考慮高壓直流接入的電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化方法研究

邢超，和鵬，劉明群，奚鑫澤，李勝男

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

隨著高壓直流接入電網(wǎng)，導致電網(wǎng)的運行情況更加復雜，調(diào)峰問題進一步加劇，亟需研究高壓直流接入對電網(wǎng)調(diào)峰的影響及其應對措施[1]。區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰困境日漸突出，對各級電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響不容小視[2-5]。目前，在高壓直流接入的電網(wǎng)調(diào)峰評估方法中，高壓直流一般按照有功功率的運行方式進行處理，并且以備用容量或者調(diào)峰盈余作為指標來評估電網(wǎng)的調(diào)峰能力[6-13]。以備用容量評估電網(wǎng)的調(diào)峰能力，即先求出電網(wǎng)所能提供的備用容量，再將系統(tǒng)所能提供的備用容量和所需求的備用容量進行對比，從而評估電網(wǎng)調(diào)峰平衡情況的優(yōu)劣。以調(diào)峰盈余評估電網(wǎng)的調(diào)峰能力，則是根據(jù)電源的調(diào)峰能力、負荷峰谷差和備用容量求出調(diào)峰盈余，根據(jù)調(diào)峰盈余容量的大小對電網(wǎng)的調(diào)峰能力進行評估[14-18]。

文獻[19]提出基于熵權屬性識別模型的電力系統(tǒng)調(diào)峰方案評估方法體系。文獻[20]從電網(wǎng)、電源和高載能負荷三個方面提出了表征電力節(jié)能的指標，然后基于綜合模糊評價法進行綜合評估。文獻[21]提出一種綜合考慮系統(tǒng)運行成本以及常規(guī)機組低谷時刻負調(diào)峰能力的多目標機組組合優(yōu)化模型。文獻[22]利用年棄風比例、年利用小時數(shù)、年棄風電量月分布、年棄風電量峰谷分布等各類數(shù)據(jù)，來反映水平年風電棄風情況。文獻[23]建立了以有功損耗最小為目標，計及機組爬坡速率約束以及系統(tǒng)安全約束的優(yōu)化調(diào)度模型，制定了高壓直流送不同風電比例情況下電網(wǎng)的調(diào)峰方案。

傳統(tǒng)的評估方法中僅以備用容量或調(diào)峰盈余作為單一評價指標對調(diào)峰方案進行評估，難以適應復雜調(diào)峰運行方式的需求，無法對電網(wǎng)的調(diào)峰能力做出全面、科學的評價。本文采用了一種新的評估方法，考慮高峰時期調(diào)峰盈余和低谷時期棄電量兩個評估指標，以調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)和棄電量隸屬度函數(shù)之和構建綜合評價模型，以綜合隸屬度函數(shù)最大化為目標來評價高壓直流接入后電網(wǎng)的調(diào)峰能力，逐月校核調(diào)峰平衡情況，根據(jù)校核結(jié)果分月制定高壓直流的調(diào)峰運行方式。

1 調(diào)峰評估指標

高壓直流接入電網(wǎng)后，考慮負荷高峰期調(diào)峰盈余和最大、最小調(diào)峰盈余，引入調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)；同時對于高壓直流的接入會使電網(wǎng)在多個月份的低谷時段存在調(diào)峰缺額的情況，引入棄電量所對應的隸屬度函數(shù)。

1.1 調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)

以調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)評估電網(wǎng)的調(diào)峰能力，首先根據(jù)高壓直流所傳輸?shù)淖畲?、最小電能，求出最小調(diào)峰盈余和最大調(diào)峰盈余；再將調(diào)峰盈余容量減去最小調(diào)峰盈余；最后除以最大、最小調(diào)峰盈余的差值，從而求出調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)。具體計算過程如下：

高壓直流傳輸最小電能時最大調(diào)峰盈余容量如式（1）所示。

高壓直流傳輸最大電能時最小調(diào)峰盈余容量如式（2）所示。

高壓直流不同運行方式下的調(diào)峰盈余如式（3）所示。

式中：Fmax和Fmin分別表示最大調(diào)峰盈余和最小調(diào)峰盈余；Fi表示第i個高壓直流運行方式下的調(diào)峰盈余；PLmax表示系統(tǒng)的最高發(fā)電負荷；PC.max和PC.min分別表示系統(tǒng)所有出力可控電源同一時段最大、最小可調(diào)出力；PT.i為第i個高壓直流運行方式下高壓直流傳輸?shù)碾娔?；PT.max和PT.min分別為高壓直流傳輸?shù)淖畲?、最小電能；PRL為負荷備用(熱備用)；PRA為事故備用(熱備用)。

