基于GAMS的光伏發(fā)電消納體系研究

薛 斌

(江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南通 226006)

光伏發(fā)電作為一種可再生能源，越來(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。對(duì)于如何對(duì)光伏發(fā)電消納也成為了業(yè)界一個(gè)普遍關(guān)注的問(wèn)題，在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少的成果。其中文獻(xiàn)[1]對(duì)于并網(wǎng)光伏電站低電壓穿越進(jìn)行了仿真與分析，文獻(xiàn)[2]對(duì)大型光伏電站并網(wǎng)特性及其低碳運(yùn)行與控制技術(shù)進(jìn)行了深入的分析，通過(guò)逆變器多模式控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)大型光伏電站的低碳調(diào)度并以此獲得最高的低碳效益，由于光伏電能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不產(chǎn)生無(wú)功也不消耗無(wú)功，在逆變過(guò)程中要消耗無(wú)功，因此就要對(duì)光伏電站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，文獻(xiàn)[3]對(duì)具有無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波抑制的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器的控制和調(diào)節(jié)方面進(jìn)行了研究。雖然以上這些文章并不是完全針對(duì)光伏發(fā)電消納，但是對(duì)于光電消納方面還是有一定的借鑒意義的。

就模型而言，現(xiàn)在對(duì)于光伏消納模型的研究主要是考慮如何將光伏出力的波動(dòng)以及不確定性減小到最低。文獻(xiàn)[4]主要就是論述的一種平滑方法，通過(guò)該種方法建立一個(gè)包括光電，風(fēng)電和蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，以此來(lái)將系統(tǒng)的出力波動(dòng)降到最低。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，極少有將光伏發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)機(jī)組綜合起來(lái)考慮進(jìn)行消納。

1 光伏發(fā)電消納模型及求解方法

1.1 光伏發(fā)電消納分析模型

式（1）中：F為所有機(jī)組發(fā)電的總費(fèi)用函數(shù)；T為一個(gè)調(diào)度周期；I為調(diào)度機(jī)組的臺(tái)數(shù)；Ci為發(fā)電費(fèi)用函數(shù)式；Ci[Pi（t）]=+βPi+γ，其中α，β，γ為機(jī)組i的費(fèi)用函數(shù)的系數(shù)；ui（t）=1為機(jī)組i 在t時(shí)段開機(jī)；ui（t）=0為關(guān)機(jī)；Pi（t）為機(jī)組i 在t時(shí)段的有功出力；Si為機(jī)組i的開機(jī)費(fèi)用；xi（t）為以該時(shí)段前機(jī)組i 最后一次開機(jī)時(shí)段為時(shí)間起點(diǎn)，并且中間沒(méi)有停機(jī)，整個(gè)過(guò)程內(nèi)的時(shí)段累計(jì)開機(jī)時(shí)間，為正值；相類似的有機(jī)組的連續(xù)累計(jì)停機(jī)時(shí)間為負(fù)值。

（1）功率平衡約束：

式（2）中：Pload（t），PL（t）分別為t時(shí)段的負(fù)荷和網(wǎng)損。

（2）旋轉(zhuǎn)備用約束：

式（4）中：R（t）為t時(shí)段所需的旋轉(zhuǎn)備用。

（3）由于每臺(tái)機(jī)組都有一定的容量限制，則：

式（5—7）中：Pi，min，Pi，max，Qi，min，Qi，max分別為機(jī)組i的有功和無(wú)功出力上下限；Ppvi，max為光伏機(jī)組i的出力上限。

（4）發(fā)電機(jī)組在增加功率和減少功率時(shí)也要受一定約束：

式（8，9）中：Pi，down，Pi，up分別為機(jī)組i的有功出力的下降和上升限制。

（5）機(jī)組最小開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)間。機(jī)組不能頻繁地開關(guān)，必須開機(jī)/ 關(guān)機(jī)一段時(shí)間之后才能關(guān)機(jī)/ 開機(jī)，即：ui（t）=1，此時(shí)；ui（t）=0，此時(shí)

