考慮風(fēng)電態(tài)勢的源荷優(yōu)化調(diào)度策略研究

劉海南，樊國旗，劉喆男，田瑛，閆凱文

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000；2.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017）

0 引 言

規(guī)模化下風(fēng)電并網(wǎng)對國家提出的“雙碳”政策起到了巨大作用[1-2]，然而風(fēng)電的隨機波動和不可控特性對電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行造成不利影響，通過研究風(fēng)電的特性能讓風(fēng)電并網(wǎng)利益最大化[3-4]。對于風(fēng)電并網(wǎng)帶來的不利因素，文獻[5-6]在風(fēng)電功率進行預(yù)測的研究方面應(yīng)用自回歸滑動平均模型，最后得到典型風(fēng)電出力場景。文獻[7-8]通過結(jié)合Copula 函數(shù)和K-means 算法得到典型的風(fēng)電場景出力用于無功優(yōu)化。文獻[9]根據(jù)風(fēng)電消納情況建立3 種源-荷-儲優(yōu)化調(diào)度模型，豐富了提高風(fēng)電消納水平的手段?？紤]到新能源的不確定性，文獻[10]通過對新能源、負(fù)荷建立概率模型并通過拉丁超立方抽樣得到研究場景，求解所建立的優(yōu)化調(diào)度模型驗證此方法的有效性。文獻[11-13]從系統(tǒng)運行經(jīng)濟性角度出發(fā)，對不同類型的需求響應(yīng)機理進行描述并建立模型，然后構(gòu)建出優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[14]通過建立數(shù)學(xué)模型將典型負(fù)荷曲線劃分為不同時段，能夠更容易得出負(fù)荷和風(fēng)電及光伏功率之間的關(guān)系，并通過結(jié)果驗證其正確性。

上述文獻很少考慮在研究風(fēng)電負(fù)荷之間的特性的基礎(chǔ)上做出調(diào)度策略，因此，提出一種考慮風(fēng)電負(fù)荷態(tài)勢的優(yōu)化調(diào)度策略：首先，通過K-means 算法和風(fēng)荷耦合度指標(biāo)研究負(fù)荷高峰、低谷時段的耦合特性；然后，基于此特性提出一種日前日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度策略，通過加入調(diào)節(jié)常規(guī)機組、儲能和高載能負(fù)荷出力使電網(wǎng)運行利益最大化。

1 風(fēng)電負(fù)荷特性研究

地市級別及更大范圍的區(qū)域電網(wǎng)的日負(fù)荷特性一般為雙峰特性，即午間高峰和晚間高峰，有較強規(guī)律。典型的日負(fù)荷曲線具有雙峰性，可以分成負(fù)荷高峰時間段、負(fù)荷平時間段、負(fù)荷低谷時間段去描述風(fēng)電-負(fù)荷之間的聯(lián)系，典型日負(fù)荷各時段風(fēng)電出力情況如圖1所示。

圖1 典型日負(fù)荷各時段風(fēng)電出力情況

負(fù)荷高峰時間段TH即高于分界線αH·PL,max的部分，其公式表示如下：

式中：PL(t)為t時刻的負(fù)荷功率，PL,max為當(dāng)日最大負(fù)荷值，αH為負(fù)荷高峰分界系數(shù)，一般取0.8±0.1。

負(fù)荷低谷時間段TL即低于分界線αL·PL,min的部分，其公式表示如下：

式中：PL,min為當(dāng)日最小負(fù)荷值；αL為負(fù)荷低谷分界系數(shù)，一般取1.3±0.1。

對于日負(fù)荷低谷時間段的電網(wǎng)控制與運行，風(fēng)電出力影響常規(guī)火電機組的深度調(diào)峰、機組最小技術(shù)出力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束下限制風(fēng)電消納空間以及電網(wǎng)的調(diào)峰裕度；對于日負(fù)荷高峰時段的電網(wǎng)控制與運行，風(fēng)電出力影響電網(wǎng)常規(guī)機組的啟停情況及機組組合情況、系統(tǒng)調(diào)峰和系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量；對于日負(fù)荷平衡時段的電網(wǎng)控制與運行，一般情況下各地區(qū)的風(fēng)電裝機容量不大于當(dāng)?shù)刎?fù)荷總?cè)萘?，因此在?fù)荷平時段系統(tǒng)處于容易調(diào)節(jié)的時段。負(fù)荷平衡時段下風(fēng)電量較大，但總量遠(yuǎn)小于負(fù)荷總量，不會造成大量棄風(fēng)；當(dāng)負(fù)荷平衡時段風(fēng)電量較小，可以通過常規(guī)機組調(diào)節(jié)來平衡供需兩端。

