考慮特高壓送風(fēng)電的湖北電網(wǎng)調(diào)峰方案

張志鋒，徐 箭，閆秉科，覃 蕓，汪 湧，王婉晴，孫元章

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增加和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響日益凸顯[1]。由于我國(guó)風(fēng)能資源和負(fù)荷呈逆向分布，風(fēng)電無法就地消納。據(jù)《2011年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》，蒙東、蒙西、河北、新疆風(fēng)電基地電力除本地區(qū)消納外，將通過特高壓交直流通道，送至“三華”電網(wǎng)負(fù)荷中 心[2]。

風(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，并且表現(xiàn)出一定的反調(diào)峰特性[3]，大規(guī)模風(fēng)電接入后的電力系統(tǒng)調(diào)峰問題是一個(gè)全新的課題?，F(xiàn)有的解決方法主要有目標(biāo)優(yōu)化法[4-6]、內(nèi)點(diǎn)法[7]和等微增率法[8-10]3種。由于上述方法并未考慮機(jī)組爬坡速率約束和系統(tǒng)安全約束，計(jì)算結(jié)果可能導(dǎo)致機(jī)組出力變化過于頻繁，在增加額外燃料消耗的同時(shí)影響機(jī)組壽命，且系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化較大，因此難以在實(shí)際中推廣[11]。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于模糊分時(shí)段負(fù)荷預(yù)測(cè)和改進(jìn)小生境遺傳算法的調(diào)峰方法，并結(jié)合湖北電網(wǎng)調(diào)峰電源情況制定了特高壓送風(fēng)電時(shí)的調(diào)峰方案。該方案以有功損耗最小為目標(biāo)，計(jì)及機(jī)組爬坡速率約束以及系統(tǒng)安全約束，計(jì)算出96點(diǎn)的機(jī)組最優(yōu)發(fā)電曲線。該方案在確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，充分利用了火電及抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)特性，能夠有效減少網(wǎng)損。

1 湖北電網(wǎng)調(diào)峰電源及調(diào)峰能力

湖北電網(wǎng)可用的調(diào)峰方式主要有火電調(diào)峰、水電調(diào)峰和抽水蓄能調(diào)峰。

1.1 火電調(diào)峰特性

火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行主要采用啟停方式和壓出力方式，前者較適合于單機(jī)容量100 MW及以下的機(jī)組，后者則較適合于容量更大的機(jī)組。湖北電網(wǎng)省內(nèi)火電機(jī)組最小技術(shù)出力按表1選取。

表1 火電機(jī)組最小技術(shù)出力Tab.1 Minimum technical output of thermal units

1.2 水電調(diào)峰特性

湖北電網(wǎng)有大量水電資源，水電承擔(dān)湖北省絕大部分基荷以及對(duì)省外的供電，省內(nèi)大部分500 kV機(jī)組都屬于非統(tǒng)調(diào)機(jī)組，省調(diào)水電機(jī)組大部分為220 kV機(jī)組。水電機(jī)組停機(jī)調(diào)峰依最小出力接近100%。

1.3 抽水蓄能調(diào)峰特性

隨著電網(wǎng)峰谷差的增大，具有“調(diào)峰填谷”雙重作用的蓄能電站在電力系統(tǒng)中的作用越來越大[12]。抽水蓄能電廠可在發(fā)電機(jī)狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)之間進(jìn)行切換，其機(jī)組的調(diào)峰能力接近200%。

1.4 湖北電網(wǎng)調(diào)峰能力評(píng)估

接入110 kV及以下電網(wǎng)的火電機(jī)組可用調(diào)峰容量小，一般屬于地調(diào)控制范圍，因此在研究全省調(diào)峰容量時(shí)不考慮110 kV及以下火電機(jī)組；接入500 kV和220 kV火電機(jī)組的容量一般較大，因此不考慮其啟停機(jī)調(diào)峰，只考慮機(jī)組的壓最小技術(shù)出力調(diào)峰。豐大方式下水電機(jī)組一般應(yīng)該滿發(fā)，故不考慮水電機(jī)組的棄水調(diào)峰。因此只需要對(duì)接入500 kV和220 kV電網(wǎng)的火電機(jī)組及抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰容量分析。根據(jù)《湖北電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃報(bào)告》，2015年湖北電網(wǎng)豐大方式下最大峰谷差為10630 MW，可用調(diào)峰容量為6930 MW，不能滿足負(fù)荷波動(dòng)，因此需要考慮區(qū)外電源調(diào)峰。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)特高壓規(guī)劃，湖北境內(nèi)2015年將建成交流特高壓荊門站和武漢站。特高壓傳輸功率將由風(fēng)電和火電兩部分組成，既具有一定的隨機(jī)波動(dòng)性，同時(shí)也由于火電的存在而具有一定的可調(diào)節(jié)能力。本文定義傳輸功率中風(fēng)電所占的比例為風(fēng)電配額，主要研究豐大方式下不同風(fēng)電配額時(shí)特高壓參與調(diào)峰的方案。

