基于雙層規(guī)劃模型的光熱電站與新能源聯(lián)合規(guī)劃

吳源昊， 趙承漢， 李碩， 解大

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 2.上海電機學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

當(dāng)光熱電站作為靈活可控的機組來彌補風(fēng)電和光伏的波動性出力時，能源間勢必具有很強的耦合性[1]。光熱電站與新能源電站的聯(lián)合規(guī)劃，對制定系統(tǒng)運行控制策略以及實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行具有重要意義。

目前研究主要為考慮風(fēng)電和風(fēng)光打捆等形式的新能源電站并網(wǎng)的電源規(guī)劃[2-3]。文獻[4]進行了風(fēng)光沼分布式電源規(guī)劃。文獻[5]考慮風(fēng)光聯(lián)合消納對電源進行規(guī)劃。而將光熱電站納入待規(guī)劃電源可以很好地彌補新能源出力的缺陷，改善火電機組的出力特性。此外采用雙層規(guī)劃能更有效地解決兩個相互作用和具有不同時間尺度的優(yōu)化問題，可以更好地實現(xiàn)投資和運行兩方面的優(yōu)化。

本文首先介紹雙層規(guī)劃模型機理，然后對含風(fēng)-光-火-光熱的多能系統(tǒng)進行雙層模型規(guī)劃，通過算例仿真將雙層模型與單層模型進行對比，證明了雙層模型的先進性。最后對比四種不同電源配置規(guī)劃方案的方案結(jié)果，證明了將光熱電站加入待規(guī)劃電源后經(jīng)濟性、實用性更優(yōu)。

1 雙層規(guī)劃模型原理

本文建立上層規(guī)劃層和下層運行層的雙層模型。上層規(guī)劃層模型中，以系統(tǒng)年綜合成本作為上層目標(biāo)函數(shù)Fup，以待規(guī)劃電源的資源容量節(jié)點約束和電源接入節(jié)點約束作上層函數(shù)約束條件g(x)，解得最優(yōu)的電源接入節(jié)點位置和容量；同時建立下層運行層模型，下層目標(biāo)函數(shù)Flow為單個場景下的運行成本，根據(jù)上層計算得出的電源位置、容量以及該電源的運行條件作約束條件h(x,y)，求解各電源的出力值，并把計算結(jié)果反饋至上層，更新規(guī)劃層的決策依據(jù)，其一般表達式如式(1)所示。

(1)

綜上所述，本文的規(guī)劃思路如圖1所示。

圖1 規(guī)劃思路圖

2 含風(fēng)-光-火-光熱的多能協(xié)同雙層規(guī)劃

2.1 上層(規(guī)劃層)模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

上層模型的目標(biāo)函數(shù)為：

minFup=C1+C2

(2)

式中：Fup為系統(tǒng)年綜合成本；C1為投資成本；C2為運行成本。

2.1.2 約束條件

約束條件如式(3)～式(5)所示。式(3)為風(fēng)電和光伏的裝機容量約束，式(4)為火電機組裝機容量約束，式(5)為光熱機組裝機容量約束。

(3)

(4)

(5)

2.2 下層(運行層)模型

下層運行層模型是優(yōu)化運行模型，可以采用場景內(nèi)運行成本最小作為調(diào)度策略進行建模。下層模型的目標(biāo)函數(shù)如式(6)所示。

minFlow=fo=Cop+Cfuel+Chj

(6)

式中：Flow為最低運行成本；Fo為運行成本；Cop為運維成本；Cfuel為火電機組燃料成本；Chj為火電機組啟停成本。此外，下層模型需滿足的約束有波動新能源約束、光熱電站約束和火電約束等。

2.3 多能協(xié)同規(guī)劃模型求解

雙層規(guī)劃模型屬于混合整數(shù)非線性模型，為了提高運算效率，可以針對上下層模型采用不同的智能算法進行求解。上層模型屬于混合整數(shù)非線性模型，采用遺傳算法(GA)進行求解；下層模型屬于非線性規(guī)劃模型，采用風(fēng)驅(qū)動優(yōu)化算法(WDO)進行求解。

本文雙層規(guī)劃模型求解流程如圖2所示。

圖2 模型求解流程圖

圖2中：k為本文選取的風(fēng)光典型場景數(shù)；n為當(dāng)前選擇的場景序號。初始化種群，染色體數(shù)目為P，其中當(dāng)前場景下計算的受風(fēng)驅(qū)動的染色體序號為m。

2.4 模型評價指標(biāo)

為了評價模型及規(guī)劃方案的優(yōu)劣，提出以下兩個量化指標(biāo)：

(1) 波動性新能源消納率。引入新能源消納率的概念對波動性新能源的消納效果進行評價，設(shè)τ為波動性新能源消納率，則其值滿足如下關(guān)系：

(7)

(2) 火電機組調(diào)峰比例。定義火電機組調(diào)峰比例κ作為評價指標(biāo)能夠體現(xiàn)出光熱電站調(diào)峰對系統(tǒng)火電機組調(diào)峰壓力的改善效果，光熱電站響應(yīng)越靈活，κ越小，系統(tǒng)中火電機組出力越平穩(wěn)。

(8)

3 算例仿真及分析

光熱電站本身具有儲熱系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天24 h持續(xù)出力，在本文作為穩(wěn)定性電源考慮。

3.1 算例系統(tǒng)介紹

所選迪拜某地區(qū)的實際電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 實際算例系統(tǒng)

