新能源全消納并網(wǎng)友好型虛擬發(fā)電廠優(yōu)化調(diào)度研究

徐天奇，田業(yè)，高鑫，李紅坤，李琰

(1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,云南 昆明 650500；2.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌330001)

0 引言

新能源發(fā)電是有效解決氣候變暖等問題的方法之一[1]，但其不可控性和隨機(jī)性十分突出[2]，因此當(dāng)新能源大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重妨礙電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3—4]。新能源發(fā)電的快速發(fā)展，已經(jīng)給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)造成巨大壓力[5—6]，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

分布式新能源發(fā)電投資小、靈活方便，近年來得到快速發(fā)展。雖然分布式新能源發(fā)電單機(jī)容量小，但當(dāng)其大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，由于規(guī)模效應(yīng)和氣候條件時(shí)空相關(guān)性，出力不確定性可能會(huì)被放大，從而給電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和可靠性帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)，反而可能會(huì)限制分布式新能源的發(fā)展[7—8]。

虛擬發(fā)電廠(virtual power plant，VPP)技術(shù)是解決這個(gè)問題的可行性方案之一。VPP通過分布式控制、精確計(jì)量和實(shí)時(shí)通信等技術(shù)，把分布在不同地域的不同類型分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、傳統(tǒng)負(fù)荷等元件在邏輯上聚合在一起，通過實(shí)時(shí)調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化運(yùn)行，使其從電網(wǎng)角度看來與一個(gè)傳統(tǒng)電廠類似[9—11]。作為一種新的運(yùn)營管理模式，VPP在整合分布式新能源方面顯現(xiàn)出巨大的潛力。利用VPP的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化，可以顯著降低分布式電源因分別單獨(dú)并網(wǎng)對電力系統(tǒng)造成的不利影響。通過分布式電源有序接入電網(wǎng)，增加整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在充分利用新能源出力的同時(shí)，可顯著改善電網(wǎng)出力不穩(wěn)定的情況，既能保證電力供應(yīng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的基本需求，也能滿足充分消納可再生資源的要求[12—13]。另外，利用VPP技術(shù)，不需要對電網(wǎng)進(jìn)行改造，也不會(huì)改變各個(gè)分布式電源與電網(wǎng)連接的方式。

文獻(xiàn)[14]把建筑當(dāng)做VPP來管理，利用可延遲負(fù)荷作為資源進(jìn)行調(diào)度，實(shí)際上只是需求側(cè)響應(yīng)而并不是真正的VPP；文獻(xiàn)[15]將新能源分布式發(fā)電、水電站、抽水蓄能以及當(dāng)?shù)刎?fù)荷組成VPP，以主網(wǎng)交換電量最低及電費(fèi)最低為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度；文獻(xiàn)[16]提出由風(fēng)電、可再生能源發(fā)電技術(shù)(power to gas，P2G)、燃?xì)鈾C(jī)組炭捕集以及熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)燃?xì)鈾C(jī)組聚合為VPP,以VPP受益最大為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度；文獻(xiàn)[17]從電力市場的角度考慮VPP的調(diào)度問題，同時(shí)對日前市場和實(shí)時(shí)市場交易進(jìn)行優(yōu)化，引入條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值系數(shù)來衡量日前市場和風(fēng)光出力預(yù)測的不確定性，僅把風(fēng)險(xiǎn)作為一個(gè)可選擇的參數(shù)并入利潤，未能體現(xiàn)不確定性對調(diào)度的影響。這些研究都未將新能源消納作為調(diào)度目標(biāo)之一，也未考慮VPP并網(wǎng)功率的平穩(wěn)性。

為了盡可能地消納新能源，并使VPP更加平穩(wěn)地向電網(wǎng)輸送電能，文中提出波動(dòng)因子及獎(jiǎng)懲機(jī)制，以可中斷負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)為調(diào)度資源，構(gòu)建新能源全消納的VPP并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益最大化模型，通過粒子群算法[18]進(jìn)行尋優(yōu)，得到VPP的利潤最優(yōu)值。算例對比驗(yàn)證了此調(diào)度模型可使VPP獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提高并網(wǎng)功率的平穩(wěn)性。

1 VPP模型

文中考慮以一個(gè)包含分布式風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、普通負(fù)荷和可中斷負(fù)荷的VPP向電網(wǎng)供電，如圖1所示。

圖1 含分布式新能源的VPPFig.1 VPP containing distributed new energy power generation

以促進(jìn)分布式新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用為目標(biāo)，考慮的VPP內(nèi)部的發(fā)電單元僅包含分布式新能源而不包含傳統(tǒng)分布式電源。

針對圖1所示含分布式新能源的VPP，以儲(chǔ)能系統(tǒng)和可中斷負(fù)荷作為調(diào)度資源，對新能源進(jìn)行全部消納，可中斷負(fù)荷良好的可調(diào)節(jié)性[19]以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移特性[20—21]一定程度上可以彌補(bǔ)新能源發(fā)電出力隨機(jī)性給電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響。

