含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法

韓江麗，肖白，韓江樂(lè)

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580)

近些年，為了應(yīng)對(duì)化石能源短缺和減輕環(huán)境污染的問(wèn)題，我國(guó)大力開(kāi)發(fā)和利用可再生能源發(fā)電[1-3].與此同時(shí)，大規(guī)模并網(wǎng)的風(fēng)電和光電因其出力具有波動(dòng)性和隨機(jī)性而給電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)很大困難，導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象更加頻發(fā)，造成了大量的能源浪費(fèi)[4-5].正是在這種情況下，關(guān)于含風(fēng)光水火蓄(儲(chǔ))的多能源電力系統(tǒng)中的多能互補(bǔ)性分析[6]、優(yōu)化調(diào)度策略[7-14]成為了研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn).

文獻(xiàn)[7]考慮檢修計(jì)劃影響、梯級(jí)水電站間水力約束以及風(fēng)力、熱力與電力相互耦合的復(fù)雜約束，建立了風(fēng)水火長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[8]以最小化火電機(jī)組運(yùn)行成本、棄風(fēng)量、棄光量、棄水量為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建了考慮風(fēng)光水火時(shí)空互補(bǔ)特性的多能源基地聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[9]基于能源集線器并以總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)構(gòu)建了包含儲(chǔ)能、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、柔性負(fù)荷在內(nèi)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)供需聯(lián)合日前優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[10]圍繞水火風(fēng)光復(fù)雜發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)，解析超大規(guī)模電站群調(diào)度大數(shù)據(jù)特征及相互關(guān)系，應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建超大規(guī)模多源發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度軟件.文獻(xiàn)[11]將抽蓄、常規(guī)水電、火電、核電4種電源作為獨(dú)立子問(wèn)題，以系統(tǒng)負(fù)荷為關(guān)聯(lián)因子，提出網(wǎng)間電力分配二次規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)多種電源多個(gè)電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行.文獻(xiàn)[12]提出一種基于功率多頻率尺度分析的多能源系統(tǒng)日前調(diào)度策略.現(xiàn)有研究大多集中在風(fēng)光水火蓄等單獨(dú)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，或?qū)ι贁?shù)幾種能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建模仿真、優(yōu)化配置、調(diào)度方法等方面[13-14]，而對(duì)同時(shí)考慮風(fēng)光水氣火蓄的多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化發(fā)電調(diào)度方法卻未見(jiàn)報(bào)道.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種能夠提高含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)中可再生能源消納能力的日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法.首先，以保證火電機(jī)組最小經(jīng)濟(jì)出力和可調(diào)節(jié)水電站強(qiáng)迫出力為前提確定可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域.其次，綜合考慮風(fēng)-光-徑流水出力與可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域之間的關(guān)系，構(gòu)建含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法.若風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力不超出可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域，則優(yōu)先安排可調(diào)節(jié)水電發(fā)電承擔(dān)剩余負(fù)荷；若仍有剩余負(fù)荷，則根據(jù)火氣蓄發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性確定發(fā)電次序安排發(fā)電.若風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力超出可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域，則安排抽水蓄能抽蓄電站(簡(jiǎn)稱抽蓄電站)進(jìn)行抽水；若仍然超出，則根據(jù)風(fēng)-光-徑流水發(fā)電的裝機(jī)容量比例調(diào)降各自出力.最后，通過(guò)對(duì)青海省的工程實(shí)例進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本文方法的有效性.

1 確定可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域

本文引入“可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域”的概念對(duì)電網(wǎng)接納可再生能源的能力進(jìn)行量化分析.可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域是系統(tǒng)負(fù)荷與火電理論出力下限和可調(diào)節(jié)水電強(qiáng)迫出力的差值，如圖1所示，可表示為

，

(1)

公式中：PL為系統(tǒng)負(fù)荷；PG.min為火電最小經(jīng)濟(jì)技術(shù)出力；PH1.min為可調(diào)節(jié)水電強(qiáng)迫出力.

