含高滲透率新能源發(fā)電的經(jīng)濟調(diào)度策略研究

夏天宇，趙會亮，李 辰

（青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

火力發(fā)電消耗大量化石能源，排放大量粉塵、廢氣，造成空氣污染，節(jié)能減排，刻不容緩［1-2］。近幾年國內(nèi)新能源發(fā)電并網(wǎng)容量不斷增加，新能源有別于傳統(tǒng)水力、火力發(fā)電形式，出力具有一定的隨機性和間歇性，當(dāng)新能源在電網(wǎng)中滲透率達到一定程度時，就會影響系統(tǒng)電能質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至?xí){電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，這對現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)度模式提出重大挑戰(zhàn)［3］。常規(guī)系統(tǒng)現(xiàn)有調(diào)度周期一般為 15 min，每15 min對電網(wǎng)進行一次優(yōu)化，調(diào)整機組出力至最優(yōu)運行點。在調(diào)度周期內(nèi)，由AGC機組跟蹤負(fù)荷波動，AGC機組按照5 s更新一次的區(qū)域控制偏差（ACE）進行調(diào)節(jié)［4］，由于AGC機組費用較高，系統(tǒng)中一般不會安排較多AGC機組容量，這使得AGC機組調(diào)節(jié)壓力較大，特別在負(fù)荷高峰期，時常造成AGC機組調(diào)節(jié)容量不足的危急情況［5］。常規(guī)調(diào)度策略粗獷的認(rèn)為在15 min內(nèi)機組始終運行在經(jīng)濟最優(yōu)點上，其實由于機組一次調(diào)頻和AGC機組的調(diào)節(jié)，已經(jīng)使得機組偏離最優(yōu)運行點運行，只不過在主要以常規(guī)能源發(fā)電為主的電網(wǎng)中，這種偏差不明顯，但隨著新能源發(fā)電在系統(tǒng)中比例逐漸提高，情況明顯不同。

為了應(yīng)對新能源并網(wǎng)帶來的機組偏離最優(yōu)化運行點的問題，首先進行調(diào)度周期內(nèi)偏離程度分析，然后細(xì)化調(diào)度時間級，動態(tài)確定調(diào)度周期，消納新能源的波動性，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。最后給出算例分析，證明所提方法的可行性。

1 機組運行優(yōu)化點偏離分析

電力系統(tǒng)一次調(diào)頻是針對周期為幾秒的小波動而調(diào)節(jié)的，一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，在互聯(lián)電網(wǎng)中會產(chǎn)生頻率和聯(lián)絡(luò)線功率偏差；二次調(diào)頻周期為0.5 min，定為發(fā)電調(diào)控級，可使頻率和ACE返回目標(biāo)值，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)；一、二次調(diào)頻使機組偏離經(jīng)濟運行點，這就需要經(jīng)濟調(diào)度進行優(yōu)化。圖1給出現(xiàn)行調(diào)度控制時間級示意圖，從圖中可以看出一個調(diào)度級包括30個發(fā)電調(diào)控級，一、二次調(diào)頻和經(jīng)濟調(diào)度無論在時間上還是在功能上都可以實現(xiàn)互補，共同維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

假設(shè)在上一調(diào)度級末、本調(diào)度級初，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機群體運行于最優(yōu)點。由于負(fù)荷預(yù)測的誤差和新能源發(fā)電出力波動，在本調(diào)度級15 min內(nèi)，機組難免要進行一、二次調(diào)頻，從而各機組輸出功率中既有經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果也有一、二次調(diào)頻分量，此時發(fā)電機組處于非優(yōu)化點運行，這極有可能使經(jīng)濟調(diào)度的目標(biāo)落空［6］。下面在一個調(diào)度級（包含30個發(fā)電調(diào)控級）內(nèi)給出數(shù)學(xué)描述。

圖1 現(xiàn)行調(diào)度控制時間級示意圖

第1個調(diào)控級第i臺機組的發(fā)電功率

第2個發(fā)電調(diào)控級第i臺機組的發(fā)電功率

第h個發(fā)電調(diào)控級第i臺機組的發(fā)電功率

由式（3）可以看出，在任何發(fā)電調(diào)控級、任何發(fā)電機組的發(fā)電功率可以看作由兩個部分構(gòu)成，一部分是初始優(yōu)化功率分量P°i，另一部分是一、二次調(diào)頻

