計及風(fēng)電預(yù)測誤差的柔性負荷日內(nèi)調(diào)度模型

雷旭，馬鵬飛，宋智帥，李衛(wèi)東

（1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼倫貝爾市 021000；2.呼倫貝爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼倫貝爾市 021000；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北省 承德市 067000）

0 引言

近年來，風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模逐漸增大，風(fēng)電消納比例逐步提高，但風(fēng)電出力的隨機性對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響也愈加明顯[1]。風(fēng)電的反調(diào)峰特性使得風(fēng)電大發(fā)期與用電高峰期產(chǎn)生了明顯的沖突，用戶參與電網(wǎng)調(diào)度已是促進風(fēng)電消納的重要手段[2-3]。因此，研究計及風(fēng)電預(yù)測誤差的柔性負荷日內(nèi)調(diào)度模型具有重要意義。

當(dāng)前研究人員對含風(fēng)電功率不確定性的調(diào)度問題展開了大量的研究，文獻[4-5]引入模糊理論，使確定性的系統(tǒng)約束變?yōu)榛诳尚判岳碚摰哪：龣C會約束，構(gòu)建了考慮源-荷不確定性優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[6-7]針對風(fēng)電功率呈現(xiàn)出的高階不確定性，提出了考慮風(fēng)電概率分布不確定性綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[8-11]通過分析各頻段功率波動置信概率，構(gòu)建了考慮風(fēng)電波動不確定性的兩階段魯棒分頻優(yōu)化模型。文獻[12]將模型分為預(yù)優(yōu)化和實時優(yōu)化2個階段，采用場景描述風(fēng)電不確定性并通過調(diào)節(jié)可控串聯(lián)補償器(thyristor controlled series compensation，TCSC)參數(shù)來控制網(wǎng)絡(luò)中功率的分布。文獻[13]通過對風(fēng)電場歷史出力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析獲得風(fēng)功率預(yù)測誤差的分布特性，并考慮了風(fēng)功率預(yù)測誤差對次日風(fēng)電場運行經(jīng)濟性的影響。文獻[14]利用區(qū)間優(yōu)化理論方法，將含有風(fēng)電出力不確定的線性區(qū)間優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為2個確定性的優(yōu)化模型。文獻[15-17]采用高斯混合模型對風(fēng)電功率預(yù)測誤差的概率密度分布進行擬合，在此基礎(chǔ)上建立了考慮風(fēng)電不確定性的電力系統(tǒng)調(diào)度模型。文獻[18]基于風(fēng)電預(yù)測誤差隨時間尺度變化的規(guī)律，提出了一種基于偏差預(yù)控的負荷調(diào)度模式。

以上文獻針對風(fēng)電不確定性的調(diào)度模型進行了大量且全面的研究，但對于利用柔性負荷彌補風(fēng)電預(yù)測誤差、提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)度模型研究較少。由于風(fēng)電預(yù)測存在誤差，僅依據(jù)日前調(diào)度計劃進行調(diào)度會出現(xiàn)電力系統(tǒng)功率不平衡、日前調(diào)度計劃不合理等問題。本文建立以棄風(fēng)最小為目標的調(diào)度模型，通過儲能負荷及可中斷的工業(yè)高載能負荷的快速響應(yīng)，彌補日前調(diào)度計劃的不足，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 可控柔性負荷建模

電網(wǎng)負荷主要包含剛性負荷、柔性負荷兩大類。其中剛性負荷是指必須滿足的負荷，且不接受電網(wǎng)的調(diào)控，但是用戶可依據(jù)分時電價提前安排工作時間。柔性負荷指用電量可在指定區(qū)間內(nèi)變化或在不同時段間轉(zhuǎn)移的負荷，包含可調(diào)節(jié)負荷、可轉(zhuǎn)移負荷、儲能、分布式電源等。本文所提的日內(nèi)調(diào)度策略僅針對儲能負荷和可中斷的工業(yè)高載能負荷。