系統(tǒng)共含有23個節(jié)點。該地區(qū)地廣人稀，根據(jù)風(fēng)光資源分布情況以及各類待選電源的投資成本，設(shè)定風(fēng)電接入節(jié)點為20、21、22，光伏接入節(jié)點為13、14、15、16，火電接入節(jié)點為9、10，光熱電站接入節(jié)點為1，外送節(jié)點為6。

3.2 算例仿真

3.2.1 雙層模型先進性驗證

為驗證提出的雙層規(guī)劃模型的先進性，設(shè)置單層典型規(guī)劃模型作為對比算例。單層規(guī)劃模型設(shè)置如下：

(1)以系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，決策變量為各接入節(jié)點的電源容量，約束條件考慮網(wǎng)絡(luò)約束與待安裝電源的容量約束，與雙層規(guī)劃模型相比未考慮各場景的經(jīng)濟最優(yōu)運行策略。

(2)與雙層模型相同，均采用場景分析理論描述風(fēng)光不確定性出力，年度總費用為各場景下并行優(yōu)化運行總費用的期望值，最終的優(yōu)化結(jié)果如表1所示，其中電源規(guī)劃結(jié)果用“接入節(jié)點(接入數(shù)量)”的形式表示。

表1 不同模型的電源規(guī)劃結(jié)果

由表1可知：單層模型的規(guī)劃結(jié)果中新能源機組占比69.3%，其中波動性新能源裝機占總裝機容量的64.9%；而雙層模型的規(guī)劃結(jié)果中新能源機組占比82.5%，其中波動性新能源裝機占總裝機容量的73.7%。因此雙層模型有效提高了新能源裝機滲透率，降低了火電機組的裝機比例，裝機結(jié)構(gòu)更加清潔化。

如表2所示:與單層模型相比，雙層模型年綜合費用下降了3.26億元，年運行費用下降了5.36億元，火電機組的啟停成本與燃料成本分別下降了70.9%%和63.2%。說明雙層模型的規(guī)劃結(jié)果在運行過程中減小了火電機組的調(diào)峰壓力并降低了火電機組的出力，提高了系統(tǒng)的清潔性。

表2 不同模型規(guī)劃結(jié)果的經(jīng)濟性運行結(jié)果

3.2.2 規(guī)劃方案優(yōu)化驗證

本節(jié)根據(jù)待規(guī)劃電源的種類提出如表3所示的兩種規(guī)劃方案。

表3 兩種方案下的電源規(guī)劃結(jié)果

方案一：待規(guī)劃電源為風(fēng)電、光伏和火電。

方案二：待規(guī)劃電源為風(fēng)電、光伏、火電和光熱電站。

由規(guī)劃結(jié)果對比可知，在均采用雙層規(guī)劃模型的前提下，考慮光熱電站作為待規(guī)劃電源時，波動性新能源的總裝機容量提高了13.5%，在更大容量配置風(fēng)電和光伏裝機的前提下，棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象能夠得到緩解。

在算例系統(tǒng)中夏季典型日出力場景下，按照雙層模型的下層優(yōu)化運行方式進行對比分析，此時系統(tǒng)的出力運行曲線如圖4和圖5所示。

圖4 方案一夏季典型日出力曲線

圖5 方案二夏季典型日出力曲線

由圖4和圖5可知，根據(jù)下層模型的經(jīng)濟性優(yōu)化運行策略，方案一即不含有光熱電站的規(guī)劃方案，在實際運行中的波動性新能源消納率τ=60%，火電機組調(diào)峰比例κ=70%；方案二即含有光熱電站的規(guī)劃方案，在實際運行中的波動性新能源消納率τ=69%，火電機組調(diào)峰比例κ=45%。方案一的運行結(jié)果中，外送時段主要在0∶00—6∶00，此時風(fēng)電出力占比最高，達到全天高峰，但是棄風(fēng)現(xiàn)象明顯，本地消納以火電為主；而方案二基本實現(xiàn)全天24 h外送，其中0∶00—6∶00和19∶00—23∶00由于光熱電站的快速響應(yīng)，減小了火電機組爬坡和棄風(fēng)量，本地消納以清潔能源為主，全天24 h外送電量明顯大于方案一。

綜上所述，在規(guī)劃階段考慮光熱電站作為待規(guī)劃電源能夠有效地提高波動性新能源的消納量，同時減小火電機組出力，提高系統(tǒng)清潔能源比例。

4 結(jié)束語

本文提出了考慮光熱電站和波動性新能源作為待規(guī)劃電源的電源雙層規(guī)劃模型，并從規(guī)劃和運行的角度求解規(guī)劃方案實現(xiàn)經(jīng)濟最優(yōu)，主要研究結(jié)論如下：

(1)雙層模型與單層模型相比，其下層考慮了各場景實際運行成本最小作為運行策略，在運算過程中通過上下層的迭代獲得最終的規(guī)劃方案，結(jié)果能夠滿足上層規(guī)劃和下層運行不同時間尺度的經(jīng)濟性最優(yōu)。

(2)仿真結(jié)果表明，在規(guī)劃階段考慮光熱電站作為待規(guī)劃電源能夠有效地提高風(fēng)電和光伏的消納，同時減小火電機組出力，提高系統(tǒng)清潔能源比例，減少火電機組爬坡，減輕火電機組調(diào)峰壓力。