而火電的平均最小經(jīng)濟(jì)技術(shù)出力PG.min不是固定不變的，其表達(dá)式為

PG.min=λPGN

，

(2)

公式中：λ為火電平均最小經(jīng)濟(jì)技術(shù)出力系數(shù)，可由火電機(jī)組的檢修安排來(lái)確定其值[15]；PGN為火電的裝機(jī).

2 構(gòu)建多能源電力系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電模型

本文中“風(fēng)、光、徑流水出力”表示三者各自的出力，“風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力”表示三者聯(lián)合發(fā)電，共同輸出的功率.多能源電力系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電模型邏輯圖如圖2所示.在安排發(fā)電時(shí)，應(yīng)滿足各時(shí)刻負(fù)荷與多種異質(zhì)能源發(fā)電之間功率平衡關(guān)系

PL(t)=PG(t)+PZ(t)+PH1(t)+PH2(t)+PN(t)

，

(3)

公式中：PL(t)為t時(shí)刻負(fù)荷需求；PG(t)為t時(shí)刻火電出力；PZ(t)為t時(shí)刻風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力；PH1(t)為t時(shí)刻可調(diào)節(jié)水電出力；PH2(t)為t時(shí)刻抽蓄電站出力；PN(t)為t時(shí)刻燃?xì)怆姀S出力.

為保證火電、水電及燃?xì)怆姀S穩(wěn)定運(yùn)行，即在保證火電最小經(jīng)濟(jì)技術(shù)出力和水電強(qiáng)迫出力的前提下，結(jié)合所確定的可再生能源發(fā)電運(yùn)行可行域，公式(3)可轉(zhuǎn)換為

PL(t)=PG.min(t)+ΔPG(t)+PZ(t)+PH1.min(t)+ΔPH1(t)+PH2(t)+PN(t)

，

(4)

公式中：ΔPG(t)、ΔPH1(t)為火電、可調(diào)節(jié)水電在既定負(fù)荷下的調(diào)節(jié)出力.

由公式(1)和公式(4)可得

Plimit(t)=ΔPG(t)+ΔPH1(t)+PN(t)+PZ(t)+PH2(t)

，

(5)

公式中：PN(t)為t時(shí)刻燃?xì)怆姀S出力；PZ(t)為t時(shí)刻風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力；PH2(t)為t時(shí)刻抽蓄電站出力.

根據(jù)以上分析，可將含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法按2.1節(jié)與2.2節(jié)的情況實(shí)現(xiàn).

2.1 風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力小于負(fù)荷實(shí)際需求時(shí)多能源電力系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度方法

在風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力小于負(fù)荷實(shí)際需求

的情況下，風(fēng)電、光伏和徑流水皆按其最大出力發(fā)電，未有棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象，因此有

Plimit(t)=PZ.max+P其他(t)

，

(6)

公式中：PZ.max為風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力最大值，P其他(t)為其他可再生能源在t時(shí)刻的出力.

但因風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力小于負(fù)荷實(shí)際需求，需尋求其他能源發(fā)電來(lái)補(bǔ)充其發(fā)電的不足，可調(diào)節(jié)水電啟停時(shí)間短，調(diào)節(jié)迅速，故優(yōu)先調(diào)度可調(diào)節(jié)水發(fā)電[16-17].可調(diào)節(jié)水電投入后亦分為3種情況，情況如下.

(1)可調(diào)節(jié)水電投入后滿足負(fù)荷需求

此時(shí)，可調(diào)節(jié)水電出力按

Plimit(t)=PZ.max+ΔPH1(t)

(7)

分配，公式中：ΔPH1(t)為可調(diào)節(jié)水電t時(shí)刻在既定負(fù)荷下的調(diào)節(jié)出力.

本文主要考慮可調(diào)節(jié)水電的庫(kù)容約束和最小啟停時(shí)間約束，如公式(8)～公式(17)所示.

PH1i.min+ΔPH1i(t)≤PH1i.max

，

(8)

公式中：PH1i.max、PH1i.min為可調(diào)節(jié)水電站i的最大、最小出力；ΔPH1i(t)為t時(shí)刻可調(diào)節(jié)水電站i在既定負(fù)荷下的調(diào)節(jié)出力.

