風(fēng)蓄協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行建模與仿真分析

李志偉，孫彩云，徐詠冬，劉紅江

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引 言

風(fēng)能作為清潔可再生能源是解決全球日益緊張的環(huán)境污染問題與能源危機(jī)的重要措施。風(fēng)電功率預(yù)測精度不高及風(fēng)電本身較強(qiáng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性及反調(diào)峰性等問題，給電網(wǎng)消納風(fēng)電帶來極大的挑戰(zhàn)，且風(fēng)電場存在嚴(yán)重的棄能現(xiàn)象，制約了風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展[1-2]。抽水蓄能電站作為儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場配合運(yùn)行可以改善風(fēng)電的不良特性，且具有技術(shù)成熟、建設(shè)成本低、容量大等優(yōu)點(diǎn)[3]。

如何建立科學(xué)全面的風(fēng)電-抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行模型及采用何種仿真求解算法是當(dāng)前國內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[4-7]建立了風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行模型，并以風(fēng)電場的運(yùn)行效益與風(fēng)電場輸出功率平滑度作為目標(biāo)函數(shù)，采用不同的智能優(yōu)化算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8-9]在建立的聯(lián)合優(yōu)化模型中分別加入了實(shí)際運(yùn)行偏離協(xié)約負(fù)荷的懲罰因素與可逆式水輪機(jī)的啟停費(fèi)用因素，進(jìn)一步提高了聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行的全面性與有效性。文獻(xiàn)[10]以聯(lián)合系統(tǒng)最小棄風(fēng)量為目標(biāo)，建立協(xié)調(diào)運(yùn)行整數(shù)規(guī)劃模型，提高了風(fēng)能的利用率。

基于先前研究背景，本文綜合考慮聯(lián)合系統(tǒng)偏離規(guī)劃出力的懲罰、風(fēng)電場棄能懲罰、抽水蓄能電站轉(zhuǎn)換能耗及機(jī)組啟停費(fèi)用等多種約束限制因素，并設(shè)置離散的獎(jiǎng)勵(lì)懲罰性電價(jià)[11]建立最優(yōu)模型，采用改進(jìn)的克隆選擇算法對模型進(jìn)行仿真分析，模擬仿真結(jié)果表明了本文所建聯(lián)合運(yùn)行模型的全面性與求解算法的有效性。

1 風(fēng)電-抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型

要確定優(yōu)化地區(qū)次日n個(gè)時(shí)段(一個(gè)運(yùn)行日分為24個(gè)時(shí)段，不是指的某個(gè)時(shí)刻，而是時(shí)間段)的電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測值Pfyj及風(fēng)電場n個(gè)時(shí)段的出力預(yù)測值Pvj，聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)綜合分析之后申報(bào)次日n個(gè)時(shí)段聯(lián)合出力在電網(wǎng)負(fù)荷所占的比例λj，即確定聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃出力Pgj。加入多種約束懲罰因素后以風(fēng)電場實(shí)際收益最大，實(shí)際入網(wǎng)功率與規(guī)劃入網(wǎng)功率偏差程度最小為最優(yōu)目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

1.1.1風(fēng)電場凈收益

風(fēng)電場的實(shí)際收益F1包含以下幾個(gè)部分組成：

1)凈上網(wǎng)電量收益f1

(1)

式中：n為運(yùn)行日優(yōu)化時(shí)段；Cj、Cpj分別為第j時(shí)段的入網(wǎng)電價(jià)與抽水電價(jià)；Pwj、Phj、Ppj分別為第j時(shí)段的風(fēng)電直接入網(wǎng)功率、水電機(jī)組與水泵運(yùn)行功率。

2)聯(lián)合系統(tǒng)偏離規(guī)劃出力懲罰f2

(2)

式中：Cplj為第j時(shí)段聯(lián)合系統(tǒng)偏離規(guī)劃出力懲罰單價(jià)；Pgj為第j時(shí)段規(guī)劃出力。

3)風(fēng)電場棄能Pqj懲罰f3

(3)