1.1 儲能負荷

儲能裝置按照存儲方式主要分為電磁儲能、電化學(xué)儲能、物理儲能和相變儲能4種類型[19-20]。儲能裝置在電力系統(tǒng)中的主要作用是輔助新能源消納、削峰填谷、提高供電可靠性等，此外，具有作為事故備用、改善配電網(wǎng)負荷特性及功率控制、改善電能質(zhì)量等附加功能。

儲能電池在使用過程根據(jù)自身能量狀態(tài)和運行約束條件，按照儲能系統(tǒng)控制策略進行充放電操作，其能量存儲狀態(tài)一直處于動態(tài)變化之中。為了能夠?qū)δ芟到y(tǒng)的能量變化情況進行定量描述和計算，本文建立儲能系統(tǒng)的簡化線性模型，充放電后儲能系統(tǒng)存儲的能量計算公式為

式中：Ees表示儲能系統(tǒng)充放電后的儲能系統(tǒng)容量；Ees0表示儲能系統(tǒng)充放電前的初始系統(tǒng)容量；表示t時刻儲能系統(tǒng)的實際充電功率；ηc表示儲能系統(tǒng)的充電效率；表示t時刻儲能系統(tǒng)的實際放電功率；ηd表示儲能系統(tǒng)的放電效率；δc和δd表示儲能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，δc=1，δd=0，儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，δc=0，δd=1，儲能系統(tǒng)處于停止充放電狀態(tài)時δc和δd均為0；Δt表示儲能系統(tǒng)進行充放電操作的單位時間間隔。

荷電常數(shù)是儲能系統(tǒng)運行過程中的重要參數(shù)，儲能系統(tǒng)充放電后的荷電常數(shù)計算公式為

式中：SOC表示儲能系統(tǒng)充放電后的荷電狀態(tài)；EesN表示儲能系統(tǒng)的額定容量。

1.2 工業(yè)高載能負荷

工業(yè)用戶是中國電能消耗的主要用戶，其電能消費占總電能消費比重超過70%。其中，以鋼鐵、煤炭、石油和化工為代表的重點高耗能企業(yè)的用電量占總工業(yè)用電比重超過60%[21]。因此，對工業(yè)用戶開展需求響應(yīng)項目，能夠充分挖掘工業(yè)用戶的節(jié)能潛力，提高電能利用效率。工業(yè)用戶用電負荷量相對較大，用電負荷分布比較規(guī)律，且用電時段可調(diào)整，這使得工業(yè)用戶能夠很好地參與電力需求響應(yīng)。對工業(yè)用戶來說，能夠通過調(diào)整和削減用電負荷，參與價格型需求響應(yīng)和激勵型需求響應(yīng)。工業(yè)用戶參與價格型需求響應(yīng)時，主要是根據(jù)實時電價高低調(diào)整生產(chǎn)計劃，選擇在夜間低谷電價時段進行生產(chǎn)。工業(yè)用戶參與激勵型需求響應(yīng)時，會核算需求響應(yīng)收益和節(jié)約的用電成本是否高于正常生產(chǎn)產(chǎn)品所得收益，當(dāng)前者高于后者時，工業(yè)用戶會參與價格型需求響應(yīng)。依照用電習(xí)慣，可將工業(yè)高載能負荷分為可中斷型負荷和可平移負荷。本文僅考慮可中斷負荷。

可中斷負荷是指用戶與電網(wǎng)簽訂合約參與調(diào)度，從而獲取經(jīng)濟補償。可中斷負荷主要為工業(yè)生產(chǎn)中對用電質(zhì)量不高的負荷，以減小負荷需求的方式改善用戶的需求電量，減小峰谷差。相比發(fā)電機出力，其響應(yīng)速度快、中斷容量大，也不必受發(fā)電機爬坡約束限制?？芍袛嘭摵傻湫湍Ｐ腿鐖D1所示。與工廠簽訂合同主要確認以下內(nèi)容：1）合同有效時間；2）用戶參與中斷的最大容量；3）補償費用。