(9)

(10)

公式中：νH1i.t、νH1i.t-1分別為t、t-1時(shí)刻可調(diào)節(jié)水電站i的庫(kù)容；RH1i.t為t時(shí)刻可調(diào)節(jié)水電站i的自然來(lái)水流量；QH1i.t為t時(shí)刻可調(diào)節(jié)水電站i的下泄流量；U為其上游可調(diào)節(jié)水電站集合；τ為上游電站U流至下游電站的水流延時(shí)；Δt為調(diào)度時(shí)段.

vH1i.0=vH1i.min

，

(11)

公式中：vH1i.0為可調(diào)節(jié)水電站i在0時(shí)刻的庫(kù)容；vH1i.min為可調(diào)節(jié)水電站i的最小庫(kù)容.

vH1i.T=vH1i.max

，

(12)

公式中：vH1i.T為可調(diào)節(jié)水電站i在調(diào)度周期末時(shí)刻T的庫(kù)容，vH1i.max為可調(diào)節(jié)水電站i的最大庫(kù)容.

qH1i.min≤qH1i.t≤qH1i.max

，

(13)

公式中：qH1i.t為t時(shí)刻可調(diào)節(jié)水電站i的發(fā)電流量；qH1i.max、qH1i.min分別為可調(diào)節(jié)水電站i發(fā)電流量的上、限.

(14)

公式中：QH1i.t為可調(diào)節(jié)水電站i在t時(shí)刻的下泄流量；H1i.U為上游可調(diào)節(jié)水電站集合；qH1i.t為可調(diào)節(jié)水電站i在t時(shí)刻的發(fā)電流量；SH1i.t為可調(diào)節(jié)水電站i在t時(shí)刻的棄水流量.

QH1i.min≤QH1i.t≤QH1i.max

，

(15)

公式中：QH1i.max、QH1i.min分別為可調(diào)節(jié)水電站i的下泄流量上、下限.

(16)

(17)

(2)可調(diào)節(jié)水電全額發(fā)電后不滿足負(fù)荷需求

此時(shí)風(fēng)-光-徑流水、可調(diào)水皆按其最大出力發(fā)電，剩余負(fù)荷由火電和抽蓄機(jī)組根據(jù)其運(yùn)行成本進(jìn)行補(bǔ)償，則有

Plimit(t)=ΔPG(t)+PH1.max+PZ.max+PH2(t)

，

(18)

公式中：PH1.max為可調(diào)節(jié)水電站的最大出力.

本文忽略風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、徑流水電站的運(yùn)行成本，建立可調(diào)節(jié)水電站、火電廠及抽蓄電站的經(jīng)濟(jì)發(fā)電模型.

①目標(biāo)函數(shù)

以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)日內(nèi)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建多能源電力系統(tǒng)的調(diào)度方法，如公式(19)所示.本文中火電廠的運(yùn)行成本主要考慮啟動(dòng)成本，如公式(20)～公式(21)所示；抽蓄電站的運(yùn)行成本主要考慮蓄能和發(fā)電狀態(tài)的啟動(dòng)成本，如公式(22)所示.

minF=FG+FH2

，

(19)

式中：F為日內(nèi)運(yùn)行成本；FG為調(diào)度周期內(nèi)火電廠的啟動(dòng)成本；FH2為調(diào)度周期內(nèi)抽蓄電站運(yùn)行成本.

(20)

公式中：fi[PGi(t)]為火電廠i在t時(shí)刻的運(yùn)行成本；T為調(diào)度時(shí)段；NG為火電廠總個(gè)數(shù)；PGi(t)為火電廠i在t時(shí)刻的出力；Si為火電廠i的開(kāi)機(jī)成本；Ui(t)、Ui(t-1)分別為火電廠i在t與t-1時(shí)刻的開(kāi)停狀態(tài)，且開(kāi)機(jī)狀態(tài)時(shí)Ui(t)=1，反之Ui(t)=0.

fi[PGi(t)]=[ai·PGi(t)2+bi·PGi(t)+ci]Scoal

，

(21)

公式中：ai、bi、ci為火電廠i的運(yùn)行費(fèi)用參數(shù)；Scoal為當(dāng)季的煤炭?jī)r(jià)格.