第h個發(fā)電調(diào)控級發(fā)電機組群體總發(fā)電功率可用式（4）計算

雖然經(jīng)過30個發(fā)電調(diào)控級，各機組運行在非優(yōu)化運行點上，但非優(yōu)化運行點與優(yōu)化運行點處機組群體的總發(fā)電功率是相同的，如果將運行在非優(yōu)化點機組進行優(yōu)化分配，將得到相同發(fā)電水平的優(yōu)化運行點。設(shè)區(qū)域電網(wǎng)投運的火電機組有m臺，以火電機組群體的煤耗為目標(biāo)函數(shù)。第i臺機組的綜合煤耗函數(shù)可近似用二次函數(shù)表述為

第h個發(fā)電調(diào)控級火電機組群體非優(yōu)化工作點的目標(biāo)函數(shù)為

式中：犖hi＝P－P，它是第 h 個發(fā)電調(diào)控級第 i臺機組非優(yōu)化功率 Ph^i與優(yōu)化功率 P的差距；2aiP＋bi＝λi，λi為優(yōu)化點第i臺機組的綜合費用微增率；根據(jù)最優(yōu)潮流與經(jīng)典經(jīng)濟調(diào)度的相通性［7］，不論用何種方法尋優(yōu)，在相同約束邊界范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)果都是符合等微增率原則的，因此優(yōu)化點各個機組的綜合費用微增率都相等。即

相同發(fā)電功率的優(yōu)化運行點的目標(biāo)函數(shù)

考慮到：

式（9）減去式（10），可以得出

由此，第h個發(fā)電調(diào)控級非優(yōu)化運行點與優(yōu)化運行點在目標(biāo)函數(shù)上的差距可以寫成

由式（12）可知，在第h發(fā)電調(diào)控級，非優(yōu)化點與優(yōu)化點之間，發(fā)電機組群體煤耗綜合費用差距關(guān)系式的幾何性狀是多維超拋物面。如圖2所示，以m=2為例，其三維形狀象一個碗，碗底中心高度最小，是極值點，即機組優(yōu)化運行點的費用。極值點周邊有一個圓形平坦區(qū)域，其中各處高度與極值點非常接近。

圖2 非優(yōu)化點與優(yōu)化點差距示意圖（ai較大時）

圖3 非優(yōu)化點與優(yōu)化點差距示意圖（ai較小時）

當(dāng)ai較小時，如圖3所示，拋物面形狀變得像一個盤子，極值點周邊的圓形平坦區(qū)域變得明顯寬闊，即在極值點附近很大鄰域內(nèi)非優(yōu)化點與優(yōu)化點處機組費用差距不大。

將3維空間得到的拋物面極值點鄰域的重要性質(zhì)推展到m+1維空間，可以作出如下結(jié)論：當(dāng)各發(fā)電機組的系數(shù)ai數(shù)值很小時，多維超拋物面極值點周邊存在一個與目標(biāo)函數(shù)極值點差距很小而范圍十分寬闊的區(qū)域。將差距函數(shù)求導(dǎo)

即隨著|犖hi|的增加，非優(yōu)化點與優(yōu)化點的差距Φ將加速增加，使經(jīng)濟性能加速下降。 故本文將經(jīng)濟調(diào)度周期分為三段，每段時間為5 min，如果在任何一段負(fù)荷或新能源發(fā)電出力發(fā)生大容量擾動，過大（本文取發(fā)電機容量的2%），此時各機組運行點偏離優(yōu)化點較大，這時應(yīng)發(fā)送優(yōu)化調(diào)度指令，重新對機組進行優(yōu)化分配，使機組重新運行在優(yōu)化點上。如果在整個經(jīng)濟調(diào)度周期直很小，但由這種小偏差所造成的與優(yōu)化點費用之間的差距經(jīng)過長時間的積累也是相當(dāng)可觀的，此時應(yīng)無條件地發(fā)送優(yōu)化調(diào)度指令使機組調(diào)整至優(yōu)化運行點。 利用這種策略，系統(tǒng)就能根據(jù)負(fù)荷或新能源發(fā)電出力的波動情況靈活地發(fā)送經(jīng)濟調(diào)度指令，使系統(tǒng)具有更優(yōu)良的經(jīng)濟性能。

2 算例分析

本文所研究的系統(tǒng)有7種類型發(fā)電機組，分別記為A至G機組，各類發(fā)電機組總和為39臺，每臺發(fā)電機組參數(shù)包括：機組數(shù)量，AGC機組數(shù)量，機組出力上、下限（MW），能耗費用函數(shù)的參數(shù)Power_a、Power_b、Power_c（元/MW），具體參數(shù)列于表 1中；頻率、ACE，主要線路參數(shù)、新能源發(fā)電量等數(shù)據(jù)（每5 s更新一次）取自某省電網(wǎng)。

