楊麗君,李健強(qiáng),閆鵬達(dá),吳 蔚
(河北省電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)),河北 秦皇島 066004)
近年來(lái),風(fēng)電發(fā)展勢(shì)頭迅猛,將成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“十二五”計(jì)劃和2020年非化石能源發(fā)展目標(biāo)的最重要的可再生能源之一。然而,風(fēng)電具有的隨機(jī)性和波動(dòng)性等特點(diǎn)給電網(wǎng)調(diào)度部門帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[1]:一方面大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)使電力系統(tǒng)面臨著發(fā)電側(cè)備用資源(reserve capacity of generation side,RCGS)缺乏;另一方面嚴(yán)重的容量事故為系統(tǒng)運(yùn)行中的小概率事件,所以傳統(tǒng)調(diào)度模式的備用閑置現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。為保障電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行,需要調(diào)動(dòng)更多形式的備用資源參與含大型風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[2]。
柔性負(fù)荷(flexible load,F(xiàn)L)主要包括可中斷負(fù)荷和激勵(lì)負(fù)荷,是一種虛擬的備用發(fā)電容量資源,為應(yīng)對(duì)風(fēng)電隨機(jī)性與波動(dòng)性提供了新途徑[3]。由于FL與RCGS經(jīng)濟(jì)特性不同,故存在協(xié)調(diào)空間。文獻(xiàn)[4]將柔性負(fù)荷成本引入到目標(biāo)函數(shù)中,建立了計(jì)及大規(guī)模風(fēng)電和柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)供需側(cè)聯(lián)合隨機(jī)調(diào)度模型,主要體現(xiàn)了柔性負(fù)荷的削峰填谷作用,但其沒有考慮FL與RCGS在成本上的協(xié)調(diào)。文獻(xiàn)[5]考慮融入用電激勵(lì)、可中斷負(fù)荷等用電調(diào)度方式,建立了含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)用電一體化調(diào)度模型,分析表明2種需求響應(yīng)方式分別提高了風(fēng)能利用效率和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,其雖將FL成本與RCGS成本計(jì)入調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)中,使FL與RCGS協(xié)調(diào)優(yōu)化,但其成本函數(shù)并沒有體現(xiàn)出各種備用的經(jīng)濟(jì)特性。文獻(xiàn)[6]針對(duì)發(fā)電側(cè)備用與可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)性,從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度,提出其協(xié)調(diào)模型和優(yōu)化算法,驗(yàn)證了發(fā)電側(cè)備用與可中斷負(fù)荷協(xié)調(diào)配置比單獨(dú)配置的經(jīng)濟(jì)性要高的多。
為此,本文將文獻(xiàn)[6]中提出的觀點(diǎn)延伸到激勵(lì)負(fù)荷與負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的協(xié)調(diào)配置上,并且引入到含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)調(diào)度中,針對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)性與各種備用的經(jīng)濟(jì)特性,重新構(gòu)造了發(fā)電側(cè)備用成本模型與柔性負(fù)荷成本模型,建立計(jì)及供需側(cè)備用協(xié)調(diào)優(yōu)化的含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,使總成本降至最低,最后采用細(xì)菌群體趨藥性算法[7](bacterial colony chemotaxis,BCC)對(duì)算例進(jìn)行仿真,證明所提調(diào)度模型的合理性與有效性。
采用二維經(jīng)典威布爾(Weibull)分布作為單時(shí)段風(fēng)速概率密度函數(shù)[8],其表達(dá)式為
式中:k為Weibull分布的形狀系數(shù),決定分布曲線的形狀;λ為尺度系數(shù),反應(yīng)平均風(fēng)速的大小,m/s;φv(v)為風(fēng)速v的概率密度值。
