的平衡約束條件,確保電力系統(tǒng)在面臨突發(fā)情況或需求波動時,也能夠穩(wěn)定地運行,同時構建可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化模型,從而實現可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化。實驗結果表明,該研究方法優(yōu)化效果更好,也更具有實際的應用價值。

        關鍵詞:可再生能源;電力系統(tǒng)調峰;優(yōu)化方法

        引言

        隨著全球能源結構的轉型與可持續(xù)發(fā)展目標的推進,可再生能源已成為電力系統(tǒng)中不可或缺的部分。由于可再生能源(太陽能、風能等)具有清潔、環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)勢,因此在電力負荷高峰時段,如何有效調峰確保可再生能源電力系統(tǒng)的供需平衡,已成為當前能源領域研究的熱點之一。

        當前,我國電力系統(tǒng)調峰主要依賴傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電,不僅增加了碳排放,也加劇了能源資源的緊張局面[1]。因此,研究可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法,對提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、促進可再生能源的消納、實現能源結構的優(yōu)化升級具有重要意義。

        在研究現狀方面,國內外學者已經開展了一系列相關研究。在理論層面,通過數學建模、仿真分析等方法,對可再生能源電力系統(tǒng)的調峰特性進行深入研究[2]。在應用層面,探索儲能技術、需求側管理等多種調峰手段的應用潛力[3]。然而,現有研究多集中在單一調峰手段的研究與應用上,缺乏對多種調峰手段的綜合優(yōu)化與協(xié)同調度研究[4],并且不同地區(qū)、不同能源結構的電力系統(tǒng)調峰需求與策略也存在較大差異,因此仍需深入研究針對性的具體地區(qū)、具體能源結構的可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法。

        本文旨在探討可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法,通過對國內外研究現狀的梳理與分析,結合具體地區(qū)的能源結構與電力負荷特性,提出一種綜合考慮多種調峰手段的綜合優(yōu)化模型,并針對該模型展開進一步的應用與分析,以期為可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與可持續(xù)發(fā)展提供理論支持與實踐指導。

        1建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數

        根據發(fā)電廠所需的能源類型,建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數,實現深度調整與備用容量成本的最優(yōu)協(xié)調。由于建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數是一個復雜的過程,涉及到可再生能源的發(fā)電量、電力系統(tǒng)的需求、儲能系統(tǒng)的容量、電網的傳輸能力等多個因素,因此需先構建一個如式(1)所示的成本最小化的目標函數。

        式中 Q—通過優(yōu)化函數將篩選的總成本降至最小值;qi,t—在時間段t內可再生能源電力系統(tǒng)的運營能力;wi,t—初始停機的成本;ei,t—深度調度的成本;ri,t—備用設備的成本;T—總的最大削峰時間。

        電網的傳輸能力決定了可再生能源電力能否有效地輸送到需求地區(qū)。同時,電網的穩(wěn)定性也是保障可再生能源電力系統(tǒng)連續(xù)運行的關鍵。在時間段t內可再生能源電力系統(tǒng)的運營能力qi,t計算如式(2)所示。

        式中 a、b和c—參數(主要由特定的操作階段定義);P—機組在最大調整期內的運行容量。

        啟動成本包括從停機狀態(tài)到正常運行狀態(tài)所需的一系列操作費用,如設備預熱、初始電力消耗等。暫停成本則涉及在機組運行過程中,將其暫停或降至低負荷狀態(tài)所引發(fā)的相關費用。這些成本可能包括保持機組在低負荷狀態(tài)的能源消耗、因暫停而減少的發(fā)電量導致的經濟損失,以及可能因頻繁啟停而對設備造成的額外磨損和維修費用。啟動和暫停成本的計算如式(3)所示。

        式中 d和d1—控制機器啟動和停止的變量(當機器啟動時,d =1;當機器未啟動時,d =0。d1的取值范圍是0~1,d1=0表示機器沒有被暫停,因此不計算暫停成本;d1=1表示機器成功啟動并隨后被暫停,因此應該計算暫停成本[5]);s— 1次啟動和停止的成本(該成本在機器實際啟動或停止時計算,而不是在開始時預先計算)。

        計算深度最大調整成本如式(4)所示。

        式中" "u—1個參數,頻率是該容量范圍以外的單位(u值為0時,表示v與u1的深度調整不需要額外的成本。u對應于標稱容量范圍在30%~50%之間的深度調整所需的額外成本。參數值規(guī)則與u相對應)。