跟蹤 2012 年 10 月 15 日 17∶00—22∶00 時段，常規(guī)調(diào)度模式應(yīng)進行20次經(jīng)濟調(diào)度，本文方法進行29次經(jīng)濟調(diào)度，多出的9次經(jīng)濟調(diào)度主要是負(fù)荷或新能源發(fā)電出力波動較大的20∶25—21∶55負(fù)荷高峰時段。由于這9次經(jīng)濟調(diào)度使偏離最優(yōu)經(jīng)濟運行點的機組回歸優(yōu)化點，從而釋放出AGC機組容量，使機組調(diào)頻備用充足，從而獲得更好的頻率、ACE、CPS（控制性能標(biāo)準(zhǔn)）等指標(biāo)。

表1 各發(fā)電機組煤耗參數(shù)

圖4 頻率對比

圖5 ACE分布對比

圖6 CPS1指標(biāo)對比

圖4～圖6分別從頻率、ACE、CPS1指標(biāo)等方面對本文方法和常規(guī)調(diào)度方法的電網(wǎng)控制水平進行比較。從頻率控制方面看，本文方法得到的頻率波動更小，頻率控制更穩(wěn)定；從區(qū)域控制偏差分布的角度來看，本文方法得到的電網(wǎng)區(qū)域控制偏差總體小于常規(guī)調(diào)度方法，其中本文方法所得ACE用頻率分布直方圖方法統(tǒng)計，常規(guī)調(diào)度方法用核密度估計法統(tǒng)計；從CPS（控制性能標(biāo)準(zhǔn)）指標(biāo)角度來看，本文方法得到的CPS1指標(biāo)總體優(yōu)于常規(guī)調(diào)度方法，但個別時刻CPS1指標(biāo)也會劣于常規(guī)調(diào)度方法，但這種情況還是很少的，處于可以接受范圍內(nèi)。綜合多方面比較可以看出，應(yīng)用本文提出的方法，確實提高電網(wǎng)的控制性能水平。

3 結(jié)語

深入分析含高滲透率新能源發(fā)電的電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度與一、二次調(diào)頻時間跨度大，不能很好適應(yīng)新能源并網(wǎng)要求的問題，給出非優(yōu)化運行點與優(yōu)化運行點差距的形象表述，動態(tài)確定經(jīng)濟調(diào)度周期，將現(xiàn)有經(jīng)濟調(diào)度方法由粗獷向精細(xì)化邁進一步，從而釋放部分AGC機組調(diào)節(jié)容量，減輕AGC調(diào)節(jié)壓力，提高一、二調(diào)頻的品質(zhì)。利用電網(wǎng)真實數(shù)據(jù)進行分析，從電網(wǎng)頻率、ACE、CPS等方面進行比較，說明方法的可行性。利用所提出動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度策略應(yīng)對高滲透律新能源并網(wǎng)帶來的系統(tǒng)波動，只需多付出幾次經(jīng)濟調(diào)度的成本，就可以收獲降低AGC機組的調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)控制性能，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性等種種好處，利于新能源發(fā)電的并網(wǎng)，利于節(jié)能減排。

［1］ 夏天宇，柳進.含高滲透率間歇性發(fā)電的在線備用調(diào)度協(xié)調(diào)控制［C］.中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)第 27 屆學(xué)術(shù)年會，2011，35（1）.

［2］ 陳寧，于繼來.基于電氣剖分信息的風(fēng)電系統(tǒng)有功調(diào)度與控制［J］.中國電機工程學(xué)報，2008，28（16）：51-58.

［3］ 柳進，潘毅.攀峰過程中協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26（2），36-40.

［4］ 李雪峰，李衛(wèi)東，劉樂.AGC容量需求研究［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29（6）：40-47.

［5］ 劉嬈，林偉，李衛(wèi)東，等.互聯(lián)電力系統(tǒng)運行控制性能評價標(biāo)準(zhǔn)的探討［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（8）：87-91.

［6］ 劉樂，劉嬈，李衛(wèi)東.互聯(lián)電網(wǎng)中區(qū)域調(diào)頻責(zé)任及其分配方式［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（16）：20-23.

［7］ 王憲榮，柳焯.最優(yōu)潮流與經(jīng)典經(jīng)濟調(diào)度的相通性［J］.中國電機工程學(xué)報，1993，13（3）：8-13.