柴國(guó)峰,楊修宇,徐唐海,徐銘宏,柴仁勇
(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林 吉林 132012;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司景德鎮(zhèn)供電分公司,江西 景德鎮(zhèn) 333000;3.國(guó)網(wǎng)贛西供電公司,江西 新余 338025)
大力發(fā)展可再生能源RE(Renewable Energy,RE)是全球應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和氣候變化的重要舉措.全世界各國(guó)紛紛制定了2050年RE高占比的偉大發(fā)展藍(lán)圖[1-3].其中風(fēng)力發(fā)電是重要可再生能源之一,近年來(lái)風(fēng)電快速發(fā)展年增長(zhǎng)率在10%以上,同時(shí)棄風(fēng)率高居不下,15-16年我國(guó)平均棄風(fēng)率高達(dá)15%和17%.電力系統(tǒng)靈活性不足是棄風(fēng)的主要原因之一,因此,研究電力系統(tǒng)靈活性專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃方法,對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)低碳化能源轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4].
隨著RE占比的不斷升高,系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足的問(wèn)題日益凸顯,電力系統(tǒng)靈活性相關(guān)研究也逐漸成為熱點(diǎn).關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性概念與評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展了系列研究[5-12].其中,文獻(xiàn)[7-8]先后從功率調(diào)節(jié)范圍角度、爬坡速率角度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類(lèi)靈活性資源進(jìn)行了定量分析.文獻(xiàn)[9]從調(diào)度運(yùn)行角度提出了含有10個(gè)靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)估方法.文獻(xiàn)[10-11]建立了概率型的靈活性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系.而關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃方面研究較少[13-14].文獻(xiàn)[13]給出了靈活性資源供給與靈活性需求之間平衡機(jī)理并構(gòu)建了含有資源投資決策與運(yùn)行模擬的源荷儲(chǔ)一體化雙層優(yōu)化模型.文獻(xiàn)[14]在風(fēng)電接入情況下,對(duì)中斷負(fù)荷與儲(chǔ)能等靈活性資源進(jìn)行規(guī)劃.文獻(xiàn)[15-16]利用電轉(zhuǎn)氣(P2G)技術(shù)提升系統(tǒng)靈活性,解決RE消納問(wèn)題.文獻(xiàn)[17]針對(duì)未來(lái)高比例可再生能目標(biāo),進(jìn)行了考慮了源荷儲(chǔ)多類(lèi)型靈活性資源的中長(zhǎng)期電源規(guī)劃.從上述研究中可知電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃依賴(lài)RE與負(fù)荷的時(shí)序模擬,若全年時(shí)序模擬則尋優(yōu)過(guò)程計(jì)算量巨大,而如上述文獻(xiàn)中采用直接給出典型日?qǐng)鼍?,則計(jì)算結(jié)果精度很難保證.
場(chǎng)景約簡(jiǎn)(即多場(chǎng)景分析法)是縮小搜索空間,提升尋優(yōu)效率的有效方法,該方法是利用多個(gè)確定性場(chǎng)景及其場(chǎng)景概率表征RE出力的不確定性.雖多場(chǎng)景分析法已有大量研究,多是聚焦于輸電網(wǎng)規(guī)劃領(lǐng)域中可再生源出力不確定性表達(dá),主要方法有區(qū)間法[18-19]、隨機(jī)模擬法[20](拉丁超立方、蒙特卡洛模擬)以及最為常用的聚類(lèi)方法[21-24].但這些方法會(huì)在場(chǎng)景約簡(jiǎn)過(guò)程中遺失很多重要的規(guī)劃時(shí)序信息,這樣會(huì)使規(guī)劃結(jié)果的靈活性資源配置不足,造成嚴(yán)重棄風(fēng)、棄光問(wèn)題.