式中：Cqj為第j時(shí)段風(fēng)電場棄能懲罰單價(jià)；Pvj為第j時(shí)段風(fēng)電場捕獲風(fēng)能。

4)水電機(jī)組啟停懲罰費(fèi)用f4，把水電機(jī)組啟停懲罰費(fèi)用折算成抽水發(fā)電機(jī)組的損耗費(fèi)用，即：

(4)

式中：Cpfj、Chfj分別為第j時(shí)段水泵抽水、水電機(jī)組發(fā)電懲罰單價(jià)。

5)抽水蓄能電站抽水發(fā)電轉(zhuǎn)換能耗懲罰f5

(5)

式中：Czhj為第j時(shí)段轉(zhuǎn)換能耗懲罰單價(jià)；ηp，ηh分別為抽水發(fā)電轉(zhuǎn)換效率。

綜上分析得出，風(fēng)電場的實(shí)際收益為：

F1=f1-(f2+f3+f4+f5)

(6)

即風(fēng)電場凈上網(wǎng)電量收益減掉所有懲罰款項(xiàng)，優(yōu)化目的是要求得風(fēng)電場實(shí)際收益的最大值，即maxF1。

1.1.2風(fēng)電場入網(wǎng)質(zhì)量

設(shè)置風(fēng)電場實(shí)際入網(wǎng)功率與規(guī)劃入網(wǎng)功率的偏離最小為目標(biāo)(入網(wǎng)質(zhì)量)，即：

(7)

1.2 約束條件

1.2.1不等式約束

1)聯(lián)合系統(tǒng)入網(wǎng)出力約束

(1-α)λjPfyj≤Pwj+Phj≤(1+α)λjPfyj

(8)

式中：α為聯(lián)合系統(tǒng)入網(wǎng)功率在規(guī)劃出力基礎(chǔ)上允許波動(dòng)的比例；λjPfyj第j時(shí)段規(guī)劃出力。

2)水電機(jī)組發(fā)電功率約束

(9)

式中：Phmin、Phmax分別為水電機(jī)組發(fā)電出力最小值與最大值；ηh為蓄能電站發(fā)電效率；Qmin為蓄能電站最小儲能值；Qj為第j時(shí)段蓄能電站儲能值。

3)抽水功率約束

(10)

式中：Ppmin、Ppmax為水泵機(jī)組抽水最小功率與最大功率；ηp為抽水效率；Qmax為蓄能電站最大儲能值。

1.2.2等式約束

Pvj=Pwj+Ppj+Pqj

(11)

(12)

Pgj=λjPfyj

(13)

Plj=Pwj+Phj

(14)

Ppj×Phj=0

(15)

式中：Plj為第j時(shí)段聯(lián)合系統(tǒng)入網(wǎng)功率。

2 改進(jìn)的克隆選擇算法

所建優(yōu)化模型的求解是一個(gè)多約束、非線性的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題，并且模型變量之間的取值相互制約相互影響，給算法帶來很大難度。本文采用改進(jìn)的克隆選擇算法對模型進(jìn)行仿真分析，借鑒文獻(xiàn)[12]的方法，采用混和變異策略，可以加快搜尋全局最優(yōu)解，并且能夠提高解的精度及多樣性。算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程圖

3 算例分析

3.1 算例構(gòu)成與參數(shù)設(shè)置

虛擬出我國某地次日各時(shí)段負(fù)荷預(yù)測均值Pfyj及風(fēng)電場出力預(yù)測均值Pvj，對Pfyj、Pvj進(jìn)行計(jì)算分析并以激勵(lì)更多風(fēng)電參與電網(wǎng)調(diào)峰為目的，申報(bào)次日n個(gè)時(shí)段聯(lián)合出力在電網(wǎng)負(fù)荷所占的比例λj，從而得出聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃出力Pgj；設(shè)置帶有激勵(lì)與懲罰性質(zhì)的動(dòng)態(tài)離散入網(wǎng)電價(jià)。各變量每個(gè)時(shí)段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示，表中出現(xiàn)的各能量值單位為MW·h，電價(jià)單位為元/MW·h。

