新能源電力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模式研究

張 峰 張建華

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

1 引言

近年來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題愈來(lái)愈成為世界各國(guó)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔新能源已成為應(yīng)對(duì)兩大挑戰(zhàn)的最積極、最有效的選擇。受能源、環(huán)境政策的影響，電力系統(tǒng)調(diào)度模式不斷演變。我國(guó)電力系統(tǒng)調(diào)度經(jīng)歷了傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度、計(jì)劃電量調(diào)度、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)調(diào)度、節(jié)能發(fā)電調(diào)度四個(gè)階段。傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度僅僅考慮以總煤耗最小或經(jīng)濟(jì)利益最大的單一目標(biāo)優(yōu)化。節(jié)能發(fā)電調(diào)度綜合考慮影響多因素間的耦合關(guān)系，對(duì)煤耗量、碳排放量、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益、系統(tǒng)有功損耗、無(wú)功損耗中的部分目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度從單一目標(biāo)最優(yōu)化逐漸過(guò)渡到多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。

為了實(shí)現(xiàn)能源資源的高效利用與節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)，保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔新能源發(fā)電的規(guī)?；瘧?yīng)用，新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式應(yīng)運(yùn)而生，得到了普遍關(guān)注，實(shí)質(zhì)上是計(jì)及運(yùn)行安全約束、互動(dòng)需求響應(yīng)和電力市場(chǎng)環(huán)境，優(yōu)先考慮清潔新能源發(fā)電，兼顧經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益協(xié)同發(fā)展的多目標(biāo)發(fā)電調(diào)度方式。

2 新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究現(xiàn)狀

2.1 理論熱點(diǎn)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度實(shí)質(zhì)上是在滿足電源可靠性和負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的條件下追尋經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的調(diào)度計(jì)劃。然而，間歇性新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)帶來(lái)持續(xù)性的隨機(jī)擾動(dòng)，發(fā)電功率預(yù)測(cè)的難度較負(fù)荷預(yù)測(cè)的要大很多。如何在傳統(tǒng)調(diào)度模式基礎(chǔ)上合理考慮發(fā)電功率的不確定性影響是新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究過(guò)程中需要關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，間歇性新能源并網(wǎng)容量比例較大時(shí)，僅依靠機(jī)組出力調(diào)整常常不能實(shí)現(xiàn)充分消納。為了給間歇性能源發(fā)電預(yù)留備用，常規(guī)燃煤機(jī)組不得不長(zhǎng)期較低效率運(yùn)行，造成能源資源間接浪費(fèi)，也不能充分發(fā)揮新能源發(fā)電的節(jié)能減排效益。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，需求響應(yīng)參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)越來(lái)越受到關(guān)注。需求側(cè)資源有序參與電網(wǎng)互動(dòng)運(yùn)行，協(xié)同消納波動(dòng)的新能源發(fā)電量，符合國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)。考慮需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的智能化互動(dòng)電網(wǎng)調(diào)度模式成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1］。

2.2 動(dòng)態(tài)建模

根據(jù)考慮因素的不同，電力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題通常分為計(jì)及多優(yōu)化目標(biāo)、計(jì)及不同約束條件的動(dòng)態(tài)建模與優(yōu)化求解問(wèn)題。優(yōu)化目標(biāo)大致包括常規(guī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電成本或燃料成本、電力市場(chǎng)中的購(gòu)電成本、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、環(huán)境成本等。約束條件通常包括運(yùn)行安全約束、備用約束、環(huán)境極限約束、風(fēng)險(xiǎn)約束等。在傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)上，考慮機(jī)組發(fā)電成本、能源環(huán)境成本，提出了燃煤發(fā)電機(jī)組環(huán)境補(bǔ)償成本，同時(shí)考慮風(fēng)電備用容量的補(bǔ)償成本，建立了電力市場(chǎng)環(huán)境中含風(fēng)電機(jī)組的環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型［2］。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了考慮多目標(biāo)安全約束機(jī)組組合模型，采用發(fā)電與碳排放權(quán)協(xié)同調(diào)度方式，尋求經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)(碳排放目標(biāo))的折中解［3］。然而，新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度更多地關(guān)注間歇性新能源并網(wǎng)帶來(lái)的不確定性問(wèn)題及其解決方案。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)考慮間歇性新能源發(fā)電功率不確定性的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題展開(kāi)了大量研究。針對(duì)間歇性新能源發(fā)電功率不確定性的處理方式不同，數(shù)學(xué)建模方法大致分為確定性建模、模糊建模及基于概率的建模。電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度不再是一個(gè)確定性的優(yōu)化問(wèn)題，而是含隨機(jī)變量的不確定規(guī)劃問(wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立了基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)學(xué)模型，以概率形式描述約束條件，較好地處理了優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題中風(fēng)電功率不確定性問(wèn)題［4］。