綜上所述,本文從風(fēng)電與負(fù)荷時(shí)序作用關(guān)系分析入手,依據(jù)兩者不同時(shí)序作用關(guān)系對(duì)靈活性需求影響不同,構(gòu)建基于K-means雙層場(chǎng)景約簡(jiǎn)方法,并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了場(chǎng)景約簡(jiǎn)的有效性.在此基礎(chǔ)上,建立了針對(duì)火電機(jī)組靈活性改造與儲(chǔ)能的含建設(shè)成本與運(yùn)行成本的靈活性資源電源優(yōu)化配置模型;最后通過(guò)對(duì)東北某電網(wǎng)風(fēng)電、負(fù)荷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)算例分析,驗(yàn)證了本文方法的有效性與實(shí)用性.
RE、負(fù)荷的出力均具有較強(qiáng)的間歇性與不確定性,兩者在時(shí)序上的作用關(guān)系決定了電力系統(tǒng)靈活性需求.本文以日為時(shí)間尺度分析風(fēng)電接入前后靈活性供需的變化.
風(fēng)電接入前每日常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)容量是以?xún)糌?fù)荷最大值并留有一定備用制定的,靈活性供給由常規(guī)機(jī)組提供,而靈活性需求由負(fù)荷決定,如公式(1)所示.
(1)
而風(fēng)電接入后常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)容量將降低,按最大負(fù)荷減去風(fēng)電置信度或凈負(fù)荷最大值,靈活性需求由凈負(fù)荷決定,如公式(2)所示.
(2)
若風(fēng)電波動(dòng)的幅值以及與負(fù)荷波動(dòng)是否一致,將直接影響系統(tǒng)的靈活性需求.因此,本文依據(jù)風(fēng)電與負(fù)荷相互作用關(guān)系,將365日?qǐng)鼍皠澐譃?類(lèi)不同系統(tǒng)靈活性供需的典型場(chǎng)景:正向型、反向型以及過(guò)向型,如圖1所示.
正向型:風(fēng)電功率幅值小且與負(fù)荷時(shí)序變化基本一致,即同增同降,進(jìn)而風(fēng)電接入后系統(tǒng)靈活性需求減小或不變;
反向型:風(fēng)電功率與負(fù)荷時(shí)序變化趨勢(shì)相反,即一增一降,風(fēng)電接入后凈負(fù)荷峰谷差增大,進(jìn)而增加了系統(tǒng)靈活性需求;
過(guò)向型:風(fēng)電功率幅值大且與負(fù)荷時(shí)序變化基本一致,但由于風(fēng)電幅值過(guò)大,使凈負(fù)荷峰谷差增大,同樣增大了系統(tǒng)靈活性需求.
由此可見(jiàn),三類(lèi)典型場(chǎng)景主要由風(fēng)電與負(fù)荷的時(shí)序趨勢(shì)與接入風(fēng)電后凈負(fù)荷靈活性需求的增減加以區(qū)分.因此,本文利用第i日的風(fēng)電功率與負(fù)荷功率的相關(guān)系數(shù)來(lái)描述兩者時(shí)序變化一致程度;利用第i日的負(fù)荷峰谷差與凈負(fù)荷峰谷差的差值刻畫(huà)峰谷差變化程度.
(3)
(4)
Cr,i=sgn[max(rL&W,i,0)×sgn(ΔPreq,max-i)],
(5)
通過(guò)1.1分析可知,風(fēng)電功率幅值大小以及與負(fù)荷時(shí)序上變化一致性將決定系統(tǒng)的靈活性需求.因此,在場(chǎng)景約簡(jiǎn)時(shí)如何避免遺失負(fù)荷與風(fēng)電之間的時(shí)序變化關(guān)系是需要研究的工作.本文提出的雙層結(jié)構(gòu)場(chǎng)景約簡(jiǎn)方法,第一層充分考慮了風(fēng)電、負(fù)荷之間時(shí)序作用關(guān)系,并基于不同關(guān)系進(jìn)行分類(lèi);第二層在第一層基礎(chǔ)上進(jìn)行場(chǎng)景約簡(jiǎn).具體操作步驟為:首先,以日調(diào)度周期為時(shí)間尺度輸出風(fēng)電功率與負(fù)荷數(shù)據(jù);然后,根據(jù)風(fēng)電與負(fù)荷之間的作用關(guān)系,利用相關(guān)性系數(shù)以及靈活性需求變化將365場(chǎng)景劃分為:正向型、反向型和過(guò)向型三類(lèi);最后,利用K-means聚類(lèi)算法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行削減,具體流程如圖2所示.
