高比例光伏并網(wǎng)下火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略

戴 暉，常 平，章 銳，湯 奕

(1.國網(wǎng)淮安供電公司，江蘇 淮安223001;2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210096;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出“非化石能源消費(fèi)比重提高15%以上，煤炭消費(fèi)比重降低在 58%以下，減小棄風(fēng)、棄光比例[1]”。自規(guī)劃發(fā)布以來，風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量逐漸提高，光伏裝機(jī)容量持續(xù)擴(kuò)大，截至2018年底，已占全部電力裝機(jī)容量的9.4%。由于光伏具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、間歇性，且僅在白天發(fā)電，與負(fù)荷高峰時(shí)間不同步，高比例光伏并網(wǎng)使凈負(fù)荷曲線呈現(xiàn)鴨型，并產(chǎn)生一系列并網(wǎng)問題。美國加州獨(dú)立運(yùn)營商(CAISO)將這一現(xiàn)象稱為“鴨子曲線”[2-3]。

目前，目前國內(nèi)外學(xué)者主要從源端、需求端等方面對(duì)鴨子曲線進(jìn)行緩解。在源端，主要通過調(diào)整光伏電池板的朝向來控制發(fā)電量，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊[4]，該方法本質(zhì)上以犧牲光伏功率換取較小爬坡壓力，沒有從根本上解決問題。在需求端，主要通過智能終端調(diào)節(jié)負(fù)荷使用方式、用電時(shí)間來減小用電高峰時(shí)段負(fù)荷、增大用電低谷時(shí)負(fù)荷，使用戶參與電網(wǎng)調(diào)峰，降低爬坡斜率[5]，但該方法降低了用戶負(fù)荷供電可靠性。有學(xué)者通過引入熱電站來緩解鴨子曲線問題[6]，取得一定效果，但光熱電站對(duì)光伏功率轉(zhuǎn)換效率不夠高，在本質(zhì)上與棄光問題類似，還存在一定不足[7]。上述方法不能從根本上解決鴨子曲線問題，尤其在如何有效緩解火電機(jī)組爬坡壓力，保障火電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、火電機(jī)組抗擾動(dòng)能力，提高光伏消納能力等方面研究還存在不足。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，首先分析了鴨子曲線問題成因以及給電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)壓、火電機(jī)組爬坡等帶來的挑戰(zhàn)。然后通過在高比例光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能電站，構(gòu)造光儲(chǔ)系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)高比例光伏并網(wǎng)下火電機(jī)組爬坡壓力進(jìn)行緩解。數(shù)學(xué)模型以綜合成本最小為目標(biāo)函數(shù)，并在目標(biāo)函數(shù)中增加了火電機(jī)組爬坡成本，考慮光伏發(fā)電約束、儲(chǔ)能約束、火電機(jī)組約束、網(wǎng)絡(luò)安全約束等，構(gòu)建緩解火電機(jī)組爬坡壓力數(shù)學(xué)模型，并利用線性規(guī)劃單純形法對(duì)模型進(jìn)行求解。達(dá)到平滑鴨子凈負(fù)荷曲線、緩解機(jī)組爬坡壓力、保障火電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、促進(jìn)光伏并網(wǎng)消納目的。最后在IEEE-24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上仿真驗(yàn)證所提策略優(yōu)越性和有效性。