各參數(shù)設(shè)置：優(yōu)化時(shí)段n=24；Cpj=0.25Cj；Cplj=0.1Cj；Cqj=0.15Cj；Cpfj=Chfj=50元/MW·h；ηp=0.8；ηh=0.9；Czhj=0.1Cj；上水庫初始儲能Q0=0；Qmax=1 000 MW·h；風(fēng)電場裝機(jī)容量600 MW；抽水蓄能電站裝機(jī)裝機(jī)容量為150 MW(5×30 MW機(jī)組)；Ppmin=Phmin=0；Ppmax=Phmax=150 MW。

表1 各變量每個(gè)時(shí)段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.2 算例求解與分析

α取20%，設(shè)置算法初始種群規(guī)模N=200，外部記憶庫Bmk中保留的Pareto解的最大個(gè)數(shù)nmax2為100，運(yùn)行200代，每代被選取進(jìn)行下一代進(jìn)化操作的最大個(gè)體數(shù)nmax1取50，每一個(gè)克隆擴(kuò)增為原來的四倍。按照圖1所示克隆選擇算法流程在MATLAB7.0以上的軟件中進(jìn)行程序代碼的編寫，對所建優(yōu)化模型進(jìn)行仿真求解，得出加入抽水蓄能電站優(yōu)化前后各項(xiàng)懲罰金額如表2所示，聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)在各時(shí)段的入網(wǎng)Plj出力如圖2所示，各時(shí)段水泵抽水出力Ppj、水電機(jī)組發(fā)電出力Phj及上水庫庫容Qj如圖3所示。

圖2 聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)輸出功率

表2 有無抽水蓄能電站各項(xiàng)懲罰金額比較 萬元

圖3 各時(shí)段抽水、發(fā)電及上水庫庫容功率值

由表2可得,風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)棄能懲罰為1.26萬元，比風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行棄能懲罰6.78萬元減少了5.52萬元，說明聯(lián)合運(yùn)行減少了棄能，提高了能源利用率；聯(lián)合運(yùn)行入網(wǎng)功率偏離規(guī)劃出力懲罰為7.18萬元，比風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行偏離懲罰9.18萬元減少了2.00萬元，說明聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)減小了輸出功率與規(guī)劃入網(wǎng)功率之間的偏離程度；聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)水電機(jī)組抽水發(fā)電啟停損耗費(fèi)用為8.97萬元；聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)抽水發(fā)電轉(zhuǎn)換能耗費(fèi)用為1.69萬元；由式(6)算出聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)凈收益為656.36萬元，比風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行凈收益600.92萬元多了55.44萬元。

由圖2可以看出,各時(shí)段聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)入網(wǎng)功率在規(guī)劃入網(wǎng)功率附近波動(dòng)，偏離很小。

由圖3可以看出,在低電價(jià)即電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段，水泵抽水，把多余的風(fēng)能以勢能形式儲存在上水庫，水庫儲能增加，在高電價(jià)即電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段，水電機(jī)組啟動(dòng)，上水庫儲存的勢能重新入網(wǎng)，水庫儲能減少，抽水和發(fā)電沒有同時(shí)進(jìn)行。

4 結(jié)束語

針對風(fēng)電自身較強(qiáng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性及反調(diào)峰性等不良特性導(dǎo)致大量棄能及入網(wǎng)困難的現(xiàn)狀，本文建立了風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模式。仿真分析表明：抽水蓄能電站對風(fēng)電場捕獲的風(fēng)能根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷及入網(wǎng)電價(jià)在時(shí)間上進(jìn)行“搬運(yùn)”，實(shí)現(xiàn)了調(diào)峰作用，減少了棄能，增加風(fēng)電場的效益；聯(lián)合系統(tǒng)能夠減小實(shí)際入網(wǎng)功率與規(guī)劃入網(wǎng)功率之間的偏離程度，提高了風(fēng)電的可靠性；聯(lián)合系統(tǒng)能夠提供優(yōu)化日各時(shí)段水泵、水電機(jī)組的出力調(diào)度值，為調(diào)度中心提供參考。