        在可再生能源電力系統(tǒng)的運營過程中,優(yōu)化協(xié)調函數可以幫助決策者制定更加合理和高效的運行策略,并通過協(xié)調不同能源之間的配合,優(yōu)化能源的分配和使用,從而降低系統(tǒng)的總成本。可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數計算如式(5)所示。

        式中" "R—包含備用設備的總運行容量(備用裝置的成本參數值與運行成本參數值相對應)。

        建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調函數,通過綜合考慮可再生能源的發(fā)電量、電力系統(tǒng)的需求、儲能系統(tǒng)的容量、電網的傳輸能力等因素,實現系統(tǒng)內部各組件之間的優(yōu)化配合,降低啟動和暫停成本,減少深度調整成本,并充分利用備用設備的容量,從而提高整個系統(tǒng)的經濟效益和運行效率。

        2設計協(xié)調函數的平衡約束條件

        由于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,需要基于發(fā)電負載的平衡來計算電力的約束需求,因此需根據電力系統(tǒng)的實時負載情況及可再生能源發(fā)電的預測值,來預測和計算電力需求的最大值[6],同時根據對調節(jié)功能的約束請求來建立相應的限制條件,以確保電力系統(tǒng)在面臨突發(fā)情況或需求波動時能夠穩(wěn)定地運行。

        以風力電力系統(tǒng)為例,為確保風能生產的穩(wěn)定和安全,首先,應建立風能生產的緊急條件,計算2種例外情況(突發(fā)情況或異常狀況),包括利用系統(tǒng)獲得限制,以應對風能生產的突發(fā)情況或異常狀況;其次,預壓力與風力變化之間存在反向線性關系,意味著隨著預壓力的增加,風力變化會相應減少,這一特性在設計和優(yōu)化風能發(fā)電系統(tǒng)時需要考慮;最后,在確定系統(tǒng)限值時,必須計算輸出的上下限,有助于了解系統(tǒng)的最大和最小輸出能力,從而確保系統(tǒng)在任何情況下都能穩(wěn)定運行。在確定限值時,可按式(6)計算輸出的上下限。

        式中" "Pi,t—預測的風力極限值(Pi,t是一個關鍵參數,界定風力發(fā)電系統(tǒng)在每個時間段t內能夠安全、有效地處理的最大風力強度)。

        預測的風力極限值可根據氣象數據、系統(tǒng)設計參數及運營經驗綜合得出,目的是確保風力發(fā)電系統(tǒng)在任何情況下都能穩(wěn)定、安全地運行,同時避免超出系統(tǒng)的容量極限,從而防止可能的設備損壞或性能下降。通過準確預測和控制這一極限值,可最大化風力發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性,實現可再生能源的高效利用。

        通過對限制狀態(tài)的分析,使用IEEE計算軟件來確定風力電力系統(tǒng)機組的裝機功率應為3000MW。根據機組當前的運行狀況,發(fā)現風力電力系統(tǒng)的最大電量低于機組功率2800MW,風電的傳輸效率在30%~35%之間,而風電系統(tǒng)的容量則低于800MW。因此,在優(yōu)化過程中,需確保計算的準確性,特別是當處理極限情況時。

        3構建可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化模型

        為了構建可再生能源電力系統(tǒng)的調峰優(yōu)化模型,需要根據系統(tǒng)的負載狀態(tài)和風力情況,精確控制蓄電池存儲系統(tǒng)的負載狀態(tài)及電力水平。為了降低系統(tǒng)的運行成本,必須合理分配能源生產單元的負擔。在此過程中,將周期設定為24h,并選擇1h作為確定目標函數的時間間隔。這樣設置,能確保模型實時響應系統(tǒng)的變化,實現最優(yōu)的調峰效果。根據式(7)將日負荷曲線的標準偏差減至最小。

        式中" "F1—日負荷曲線的標準差;—t時刻的系統(tǒng)負荷(系統(tǒng)的平均負荷);—t時刻的風能預測值;—t時刻電池儲能和系統(tǒng)變化能量;—t時刻除風能外的其他能源供應;k—t時刻蓄電池的儲能狀態(tài)。