2 高比例光伏并網(wǎng)問題分析

2.1 問題成因

與風(fēng)力發(fā)電特性不同，光伏發(fā)電受日照強(qiáng)度和溫度影響，發(fā)電功率會(huì)在早晨從0開始增加到達(dá)一個(gè)峰值，然后開始下降，在傍晚時(shí)降低到0，在夜間無功率輸出。而負(fù)荷曲線在傍晚時(shí)會(huì)逐漸增加，并達(dá)到一個(gè)峰值。這種發(fā)電功率與負(fù)荷在時(shí)間上不同步帶來的負(fù)荷與發(fā)電功率間差值會(huì)產(chǎn)生凈負(fù)荷曲線，在形狀上與“鴨子”類似，如圖1所示。在凌晨至清晨時(shí)間段，凈負(fù)荷曲線波動(dòng)較為平緩。從清晨開始，隨著光伏功率的升高，凈負(fù)荷曲線開始快速下降，在中午時(shí)刻達(dá)到最低點(diǎn)。清晨至傍晚時(shí)間段曲線被稱為“鴨肚”。在傍晚時(shí)分，隨著光伏功率的減小，凈負(fù)荷曲線開始陡然升高并達(dá)到最大值，該段時(shí)間曲線被稱為“鴨脖”。美國加州獨(dú)立運(yùn)營商(CAISO)將其稱為“鴨子曲線”。我國淮安金湖縣正創(chuàng)建國家高比例可再生能源示范縣[8]，到2020年光伏裝機(jī)達(dá)500MW以上，屆時(shí)光伏并網(wǎng)也會(huì)產(chǎn)生類似“鴨子曲線”現(xiàn)象。

圖1 CAISO預(yù)測(cè)的鴨子曲線發(fā)展趨勢(shì)[2]

隨著光伏并網(wǎng)比例的增加，白天“鴨肚”將更大，傍晚“鴨脖”將更長，如圖1所示。這種大肚腩、長脖子的鴨子曲線將降低電壓質(zhì)量、增加機(jī)組爬坡壓力。其它機(jī)組功率需要在清晨時(shí)刻迅速下降，在傍晚時(shí)刻快速上升，迅速達(dá)到峰值，才能滿足電網(wǎng)供需平衡，給其它機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大壓力。

2.2 高比例光伏并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

鴨子曲線將進(jìn)一步放大光伏功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性，增加系統(tǒng)運(yùn)行難度和規(guī)劃的不確定性，影響系統(tǒng)其它機(jī)組運(yùn)行特性[9]?，F(xiàn)有電網(wǎng)以火電機(jī)組運(yùn)行為主，火電機(jī)組運(yùn)行特性[10]如圖2所示。

圖2 常規(guī)火電機(jī)組發(fā)電調(diào)節(jié)特性

若某臺(tái)機(jī)組從時(shí)刻1開始并網(wǎng)發(fā)電到時(shí)刻4與電網(wǎng)解列，則其發(fā)電功率范圍如曲線形成的面積所示。時(shí)刻1到時(shí)刻2階段為機(jī)組開機(jī)過程，時(shí)刻5到時(shí)刻6為機(jī)組停機(jī)過程，都沒有調(diào)節(jié)能力。從時(shí)刻2到時(shí)刻5機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)，可以在梯形BCDE內(nèi)任意一點(diǎn)運(yùn)行。但機(jī)組最大上坡率不能超過斜線BC，最大下坡率不能超過DE。隨著光伏并網(wǎng)比例的提高，鴨子曲線峰谷差將持續(xù)擴(kuò)大，火電機(jī)組下坡能力、上坡能力可能無法響應(yīng)其變化[11]。電網(wǎng)難以維持功率平衡、系統(tǒng)電壓或頻率也無法滿足要求，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略

3.1 光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文思路是在白天光伏并網(wǎng)比例達(dá)到一定值后，由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能，儲(chǔ)能功率為PC，減小光伏直接并網(wǎng)功率，抬高白天凈負(fù)荷曲線，減緩凈負(fù)荷曲線變化速度。在夜間負(fù)荷高峰時(shí)段，由于光伏發(fā)電功率為零，由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電，放電功率為PD，拉低夜間凈負(fù)荷曲線，緩解凈負(fù)荷變化速度，如圖4所示。通過減緩高比例光伏并網(wǎng)引發(fā)的鴨子凈負(fù)荷曲線變化速度，平滑凈負(fù)荷曲線，進(jìn)而達(dá)到緩解火電機(jī)組爬坡壓力的目的。鴨子曲線功率PY計(jì)算如式(1)所示

(1)

式中PPV為光儲(chǔ)聯(lián)合出力，PL為負(fù)荷。

圖4 機(jī)組爬坡壓力緩解思路

3.2 緩解火電機(jī)組爬坡壓力數(shù)學(xué)模型

基于搭建的光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和火電機(jī)組爬坡壓力緩解思路，以平滑鴨子凈負(fù)荷曲線、緩解火電機(jī)組調(diào)峰壓力、提高光伏消納能力為目標(biāo)，構(gòu)建緩解火電機(jī)組爬坡壓力數(shù)學(xué)模型。