2 VPP成本模型及獎(jiǎng)懲機(jī)制

2.1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本模型

文獻(xiàn)[22—23]提出考慮壽命損耗成本的儲(chǔ)能單元分布式協(xié)同控制策略，但該成本模型只考慮了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命成本。在此基礎(chǔ)上，文中提出一個(gè)更加完整的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本模型，不僅考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命成本，還包括了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)維的成本和能量損失成本，如下所示：

CB=∑(Cbl+CO&M+Cpl)

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

2.2 可中斷負(fù)荷的成本模型

可中斷負(fù)荷的成本包括可中斷容量成本和中斷電量成本[24—25]，即：

(5)

其中：

(6)

CILk,t=∑(CILk0,tQILk,t)

(7)

2.3 波動(dòng)因子

分布式新能源自身的不可控性會(huì)嚴(yán)重影響新能源發(fā)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性，為了有效保證VPP能安全穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能，引入波動(dòng)因子參數(shù)來衡量VPP輸出穩(wěn)定性。文中使用VPP出力的標(biāo)準(zhǔn)差來定義波動(dòng)因子參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差是反映一組數(shù)據(jù)離散程度最常用的一種量化形式，是衡量精確度的重要指標(biāo)。從定義上看，如果波動(dòng)因子參數(shù)的數(shù)據(jù)離散程度越高，穩(wěn)定性越差；反之，穩(wěn)定性越好。波動(dòng)因子參數(shù)的表達(dá)式為：

(8)

式中：σ為波動(dòng)因子參數(shù)；Pt為t時(shí)刻VPP向電網(wǎng)輸送的有功功率；μ為T時(shí)間段內(nèi)VPP向電網(wǎng)輸送的有功功率的平均值。

2.4 基于波動(dòng)因子的獎(jiǎng)懲機(jī)制

為了保證波動(dòng)因子參數(shù)σ的有效性，引入基于波動(dòng)因子的獎(jiǎng)懲機(jī)制。當(dāng)波動(dòng)因子參數(shù)控制在某一個(gè)較小數(shù)值的區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，說明VPP向電網(wǎng)輸送電能的穩(wěn)定性較好，VPP將會(huì)得到一定來自電網(wǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)；反之，當(dāng)波動(dòng)因子參數(shù)在一個(gè)較大數(shù)值的區(qū)間范圍波動(dòng)時(shí)，說明VPP向電網(wǎng)輸送電能的穩(wěn)定性較差，VPP將會(huì)受到一定的懲罰。波動(dòng)因子獎(jiǎng)懲值表示為：

(9)

式中：σ0為VPP未協(xié)調(diào)控制前分布式新能源向電網(wǎng)輸送電能的初始標(biāo)準(zhǔn)差。

3 考慮新能源消納的VPP優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

以儲(chǔ)能裝置的充/放電功率和可中斷負(fù)荷作為有效調(diào)控資源，考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗成本及可中斷負(fù)荷成本，通過最大化消納可再生能源資源來實(shí)現(xiàn)VPP的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益。目標(biāo)函數(shù)為：

(10)

其中：

(11)

(12)

式中：R為VPP整體的凈利潤；T為新能源消納的時(shí)間段，取24 h；Pt為VPP向電網(wǎng)輸送的電能；Nw為風(fēng)力發(fā)電廠的個(gè)數(shù)；Np為光伏發(fā)電站的個(gè)數(shù)；Pwi,t為風(fēng)電場i在t時(shí)段的有功出力；Ppj,t為光伏發(fā)電站j在t時(shí)段的有功出力；λD,t為t時(shí)段的日前電價(jià)；λL,t為t時(shí)段的內(nèi)部負(fù)荷供電電價(jià)；PL,t為t時(shí)段的內(nèi)部負(fù)荷的消耗量；PIL,t為t時(shí)段的可中斷負(fù)荷調(diào)用值；CB為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的總損耗成本；C(PIL,t)為可中斷負(fù)荷在t時(shí)段的調(diào)用成本；NIL為可中斷負(fù)荷組數(shù)；CILck,t為可中斷負(fù)荷用戶k在t時(shí)段的電價(jià)折扣；QILck,t為可中斷負(fù)荷用戶k在t時(shí)段的可中斷容量；CILk0,t為可中斷負(fù)荷用戶k在t時(shí)段單位削減成本；QILk,t為用戶k的t時(shí)段負(fù)荷削減量。

3.2 約束條件

(1) 可中斷負(fù)荷調(diào)用約束條件。

(13)

式中：PIL,min,t，PIL,max,t分別為t時(shí)段可中斷負(fù)荷的調(diào)用容量上、下限；SILk,t為可中斷負(fù)荷k在t時(shí)段的調(diào)用狀態(tài)，為0表示可中斷負(fù)荷k在t時(shí)段沒有被調(diào)用，為1表示可中斷負(fù)荷k在t時(shí)段被調(diào)用；PILk為可中斷負(fù)荷k的調(diào)用容量。