2 不同風(fēng)電配額的特高壓電力接入后湖北電網(wǎng)的峰谷差特性

2.1 基于模糊分時(shí)段技術(shù)的全網(wǎng)負(fù)荷曲線預(yù)測(cè)

負(fù)荷曲線的預(yù)測(cè)是調(diào)峰方案制定的基礎(chǔ)。根據(jù)《湖北電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃報(bào)告》，2015年豐大方式下，湖北電網(wǎng)最大負(fù)荷為37960 MW，日平均負(fù)荷率0.873，日最小負(fù)荷率0.714。本文采用模糊分時(shí)段技術(shù)[13]，分別就凌晨時(shí)段（00∶00—07∶45）、上午時(shí)段（08∶00—12∶45）、午后時(shí)段（13∶00—19∶45）以及晚上時(shí)段（20∶00—23∶45） 4 個(gè)時(shí)段應(yīng)用不同的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后疊加生成一天完整的負(fù)荷曲線，最終得到湖北電網(wǎng)2015年豐大典型日的日負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 湖北電網(wǎng)2015年豐大典型日的日負(fù)荷曲線Fig.1 Typical daily load curve of Hubei Power Grid in 2015’wet season

2.2 特高壓接入前后電網(wǎng)調(diào)峰需求的變化

通過統(tǒng)計(jì)調(diào)研得到典型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率波動(dòng)曲線，按風(fēng)電配額分別為0%、30%和70%與火電疊加得到特高壓荊門站和武漢站的傳輸功率波動(dòng)曲線。豐大典型日的日負(fù)荷曲線及特高壓聯(lián)絡(luò)線上的不同風(fēng)電配額時(shí)的傳輸功率曲線見圖2?？梢姡L(fēng)電功率占負(fù)荷功率的比重較小。 在 06∶00、12∶00 和 20∶00 左右，風(fēng)電特性均呈現(xiàn)明顯反調(diào)峰的趨勢(shì)。本文定義由預(yù)測(cè)得到日負(fù)荷曲線疊加上負(fù)的特高壓傳輸功率曲線后的曲線為“等效日負(fù)荷曲線”。特高壓采用不同的風(fēng)電配額輸送會(huì)得到不同的等效日負(fù)荷曲線，圖3為豐大典型日的系統(tǒng)等效日負(fù)荷曲線，當(dāng)風(fēng)電配額為0%時(shí)，等效日負(fù)荷曲線即為預(yù)測(cè)的全網(wǎng)負(fù)荷曲線。

圖2 豐大典型日的日負(fù)荷曲線及不同風(fēng)電配額特高壓傳輸功率曲線Fig.2 Typical daily load curve of wet season and power transmission curve of UHV network for different proportions of wind power

圖3 豐大典型日的不同風(fēng)電配額等效日負(fù)荷曲線Fig.3 Typical daily load curve of wet season for different proportions of wind power

3 不同風(fēng)電配額的特高壓電力接入后湖北電網(wǎng)調(diào)峰方案

3.1 數(shù)學(xué)模型

以有功損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓、火電機(jī)組爬坡速率、機(jī)組出力的最大調(diào)峰容量和線路熱穩(wěn)極限約束，以罰函數(shù)的形式構(gòu)造如式（1）所示目標(biāo)函數(shù)。

其中，Ploss為系統(tǒng)有功損耗；式（1）等號(hào)右側(cè)第2項(xiàng)為節(jié)點(diǎn)電壓越界的懲罰項(xiàng)，第3項(xiàng)為機(jī)組爬坡速率越界的懲罰項(xiàng)，第4項(xiàng)為線路熱穩(wěn)越界的懲罰項(xiàng)，第5項(xiàng)為機(jī)組出力調(diào)峰容量越界的懲罰項(xiàng)；λu、λd、λp、λg為相應(yīng)參數(shù)越界的罰系數(shù)；Ui為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓，Uimax和Uimin為節(jié)點(diǎn)電壓的上、下限；ΔPimax為機(jī)組爬坡速率的最大值；Pimax為線路熱穩(wěn)的極限值；Gimax、Gimin為發(fā)電機(jī)的最大、最小技術(shù)出力。