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮棄光、儲(chǔ)能與發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)能力，以光儲(chǔ)系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如式(2)所示

(2)

3.2.2 約束條件

約束條件主要包括有用平衡約束、光伏發(fā)電約束、儲(chǔ)能約束、火電機(jī)組約束、線路約束以及失負(fù)荷約束。

1)有功平衡約束。系統(tǒng)有功率要滿足平衡條件。如式(3)所示

(3)

式中，PLj，t為第j個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻負(fù)荷功率，PPV，t為t時(shí)刻光儲(chǔ)聯(lián)合出力。

2)光伏發(fā)電約束。主要包括運(yùn)行約束、爬坡約束以及棄光約束。具體如式(4)所示

(4)

3)儲(chǔ)能約束。主要包括儲(chǔ)能功率約束、儲(chǔ)能荷電率約束以及儲(chǔ)能容量約束。儲(chǔ)能功率約束如式(5)所示

(5)

式中PC，max為儲(chǔ)能最大充電功率，PD，max為儲(chǔ)能最大放電功率。

儲(chǔ)能荷電約束如式(6)所示，設(shè)置此項(xiàng)約束可以避免儲(chǔ)能過充、過放。

(6)

式中SOCmax、SOCmin為儲(chǔ)能最大、最小荷電率，SOC0為儲(chǔ)能系統(tǒng)初始荷電率，Et為儲(chǔ)能容量。

儲(chǔ)能容量約束如式(7)所示，確保儲(chǔ)能每時(shí)每刻的儲(chǔ)能容量滿足要求。

(7)

式中，EMax，EMin分別為儲(chǔ)能容量上下限(這里分別取100%的額定容量與10%的額定容量)，Δt為時(shí)間間隔，η1，η2分別為儲(chǔ)能放電與充電的效率。

4)火電機(jī)組約束。主要包括運(yùn)行約束和爬坡約束，如式(8)所示

(8)

5)線路約束。主要包括線路功率等式約束、線路傳輸功率約束和節(jié)點(diǎn)相角約束。如式(9)所示

(9)

6)失負(fù)荷約束。即系統(tǒng)中某節(jié)點(diǎn)的失負(fù)荷功率不能大于該節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率。具體如式(10)所示

0≤PLDj，t≤PLj，t

(10)

3.3 線性規(guī)劃單純形法

緩解火電機(jī)組爬坡壓力數(shù)學(xué)模型包括：目標(biāo)函數(shù)、等式約束條件、不等式約束條件、上下限約束條件以及求解變量。該數(shù)學(xué)模型是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)劃問題，故本文基于線性規(guī)劃單純形法對(duì)模型進(jìn)行求解[13]。緩解火電機(jī)組爬坡壓力的線性規(guī)劃模型如式(11)所示

(11)

結(jié)合緩解火電機(jī)組爬坡壓力數(shù)學(xué)模型，式(11)中變量具體如(12)所示

(12)

式中f為成本，包括機(jī)組運(yùn)行成本、機(jī)組爬坡成本、失負(fù)荷成本、棄光成本、儲(chǔ)能運(yùn)行成本。x為待求量，包括機(jī)組輸出功率、節(jié)點(diǎn)相角、線路有功功率、光伏發(fā)電功率、失負(fù)荷功率、棄光功率以及儲(chǔ)能充放電功率。A為系數(shù)矩陣，包括機(jī)組爬坡功率系數(shù)矩陣(一般取K=[K]，k=±1)、充放電功率系數(shù)矩陣。b為不等式約束向量，包括機(jī)組上下爬坡率，充放電約束。E0為儲(chǔ)能系統(tǒng)初始時(shí)刻功率。Aeq為等式系數(shù)矩陣，包括線路有功等式約束、系統(tǒng)功率平衡約束系數(shù)矩陣。BIJ=[Bij]。Beq為等式向量矩陣，包括線路有功等式向量、系統(tǒng)負(fù)荷功率向量。ub、lb分別為火電機(jī)組發(fā)電功率、節(jié)點(diǎn)相角、線路熱穩(wěn)定功率、光伏發(fā)電功率、負(fù)荷功率、棄光功率、儲(chǔ)能充電放電、儲(chǔ)能荷電率、儲(chǔ)能容量的上限、下限向量?；趩渭冃畏ㄇ蠼鈺r(shí)一般遵循以下步驟：確定初始基可行解，檢驗(yàn)所得到的基可行解是否最優(yōu)，迭代求新的基可行解。