由此可得調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)表達式如式（4）所示。

式中：ηi為第i個高壓直流運行方式下調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)。

1.2 棄電量隸屬度函數(shù)

當負荷低谷時期調(diào)峰盈余不足時，引入棄電量隸屬度函數(shù)來評估電網(wǎng)的調(diào)峰能力。棄電量的定義如下：

圖1中的陰影部分的面積即為典型日低谷盈余不足情況下的棄電量。

圖1 典型日棄電量示意圖

典型日棄電量E定義式如式(5)所示。

式中：t1和t2分別為典型日負荷低于最低出力的起始時間和終止時間；p為低谷最小出力；f(x)為負荷曲線的數(shù)學表達式。

通過典型日棄電量得到典型月棄電量P，如式（6）所示。

式中：E為典型日棄電量；n為該月份的天數(shù)；α為棄電量系數(shù)。

高壓直流傳輸最小電能時，典型日棄電量最大值表達式如（7）所示。

高壓直流傳輸最大電能時，典型日棄電量最小值表達式如(8)所示。

高壓直流不同運行方式下典型日棄電量表達式如(9)所示。

式中：Emax和Emin分別為典型日最大棄電量和最小棄電量；Ei為第i個高壓直流運行方式下的典型日棄電量；PT.max和PT.min分別為高壓直流傳輸?shù)淖畲?、最小電能；PT.i為第i個高壓直流運行方式下高壓直流傳輸?shù)碾娔堋?/p>

高壓直流傳輸最小電能時，典型月棄電量最大值如（10）所示。

高壓直流傳輸最大電能時，典型月棄電量最小值如式（11）所示。

高壓直流不同運行方式下典型月棄電量如式（12）所示。

式中：Pmax和Pmin分別為典型月最大棄電量和最小棄電量；Pi為第i個高壓直流運行方式下的典型月棄電量；nk為第k月的天數(shù)。

由此可得棄電量隸屬度函數(shù)如（13）所示。

式中：ξi為第i個高壓運行方式下棄電量隸屬度函數(shù)。

2 評估方法流程及數(shù)學模型

本文將高壓直流納入調(diào)峰體系，考慮高壓直流多種運行方式，基于多目標分段建模理論，構建以調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)和棄電量隸屬度函數(shù)為指標的綜合評估模型，提出一種以綜合隸屬度函數(shù)最大化為目標的高壓直流調(diào)峰評估方法。該方法將分月制定高壓直流調(diào)峰方案，并利用綜合隸屬度函數(shù)對調(diào)峰方案進行評估，從而選取最優(yōu)的調(diào)峰方案。評估思路為：計算調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)和棄電量隸屬度函數(shù)，通過比較兩個隸屬度函數(shù)之和的大小來評價不同調(diào)峰方案的優(yōu)劣。其求解流程如圖2所示。

圖2 調(diào)峰評估方法流程圖

從每年的1月開始，根據(jù)高壓直流的最大、最小傳輸電能，計算出當月負荷高峰時段的最大、最小調(diào)峰盈余、高壓直流不同運行方式下的調(diào)峰盈余和負荷低谷時段最大、最小棄電量、高壓直流不同運行方式下的棄電量。從而計算出當月不同運行方式下的調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)和棄電量隸屬度函數(shù)。比較不同運行方式下的綜合隸屬度函數(shù)，以綜合隸屬度函數(shù)最大值所對應的調(diào)峰方案作為當月的調(diào)峰方案。對1月至12月進行逐月校核，分別得到各個月對應的最優(yōu)調(diào)峰方案。

基于分段建模的高壓直流運行曲線優(yōu)化策略數(shù)學模型如（14）所示。

式中：表示第k月中i個高壓直流運行方式下的綜合隸屬度函數(shù)；Ω為調(diào)峰方案個數(shù)的取值空間，T為月份的取值空間，分別為第k月第i個高壓直流運行方式下的調(diào)峰英語隸屬度函數(shù)和棄電量隸屬度函數(shù)。

3 調(diào)峰方案及仿真實例

利用本文中的調(diào)峰評估方法對永富高壓直流接入云南電網(wǎng)的調(diào)峰情況進行具體分析。

3.1 永富高壓直流運行方案

2016年，永富高壓直流工程建成投產(chǎn)，永富高壓輸送電力容量最小為150 MW，最大為3000 MW。結(jié)合云南電網(wǎng)的負荷需求以及永富高壓直流的送電能力，將永富高壓直流的運行方案設置五種運行方式。