（6）線路功率限制：

式（10，11）中：Pjk，min，Pjk，max為節(jié)點(diǎn)j 到節(jié)點(diǎn)k 之間線路的最小和最大有功傳輸功率；Qjk，min，Qjk，max為節(jié)點(diǎn)j 到節(jié)點(diǎn)k 之間線路的最小和最大無(wú)功傳輸功率。

（7）節(jié)點(diǎn)電壓限制，這里就是要將節(jié)點(diǎn)電壓限制在一定范圍內(nèi)，即：

且有：

1.2 模型求解

該模型采用通用代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS）求解。GAMS 是一款數(shù)學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化的高級(jí)建模系統(tǒng)，特別為求解線性、非線性和混合整數(shù)最優(yōu)化問(wèn)題而設(shè)計(jì)，它允許使用者通過(guò)制定簡(jiǎn)單的設(shè)置來(lái)把精力放在建模問(wèn)題上，使用GAMS，數(shù)據(jù)僅僅需要一次就能在熟悉的列表和表格形式中輸入，模型以簡(jiǎn)練的代數(shù)聲明來(lái)描述，對(duì)于人和機(jī)器都很容易讀懂，相關(guān)約束的整個(gè)集合被輸入到一個(gè)聲明中，GAMS 自動(dòng)生成每個(gè)約束等式，至于執(zhí)行的費(fèi)時(shí)的細(xì)節(jié)將由GAMS 系統(tǒng)來(lái)處理。GAMS的操作大抵可分為3個(gè)步驟：（1）建立GAMS輸入文件；（2）執(zhí)行GAMS 程序；（3）輸出GAMS 求解結(jié)果。

2 算例分析

2.1 算例1

用一個(gè)IEEE26 機(jī)24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其系統(tǒng)圖如圖1 所示。將全天24 h 平均分為24個(gè)時(shí)段，仿真結(jié)果均為標(biāo)幺值（下同）。

首先為分析方便，暫時(shí)不加入光伏機(jī)組，只考慮常規(guī)機(jī)組的機(jī)組組合問(wèn)題。仿真結(jié)果如表1、表2 所示（篇幅所限，只列出Unit1，Unit17，Unit19 和Unit26的數(shù)據(jù)，Unit2—Unit9 與Unit1 類似，此處略去）。

算例1 所有機(jī)組發(fā)電的總費(fèi)用為771 981.021 元。Unit1—Unit9 由于運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)其他機(jī)組較高，因此從總體上來(lái)看，它們的出力較少，并且停機(jī)時(shí)間也比較長(zhǎng)；在第18時(shí)段這9 臺(tái)機(jī)組都有比較多的出力，因?yàn)樨?fù)荷在該時(shí)段突然增加，其他機(jī)組基本上已經(jīng)滿發(fā)，所以需要通過(guò)增加費(fèi)用相對(duì)較高的機(jī)組來(lái)平衡負(fù)荷。

圖1 IEEE26 機(jī)24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

表1 機(jī)組出力表（1—12時(shí)段）p.u.

表2 機(jī)組出力表（13—24時(shí)段）p.u.

2.2 算例2

將光伏發(fā)電加入到該電網(wǎng)中來(lái)，和算例1的模型相比，將Unit1 和Unit19 替換為光伏機(jī)組，并且Unit19是6 臺(tái)光伏機(jī)組的并聯(lián)。仿真結(jié)果如表3、表4 所示（篇幅所限，只列出Unit1，Unit17，Unit19 和Unit26的數(shù)據(jù)）。

表3 機(jī)組出力表（1—12時(shí)段）p.u.

表4 機(jī)組出力表（13—24時(shí)段）p.u.