通過對(duì)大量實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn),一天中的不同時(shí)段風(fēng)速數(shù)值有較大的差別并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。本文數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)的一個(gè)風(fēng)電場(chǎng),該風(fēng)電場(chǎng)2004年到2006年每隔10 min采集1次風(fēng)速數(shù)據(jù),通過對(duì)這些風(fēng)速樣本的分時(shí)段統(tǒng)計(jì)、擬合和各種風(fēng)速預(yù)測(cè)理論得到各時(shí)段風(fēng)速平均值及其概率分布參數(shù)的預(yù)測(cè)值。各時(shí)段的平均風(fēng)速如圖1所示,各時(shí)段相應(yīng)的分布參數(shù)見表1。
圖1 24 h各時(shí)段風(fēng)速平均值
表1 24 h威布爾分布參數(shù)
風(fēng)電場(chǎng)有功出力與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系為
式中:vci、vco、vr分別為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速和額定風(fēng)速,m/s;Pw、Pwr分別為風(fēng)電場(chǎng)有功出力及額定有功出力,MW。
結(jié)合風(fēng)速概率密度函數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)有功出力與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系,可得到風(fēng)電場(chǎng)有功出力的概率累積分布函數(shù)
由公式(3)可以看出,風(fēng)電場(chǎng)有功出力Pw(t)等于0和Pwr時(shí)有階躍出現(xiàn),其階躍值分別為Fp(0)和Fp(Pwr)
對(duì)公式(3)求導(dǎo),可得風(fēng)電場(chǎng)有功出力的概率密度函數(shù)
式中:[Pw(t)]表示Fp[Pw(t)]在區(qū)間(0,Pwr)上的導(dǎo)數(shù);δ[Pw(t)]是一個(gè)單位沖激函數(shù)[9],表示在Pw(t)=0處的一個(gè)無(wú)窮大的數(shù),積分值為1。
對(duì)風(fēng)電場(chǎng)制定調(diào)度計(jì)劃時(shí),所求的是各時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃有功出力Pws(t),這個(gè)計(jì)劃出力是一個(gè)確定值。利用風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃出力Pws(t)將風(fēng)電場(chǎng)出力概率密度曲線分為2部分,如圖2所示。圖2中,Pws(t)左邊區(qū)域的面積為風(fēng)電出力不足的概率,即風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃出力大于實(shí)際出力的概率,以Fp-(t)表示;Pws(t)右邊區(qū)域的面積為風(fēng)電出力盈余的概率,即風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃出力小于實(shí)際出力的概率,以Fp+(t)表示
圖2 風(fēng)電出力不足概率與出力盈余概率
為確定本次調(diào)度的備用容量和電量,還要求得風(fēng)電出力不足容量Pw-(t)和風(fēng)電出力盈余容量Pw+(t)
式中:Pws(t)-Pw(t)反映了t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際有功出力與計(jì)劃出力的差異;fp[Pw(t)]反映了t時(shí)段這種差異出現(xiàn)的概率。
正旋轉(zhuǎn)備用成本包括容量與電量2部分成本,其中容量成本與事故無(wú)關(guān),但在簽約后就要支付日常的容量代價(jià),故屬于確定性成本,而電量成本則與事故概率有關(guān),故屬于風(fēng)險(xiǎn)性成本。
可中斷負(fù)荷(interruptible load,IL)作為緊急備用容量資源,在應(yīng)對(duì)小概率高風(fēng)險(xiǎn)的容量事故時(shí),參與備用服務(wù)市場(chǎng)的意義非常重大[10]。IL可分為低賠償可中斷負(fù)荷(ILL)和高賠償可中斷負(fù)荷(ILH),ILL方式以電價(jià)折扣換取用戶負(fù)荷的中斷權(quán),即便事故未發(fā)生,也要付出相應(yīng)的成本代價(jià),故屬于確定性成本;ILH方式則以正常的電價(jià)進(jìn)行交易,僅在停電事故發(fā)生后對(duì)用戶進(jìn)行賠償,賠償費(fèi)用與事故發(fā)生概率有關(guān),故屬于風(fēng)險(xiǎn)性成本。