式中：Pw(dt)為d日t時刻風(fēng)電出力，max(·)為最大值函數(shù)。

式中：min(·)為最小值函數(shù)。

風(fēng)電日平均出力Pw,av(dt)的公式如下：

上述指標(biāo)反應(yīng)負(fù)荷低谷、負(fù)荷高峰區(qū)間風(fēng)電和負(fù)荷之間的關(guān)系：負(fù)荷低谷區(qū)間風(fēng)電出力影響電網(wǎng)的棄風(fēng)量和系統(tǒng)調(diào)峰；負(fù)荷高峰區(qū)間的風(fēng)電出力影響電網(wǎng)的機組啟停計劃以及旋轉(zhuǎn)備用量。通過結(jié)合上述公式得到風(fēng)電低谷、負(fù)荷高峰時段的耦合系數(shù)，公式如下：

式中：為負(fù)荷高峰時間區(qū)間的風(fēng)電負(fù)荷耦合系數(shù)，表征風(fēng)電在負(fù)荷高峰區(qū)間的出力水平和系統(tǒng)調(diào)峰需求。如果該值小于零時，即負(fù)荷高峰區(qū)間的風(fēng)電最大出力低于當(dāng)日風(fēng)電出力的平均水平，負(fù)荷高峰區(qū)間調(diào)峰壓力較大。

結(jié)合式（8）、式（9）能夠得出當(dāng)日風(fēng)電負(fù)荷時序耦合度指標(biāo)：

典型風(fēng)電出力場景一般通過概率的方法或者聚類分析、消除法等得到，本文采用K-means算法來分析風(fēng)電數(shù)據(jù)得到典型風(fēng)電出力場景。以西北某地風(fēng)電場群的夏、冬季風(fēng)電出力數(shù)據(jù)為例，通過K-means 算法得到各季度的典型風(fēng)電出力曲線如圖2、圖3 所示。從夏、冬季風(fēng)電出力場景可見：冬季出力水平較高，夏冬兩季典型出力場景都表現(xiàn)出在日間風(fēng)電出力相對較低，尤其是15：00 左右的區(qū)間有著較突出的反調(diào)峰特性。對于典型負(fù)荷出力場景，負(fù)荷變化較小，因此選取夏、冬季節(jié)典型負(fù)荷出力曲線，如圖4所示。

圖2 夏季風(fēng)電出力曲線

圖3 冬季風(fēng)電出力曲線

圖4 典型負(fù)荷出力曲線

由于夏季炎熱，降溫設(shè)備的運行使負(fù)荷增加，夏季典型負(fù)荷出力整體上高于冬季典型負(fù)荷出力。最后，以該區(qū)域綜合風(fēng)電出力場景和典型負(fù)荷出力場景為代表，計算各季節(jié)的風(fēng)電負(fù)荷耦合度。日負(fù)荷高峰劃分系數(shù)αH選0.8，日負(fù)荷低谷劃分系數(shù)αL選1.3[14]。通過對典型 冬、夏季負(fù)荷曲線的負(fù)荷區(qū)間劃分：夏季典型日負(fù)荷谷時段為2：00—5：00，日負(fù)荷峰時段為13：00—17：00，其他時段為負(fù)荷平時段；冬季典型日負(fù)荷谷時段為1：00—4：00，日負(fù)荷峰時段為13：00—15：00和17：00—18：00，其他時段為負(fù)荷平時段。由于各季節(jié)典型風(fēng)電場景數(shù)較多，在各季節(jié)風(fēng)電聚類場景中選取概率最大的作為代表。通過計算得出：夏、冬季的典型日負(fù)荷曲線和該季度的典型風(fēng)電出力曲線的耦合度分別為0.328，0.054。夏、冬季的風(fēng)電負(fù)荷耦合度值都大于0，即負(fù)荷低谷時段風(fēng)電出力大于當(dāng)日風(fēng)電平均出力，對系統(tǒng)調(diào)峰有一定影響。

2 可調(diào)度資源“源-荷”特性分析

2.1 火電機組

常規(guī)火電機組指純凝式火電機組，蒸汽全部進入汽輪發(fā)電機的汽輪機，只發(fā)電不供熱，各級葉片做工，乏汽都凝結(jié)成水。常規(guī)火電機組的發(fā)電效率高，其最小技術(shù)出力一般為額定出力的60%，深度調(diào)峰可下降至50%，常規(guī)火電機組的耗煤量與實際發(fā)電相關(guān)，本文中關(guān)于常規(guī)機組耗煤量成本的公式如下：

2.2 高載能負(fù)荷

根據(jù)某些高載能用戶實際生產(chǎn)過程中的調(diào)節(jié)情況可知，高載能負(fù)荷可以分為可連續(xù)調(diào)節(jié)負(fù)荷和可離散調(diào)節(jié)負(fù)荷，可連續(xù)調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷以電解鋁為例，可離散調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷以鐵合金為例，電解鋁和鐵合金的出力公式如下：

3 基于風(fēng)電-負(fù)荷時序耦合特性的優(yōu)化調(diào)度

3.1 日前、日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型

首先，基于風(fēng)電負(fù)荷時序耦合分析，在風(fēng)電負(fù)荷耦合時段將可離散調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷納入調(diào)度計劃，將風(fēng)電功率小、負(fù)荷功率大的時刻的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移至風(fēng)電功率大而負(fù)荷功率小的時刻，配合常規(guī)機組出力，日前調(diào)度以系統(tǒng)成本最優(yōu)目標(biāo)建立模型并形成日前計劃，公式如下：