為了校驗(yàn)雙層聚類(lèi)場(chǎng)景約簡(jiǎn)的有效性,本文提出了平均靈活性需求變化ΔPA,req與靈活性不足期望(Loss of Flexibility Expectation,LOFE)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).
(1)平均靈活性需求變化ΔPA,req
為了能夠從全年時(shí)間尺度上評(píng)價(jià)風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)靈活性總體改變情況,將所有場(chǎng)景的靈活性需求變化量進(jìn)行取平均值,即
(7)
公式中:T總場(chǎng)景數(shù).
(2)靈活性不足期望LOFE
在明確了需求變化程度后,另一重要的信息就是系統(tǒng)靈活性不足的程度.由此進(jìn)一步引入系統(tǒng)的靈活性不足期望LOFE為i調(diào)度場(chǎng)景內(nèi)系統(tǒng)靈活性最大供給不能滿(mǎn)足靈活性最大需求的平均值,其能夠反映系統(tǒng)靈活性供需的情況.
(8)
本文靈活性資源主要為火電機(jī)組靈活性改造與儲(chǔ)能裝置,不考慮需求側(cè)響應(yīng),且假設(shè)電網(wǎng)無(wú)阻塞、過(guò)載,僅在電源側(cè)考慮靈活性供需平衡.其中,火電機(jī)組靈活性改造主要通過(guò)減少火電最小技術(shù)出力來(lái)為系統(tǒng)提供下調(diào)靈活性資源;儲(chǔ)能是利用自身對(duì)于能量的吞吐特性,實(shí)現(xiàn)能量的時(shí)移,從而為系統(tǒng)提供靈活性.靈活性資源優(yōu)化配置與棄風(fēng)損失的關(guān)系為:系統(tǒng)靈活性供給不足將造成棄風(fēng),而火電機(jī)組靈活性改造與儲(chǔ)能都能夠提升了風(fēng)電的消納空間,減小棄風(fēng),因此棄風(fēng)損失與靈活性投入成本存在優(yōu)化關(guān)系.但兩者經(jīng)濟(jì)性與作用方式不同,火電機(jī)組改造能夠長(zhǎng)期增加系統(tǒng)下調(diào)靈活性供給,適用于棄風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)景;而儲(chǔ)能適用于持續(xù)時(shí)間短的棄風(fēng).
綜合考慮靈活性資源建設(shè)成本與棄風(fēng)懲罰、燃煤等系統(tǒng)運(yùn)行成本,構(gòu)建火電機(jī)組靈活性改造與儲(chǔ)能之間協(xié)調(diào)優(yōu)化配置模型,目標(biāo)函數(shù)為.
Foverall=min(FInv+Foper),
(9)
公式中:Foverall為總成本;FInv代表靈活性資源建設(shè)成本;Foper為運(yùn)行成本.其中,F(xiàn)Inv包括火電靈活性改造成本、儲(chǔ)能成本.