3.4 火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略

基于根據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和線性規(guī)劃單純性求解算法，構(gòu)建火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略，如圖7所示。具體如下：

1)設(shè)置成本參數(shù)火電機(jī)組CGi、失負(fù)荷成本CL、棄光成本CPV、儲(chǔ)能成本CC，機(jī)組爬坡成本Cq，儲(chǔ)能容量E0，時(shí)間T等。

3)準(zhǔn)備線性模型中參數(shù)，如成本向量f′。火電機(jī)組爬坡功率系數(shù)矩陣A?；痣姍C(jī)組上下爬坡率及充放電約束向量b。線路有功等式約束和系統(tǒng)功率平衡約束系數(shù)矩陣Aeq。線路有功等式向量，系統(tǒng)負(fù)荷功率向量Beq。火電機(jī)組發(fā)電功率、節(jié)點(diǎn)相角、線路熱穩(wěn)定功率、光伏發(fā)電功率、負(fù)荷功率、棄光功率、儲(chǔ)能充電放電功率、儲(chǔ)能荷電率、儲(chǔ)能容量上限，下限向量ub，lb。

4)由上述矩陣和向量，構(gòu)造緩解火電機(jī)組爬坡壓力線性數(shù)學(xué)模型。

5)設(shè)置或更新模型的初始可行解X(t)=(b1，b2…，bm，0，…，0)′，并計(jì)算校驗(yàn)數(shù)δj，若δj≤0則計(jì)算下一時(shí)刻t=Δt+t的最優(yōu)解。

6)δj中有一個(gè)大于零，則計(jì)算換入變量xk，換出變量xl，更新初始可行解，并進(jìn)行迭代、檢驗(yàn)計(jì)算，直到得到最優(yōu)可行解。

7)若所有時(shí)刻均求出可行解，則輸出最優(yōu)解。具體如圖5所示。

圖5 火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略

4 算例分析

4.1 仿真系統(tǒng)搭建

為了驗(yàn)證本文所提策略的優(yōu)越性和有效性，借助MATLAB搭建了IEEE-24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，對(duì)上述緩解火電機(jī)組爬坡壓力線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證本文構(gòu)建的光儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型可以緩解高比例光伏并網(wǎng)帶來的火電機(jī)組爬坡壓力問題，促進(jìn)光伏消納。IEEE-24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中火電機(jī)組的出力功率范圍如表1所示，爬坡率取為每分鐘調(diào)節(jié)2%的最大出力，采用對(duì)比分析：

策略1：只在原系統(tǒng)19節(jié)點(diǎn)并入光伏電站；

策略2(本文所提策略)：在策略1的基礎(chǔ)上再在19節(jié)點(diǎn)上接入儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖6 改進(jìn)的IEEE-24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 火電機(jī)組出力功率及成本數(shù)據(jù)

各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷隨時(shí)間變化，總負(fù)荷預(yù)測(cè)功率和光伏預(yù)測(cè)功率如圖7所示，數(shù)據(jù)參考2016年10月22日加利福尼亞負(fù)荷與與光伏數(shù)據(jù)。爬坡率上、下限均為20MW/min，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本系數(shù)為9$/MWh。棄光懲罰系數(shù)為11$/MWh，失負(fù)荷懲罰系數(shù)為1000$/MWh。火電機(jī)組爬坡成本因子取25。

圖7 總負(fù)荷和光伏預(yù)測(cè)功率

本文基于圖5所示的火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略，借助線性規(guī)劃單純形算法，利用MATLAB對(duì)模型進(jìn)行求解。結(jié)果如下。