云南電網(wǎng)0點至8點為負荷低谷時段，8點至24點為負荷高峰時段。

方式一：永富直流按高峰低谷輸送相同電能，即1500 MW。

方式二：永富直流在0點-8點按1200 MW輸送電能，8點-24點按1800 MW輸送電能。

方式三：永富直流在0點-8點按900 MW輸送電能，8點-24點按2100 MW輸送電能。

方式四：永富直流在0點-8點按600 MW輸送電能，8點-24點按2400 MW輸送電能。

方式五：永富直流在0點-8點按300 MW輸送電能，8點-24點按2700 MW輸送電能。

3.2 2017年仿真實例

根據(jù)2017年云南電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，算出2017年云南電網(wǎng)調(diào)峰盈余，同時做出調(diào)峰盈余對比圖，如圖3所示。

圖3 2017年云南電網(wǎng)調(diào)峰盈余對比圖

由圖3可知：在永富高壓直流采取相同的運行方式情況下，對比不同月份的調(diào)峰盈余，最大的調(diào)峰盈余出現(xiàn)在七月。

在同一月份中，對比永富高壓直流采取的不同運行方式，最大的調(diào)峰盈余出現(xiàn)在方式一。

根據(jù)對云南電網(wǎng)不同月份最小負荷典型日曲線的分析研究，棄電量系數(shù)近似取值為1-3月取0.23，4-6月取0.3，7-9月取0.25，10-12月取0.2。根據(jù)前述棄電量計算方法，得到2017年云南電網(wǎng)各月份的棄電量，同時做出棄電量對比圖，如圖4所示。

圖4 云南電網(wǎng)2017年份月棄電量對比圖(億kWh)

由4可知：在永富高壓直流采取相同的運行方式情況下，對比不同月份的棄電量，最大的棄電量出現(xiàn)在九月。

在同一月份中，對比永富高壓直流采取的不同運行方式，最大的棄電量出現(xiàn)在方式一。

由以上數(shù)據(jù)計算出調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)、棄電量隸屬度函數(shù)以及綜合隸屬度函數(shù)，同時做出2017年云南電網(wǎng)不同月份隸屬度函數(shù)的對比圖，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)對比圖

圖6 棄電量隸屬度函數(shù)對比圖

由圖5可知：在2017年云南電網(wǎng)運行的每個月中，方式一的調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)最大，同時都為0.5263；而方式五的調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)最小，同時都為0.1053。在永富直流的每種運行方式中，12個月份的調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)大小都相同，五種方式分別為0.5263，0.4211，0.3151，0.2105，0.1053。

由圖6可知：在永富高壓直流采取相同的運行方式情況下，對比不同的月份的棄電量隸屬度函數(shù)，最大值出現(xiàn)在2月。

在同一月份中，對比永富高壓直流采取的不同運行方式，最大的棄電量隸屬度函數(shù)出現(xiàn)在方式一。由圖7可知：在2017年云南電網(wǎng)運行的每個月中，方式一的綜合隸屬度函數(shù)最大。因此2017年云南電網(wǎng)全年采取方式一進行電網(wǎng)調(diào)峰，即永富高壓直流在高峰和低谷輸送1500 MW電能。采取該方式調(diào)峰，云南電網(wǎng)全年都能夠滿足高峰低谷負荷需求，調(diào)峰效果能夠達到最好，使得云南電網(wǎng)經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

圖7 綜合隸屬度函數(shù)對比圖

4 結(jié)束語

本文針對高壓直流接入對電網(wǎng)調(diào)峰產(chǎn)生的影響，在分析傳統(tǒng)調(diào)峰評估方法的基礎上，引入了調(diào)峰盈余隸屬度函數(shù)和棄電量隸屬度函數(shù)，從而提出了一種新的調(diào)峰評估方法，并在該評估方法下對永富高壓接入后云南電網(wǎng)2017年的調(diào)峰情況進行實例計算，得到了以下結(jié)論：

1）永富高壓直流采取運行方式一，即在高峰期和低谷期同時輸送1500 MW電能，能夠滿足2017年云南電網(wǎng)全年負荷需求，使得調(diào)峰效果達到最好。

2）對于考慮高壓直流接入的電網(wǎng)，能夠采用調(diào)峰盈余和棄電量兩個指標來對調(diào)峰問題進行評估，從而得出最優(yōu)的調(diào)峰方案。