(10)
公式中:Ng為火電機(jī)組臺(tái)數(shù);Ith為火電機(jī)組改造單位容量成本;Cth,g為g臺(tái)火電機(jī)組改造容量;Z為第g臺(tái)火電機(jī)組改造的0-1決策變量;Iess,p為儲(chǔ)能裝置變流器單位功率造價(jià);Iess,C為儲(chǔ)能裝置單位容量成本;Pess、Cess分別為儲(chǔ)能裝置的功率與容量.系統(tǒng)的總運(yùn)行成本Foper包括儲(chǔ)能運(yùn)行成本、棄風(fēng)損失以及火電發(fā)電成本.這里儲(chǔ)能運(yùn)行成本是由于儲(chǔ)能充放電效率造成的電量損耗成本,按照煤電成本計(jì)算,且不計(jì)火電機(jī)組啟停成本,則運(yùn)行成本公式如下:
(11)
2.2.1 靈活性資源建設(shè)決策約束
(1)火電機(jī)組改造深度約束
0≤Cth,g≤Cth,max-g,
(12)
公式中:Cth,max-g為火電機(jī)組g的靈活性改造上限.
(2)儲(chǔ)能裝置建設(shè)容量約束,本文并未設(shè)置儲(chǔ)能容量配置上限,認(rèn)為主要由經(jīng)濟(jì)決定.
2.2.2 運(yùn)行約束
(1)火電機(jī)組出力上下限約束
Pmin-g≤Pg(t)≤Pmax-g,
(13)
公式中:Pg(t)、Pmin-g、Pmax-g分別為火電機(jī)組出力,火電機(jī)組出力上,改造后火電機(jī)組出力下限.
(2)火電機(jī)組深度改造與出力下限耦合關(guān)系
Pmin-g=Pold,min-g-Cth.g,
(14)
公式中:Pold,min-g改造之前火電機(jī)組的出力下限.
(3)儲(chǔ)能裝置運(yùn)行約束
-Pess.max-in≤Pess(t)≤Pess.max-out,
(15)
(16)
公式(15)為儲(chǔ)能充放電功率約束,其中Pess(t)、Pess.max-in、Pess.max-out分布為t時(shí)刻儲(chǔ)能裝置注入功率,充電功率極限約束、放電功率極限約束;公式(16)為儲(chǔ)能充放電量約束,其中SOC(t)、SOCmin、SOCmin分別為t時(shí)刻的儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)上限和下限.
(4)有功功率實(shí)時(shí)平衡約束
在考慮靈活性的規(guī)劃中,功率平衡約束除了要包含火電出力、風(fēng)電出力、棄風(fēng)和負(fù)荷需求以外,還要增加與儲(chǔ)能的運(yùn)行情況的考慮,如公式(17)所示.
(17)
(5)支路潮流約束
(18)
(19)
本文以東北某地區(qū)電網(wǎng)實(shí)測(cè)負(fù)荷與風(fēng)電功率數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象,其中數(shù)據(jù)采樣時(shí)間尺度為1點(diǎn)/h,負(fù)荷最大值為1 946 MW,風(fēng)電裝機(jī)容量1900 MW.常規(guī)火電機(jī)組裝機(jī)共為2 200 MW,其中包括:200 MW機(jī)組2臺(tái)、300 MW機(jī)組4臺(tái)、600 MW機(jī)組1臺(tái),各類(lèi)型機(jī)組初始最小技術(shù)出力為裝機(jī)容量的55%,而改造上限為裝機(jī)容量的40%.結(jié)合IEEE30算例系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,在12節(jié)點(diǎn)與16節(jié)點(diǎn)分別接入1 000 MW與900 MW的風(fēng)電裝機(jī),并按照容量大小配置相應(yīng)比例的儲(chǔ)能.計(jì)算條件如表1所示.
表1 計(jì)算條件
利用本文提出的雙層聚類(lèi)方法與常用K-means聚類(lèi)方法對(duì)給出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)(詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄Ⅰ中,附圖(1)),得出相應(yīng)的典型場(chǎng)景,并對(duì)兩類(lèi)場(chǎng)景進(jìn)行量化的對(duì)比分析.