顯然,在長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)度周期內(nèi),較小代價(jià)的事前支付(包括正旋轉(zhuǎn)備用的容量成本和ILL的電費(fèi)賠償成本)與較大代價(jià)的事后支付(包括正旋轉(zhuǎn)備用的電量成本和ILH的停電賠償成本)可以通過風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化,使備用總成本達(dá)到最低。另外,在發(fā)生小概率的嚴(yán)重容量事故時(shí)調(diào)用IL,才能將其經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮到最大,對(duì)于發(fā)生概率較大的容量事故,頻繁調(diào)用IL在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都不合理,因此本節(jié)的成本模型以正旋轉(zhuǎn)備用為備用主體,IL為輔助備用。
為簡(jiǎn)化模型,本節(jié)未考慮發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)率、負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差等因素對(duì)旋轉(zhuǎn)備用的影響,主要研究風(fēng)電不確定性對(duì)電力系統(tǒng)備用容量獲取的影響。此外,不區(qū)分各機(jī)組之間的正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用成本系數(shù),即不考慮常規(guī)機(jī)組的備用分配問題。
風(fēng)電出力不足時(shí)供需側(cè)備用的總成本
公式(11)中第一項(xiàng)為發(fā)電側(cè)正旋轉(zhuǎn)備用容量成本
式中:ξc+為正旋轉(zhuǎn)備用容量成本系數(shù);Rc+為聯(lián)合出清后成交的正旋轉(zhuǎn)備用容量。
公式(11)中第二項(xiàng)為發(fā)電側(cè)正旋轉(zhuǎn)備用電量成本
正旋轉(zhuǎn)備用電量成本主要來(lái)自以下幾種指標(biāo)的量化:①正旋轉(zhuǎn)備用電量的單位成本,單位成本越高,則相應(yīng)的成本越高;②正旋轉(zhuǎn)備用投入的概率,此概率越大,則相應(yīng)的成本越高;③正旋轉(zhuǎn)備用的投入量,投入量越高,則相應(yīng)的成本也越高。
式中:ξe+為正旋轉(zhuǎn)備用電量成本系數(shù);(t)表示t時(shí)段正旋轉(zhuǎn)備用投入的概率;Fp風(fēng)電場(chǎng)有功出力的概率累積分布函數(shù);為在t時(shí)刻發(fā)生事故后,系統(tǒng)實(shí)際需求的正旋轉(zhuǎn)備用電量。
公式(11)中第三項(xiàng)為ILL補(bǔ)償成本
式中:為調(diào)度部門根據(jù)合同規(guī)定中斷用戶k單位負(fù)荷所需的電價(jià)賠償;為調(diào)度部門根據(jù)合同規(guī)定對(duì)用戶k可以實(shí)施中斷操作的負(fù)荷量。
公式(11)中第四項(xiàng)為ILH風(fēng)險(xiǎn)成本項(xiàng)
式中:表示調(diào)用ILH的概率;表示事故發(fā)生后,一旦調(diào)用ILH,電力公司所需支付的賠償成本;為電力公司與用戶m簽訂合同中規(guī)定的中斷其單位負(fù)荷所需成本;表示t時(shí)刻用戶m的負(fù)荷是否被中斷,=0表示中斷,=1表示未中斷;為用戶m在t時(shí)刻被中斷的負(fù)荷量。
負(fù)旋轉(zhuǎn)備用與上節(jié)中的正旋轉(zhuǎn)備用類似,也分為容量成本和電量成本。
傳統(tǒng)調(diào)度方式在風(fēng)電出力盈余的時(shí)段,由于系統(tǒng)深度調(diào)峰容量不足,往往需要棄風(fēng),造成風(fēng)能資源浪費(fèi)[11]。如果采用用電激勵(lì)方式,以降低電價(jià)為激勵(lì)要素,應(yīng)用市場(chǎng)化的手段引導(dǎo)電力用戶增加用電負(fù)荷,可以大大地減少棄風(fēng)量。顯然,激勵(lì)負(fù)荷與可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)特性類似,其成本與事故概率有關(guān),屬于風(fēng)險(xiǎn)性成本。
與上節(jié)中協(xié)調(diào)優(yōu)化方法類似,本節(jié)所涉及的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的容量成本、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的電量成本和激勵(lì)負(fù)荷成本之間也可以通過風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。此優(yōu)化過程以負(fù)旋轉(zhuǎn)備用為主體,激勵(lì)負(fù)荷為輔助備用。為簡(jiǎn)化模型,假設(shè)用戶嚴(yán)格按照協(xié)議增加用電需求,不考慮電價(jià)制定策略和用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)行為。
風(fēng)電出力盈余時(shí)供需側(cè)備用的總成本
公式(20)中第一項(xiàng)為發(fā)電側(cè)負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量成本
式中:ξc-為負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量成本系數(shù);Rc-為聯(lián)合出清后成交的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量。
