新能源參與電力系統(tǒng)調峰調頻的仿真研究

梁曉瑜

(國家電投浙江分公司，浙江 杭州 310016)

為保證電力系統(tǒng)輸送電力的可靠性，需要規(guī)劃最佳電力系統(tǒng)結構，利用具有間歇性的新能源仿真電力系統(tǒng)調峰調頻[1]。電力系統(tǒng)調峰調頻的合理性意義重大，它會對整個電力系統(tǒng)的運行與用戶供電的質量產生直接影響。我國傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)主體規(guī)劃單一[2-3]，為此需要加大配電網基礎設施建設的投入，提高供電可靠性。但目前其仍存在運行成本高昂等問題，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電設施、線路老化，供電能力低[4]。為提升電力系統(tǒng)水平，保證電網供電安全性，應益強等[5]基于新能源的隨機性提出多目標的調峰策略，陸秋瑜等[6]通過次梯度投影控制方法提出調頻策略，但前者的收斂速度較慢，尋求最優(yōu)解的難度較高，規(guī)劃決策時間長，后者的過程繁瑣，規(guī)劃效率低。

為此本文研究新能源參與電力系統(tǒng)調峰調頻的仿真，以配電公司建設運行成本最小規(guī)劃電力系統(tǒng)，調整電力用戶的用電，提升調峰調頻效果，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 新能源參與電力系統(tǒng)調峰調頻仿真方法

1.1 新能源參與電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化模型

通過機會約束規(guī)劃設計的新能源參與電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化模型，能夠獲取在某個已知置信度水平下的調峰優(yōu)化結果[7]。電力系統(tǒng)調峰模型如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)調峰模型Fig.1 Block diagram of peak shaving model of power system

圖1中，ΔPtie為交換功率；ΔPG為調頻功率；ΔPL為負荷變化量；B為調峰系數(shù)；R為調差系數(shù)；Δω=2πΔf，代表頻率偏差。

1.1.1 目標函數(shù)

(1)

啟動成本和機組的停機時間關系密切[8-9]，新能源參與電力系統(tǒng)的調峰模型內，以最小總運行成本為目標的目標函數(shù)：

(2)

機組處于深度調峰時的出力需添加額外運行成本，添加至總運行成本內：參考可中斷負荷調峰時，需為用戶提供停電導致的損失費用[11]，同樣添加至總運行成本內：

(3)

1.1.2 約束條件

(1)新能源參與電力系統(tǒng)時系統(tǒng)功率平衡約束。無需考慮網損情況下，系統(tǒng)輸出功率和負荷平衡的約束條件如下：

(4)

(2)系統(tǒng)備用約束。新能源參與的穩(wěn)定性較差，在參考系統(tǒng)備用約束情況下，機會約束規(guī)劃模型令系統(tǒng)在已知置信度水平時符合系統(tǒng)需要的備用容量需求[12]。正旋轉備用約束如下：

(5)

負旋轉備用約束如下：

(6)

1.1.3 模型求解

采用改進蟻群算法求解新能源參與電力系統(tǒng)調峰優(yōu)化模型，求解過程如下：①初始化信息素濃度、算法參數(shù)、迭代次數(shù)；②設置k只螞蟻；③各螞蟻依據移動節(jié)點概率實時移動；④螞蟻移至新節(jié)點后，修改禁忌表，更新路徑信息素；⑤迭代操作步驟②—步驟④，以全部螞蟻均找到可行路徑為止；⑥利用目標函數(shù)選取最優(yōu)路徑；⑦更新所有路徑信息素；⑧達到最大迭代次數(shù)時，結束搜索，輸出模型最優(yōu)解，完成調峰控制[13]。

1.2 新能源參與電力系統(tǒng)調頻控制仿真

新能源參與電力系統(tǒng)完成調峰后，確保系統(tǒng)輸出有功功率達到穩(wěn)定，調度中心再按照電力系統(tǒng)的頻率偏差與聯(lián)絡線功率等參數(shù)求解功率缺額，并發(fā)送調度指令至新能源，令其配合新能源對發(fā)電機組的出力控制[14]，共同實現(xiàn)調頻任務，實時修正有功功率頻率穩(wěn)定。出力控制偏差公式如下：