系統(tǒng)運(yùn)行約束條件包括潮流約束方程和變量約束方程。潮流約束方程為：

變量約束條件為：

其中，Pgi為發(fā)電機(jī)機(jī)端功率；Ui和Qi分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓和無功功率；Ng和NL分別為系統(tǒng)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)集合和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合。

3.2 基于改進(jìn)小生境遺傳算法的調(diào)峰策略優(yōu)化

由數(shù)學(xué)模型可知，不同風(fēng)電配額的特高壓電力接入后的電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度是一多變量、多約束的非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題。本文采用基于模糊聚類的自適應(yīng)改進(jìn)小生境遺傳算法[14]。

基于模糊動(dòng)態(tài)聚類的自適應(yīng)改進(jìn)小生境遺傳算法應(yīng)用于調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度的實(shí)現(xiàn)過程如下。

a.初始化。系統(tǒng)首先對(duì)初始點(diǎn)進(jìn)行潮流計(jì)算，讀取初始點(diǎn)有功損耗和機(jī)組出力。然后依次讀取負(fù)荷節(jié)點(diǎn)一天中的有功功率和無功功率數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)變量的范圍和初始值進(jìn)行定義。

b.根據(jù)負(fù)荷大小，分4種情況設(shè)計(jì)調(diào)峰方案。如圖4所示。

圖4 調(diào)峰方案制訂線段圖Fig.4 Line graph of peak load regulation scheme

圖中，橫軸表示負(fù)荷總和從小逐漸變大的過程。不同的負(fù)荷總和對(duì)應(yīng)不同的調(diào)峰方案制訂方式。

方式1，判別不等式為：

當(dāng)負(fù)荷總和滿足式（4）時(shí)，即火電機(jī)組最小技術(shù)出力的總和加上水電滿發(fā)的出力總和減去抽水蓄能機(jī)組在抽水時(shí)的出力，大于當(dāng)前負(fù)荷的總和，則考慮火電機(jī)組均為最小技術(shù)出力，抽水蓄能機(jī)組根據(jù)負(fù)荷總和的不同以對(duì)應(yīng)的功率蓄水，通過調(diào)節(jié)特高壓輸入功率來彌補(bǔ)負(fù)荷的差額。

方式2，判別不等式為：

當(dāng)負(fù)荷總和滿足式（5）時(shí)，抽水蓄能機(jī)組以相應(yīng)的功率抽水，水電機(jī)組全部滿發(fā)，特高壓按額定功率輸入，通過火電機(jī)組出力尋優(yōu)來跟蹤負(fù)荷波動(dòng)。

方式3，判別不等式為：

當(dāng)負(fù)荷總和滿足式（6）時(shí)，水電滿發(fā)、抽蓄發(fā)電，通過火電機(jī)組出力的尋優(yōu)來跟蹤負(fù)荷的波動(dòng)。

方式4，判別不等式為：

當(dāng)系統(tǒng)中所有可調(diào)機(jī)組全部滿發(fā)但發(fā)出的有功功率依然無法平衡負(fù)荷時(shí)，則需要采用增大從外區(qū)的供電等方式來保證有功的平衡。

基于改進(jìn)小生境遺傳算法的湖北電網(wǎng)接入特高壓后的調(diào)峰方案設(shè)計(jì)程序流程如圖5所示。

圖5 調(diào)峰方案設(shè)計(jì)程序流程圖Fig.5 Flowchart of peak load regulation scheme design

4 算例分析

據(jù)《湖北電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃報(bào)告》，內(nèi)蒙和河北3600 MW風(fēng)電經(jīng)特高壓荊門站和武漢站向湖北輸送。本文考慮風(fēng)電配額分別為0%、30%和70%3種方式下特高壓輸入電力的情況，其中風(fēng)電配額為0%時(shí)，特高壓輸入功率為一條恒定的直線。以2015年豐大典型日為例，僅考慮湖北電網(wǎng)500kV和220kV網(wǎng)架，包括32個(gè)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)和38個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。取系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為100 MV·A。

采用第3節(jié)提出的模型及算法分別對(duì)3種方式下的調(diào)峰方案進(jìn)行了尋優(yōu)。改進(jìn)小生境遺傳算法初始種群為40，最大迭代次數(shù)為100，交叉率Pc1=0.9、Pc2=0.5，變異率 Pm1=0.1、Pm2=0.001。