(2) 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的約束條件。

gbmin≤gb,t≤gbmax?b∈B

(14)

ub,t+vb,t≤1

(15)

(16)

(17)

(18)

4 算例分析

4.1 算例介紹

建立一個(gè)VPP，其中包括1個(gè)風(fēng)電場，1個(gè)光伏電站，負(fù)荷(含可中斷負(fù)荷)和儲(chǔ)能4種分布式組成單元。VPP中的風(fēng)力出力曲線如圖2所示，光伏出力曲線如圖3所示，內(nèi)部負(fù)荷曲線如圖4所示。

圖2 VPP風(fēng)力出力曲線Fig.2 Wind power output curve of VPP

圖3 VPP光伏出力曲線Fig.3 Photovoltaic power output curve of VPP

圖4 VPP內(nèi)部負(fù)荷曲線Fig.4 Internal load curve of VPP

VPP內(nèi)部負(fù)荷供電電價(jià)和VPP賣給電網(wǎng)的電能都采用固定電價(jià)，如購電價(jià)格490元/(MW·h)，售電價(jià)格380元/(MW·h)，可中斷負(fù)荷的參數(shù)信息如表1所示。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為300 MW·h，初始狀態(tài)時(shí)電池深度為0，建設(shè)成本為4 500元/(MW·h)，充電效率為0.87，壽命成本參數(shù)a=1 534，b=2.4，運(yùn)維成本為59元/(MW·h)，能量損失為25.3元/(MW·h)，儲(chǔ)能電池剩余電量的上、下限分別為300 MW·h和0。

表1 可中斷負(fù)荷參數(shù)信息Table 1 Parameter information of interruptible load

4.2 優(yōu)化結(jié)果及分析

根據(jù)文中所提出的模型，采用粒子群算法對其求解，以驗(yàn)證文中所提模型的可行性和波動(dòng)因子有效性。其中，粒子群算法參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模為100，最大迭代次數(shù)為300，慣性權(quán)重因子w為0.7，學(xué)習(xí)因子C1，C2均為2.05。尋優(yōu)結(jié)果如圖5所示，可以看出，大約迭代80次左右收斂，最終得到的總收益利潤最大為1 745 834元。

圖5 總收益進(jìn)化過程Fig.5 Evolution of total revenue

當(dāng)VPP利潤最優(yōu)時(shí)，可中斷負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)一天內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的調(diào)用情況如圖6所示，圖中可中斷負(fù)荷的取值代表本小時(shí)本中斷的負(fù)荷功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)則代表充放電功率，正半軸為充電狀態(tài)，負(fù)半軸為放電狀態(tài)。調(diào)用中斷負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，意味著新能源發(fā)電不足或內(nèi)部總負(fù)荷增加，而儲(chǔ)能系統(tǒng)充電則意味著新能源發(fā)電過剩，若全部輸出到電網(wǎng)可能引起VPP輸出功率波動(dòng)過大。

圖6 可中斷負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度狀態(tài)Fig.6 Dispatching states of interruptible load and energy storage system

圖7為加入波動(dòng)因子前和加入波動(dòng)因子后VPP一天內(nèi)各個(gè)時(shí)刻向電網(wǎng)輸送功率的變化曲線。可以看出，加入波動(dòng)因子后，出力變化曲線明顯變得平緩，說明了引入波動(dòng)因子的有效性。圖7中引入波動(dòng)因子前的曲線出現(xiàn)負(fù)值的原因是VPP具有“源荷”雙重性，既可以作為電源向電網(wǎng)供電，又可以作為負(fù)荷向電網(wǎng)購買電能。

圖7 VPP并網(wǎng)功率的變化曲線Fig.7 Variatio curve of grid-connected power of VPP

5 結(jié)論

文中構(gòu)建了基于VPP的分布式能源消納優(yōu)化調(diào)度模型，此模型把儲(chǔ)能系統(tǒng)和可中斷負(fù)荷作為調(diào)度資源，在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)和可中斷負(fù)荷調(diào)度成本的基礎(chǔ)上，引入波動(dòng)因子參數(shù)并對其大小所屬區(qū)間采取相應(yīng)的獎(jiǎng)懲機(jī)制來保證VPP出力穩(wěn)定性，同時(shí)以VPP總體收益最大為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。采用粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)，結(jié)果表明：(1) 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本模型不僅應(yīng)考慮壽命成本，即安裝成本，還應(yīng)考慮運(yùn)維成本和能量損失成本；(2) 引入波動(dòng)因子來衡量輸出穩(wěn)定性，可以在一定程度上降低新能源出力的不確定性對電網(wǎng)造成的影響，并提高新能源消納的水平；(3) 不可控新能源大規(guī)模入網(wǎng)時(shí)，通過可中斷負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，可以彌補(bǔ)彼此的局限性和成本代價(jià)，使VPP獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。