由于風(fēng)電和負(fù)荷日前預(yù)測功率和日內(nèi)超短期預(yù)測功率存在誤差，因此日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度策略針對此誤差進行修正，通過調(diào)節(jié)常規(guī)機組和可連續(xù)調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷達到電力系統(tǒng)供需平衡，日內(nèi)優(yōu)化目標(biāo)以風(fēng)電消納量最大為目標(biāo)：

式中：Ptw為t時刻風(fēng)電出力，其他約束見參考文獻[9]。

3.2 算例情況

算例分析數(shù)據(jù)取自某地，該地區(qū)火電容量1 415 MW，風(fēng)電裝機容量945.5 MW，棄風(fēng)價格350 元/（MW·h），應(yīng)用自適應(yīng)粒子群算法對算例進行求解，電解鋁和鐵合金的參數(shù)見表1。

表1 電解鋁和鐵合金的參數(shù)

3.3 算例仿真

日前優(yōu)化調(diào)度策略以電網(wǎng)最經(jīng)濟運行成本為目標(biāo)，日前優(yōu)化后的風(fēng)電消納效果見圖5、圖6。

圖5 日前優(yōu)化后風(fēng)電消納效果場景一

圖6 日前優(yōu)化后風(fēng)電消納效果場景二

由圖5、圖6可見日前風(fēng)電預(yù)測曲線，場景一的耦合時段為0：00—5：00和18：00—23：00；場景二的耦合時段為7：00—9：00 以及15：00—19：00。由于可離散調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷持續(xù)調(diào)節(jié)時間限制，圖7中可見可離散電解鋁負(fù)荷的調(diào)節(jié)情況，以及可連續(xù)調(diào)節(jié)負(fù)荷鐵合金的調(diào)節(jié)情況，圖8 不再贅述。

圖7 日前優(yōu)化后高載能負(fù)荷運行場景一

圖8 日前優(yōu)化后高載能負(fù)荷運行場景二

采用本文所提優(yōu)化調(diào)度策略后，調(diào)度周期內(nèi)總棄風(fēng)量為110.9 MW·h,由于高載能負(fù)荷可調(diào)節(jié)量及持續(xù)時間等限制，棄風(fēng)時段多集中在3：00—5：00，而傳統(tǒng)調(diào)度的棄風(fēng)量為650.9 MW·h，通過將風(fēng)電波動分類并將可離散、可連續(xù)調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷納入優(yōu)化調(diào)度計劃能夠很大程度上提高風(fēng)電消納，優(yōu)化前后系統(tǒng)運行成本如表2所示。

表2 系統(tǒng)運行成本對比

由表2 可知，在采用本文所提優(yōu)化調(diào)度策略后場景一系統(tǒng)總成本減少33.13 萬元，場景二節(jié)約成本26.42 萬元。利用可離散、可連續(xù)調(diào)節(jié)高載能負(fù)荷顯著減少了棄風(fēng)成本，系統(tǒng)成本降低的同時也提升風(fēng)電消納量。

相對于日前風(fēng)電預(yù)測，日內(nèi)15 min 風(fēng)電預(yù)測提高了精度，也提高了時間粒度，而可連續(xù)調(diào)節(jié)的鐵合金負(fù)荷可以追蹤風(fēng)電波動，平抑日前日內(nèi)之間風(fēng)電預(yù)測值的偏移量，如圖9所示。

圖9 日內(nèi)風(fēng)電預(yù)測及鐵合金出力

在24：00—4：00，可連續(xù)調(diào)節(jié)的鐵合金負(fù)荷的出力情況能夠在其調(diào)節(jié)范圍里最大化追蹤風(fēng)電預(yù)測誤差帶來的波動，在風(fēng)電波動量較大的夜間時段，其優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電超短期預(yù)測總量為1 023.6 MW·h，通過調(diào)節(jié)常規(guī)機組及可連續(xù)調(diào)節(jié)的鐵合金負(fù)荷應(yīng)對風(fēng)電波動，棄風(fēng)量為84.1 MW·h，棄風(fēng)量不超過總量的10%，有效提高系統(tǒng)風(fēng)電消納量。

4 結(jié)語

對風(fēng)電曲線與負(fù)荷曲線之間的關(guān)系進行研究并提出方法，應(yīng)用該方法對西北某地風(fēng)電場群出力和當(dāng)?shù)刎?fù)荷出力進行分析，得出兩者之間的耦合關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立調(diào)度優(yōu)化模型，基于風(fēng)電態(tài)勢劃分下建立的風(fēng)電消納模型，結(jié)合高載能負(fù)荷特性平抑風(fēng)電大、中時段波動，不僅在一定程度上節(jié)約了系統(tǒng)運行成本而且有效提升風(fēng)電消納量，對地市級電力系統(tǒng)調(diào)度具有指導(dǎo)價值，此外以西北某地電網(wǎng)進行計算分析驗證所提策略的有效性。