圖1中：ρ為可中斷負荷的比例；rup為中斷重新開啟的啟動斜率；tcut為中斷開始的時間；ton為重新上電的時間；Pr為額定功率。

圖1 可中斷負荷Fig.1 Interruptible load

2 日內(nèi)調(diào)度模型

2.1 源-荷系統(tǒng)模型

根據(jù)不同時間尺度將調(diào)度方式分為日前調(diào)度和日內(nèi)調(diào)度。日前調(diào)度提前一天向電力系統(tǒng)各個單元下達未來24 h的調(diào)度指令，采樣時間為1 h，側(cè)重于電力系統(tǒng)源-荷系統(tǒng)長期的協(xié)調(diào)配合及經(jīng)濟運行，本文所考慮的源-荷系統(tǒng)如圖2所示。日內(nèi)調(diào)度在日前計劃的基礎(chǔ)上按照日內(nèi)出現(xiàn)的不同情況調(diào)整各單元的出力，采樣時間為15min，側(cè)重于電力系統(tǒng)的可靠性。

圖2 源-荷系統(tǒng)模型Fig.2 Model of source-load system

2.2 風(fēng)電預(yù)測誤差

風(fēng)電功率預(yù)測誤差的概率分布特性可以表征風(fēng)電功率預(yù)測值的不確定程度[22]。也有文獻提出先假設(shè)風(fēng)速服從Weibull分布或正態(tài)分布，再經(jīng)過功率-風(fēng)速特性曲線間接得到相應(yīng)的預(yù)測功率的概率密度函數(shù)。其中，正態(tài)分布假設(shè)應(yīng)用最為廣泛，故本文也采用此類假設(shè)。因此，風(fēng)電功率預(yù)測誤差的概率密度函數(shù)可以表示為

式中：δ表示風(fēng)電功率預(yù)測誤差的標準差；ω表示風(fēng)電功率實際值；μ表示風(fēng)電預(yù)測出力。

2.3 調(diào)度模型

風(fēng)電不確定性會影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，帶來棄風(fēng)限電的風(fēng)險，日內(nèi)調(diào)度的目的是通過對儲能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負荷的調(diào)控，彌補由于風(fēng)電預(yù)測誤差造成的日前計劃的缺陷，同時利用儲能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負荷的快速響應(yīng)特性消納風(fēng)電。因此，模型目標函數(shù)為日內(nèi)棄風(fēng)電量最小，表示為

式中：EΔwind表示調(diào)度周期內(nèi)棄風(fēng)電量；表示t時刻風(fēng)電機組的日內(nèi)實際出力；表示日前計劃中t時刻風(fēng)電機組的并網(wǎng)功率；表示t時刻儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)量；表示t時刻工業(yè)高載能負荷調(diào)節(jié)量；T表示優(yōu)化周期內(nèi)總采樣時間數(shù)。

2.4 約束條件

1）儲能系統(tǒng)充放電功率以及荷電狀態(tài)約束

考慮儲能系統(tǒng)壽命的問題，為避免儲能充放電功率過大以及過充過放的問題，儲能系統(tǒng)的充放電功率調(diào)節(jié)量應(yīng)限定在指定范圍內(nèi)，且調(diào)整后儲能系統(tǒng)的充放電功率應(yīng)不超過額定功率，荷電狀態(tài)也應(yīng)限定在指定范圍內(nèi)：

2）工業(yè)高載能負荷約束

考慮到用戶經(jīng)濟性，可調(diào)控柔性負荷須限定在指定范圍內(nèi)：

3）功率平衡約束

為保證用電設(shè)備的正常運行，對柔性負荷與儲能系統(tǒng)的調(diào)控需滿足電網(wǎng)的功率平衡，即

3 算例分析

為驗證本文所提儲能負荷和工業(yè)高載能負荷的日內(nèi)調(diào)度策略對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、提升風(fēng)電消納比例的有效性，利用遺傳算法對本文所提的日內(nèi)調(diào)度模型進行優(yōu)化求解。

