消納大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)源荷協(xié)同調(diào)度

禤培正，雷佳，華棟，鐘一鳴

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026)

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消納大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)源荷協(xié)同調(diào)度

禤培正1，雷佳1，華棟1，鐘一鳴2

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026)

大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)將給傳統(tǒng)調(diào)度體系帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，充分利用負(fù)荷側(cè)的可調(diào)度資源能緩解電網(wǎng)的調(diào)度壓力。為了使發(fā)電側(cè)和用電側(cè)均參與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，對(duì)可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行建模，建立了含多種可控負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度模型；采用極限場(chǎng)景法處理風(fēng)電的波動(dòng)場(chǎng)景并調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行計(jì)算。算例結(jié)果表明：源荷協(xié)同調(diào)度方式能使峰谷差下降389MW，并提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力，使最大能接納的風(fēng)電滲透率由11%上升至21%。

源荷協(xié)同調(diào)度；風(fēng)電接納能力；可中斷負(fù)荷；可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

目前，發(fā)展新能源已成為全球研究的熱點(diǎn)，以風(fēng)電為代表的新能源具有間歇性及隨機(jī)性的特點(diǎn)，這加劇了電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)峰問(wèn)題和備用需求的優(yōu)化問(wèn)題[1-2]。在傳統(tǒng)的電源側(cè)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，通常采用常規(guī)機(jī)組預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用的方式來(lái)消納風(fēng)電的出力波動(dòng)，但常規(guī)機(jī)組的調(diào)節(jié)能力有限，可能無(wú)法滿足大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下的調(diào)峰要求[3-5]。用戶側(cè)參與調(diào)度控制將是未來(lái)電力系統(tǒng)調(diào)度的有效補(bǔ)充方式。

負(fù)荷種類多樣，有一部分負(fù)荷用電時(shí)間是靈活的，如加熱、制冷、電動(dòng)汽車等，這種負(fù)荷統(tǒng)稱為可控負(fù)荷?？煽刎?fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度能緩解系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，提高接納間歇性新能源的能力[6-8]。目前，負(fù)荷側(cè)參與調(diào)度的相關(guān)研究多集中在電力市場(chǎng)環(huán)境下的可中斷負(fù)荷模型，可中斷負(fù)荷管理是電力市場(chǎng)環(huán)境下需求側(cè)管理的重要組成部分，與電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)[9]。文獻(xiàn)[9]考慮了停電持續(xù)時(shí)間和停電總次數(shù)約束，以購(gòu)買費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)求解出最優(yōu)的可中斷負(fù)荷購(gòu)買方案。文獻(xiàn)[10]針對(duì)實(shí)施可中斷負(fù)荷管理過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)可中斷負(fù)荷管理中的用戶響應(yīng)進(jìn)行分析，建立了用戶響應(yīng)模型。文獻(xiàn)[11]在分時(shí)電價(jià)的環(huán)境下，建立了微網(wǎng)中分布式電源與需求側(cè)負(fù)荷優(yōu)化管理的協(xié)調(diào)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[12-13]在含風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中考慮了價(jià)格型需求響應(yīng)，以提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。上述文獻(xiàn)建立的模型大部分只考慮可中斷負(fù)荷，缺乏定量分析可控負(fù)荷對(duì)提升風(fēng)電接納能力的作用。文章[14]綜合考慮源荷協(xié)調(diào)對(duì)風(fēng)電消納和系統(tǒng)運(yùn)行的影響并建立了源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型，但仍采用傳統(tǒng)的備用整定法來(lái)處理風(fēng)電的隨機(jī)性。本文考慮了多種可控負(fù)荷，通過(guò)分析可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的運(yùn)行特性建立了一種消納大規(guī)模風(fēng)電的源荷協(xié)同調(diào)度模型，并采用極限場(chǎng)景法處理風(fēng)電的波動(dòng)場(chǎng)景，所述方法在某地區(qū)電網(wǎng)中進(jìn)行了算例驗(yàn)證。

1　含風(fēng)電的安全約束機(jī)組組合模型

某電網(wǎng)包含G臺(tái)火電機(jī)組數(shù)，W個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，調(diào)度周期為T。其中，g=1，2，…，G；w=1，2，…，W；t=1，2，…，T。含風(fēng)電的安全約束機(jī)組組合(security-constrainedunitcommitment，SCUC)模型如下。

1.1目標(biāo)函數(shù)