        通過這些參數,可以構建可再生能源電力系統(tǒng)的調峰優(yōu)化模型,以更精確地預測和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài),可按照式(8)將優(yōu)化降至最低。

        式中" " —發(fā)電機組的優(yōu)化;CtW —風能發(fā)電的優(yōu)化;CtE—電池存儲的優(yōu)化。

        這些成本因素,在構建可再生能源電力系統(tǒng)的調峰優(yōu)化模型中起著至關重要的作用,如式(9)所示直接影響到系統(tǒng)的經濟性和可行性。

        式中" "—t時刻發(fā)電機組的容量;b和ci—發(fā)電機燃料單元的成本;Si—啟動和關閉發(fā)電機組的成本。

        按照相關規(guī)定,在火力發(fā)電站的最大篩選期間內,除了進行必要的調節(jié)單元開啟和關閉操作外,不得在任何其他時間開啟或關閉發(fā)電機組。在式(10)的計算中,這部分成本將被忽略。

        式中" "l—成本因子;h—放電的成本因子;—第t次放電的容量;—第t時刻的放電容量。

        由于目標是找到能量單位生產附近點的最小平方差異,因而構建如式(11)所示的可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化模型。

        式中" "λ1、λ2—權重系數, λ1 +λ2=1。

        4實驗論證

        為了驗證所設計的可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法解決傳統(tǒng)調峰協(xié)調方法產生的問題,將該方式應用于實際案例中,并與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的調峰效益結果進行對比,實驗如下。

        4.1實驗準備

        實驗選用A地區(qū)的S電站為對象,在7d內其調峰日負荷平均記錄如圖1所示。

        4.2對比實驗

        收集歷史氣象數據(風速、光照強度等),以模擬可再生能源的發(fā)電情況;收集歷史負荷數據和電價數據,以模擬電力系統(tǒng)的需求側情況。使用電力系統(tǒng)仿真軟件(PSS/E、ETAP等)來搭建和模擬電力系統(tǒng);使用編程語言(Python、MATLAB等)來編寫和優(yōu)化調峰算法。設定傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的參數及初始條件,在同一時間段內,分別使用傳統(tǒng)方法和對比方法模擬電力系統(tǒng)的運行,并分別對3種方法的經濟效益進行記錄。實驗結果如表1所示。

        根據表1,可以完成對測試結果的分析與研究,得出“對比方法經濟效益最高”的結論,并且與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2相比,電力系統(tǒng)運行費用最低,表明對比方法優(yōu)化效果更好,更具有實際的應用價值。

        結語

        隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的比重日益增加,如何有效地進行調峰以應對其固有的間歇性和不確定性,成為電力領域亟需解決的關鍵問題。上文圍繞“可再生能源電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化方法研究”進行了系統(tǒng)的梳理和分析,旨在提出一套適應具體地區(qū)、具體能源結構的綜合優(yōu)化模型,為可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和實踐指導。

        參考文獻

        [1]周俊宇,邱桂華,陸家比.光伏接入配電網調峰優(yōu)化調度控制方法研究[J].電子設計工程,2023,31(24):122-126.

        [2]黃馗,程瑞翔,胡甲秋,等.考慮電站調峰性能差異的短期精細化調度方法[J].人民珠江,2024,45(01):139-145.

        [3]李泓澤,潘嘉琪,李栩萌.三改聯(lián)動背景下煤電機組經濟效益評估模型[J].電力科學與工程,2023,39(11):53-62.

        [4]楊冬鋒,劉厚偉,孫勇,等.考慮綠證交易機制與碳捕集電廠深度調峰補償的多主體聯(lián)合調峰優(yōu)化調度[J].電網技術,2024,48(01):100-112.

        [5]黃文浩,林杰勝,謝國棟,等.梯級水電站跨省區(qū)多電網調峰優(yōu)化調度方法[J].水力發(fā)電,2023,49(12):89-93.

        [6]周鑫,程松,任景,等.含儲熱型熱電聯(lián)產機組的電力系統(tǒng)源荷聯(lián)合優(yōu)化調峰方法[J].電力科學與技術學報,2023,38(05):12-21.

        作者簡介

        王書君(1986—),男,漢族,內蒙古赤峰人,工程師,工學學士,研究方向為電力生產運行、新能源與煤化工耦合、電氣節(jié)能。

        加工編輯:馮為為

        收稿日期:2024-04-19

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