4.1 考慮風(fēng)電配額為0%的湖北電網(wǎng)調(diào)峰方案

以調(diào)峰機(jī)組可用調(diào)峰容量和日負(fù)荷曲線為已知量，得到如圖6所示的湖北電網(wǎng)調(diào)峰方案。

圖6 省內(nèi)機(jī)組調(diào)峰方案Fig.6 Peak load regulation scheme by provincial units

圖6中各個(gè)區(qū)域的面積表示對(duì)應(yīng)類型的發(fā)電機(jī)組在日負(fù)荷曲線上的負(fù)荷分配情況。各機(jī)組出力累加值與日負(fù)荷曲線預(yù)測(cè)值之間的差額為系統(tǒng)網(wǎng)損。從圖中可以看出，不考慮特高壓參與調(diào)峰時(shí)，特高壓承擔(dān)的是系統(tǒng)的基荷。在01∶00—08∶00負(fù)荷低谷時(shí)段，火電機(jī)組按照最小技術(shù)出力運(yùn)行，系統(tǒng)總發(fā)電功率仍然大于負(fù)荷功率。需要特高壓參與調(diào)峰，采用尋優(yōu)算法得到的特高壓調(diào)節(jié)方案如圖7所示。

圖7 0%風(fēng)電配額時(shí)特高壓傳輸功率的調(diào)節(jié)方案Fig.7 Regulation scheme of UHV power transmission for 0%wind power

由于尋優(yōu)程序?qū)﹄娏ζ胶怅P(guān)系中發(fā)電機(jī)的全天出力進(jìn)行了全局尋優(yōu)，得到滿足電力系統(tǒng)各約束條件下的最優(yōu)潮流。如圖8所示，與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度相比[15]，優(yōu)化方案降低了近2%的有功損耗，累計(jì)減少的電能損耗為300.2 MW·h。

圖8 2種調(diào)峰方案有功損耗比較Fig.8 Comparison of active power loss between two peak load regulation schemes

4.2 考慮風(fēng)電配額為30%和70%下的湖北電網(wǎng)調(diào)峰方案

考慮風(fēng)電配額后湖北電網(wǎng)調(diào)峰方案如圖9、10所示。

與風(fēng)電配額0%情況相同，在負(fù)荷低谷時(shí)段，仍需要特高壓參與調(diào)峰，采用尋優(yōu)算法得到的特高壓調(diào)節(jié)方案如圖11、12所示。

圖9 考慮風(fēng)電配額30%的調(diào)峰方案Fig.9 Peak load regulation scheme for 30%of wind power transmission by UHV network

圖10 考慮風(fēng)電配額70%的調(diào)峰方案Fig.10 Peak load regulation scheme for 70%of wind power transmission by UHV network

圖11 30%風(fēng)電配額時(shí)特高壓傳輸功率的調(diào)節(jié)方案Fig.11 Regulation scheme of UHV power transmission for 30%wind power

圖12 70%風(fēng)電配額時(shí)特高壓傳輸功率的調(diào)節(jié)方案Fig.12 Regulation scheme of UHV power transmission for 70%wind power

當(dāng)風(fēng)電配額為30%時(shí)，最小負(fù)荷時(shí)特高壓電力參與調(diào)峰的容量應(yīng)至少是其輸送容量的82.8%，調(diào)峰電量應(yīng)至少是其消納電量的12.8%；當(dāng)風(fēng)電配額為70%時(shí)，最小負(fù)荷時(shí)特高壓電力參與調(diào)峰的容量應(yīng)至少是其輸送容量的77.7%，調(diào)峰電量應(yīng)至少是其消納電量的12.2%。

與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度相比，當(dāng)風(fēng)電配額為30%時(shí)，尋優(yōu)算法減少的電量損耗為307.3MW·h；當(dāng)風(fēng)電配額為70%時(shí)，尋優(yōu)算法減少的電量損耗為313.5MW·h。

5 結(jié)論

本文采用模糊分時(shí)段技術(shù)對(duì)2015年湖北電網(wǎng)豐大典型日的日負(fù)荷曲線進(jìn)行了預(yù)測(cè)，建立了特高壓落點(diǎn)后的電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用基于自適應(yīng)改進(jìn)小生境遺傳算法進(jìn)行求解，得到了特高壓不同風(fēng)電配額下湖北電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)峰方案。仿真結(jié)果表明，2015年豐大方式，特高壓送風(fēng)電時(shí)，湖北電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，需要特高壓參與調(diào)峰。采用本文所提方法制定的調(diào)峰方案與傳統(tǒng)方法相比，在確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，充分利用了火電及抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，有效減少了網(wǎng)損。