采用預(yù)測(cè)場(chǎng)景下的運(yùn)行成本作為目標(biāo)函數(shù)，如式(1)所示。

(1)

式中：F(g,t)和Su(g,t)分別為發(fā)電成本和啟動(dòng)成本，其中發(fā)電成本采用式(2)的二次函數(shù)。

F(g,t)=(agp2(g,t)+bgp(g,t)+cg)I(g,t).(2)

其中，p(g,t)、I(g,t)分別為火電機(jī)組g在時(shí)段t的輸出功率和啟停狀態(tài)變量，系數(shù)ag、bg、cg通過(guò)實(shí)際運(yùn)行或?qū)嶒?yàn)獲得。啟動(dòng)成本由式(3)計(jì)算所得，其中Su,g為機(jī)組g的啟動(dòng)費(fèi)用。

(3)

1.2約束方程

各約束方程分別如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2　源荷協(xié)同調(diào)度模型

一般來(lái)說(shuō)，負(fù)荷D(t)包括不變負(fù)荷Dnc(t)和可控負(fù)荷Dc(t)兩部分，為方便討論，本文將可控負(fù)荷分為可中斷負(fù)荷D1(t)和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷D2(t)兩種。其中，可中斷負(fù)荷是指用戶負(fù)荷中心可以中斷的部分，典型的可中斷負(fù)荷有電動(dòng)汽車等。通過(guò)采用合理的中斷策略能降低電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，提高接納新能源的能力?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷是指用戶負(fù)荷中心可以轉(zhuǎn)移的部分。在調(diào)度周期內(nèi)，將高峰時(shí)段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段，可起到削峰填谷的作用，提高常規(guī)機(jī)組的運(yùn)行效率。

在上述建立的SCUC模型的基礎(chǔ)上考慮C1個(gè)可中斷負(fù)荷與C2個(gè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，則功率平衡方程為

(11)

(12)

(13)

(14)

用戶按照合同規(guī)定中斷和轉(zhuǎn)移負(fù)荷，電力公司給予用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。調(diào)整后的目標(biāo)函數(shù)如式(16)所示，其中用戶的補(bǔ)償費(fèi)用與中斷電量及轉(zhuǎn)移電量成正比，λ為單位中斷電量的補(bǔ)償費(fèi)用，μ為單位轉(zhuǎn)移電量的補(bǔ)償費(fèi)用。

3　風(fēng)電場(chǎng)的魯棒求解

3.1場(chǎng)景描述

采用場(chǎng)景法描述風(fēng)電出力的不確定性。對(duì)于包含W個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)，在某調(diào)度時(shí)段各風(fēng)電場(chǎng)可能出現(xiàn)的一組出力集合記為場(chǎng)景si，即

(17)

式中：p′max(w)、p′min(w)構(gòu)成了風(fēng)電場(chǎng)w的置信區(qū)間，是一定置信概率下的波動(dòng)范圍。

所有風(fēng)電場(chǎng)的出力均為預(yù)測(cè)值時(shí)稱之為預(yù)測(cè)場(chǎng)景，否則為誤差場(chǎng)景。風(fēng)電出力在波動(dòng)范圍內(nèi)是連續(xù)隨機(jī)的，誤差場(chǎng)景有無(wú)窮多個(gè)。假設(shè)時(shí)段t發(fā)生場(chǎng)景si，若仍采用預(yù)測(cè)場(chǎng)景下的發(fā)電計(jì)劃，將產(chǎn)生功率缺額，故應(yīng)適當(dāng)調(diào)整常規(guī)機(jī)組的出力保證場(chǎng)景si下滿足功率平衡。如果能在調(diào)整時(shí)間約束內(nèi)完成機(jī)組的出力調(diào)整，則認(rèn)為該發(fā)電計(jì)劃能適應(yīng)場(chǎng)景si。

3.2場(chǎng)景識(shí)別

為保證調(diào)度的安全性，發(fā)電計(jì)劃需適應(yīng)所有可能出現(xiàn)的誤差場(chǎng)景，由于誤差場(chǎng)景個(gè)數(shù)太多，需要從中刷選出有效的場(chǎng)景。如果場(chǎng)景中每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的出力都處于置信區(qū)間的上限或下限，則稱之為極限場(chǎng)景[15-16]。文獻(xiàn)[17]證明了只要模型的解能適應(yīng)極限場(chǎng)景，則必然能適應(yīng)置信區(qū)間內(nèi)所有的誤差場(chǎng)景。換言之，極限場(chǎng)景集在應(yīng)對(duì)風(fēng)電的波動(dòng)區(qū)間時(shí)具有完全的代表性。以兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為例，極限場(chǎng)景集的選取方法如圖1所示。