2.3 求解算法

根據(jù)間歇性能源發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型的特點(diǎn)，求解方法大致分為確定性與不確定性兩大類。建立模型過(guò)程中直接或間接考慮了新能源發(fā)電功率不確定性影響，主要求解方法分為傳統(tǒng)算法、直接搜索算法、粒子群算法、遺傳算法及其改進(jìn)方法。智能算法與傳統(tǒng)算法相比，全局搜索能力強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型適應(yīng)性強(qiáng)，可用于含多種函數(shù)形式的優(yōu)化模型，更具有工程應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)風(fēng)速—風(fēng)電功率隨機(jī)分布的概率優(yōu)化模型，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用了多場(chǎng)景調(diào)度方式，根據(jù)概率分布對(duì)風(fēng)能樣本進(jìn)行抽樣，形成多個(gè)離散運(yùn)行場(chǎng)景，再對(duì)單個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行尋優(yōu)，整個(gè)過(guò)程仍是對(duì)確定性優(yōu)化模型的處理，求解模型過(guò)程中可采用隨機(jī)模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等混合智能算法，提高了算法收斂速度和計(jì)算性能。有些學(xué)者則應(yīng)用模糊集基礎(chǔ)理論建立了含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，借助隸屬函數(shù)來(lái)表示決策者的滿意度，將現(xiàn)有問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求取滿意度指標(biāo)最大值的問(wèn)題，使求解結(jié)果更貼切地反映決策者的意愿，從而更好地處理風(fēng)電輸出功率的隨機(jī)性問(wèn)題，并針對(duì)上述模型，利用下降搜索思想提出了對(duì)傳統(tǒng)粒子群算法的改進(jìn)思路［5］。

3 新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的應(yīng)用展望

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新能源電力系統(tǒng)中將出現(xiàn)大量或集中或分散的新能源發(fā)電集群以及一系列可調(diào)度負(fù)荷集群。它們接入電網(wǎng)后，將給電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行、控制保護(hù)等帶來(lái)深刻的影響，并網(wǎng)模式下的電網(wǎng)運(yùn)行與管理面臨著諸多技術(shù)問(wèn)題。在低碳智能電網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)下，虛擬發(fā)電廠技術(shù)有機(jī)融合了通信、自動(dòng)控制等技術(shù)，具有自我管理、自我控制功能。虛擬發(fā)電廠通過(guò)多層分布能量管理系統(tǒng)將新能源發(fā)電集群、可控負(fù)荷集群有機(jī)整合為一個(gè)特殊電廠參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行，有效地協(xié)調(diào)了間歇性發(fā)電單元個(gè)體之間以及與上層電網(wǎng)之間的矛盾，對(duì)解決間歇性能源接入、區(qū)域電網(wǎng)安全運(yùn)行以及多種間歇性能源綜合高效利用等問(wèn)題具有重要啟示作用。虛擬發(fā)電廠技術(shù)作為新型需求響應(yīng)形式，在整合清潔新能源、提高供電可靠性和靈活性等方面表現(xiàn)出巨大潛力。歐洲一些國(guó)家正在積極開(kāi)展基于虛擬發(fā)電廠技術(shù)的需求響應(yīng)機(jī)制的研究與實(shí)踐，建立了示范工程和測(cè)試平臺(tái)，取得了諸多成果。我國(guó)在該領(lǐng)域研究處于起步階段，還有很多技術(shù)、政策、管理方面的問(wèn)題有待解決。基于虛擬發(fā)電廠技術(shù)的新能源電力系統(tǒng)調(diào)度模式符合我國(guó)低碳智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。隨著智能電網(wǎng)和新能源發(fā)電技術(shù)的深入發(fā)展，虛擬發(fā)電廠技術(shù)將會(huì)被更為廣泛地傳播與實(shí)踐。

4 結(jié)論

新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題是在智能電網(wǎng)與新能源綜合開(kāi)發(fā)利用的新形勢(shì)下提出的，依靠發(fā)電側(cè)火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等多類型電源與需求側(cè)互動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能源資源綜合利用、有效消納間歇性新能源。新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式是傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式的繼承和發(fā)展，是電力系統(tǒng)發(fā)展到新能源與智能電網(wǎng)強(qiáng)耦合階段的客觀要求，對(duì)促進(jìn)新能源發(fā)電的有效消納利用，引導(dǎo)科學(xué)用電，保障國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的節(jié)能減排與經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行等具有廣泛與現(xiàn)實(shí)意義。

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