式(20)中第二項(xiàng)為發(fā)電側(cè)負(fù)旋轉(zhuǎn)備用電量成本。
與正旋轉(zhuǎn)備用電量成本類似,負(fù)旋轉(zhuǎn)備用電量成本主要來(lái)自以下幾種指標(biāo)的量化:①負(fù)旋轉(zhuǎn)備用電量的單位成本,單位成本越高,則相應(yīng)的成本越高;②負(fù)旋轉(zhuǎn)備用投入的概率,即風(fēng)電場(chǎng)出力盈余的概率,此概率越大,則相應(yīng)的成本越高;③負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的投入量,投入量越高,則相應(yīng)的成本也越高。
式中:ξe-為負(fù)旋轉(zhuǎn)備用電量成本系數(shù);表示t時(shí)段負(fù)旋轉(zhuǎn)備用投入的概率;Re-為在t時(shí)刻發(fā)生事故后,系統(tǒng)實(shí)際需求的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用電量。
公式(20)中第三項(xiàng)為激勵(lì)負(fù)荷成本
系統(tǒng)運(yùn)行的總成本包括發(fā)電機(jī)組燃料成本、風(fēng)電場(chǎng)出力不足時(shí)的備用成本和風(fēng)電場(chǎng)出力盈余時(shí)的備用成本。目標(biāo)函數(shù)為
發(fā)電機(jī)組燃料成本
式中:an、bn、cn為機(jī)組n的燃料成本系數(shù);Pn,t為機(jī)組n在t時(shí)段的有功出力。
(1)系統(tǒng)功率平衡約束
式中:Pt(t)為第t時(shí)段負(fù)荷預(yù)測(cè)值。
(2)各機(jī)組約束
常規(guī)機(jī)組的出力約束
式中:Pnmin和Pnmax為發(fā)電機(jī)組n的最小、最大出力。
常規(guī)機(jī)組爬坡速率約束
式中:Pn,t-1為機(jī)組n在第t-1時(shí)段的有功出力分別為第n臺(tái)常規(guī)機(jī)組有功出力上升速率和下降速率;T60為1個(gè)運(yùn)行時(shí)段,即60 min。
風(fēng)電場(chǎng)的出力約束
正旋轉(zhuǎn)備用約束
式中:為電力公司所需購(gòu)買的正旋轉(zhuǎn)備用容量上限;為發(fā)電機(jī)組n在第t時(shí)段(10 min)提供的響應(yīng)正旋轉(zhuǎn)備用容量;為發(fā)電機(jī)組n在t時(shí)段的最大出力;T10為旋轉(zhuǎn)備用響應(yīng)時(shí)間(10 min)。
負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束
式中:-為電力公司所需購(gòu)買的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量上限;為發(fā)電機(jī)組n在第t時(shí)段(10 min)提供的響應(yīng)負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量;為發(fā)電機(jī)組n在t時(shí)段的最小出力。
(3)柔性負(fù)荷約束
可中斷負(fù)荷約束
電價(jià)激勵(lì)負(fù)荷約束
式中:為電力公司與用戶k簽訂ILL容量的最大值;是在事故發(fā)生后,調(diào)度部門中斷用戶m負(fù)荷的最大值;為調(diào)度部門根據(jù)合同規(guī)定可以要求用戶q增加用電量的最大值。
針對(duì)某含風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域電網(wǎng),基于BCC算法進(jìn)行算例分析,算法步驟如文獻(xiàn)[7]所示,本文不再贅述,調(diào)度周期為1天,分為24個(gè)時(shí)段。該區(qū)域電網(wǎng)包括10臺(tái)火電機(jī)組和一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。該風(fēng)電場(chǎng)由100臺(tái)單機(jī)容量為2 MW的風(fēng)電機(jī)組成,其切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為為3 m/s、10.28 m/s和15 m/s。使用如圖1所示的特定風(fēng)電場(chǎng)全年風(fēng)速值統(tǒng)計(jì)得到的平均風(fēng)速曲線作為24 h風(fēng)速預(yù)測(cè)值曲線,各時(shí)段的威布爾分布參數(shù)如表1所示?;痣姍C(jī)組的爬坡率如表2所示,火電機(jī)組其他參數(shù)與負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如文獻(xiàn)[12]所示,火電機(jī)組正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量成本系數(shù)為3美元/MWh、電量成本系數(shù)30美元/MWh;ILL市場(chǎng)參數(shù)、ILH市場(chǎng)參數(shù)和用戶激勵(lì)市場(chǎng)參數(shù)分別如表3、表4、表5所示。
表2 火電機(jī)組的爬坡率
表3 ILL市場(chǎng)參數(shù)
表4 ILH市場(chǎng)參數(shù)
表5 用電激勵(lì)市場(chǎng)的參數(shù)