圖1　極限場(chǎng)景的選擇方法

最極端的情況是，魯棒調(diào)度涵蓋了所有可能性(極限場(chǎng)景取為風(fēng)電的零出力和最大出力)，但存在過(guò)于保守、對(duì)目標(biāo)函數(shù)犧牲過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通常通過(guò)給定一個(gè)小于1的置信概率來(lái)獲取風(fēng)電的波動(dòng)范圍，即極限場(chǎng)景集。該極限場(chǎng)景集忽略了某些小概率的極端波動(dòng)情況，使調(diào)度方案能適應(yīng)絕大部分的風(fēng)電波動(dòng)并能得到相對(duì)較優(yōu)的發(fā)電成本。

風(fēng)電的出力波動(dòng)主要對(duì)電網(wǎng)調(diào)度造成兩方面的影響，一是棄風(fēng)和切負(fù)荷損失，這體現(xiàn)在式(11)描述的功率平衡約束；二是線路潮流越限，這體現(xiàn)在式(10)描述的線路潮流約束。為保證調(diào)度的安全性，需保證式(10)和式(11)在風(fēng)電波動(dòng)區(qū)間內(nèi)均滿足要求。

4　算例分析

采用某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)算，包含15臺(tái)火電機(jī)組和5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電、負(fù)荷的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和機(jī)組參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。根據(jù)文獻(xiàn)[9]所給的可控負(fù)荷參數(shù)，本文考慮2個(gè)可中斷負(fù)荷和3個(gè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，見(jiàn)表3。

表1負(fù)荷及風(fēng)電的預(yù)測(cè)出力MW

時(shí)段負(fù)荷風(fēng)電出力時(shí)段負(fù)荷風(fēng)電出力128202501336923772270525414352039632614233153216409425422111632864305247022517367045062446219183920455726222561939504288281830620370240593074330213434396103410342223170385113665363232980363123704370242920340

表2火電機(jī)組參數(shù)

機(jī)組編號(hào)負(fù)荷上限/MW負(fù)荷下限/MW向上爬坡率/(MW·min-1)向下爬坡率/(MW·min-1)1400250332400250333300160334300160335290150336290150337290150338290150339200602210200602211130702212130702213130702214120302215803022

表3　可控負(fù)荷的參數(shù)

源荷協(xié)同調(diào)度模型是多場(chǎng)景、高維度的混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。對(duì)模型的成本函數(shù)進(jìn)行分段線性化后，調(diào)用成熟的求解器CPLEX.12.1進(jìn)行求解，測(cè)試環(huán)境為內(nèi)存4 GB、主頻2.6 Hz 的個(gè)人計(jì)算機(jī)。可控負(fù)荷參與調(diào)度，出力曲線如圖2所示。

圖2　可控負(fù)荷變化曲線

顯然，源荷協(xié)同調(diào)度方式有利于降低電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，削峰填谷，提高機(jī)組運(yùn)行效率。本例中，源荷協(xié)同調(diào)度方式將負(fù)荷峰谷差由1 504MW降低至1 115MW，如圖3所示。

圖3　調(diào)整前后負(fù)荷曲線

對(duì)傳統(tǒng)電源側(cè)調(diào)度和源荷協(xié)同調(diào)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。源荷協(xié)同調(diào)度通過(guò)合理中斷和轉(zhuǎn)移可控負(fù)荷，減少火電機(jī)組開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，從而降低了發(fā)電成本。即使考慮補(bǔ)償給用戶的額外費(fèi)用，該調(diào)度方式仍較傳統(tǒng)調(diào)度方式具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

表4兩種方法對(duì)比

方法火電開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)發(fā)電成本/萬(wàn)元補(bǔ)償費(fèi)用/萬(wàn)元總費(fèi)用/萬(wàn)元電源側(cè)調(diào)度14876.76110876.7611源荷協(xié)同調(diào)度10809.923453.8863.7234