(22)

②約束條件

火電廠約束條件主要有出力上、下限約束，爬坡約束和最小啟停時(shí)間約束，如公式(23)～公式(26)所示.

PGi.min+ΔPGi(t)≤PGi.max

，

(23)

公式中：PGi.min、PGi.max分別為火電廠i的最小、最大出力.

-PGi.down≤PGi.t-PGi.t-1≤PGi.up

，

(24)

公式中：PGi.t為火電廠i在t時(shí)刻的出力；PGi.t+1為火電廠i在t+1時(shí)刻的出力；PGi.up、PGi.down分別為火電廠i的上、下爬坡功率.

(25)

(26)

(3)可調(diào)節(jié)水電、火電和抽蓄電站全額發(fā)電后仍不滿足負(fù)荷需求

此時(shí)風(fēng)-光-徑流水、可調(diào)節(jié)水電、火電、抽蓄電站皆按其最大出力發(fā)電，并安排燃?xì)怆姀S補(bǔ)償發(fā)電.則有

Plimit(t)=ΔPG(t)+PH1.max+PZ.max+PH2.max+PN(t)

，

(27)

公式中：PH2.max為抽蓄電站的最大出力.

以日內(nèi)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)建立發(fā)電模型.

①目標(biāo)函數(shù)

minF=FG+FH2+FN

，

(28)

公式中：FN為調(diào)度周期內(nèi)燃?xì)怆姀S的運(yùn)行成本.

燃?xì)怆姀S運(yùn)行成本可按公式(29)～公式(31)計(jì)算.

(29)

(30)

(31)

②約束條件

燃?xì)怆姀S的約束條件主要考慮出力上、下限約束，爬坡約束和最小啟停時(shí)間約束,如公式(32)～公式(35)所示.

PN.min≤PN(t)≤PN.max

，

(32)

公式中：PN.max、PN.min分別為燃?xì)怆姀S最大、最小出力.

-PNi.dΔT≤PNi.t-PNi.t-1≤PNi.uΔT

，

(33)

公式中：PNi.t、PNi.t-1分別為燃?xì)怆姀Si在t和t-1時(shí)刻的出力；PNi.u、PNi.d分別為燃?xì)怆姀Si的上、下爬坡功率，ΔT為t-1到t時(shí)刻的時(shí)長(zhǎng).

(34)

(35)

2.2 風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力大于負(fù)荷實(shí)際需求時(shí)多能源電力系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度方法

在風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力大于負(fù)荷實(shí)際需求的情況下，可再生能源出力高于電網(wǎng)可接納可再生能源極值，應(yīng)采用抽蓄電站進(jìn)行調(diào)控.則公式(5)可轉(zhuǎn)換為

Plimit(t)+PH2(t)=PZ(t)

.

(36)

抽蓄電站的約束條件主要考慮水輪機(jī)和水泵的功率約束、水庫(kù)容量約束，如公式(37)～公式(43)所示.

(1)水輪機(jī)和水泵的功率約束

(37)

(38)

(39)

(40)

(2)水庫(kù)容量約束

在考慮抽蓄電站庫(kù)容約束時(shí)，假設(shè)下水庫(kù)有相對(duì)較大的容積和充足的水源，將上水庫(kù)的水量按庫(kù)容量，即可發(fā)電量處理.

(41)

(42)

(43)

當(dāng)抽蓄電站發(fā)揮其最大調(diào)節(jié)作用，風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力仍超出電網(wǎng)接納范圍時(shí)，則按負(fù)荷實(shí)際需求，按風(fēng)電、光伏和徑流水裝機(jī)比例調(diào)降各自出力.

3 算例分析

3.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

將青海省電網(wǎng)中全部風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站和火電廠，以及為了分析方便而等效配置的8座徑流水電站、8座可調(diào)節(jié)水電站、4座抽蓄電站和1個(gè)燃?xì)怆姀S作為研究對(duì)象，并使用其2017年7月1日至2017年9月30日的負(fù)荷和各電源發(fā)電等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

各類電源裝機(jī)容量以及占比，如表1所示.各機(jī)組參數(shù)，如表2～表4所示.調(diào)度周期T為1天(T=24Δt)，且日內(nèi)各類電源的最大啟停次數(shù)為2次，各類電源的最小連續(xù)運(yùn)行和停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)均為4小時(shí).