4.2 方法優(yōu)越性分析

(13)

光伏滲透率計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖可以看出，各光伏發(fā)電比例下策略2的棄光功率均低于策略1，策略2的光伏滲透率高于策略1。這是由于策略1僅依靠傳統(tǒng)火電機(jī)組消納高比例光伏功率，而火電機(jī)組爬坡能力有限，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，不得不丟棄部分光伏功率。策略2的光儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)高比例光伏功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)貎?chǔ)能和放電，減小棄光功率，使其可以更多的被火電機(jī)組消納。

按比例逐漸增加圖7中光伏預(yù)測(cè)功率，分別對(duì)策略1、策略2下的光儲(chǔ)系統(tǒng)綜合成本進(jìn)行求解，結(jié)果如圖10所示。由圖可以看出，不同光伏并網(wǎng)比例下，策略2的綜合成本始終低于策略1。這是由于策略1的棄光功率、機(jī)組爬坡壓力均比策略2高，導(dǎo)致策略1的棄光成本、機(jī)組爬坡成本高于策略2。與策略1相比，本文所提策略2有效降低了光儲(chǔ)系統(tǒng)綜合成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

圖8 棄光功率曲線

圖9 光伏滲透率曲線

圖10 光儲(chǔ)系統(tǒng)綜合成本曲線

4.3 方法有效性分析

經(jīng)過上述仿真驗(yàn)證可知，策略2的方法優(yōu)于策略1，在減小棄光功率、提高光伏消納水平、降低系統(tǒng)綜合成本上具有一定優(yōu)勢(shì)，下面進(jìn)一步分析策略2的方法有效性。在光伏發(fā)電比例1.4的情況下，對(duì)策略2的鴨子凈負(fù)荷曲線進(jìn)行求解，如圖11所示。

圖11 鴨子凈負(fù)荷曲線

由圖11可以看出，策略2得到的凈負(fù)荷曲線與原始凈負(fù)荷曲線相比在整體上較為平滑，曲線波動(dòng)性也相對(duì)較小。這是由于策略2的儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電功率高發(fā)時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能，在光伏發(fā)電功率低谷進(jìn)行放電產(chǎn)生的效果，策略2在平滑鴨子凈負(fù)荷曲線上具有一定的效果。

進(jìn)一步對(duì)原始凈負(fù)荷曲線及策略2凈負(fù)荷曲線對(duì)應(yīng)的機(jī)組爬坡率進(jìn)行求解，結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，在早上8：00和晚上17：00，原始凈負(fù)荷曲線對(duì)應(yīng)的機(jī)組爬坡率均出現(xiàn)峰值，而策略2在此時(shí)間段分別對(duì)其進(jìn)行了有效的緩解，減小對(duì)火電機(jī)組爬坡的壓力。這是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)在早上6：00-8：00時(shí)間段放電補(bǔ)充光伏發(fā)電功率，在8：00-17：00時(shí)間儲(chǔ)能消納光伏過剩的發(fā)電功率，在17：00-20：00時(shí)間段又放電補(bǔ)充光伏發(fā)電功率的不足產(chǎn)生的效果。凈負(fù)荷曲線的下坡和上坡時(shí)段功率得到平滑后，可有效減小火電機(jī)組的爬坡壓力。具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖12 凈負(fù)荷對(duì)應(yīng)的機(jī)組爬坡率

5 結(jié)論

高比例光伏并網(wǎng)使凈負(fù)荷曲線在白天出現(xiàn)極低的谷值，凈負(fù)荷波動(dòng)幅度加大，火電機(jī)組不能及時(shí)響應(yīng)凈負(fù)荷波動(dòng)，爬坡壓力極大，危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文搭建的光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建的緩解火電機(jī)組爬坡壓力數(shù)學(xué)模型以及提出的火電機(jī)組爬坡壓力緩解策略，可較好的平滑鴨子凈負(fù)荷曲線、有效緩解火電機(jī)組爬坡壓力，在減小光伏棄光率、提高光伏消納能力、緩解調(diào)峰壓力的同時(shí)，保障了火電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力、抗擾動(dòng)能力，對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和工程實(shí)用價(jià)值。