在含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)中，調(diào)度計(jì)劃能否有效跟隨風(fēng)電的出力至關(guān)重要。當(dāng)風(fēng)電出力波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)出現(xiàn)有功不平衡，要求在調(diào)整時(shí)間tc內(nèi)完成機(jī)組出力的調(diào)整，使電網(wǎng)恢復(fù)功率平衡。火電機(jī)組的出力調(diào)整受到上下限及爬坡率的雙重限制，調(diào)整時(shí)間內(nèi)機(jī)組的下調(diào)容量d(t)和上調(diào)容量u(t)分別根據(jù)式(18)和式(19)計(jì)算。

(18)

(19)

以風(fēng)電出力發(fā)生向下波動(dòng)為例，為維持有功平衡要求常規(guī)機(jī)組向上調(diào)整出力?；痣姍C(jī)組各時(shí)段的上調(diào)容量如圖4所示。在負(fù)荷高峰時(shí)段(t=17～19 h)，由于火電機(jī)組出力接近上限值，向上調(diào)節(jié)容量不足，當(dāng)風(fēng)電出力向下波動(dòng)較大時(shí)，單靠電源側(cè)的調(diào)整可能無(wú)法維持有功平衡，從而影響電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。當(dāng)考慮可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用時(shí)，將極大地提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。此時(shí)，電網(wǎng)能適應(yīng)風(fēng)電絕大部分的出力波動(dòng)。

圖4　火電及可控負(fù)荷能提供的上調(diào)容量對(duì)比

隨著風(fēng)電滲透率的增加，風(fēng)電的出力波動(dòng)也將增大，當(dāng)滲透率足夠大時(shí)，電網(wǎng)將無(wú)法維持有功平衡，需采用切負(fù)荷和棄風(fēng)措施。此時(shí)，認(rèn)為調(diào)度計(jì)劃無(wú)法接納這種情況下的風(fēng)電波動(dòng)。在本文算例中，4種調(diào)度方案的風(fēng)電接納能力見(jiàn)表5。可見(jiàn)，采用源荷協(xié)同調(diào)度方式能夠有效提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力。

表54種方法的風(fēng)電接納能力

方法最大能接納的風(fēng)電滲透率/%傳統(tǒng)的電源側(cè)調(diào)度11考慮可中斷負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度13考慮可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度19同時(shí)考慮兩種可控負(fù)荷的源荷協(xié)同調(diào)度21

5　結(jié)論與展望

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰和風(fēng)電的消納水平提出了更高的要求，通過(guò)合理控制負(fù)荷側(cè)的可調(diào)度資源能夠有效緩解調(diào)度的壓力。本文綜合考慮可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷兩種類型的可控負(fù)荷，在傳統(tǒng)SCUC模型的基礎(chǔ)上建立了源荷協(xié)同調(diào)度模型并調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解。算例表明，源荷協(xié)同調(diào)度方式通過(guò)合理地中斷和轉(zhuǎn)移可控負(fù)荷，起到了削峰填谷的作用，降低了發(fā)電成本并提高了風(fēng)電消納水平。

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(編輯查黎)

Source-load Coordination Dispatching for Power System Considering Large-scaleWindPowerAccommodation

XUAN Peizheng1, LEI Jia1, HUA Dong1, ZHONG Yiming2

(1.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou，Guangdong510641，China; 2.DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

Large-scalewindpowerintegrationintothepowergridmaybringnewchallengestotraditionaldispatchingsystemandfullutilizationofload-sideschedulableresourcescanremitdispatchingpressureofthepowergrid.Inordertomakebothgenerationsideandusersideparticipateineconomicdispatchingforthepowergrid,thispapersetsupmodelsforinterruptibleloadandtransferableloadaswellasthesource-loadcoordinationdispatchingmodelincludingmultiplecontrollableload.ItusesextremescenariomethodtodisposefluctuationscenarioofwindpowerandCPLEXsolverforcalculation.Theresultsindicatethatthemodeofsource-loadcoordinationdispatchingcanmakethepeakvalleydifferencedecrease389MWandimprovewindpoweracceptancecapacityofthepowergrid,ofwhichthemaximumacceptablewindpowerpermeabilityrisesfrom11%to21%.

source-loadcoordinationdispatching;windpoweracceptancecapacity;interruptibleload;transferableload

2016-02-03

2016-06-07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015AA050201)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.003

TM71

A

1007-290X(2016)08-0011-06

禤培正(1990)，男，廣東肇慶人。在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。

雷佳(1992)，女，湖南永州人。在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。

華棟(1976)，女，上海人。講師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)、新能源并網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)。