3.1 參數(shù)設(shè)置

本算例考慮了火電機組、風(fēng)電機組、儲能系統(tǒng)和柔性負荷，其相關(guān)參數(shù)和日前負荷預(yù)測、日前風(fēng)電預(yù)測均取自文獻[23]，并基于文獻[23]所提日前調(diào)度模型進行優(yōu)化求解，得到日前調(diào)度計劃如表1所示。本文假設(shè)日前負荷預(yù)測為精準值，而日前風(fēng)電預(yù)測存在誤差，其預(yù)測誤差服從正態(tài)分布。日前負荷預(yù)測、日前與日內(nèi)風(fēng)電預(yù)測見圖3。利用MATLAB中遺傳算法工具箱進行優(yōu)化時其種群大小等相關(guān)參數(shù)均取默認值。

圖3 風(fēng)電及負荷預(yù)測Fig.3 Prediction of wind power and load demand

表1 日前調(diào)度計劃Tab.1 Day-ahead dispatch plan MW

3.2 仿真結(jié)果分析

基于以上參數(shù)設(shè)置以及風(fēng)電、負荷預(yù)測，利用遺傳算法進行優(yōu)化，得到儲能系統(tǒng)以及工業(yè)高載能負荷日內(nèi)調(diào)度量后，將儲能系統(tǒng)功率以及工業(yè)高載能負荷調(diào)節(jié)量與日前調(diào)度計劃進行對比，結(jié)果分別如圖4、5所示。

通過觀察圖4、5中曲線可知，與日前的調(diào)度結(jié)果相比，經(jīng)過日內(nèi)調(diào)度后儲能系統(tǒng)功率曲線和工業(yè)高載能負荷調(diào)節(jié)量波動性有所增加，尤其處于風(fēng)電出力預(yù)測誤差較大時段，曲線波動幅度較大，但調(diào)節(jié)量均在儲能系統(tǒng)和柔性負荷可調(diào)量約束范圍內(nèi)以保證用戶舒適度以及商業(yè)用戶正常生產(chǎn)。由于儲能電池造價較高，可考慮主要通過利用工業(yè)高載能負荷彌補風(fēng)電預(yù)測誤差，而儲能電池起輔助作用，通過這一方式可有效彌補風(fēng)電預(yù)測誤差，有效提升風(fēng)電消納比例。

日前計劃風(fēng)電消納比例為79.15%，通過日內(nèi)對柔性負荷的調(diào)度，風(fēng)電消納比例達到80.98%，提升了1.83%。圖6為日前計劃與日內(nèi)實際風(fēng)電消納情況，可以觀察到，如果按照日前計劃進行調(diào)度，就會存在日前調(diào)度計劃高于日內(nèi)風(fēng)機實際出力的不合理指令；若其他機組均按照日前計劃出力，則會出現(xiàn)電網(wǎng)功率不平衡等一系列問題，嚴重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而通過日內(nèi)對儲能系統(tǒng)和可調(diào)柔性負荷的調(diào)控，能有效彌補日前計劃的風(fēng)電出力預(yù)測誤差，且有助于大幅度提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及電力系統(tǒng)對風(fēng)電的快速響應(yīng)能力，提出了計及風(fēng)電預(yù)測誤差的柔性負荷調(diào)度策略，并通過算例分析得出以下結(jié)論：

1）通過對儲能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負荷的日內(nèi)調(diào)度，有利于提高電力系統(tǒng)對風(fēng)電的快速響應(yīng)能力，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）可短時調(diào)節(jié)的儲能系統(tǒng)和工業(yè)高載能負荷有利于彌補風(fēng)電預(yù)測誤差，提升風(fēng)電消納比例。

3）隨著經(jīng)濟發(fā)展，負荷種類隨之增多，包含多類負荷的調(diào)度策略將會成為下一步研究的重點內(nèi)容。