為證明本文所提供需側(cè)備用協(xié)調(diào)優(yōu)化的優(yōu)越性,將不同備用相互組合,共構(gòu)成8個(gè)模式,如表6所示。其中模式1、模式4、模式5的風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃出力對(duì)比如圖3所示。
表6 不同模式下的備用組合情況
圖3 風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃出力對(duì)比
由圖3中,模式1和模式5的風(fēng)電計(jì)劃出力曲線可以得出,可中斷負(fù)荷的引入,提高了風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃出力,當(dāng)風(fēng)速值較大時(shí),風(fēng)電計(jì)劃出力接近額定出力。這是因?yàn)轱L(fēng)電出力不足成本與風(fēng)電出力盈余成本是一對(duì)互斥函數(shù),又因?yàn)榭芍袛嘭?fù)荷作為一種虛擬備用資源,與正旋轉(zhuǎn)備用協(xié)調(diào)調(diào)用后,相當(dāng)于既增大了系統(tǒng)的正旋轉(zhuǎn)備用容量,又降低了正旋轉(zhuǎn)備用容量的成本系數(shù),這就使風(fēng)電出力的差值朝著出力不足的方向優(yōu)化,最后導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃出力提高。由模式1和模式4的風(fēng)電計(jì)劃出力曲線可以得出,激勵(lì)負(fù)荷的引入,降低了風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃出力。這是由于引入激勵(lì)負(fù)荷相當(dāng)于降低了風(fēng)電場(chǎng)盈余成本的成本系數(shù),使風(fēng)電出力的差值朝著出力盈余的方向優(yōu)化,最后導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃出力降低。
各模式下成本對(duì)比如表7所示,備用容量對(duì)比圖如圖4所示。
表7 成本對(duì)比美元
圖4 備用容量對(duì)比
由表7可以看出,模式8與其他模式相比,燃料成本達(dá)到最低,與模式1相比,燃料成本下降高達(dá)1.70%。結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)其原因,柔性負(fù)荷的引入明顯地降低發(fā)電機(jī)側(cè)備用容量,使燃料成本低的機(jī)組運(yùn)行于更經(jīng)濟(jì)高效的負(fù)載水平,從而降低了燃料成本。
由表7可知,模式1與其他模式相比,總備用成本最高,這是因?yàn)閲?yán)重的容量事故為系統(tǒng)運(yùn)行中的小概率事件,所以模式1的備用閑置問題嚴(yán)重,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,供需側(cè)備用聯(lián)合調(diào)度帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更明顯。模式8與模式5相比,系統(tǒng)的總備用成本降低,證明將用電激勵(lì)市場(chǎng)配合可中斷負(fù)荷市場(chǎng)同時(shí)應(yīng)用到含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)調(diào)度中,會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益,即本文將文獻(xiàn)[6]中的觀點(diǎn)延伸到激勵(lì)負(fù)荷與負(fù)旋轉(zhuǎn)備用協(xié)調(diào)配置上是合理的。模式8的總成本明顯低于其他模式,表明本文所提的供需側(cè)聯(lián)合調(diào)度模型是有效的,其通過風(fēng)險(xiǎn)管理使不同經(jīng)濟(jì)特性的備用協(xié)調(diào)優(yōu)化,經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。
本文針對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)性和隨機(jī)性,構(gòu)造了發(fā)電側(cè)備用成本模型與柔性負(fù)荷成本模型,通過風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)各種備用協(xié)調(diào)優(yōu)化,建立計(jì)及供需側(cè)備用協(xié)調(diào)優(yōu)化的含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,最后使用細(xì)菌群體趨藥性算法對(duì)所提模型進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了所提模型的正確性、有效性,并且算例表明所提模型一方面能減小傳統(tǒng)調(diào)度模式中的備用閑置現(xiàn)象;另一方面,不同經(jīng)濟(jì)特性的備用協(xié)調(diào)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),二者均提高了調(diào)度總成本的經(jīng)濟(jì)性。
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