表1 系統(tǒng)中各類電源裝機(jī)情況

表2 抽蓄電站參數(shù)

表3 燃?xì)怆姀S參數(shù)

表4 火電廠參數(shù)

3.2 優(yōu)化調(diào)度算例結(jié)果

模擬生成青海省的調(diào)度日內(nèi)風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力時(shí)間序列，如圖3所示.

本文采用CPLEX進(jìn)行求解，該軟件提供了快速建立高效優(yōu)化模型以及全方位解決規(guī)劃和調(diào)度問(wèn)題的方法[18].

為了能夠更直觀地表現(xiàn)出風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，本文分為計(jì)及風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力的調(diào)度方法和不計(jì)及風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力的調(diào)度方法兩種方法，如表1、表2所示.兩種方法下調(diào)度日內(nèi)各類電源出力如圖4、圖5所示，方法1、方法2各類電源出力情況對(duì)比如表5所示，方法1、方法2的總運(yùn)行成本對(duì)比如表6所示.

圖4 方法1的日調(diào)度曲線圖5 方法2的日調(diào)度曲線

表5 方法1和方法2各類電源出力情況對(duì)比

表6 方法1和方法2總運(yùn)行成本對(duì)比

對(duì)比圖4和圖5，再結(jié)合表5和表6可以看出，調(diào)度日內(nèi)方法1中可調(diào)節(jié)水出力均值為4 986.8 MW、抽蓄發(fā)電均值為363.83 MW，都高于方法1中可調(diào)節(jié)水出力均值4 382 MW、抽蓄電站發(fā)電均值363.75 MW，其中可調(diào)節(jié)水出力差別明顯.且方法1中抽蓄電站的出力方差分別83.59×103，小于方法2.對(duì)于火電和燃?xì)?，方?中二者出力均值分別為646.8 MW、202.2MW，出力方差分別為10.72×103、4.97×103，分別明顯小于方法2中出力均值1 096.3 MW、550 MW，出力方差36.61×103、9.17×103.對(duì)于抽蓄電站的抽-發(fā)次數(shù)即充放電次數(shù)，方法1小于方法2.方法1的總運(yùn)行成本比方法2節(jié)約65.908萬(wàn)元.

由于此算例中可調(diào)節(jié)水電站的容量較大，因此其承擔(dān)了絕大部分補(bǔ)償風(fēng)-光-徑流水的角色，抽蓄、火電和燃?xì)馄疠o助作用.可調(diào)節(jié)水電在負(fù)荷低谷期時(shí)保證出力平穩(wěn)運(yùn)行，在兩個(gè)峰荷來(lái)臨時(shí)急速爬坡，有效補(bǔ)償電力需求.故出現(xiàn)方法1中可調(diào)節(jié)水電的出力方差大于方法2的情況.

由圖5可看出，20：00-7：00時(shí)段，含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)能很好地跟隨負(fù)荷變化需求，8：00-19：00時(shí)段，含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)不僅滿足了負(fù)荷的需求，還能將多余的電量?jī)?chǔ)存到抽蓄單元，并將富余電量輸送到電網(wǎng).

4 結(jié) 論

根據(jù)以上仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

(1)本文所構(gòu)建的含可再生能源的多能源系統(tǒng)調(diào)度方法不僅能有效提高可再生能源消納，減少棄風(fēng)棄光棄水量，并有效減少火電、燃?xì)獾炔豢稍偕茉吹南?，?jié)約發(fā)電成本，實(shí)現(xiàn)了含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)日聯(lián)合優(yōu)化綠色調(diào)度.

(2)考慮風(fēng)-光-徑流水聯(lián)合出力的發(fā)電系統(tǒng)中抽蓄、火電和燃?xì)飧黝愲娫吹某隽Σ▌?dòng)性較小，工作環(huán)境得到了改善；還可以顯著改善抽蓄電站的工作環(huán)境，減少其充放電次數(shù)，這樣有利于延長(zhǎng)其使用壽命，提高其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性.