(1)雙層約簡(jiǎn)典型場(chǎng)景
根據(jù)式(3-5)計(jì)算判斷得到出:正向型有37天反向型有206天,過(guò)向型有122天,進(jìn)而將各類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行K-means取得典型場(chǎng)景.
為了消除由于聚類(lèi)數(shù)對(duì)兩種方法場(chǎng)景的影響,本文將兩種方法的聚類(lèi)數(shù)統(tǒng)一為20類(lèi).在雙層約簡(jiǎn)各類(lèi)型的聚類(lèi)數(shù)由其全年占比決定.圖(3)為雙層約簡(jiǎn)的典型場(chǎng)景.雙層約簡(jiǎn)方法每類(lèi)典型場(chǎng)景的全年占比詳見(jiàn)附錄Ⅰ,附表(1).
(2)K-means典型場(chǎng)景
K-means聚類(lèi)的取得典型場(chǎng)景,聚類(lèi)數(shù)為20.K-means聚類(lèi)方法的典型場(chǎng)景和每類(lèi)典型場(chǎng)景的全年占比詳見(jiàn)附錄Ⅰ,附圖(2)和附表(2).
(3)雙層約簡(jiǎn)、K-means典型場(chǎng)景量化分析
以系統(tǒng)平均靈活性需求變化以及系統(tǒng)靈活性不足期望作為場(chǎng)景約減有效性校驗(yàn)指標(biāo).分別對(duì)比本文提出的雙層場(chǎng)景約簡(jiǎn)、常規(guī)K-means聚類(lèi)與原始數(shù)據(jù)等指標(biāo)變化情況,從而校驗(yàn)本文場(chǎng)景約減有效性,具體指標(biāo)如表2所示.
表2 場(chǎng)景約簡(jiǎn)前后靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比標(biāo)
從表1對(duì)比可知,本文提出的雙層聚類(lèi)方法從系統(tǒng)最大靈活性需求變化ΔPA,req、系統(tǒng)靈活性不足期望LOFE兩方面都更加接近實(shí)際值,說(shuō)明雙層聚類(lèi)能夠一定程度保留風(fēng)電與負(fù)荷時(shí)序關(guān)系.
根據(jù)3.2聚類(lèi)分析的典型場(chǎng)景數(shù)據(jù),結(jié)合本文提出的靈活性資源優(yōu)化配置模型進(jìn)行優(yōu)化,其中將靈活性資源步長(zhǎng)設(shè)置為10 MW.為了對(duì)比本文提出的雙層聚類(lèi)方法的優(yōu)劣,利用含有時(shí)序模擬的場(chǎng)景分析法對(duì)本文建立的優(yōu)化模型進(jìn)行求解并進(jìn)行生產(chǎn)模擬比較兩種方法的優(yōu)劣,優(yōu)化結(jié)果如表3所示.
通過(guò)表3對(duì)比結(jié)果可知,本文提出的雙層聚類(lèi)方法較常用K-means聚類(lèi)方法在靈活性資源配置方案中,火電改造容量多了210 MW,儲(chǔ)能容量配置少了11 MW·h;但在生產(chǎn)模擬中,綜合成本少了3.58億元,棄風(fēng)電量少了1.79×105MW·h,棄風(fēng)率減少了4.96%.由此可見(jiàn),雙層聚類(lèi)方法能夠更好地保留負(fù)荷與風(fēng)電的時(shí)序作用關(guān)系,規(guī)劃方案可靠性相對(duì)常規(guī)聚類(lèi)方法更高.另一方面,由于目前儲(chǔ)能成本較高,所以在當(dāng)下的靈活性配置成本下,火電改造在應(yīng)對(duì)靈活性需求方面更加經(jīng)濟(jì)適用.