算例2 所有機(jī)組發(fā)電的總費(fèi)用為723 993.231 元。由表3、表4 可見，由于將Unit1 換成光伏機(jī)組之后，其在第1 到第24時(shí)段內(nèi)大都是滿發(fā)，正是因?yàn)楣夥隽κ遣恍枰拿旱模瑳](méi)有發(fā)電成本，所以該機(jī)組一般選擇滿發(fā)。

對(duì)比算例1的結(jié)果可看出：

（1）由于Unit1 和Unit17 是在同一節(jié)點(diǎn)上，而Unit1 在第1 到第4時(shí)段是沒(méi)有出力的，為了保持該節(jié)點(diǎn)功率平衡，在考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸功率的條件下就有2 種選擇，Unit17 直接增加發(fā)電或者相鄰節(jié)點(diǎn)上的Unit26增加出力，最后的結(jié)果是Unit17 多出力，原因是Unit 17的發(fā)電成本低于Unit26；

（2）在加入光伏機(jī)組后，與光伏節(jié)點(diǎn)相連線路的流出功率會(huì)增加，這樣也符合整個(gè)系統(tǒng)的成本最小化。

2.3 算例3

算例2 可看出，光伏機(jī)組的加入會(huì)使得成本降低，又由于其中有很多線路的傳輸功率值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到上限，因此可提高光伏機(jī)組的出力值，來(lái)看是否會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的成本更低。在這里將每臺(tái)機(jī)組的出力放大到原來(lái)的10 倍，仿真結(jié)果如表5、表6 所示（篇幅所限，只列出Unit19，Unit21，Unit22，Unit23的數(shù)據(jù)）。

表5 機(jī)組出力表（1—12時(shí)段）p.u.

表6 機(jī)組出力表（13—24時(shí)段）p.u.

算例3 所有機(jī)組發(fā)電的總費(fèi)用為654 638.688 元。對(duì)比算例2 可得出如下結(jié)論：

（1）在第8 到第12時(shí)段，與Unit19 所在節(jié)點(diǎn)鄰近節(jié)點(diǎn)的Unit21—Unit23的出力都相應(yīng)減少或者減少為0，但Unit19 卻沒(méi)有滿發(fā)，這是因?yàn)榫€路已經(jīng)接近滿載，這樣雖然費(fèi)用大大減少，但是長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)使得線路老化嚴(yán)重，系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)增加；

（2）算例3 中從Unit19 所在節(jié)點(diǎn)流出的無(wú)功功率大大減少，說(shuō)明光伏發(fā)電需要消耗大量無(wú)功功率，因此在對(duì)光伏進(jìn)行大規(guī)模消納的時(shí)候，要考慮在光伏節(jié)點(diǎn)處注入無(wú)功，否則就會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一個(gè)綜合考慮光伏發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)機(jī)組的消納體系，建立了相應(yīng)的光伏發(fā)電消納分析體系的數(shù)學(xué)模型，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE26 機(jī)24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)及其演變的2個(gè)系統(tǒng)算例采用GAMS 求解，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）本文所建立的數(shù)學(xué)模型和采用的GAMS 是有效的。

（2）光伏發(fā)電機(jī)組的加入會(huì)降低機(jī)組整體的發(fā)電成本，應(yīng)優(yōu)先選擇發(fā)電成本低的機(jī)組增加出力。

（3）要在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，增加機(jī)組出力，可適當(dāng)在光伏節(jié)點(diǎn)注入無(wú)功。

再下一步可從以下方面深入研究。選取哪些節(jié)點(diǎn)為光伏節(jié)點(diǎn)對(duì)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最佳以及在光伏節(jié)點(diǎn)注入無(wú)功對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

[1]陳 波，朱凌志，朱曉東.并網(wǎng)光伏電站低電壓穿越仿真與分析[J].江蘇電機(jī)工程，2012，31(5)：13-17.

[2]艾 欣，韓曉男，孫英云.大型光伏電站并網(wǎng)特性及其低碳運(yùn)行與控制技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(1)：15-23.

[3]汪海寧，蘇建徽，張國(guó)榮，等.具有無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波抑制的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器控制研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27(6)：540-544.

[4]LI L L,DING Q,LI H,et al.Optimal Dispatching Method for Smoothing power Fluctuations of the Wind-Photovoltaic-Battery Hybrid Generation System[C].ISGT Asia,Tianjin:IEEE,2012：1-6.