表3 優(yōu)化配置結(jié)果
為了進(jìn)一步說(shuō)明本文方法有效性,在靈活性資源最優(yōu)配置方案下,給出三類(lèi)型典型場(chǎng)景的靈活性資源工作時(shí)序加以分析.正、反、過(guò)等三個(gè)典型場(chǎng)景靈活性資源工作時(shí)序圖,如圖4所示.其中,正向型:火電靈活性改造就可以提供充足的靈活性;反向型:由于靈活性需求量較大與經(jīng)濟(jì)性原因,火電靈活性改造與儲(chǔ)能配置結(jié)合仍不能完全滿(mǎn)足靈活性需求,存在少量棄風(fēng);過(guò)向型:火電改造加上儲(chǔ)能配置就能滿(mǎn)足靈活性需求.
近年來(lái)儲(chǔ)能的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性持續(xù)改善,為了分析儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展對(duì)靈活性資源優(yōu)化配置的影響,現(xiàn)將儲(chǔ)能成本以25萬(wàn)元/MW·h為步長(zhǎng)下降,優(yōu)化配置的影響如圖5所示.
圖5可見(jiàn),隨著儲(chǔ)能成本的下降,優(yōu)化配置中火電改造容量不斷降低,儲(chǔ)能容量配置不斷升高,棄風(fēng)量不斷下降.可見(jiàn)在儲(chǔ)能成本降低的情況下,不僅儲(chǔ)能裝置適應(yīng)性會(huì)明顯提高,而且會(huì)更好的減少棄風(fēng).
本文針對(duì)在電力系統(tǒng)靈活性資源規(guī)劃中聚類(lèi)方式的場(chǎng)景約簡(jiǎn)易造成時(shí)序信息大量流失問(wèn)題,提出了基于K-means的雙層結(jié)構(gòu)場(chǎng)景約減方法,實(shí)現(xiàn)了大量保留可再生能源與負(fù)荷時(shí)序關(guān)系的場(chǎng)景約簡(jiǎn);在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了綜合考慮靈活性資源建設(shè)成本與系統(tǒng)運(yùn)行成本的火電改造與儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)優(yōu)化配置模型,并通過(guò)東北某地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)比,驗(yàn)證了所提出方法的有效性.主要結(jié)論如下:
(1)本文雙層場(chǎng)景聚類(lèi)方法與常規(guī)K-means方法對(duì)比,在系統(tǒng)最大靈活性需求變化ΔPA,req和系統(tǒng)靈活性不足期望LOFE兩方面都更加接近實(shí)際值(ΔPA,req:實(shí)際值280.8、本文方法171.1、常規(guī)K-means159.7;LOFE:實(shí)際值652.8、本文方法615.1、常規(guī)K-means609.4),因此本文提出的雙層聚類(lèi)方法能夠保留兩者時(shí)序信息.
(2)本文構(gòu)建了綜合考慮靈活性資源建設(shè)成本、系統(tǒng)運(yùn)行成本的靈活性資源優(yōu)化配置模型,實(shí)現(xiàn)多類(lèi)型靈活性資源之間優(yōu)化配置.同時(shí)在雙層聚類(lèi)方法與常規(guī)K-means給定場(chǎng)景進(jìn)行靈活性資源配置,雙層聚類(lèi)方法綜合成本方面較常規(guī)K-means節(jié)約資金3.58億元約9%、棄風(fēng)率降低了4.96%,進(jìn)一步驗(yàn)證了雙層聚類(lèi)的有效性.
(3)隨著儲(chǔ)能技術(shù)持續(xù)發(fā)展、成本的進(jìn)一步下降,其將成為未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的重要關(guān)鍵技術(shù)之一,未來(lái)應(yīng)用前景廣闊.
附錄1
1.基本風(fēng)電、負(fù)荷數(shù)據(jù)
2.K-means聚類(lèi)典型場(chǎng)景
3.雙層約簡(jiǎn)、K-means聚類(lèi)典型場(chǎng)景發(fā)生概率
附表2 K-means各典型場(chǎng)景的發(fā)生概率