PACE=ΔPt+εΔf

(7)

式中，ΔPt為聯(lián)絡線實際有功功率和預先協(xié)議值的差，有功功率正方向屬于輸出方向；ε為頻率偏差系數(shù)。

新能源參與電力系統(tǒng)調頻的結構框架如圖2所示。圖2中，總頻率偏差為Δfc，鄰近區(qū)域頻率偏差為Δfj，控制偏差量為E。新能源參與電力系統(tǒng)調頻的上、下調容量分別為Ph，up，K、Ph，down，K。

圖2 新能源參與電力系統(tǒng)調頻流程Fig.2 Frequency modulation flow chart of new energy participation in power system

調頻時會導致電力系統(tǒng)潮流分布出現(xiàn)較大波動，降低系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[15]，令Ph，up，K與Ph，down，K低于新能源額定容量GK×δ，可確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，閾值是δ。

新能源參與電力系統(tǒng)調頻的總上、下調容量PG，up，K、PG，down，K：

(8)

不同新能源單元參與電力系統(tǒng)調頻的上、下調容量Pup，m、Pdown，m：

(9)

2 實驗結果分析

以某市接入新能源的電力系統(tǒng)為實驗對象，使用本文方法對該電力系統(tǒng)進行調峰調頻，使用MATLAB仿真軟件仿真該電力系統(tǒng)調峰調頻情況。

2.1 調頻效果測試

設置該新能源接入電力系統(tǒng)的頻率偏差數(shù)值上下不超過0.2 Hz，頻率上限為1.4 Hz，下限為0.4 Hz，使用本文方法對其頻率進行調整，結果如圖3所示，圖3中虛線為頻率上下限。

圖3 調頻效果測試結果Fig.3 Test results of FM effect

分析圖3可知，新能源接入電力系統(tǒng)的頻率在未使用本文方法對其進行調頻時，其頻率數(shù)值隨著時間的增加高于所設上限數(shù)值并低于下限，其中上限最大差值出現(xiàn)在時間為58 s左右，超出數(shù)值約為1.63 Hz，下限超出最大數(shù)值出現(xiàn)在時間為42 s左右，超出數(shù)值為0.25 Hz左右。圖3(b)內經過本文方法對該新能源接入電力系統(tǒng)進行調頻后，該電網的頻率數(shù)值明顯降低，雖存在超出所設上限和下限情況，但超出數(shù)值均未高于頻率偏差數(shù)值。上述結果表明：本文方法可有效調整新能源接入電力系統(tǒng)的頻率，且調整效果較好。

測試本文方法對該新能源接入電力系統(tǒng)的有功功率調節(jié)效果，結果如圖4所示。

圖4 有功功率調節(jié)結果Fig.4 Active power regulation results

分析圖4可知，在未經過本文方法調節(jié)前的電力系統(tǒng)有功功率數(shù)值波動較大。其中，最高數(shù)值和最低數(shù)值分別為1 000 W左右和-1 000 W左右，且有功功率的初始值約為280 W，經過本文方法對該電力系統(tǒng)進行調節(jié)后，有功功率數(shù)值降低明顯，初始有功功率數(shù)值接近0 W，而有功功率最高數(shù)值和最低數(shù)值分別為350 W左右和-350 W左右。上述結果表明，使用本文方法對該電網進行調節(jié)后，其有功功率數(shù)值下降明顯。

2.2 調峰效果測試

以電網負荷波動率作為衡量調峰效果指標，測試本文方法調峰效果，結果如圖5所示。

圖5 電網負荷波動率Fig.5 Power grid load fluctuation rate

分析圖5可知，本文方法對該電力系統(tǒng)進行調峰處理前，該電網的負荷波動率數(shù)值較大，最高值出現(xiàn)在14：00左右，電網負荷波動率數(shù)值接近4.0。而經過本文方法對該電力系統(tǒng)進行調峰處理后，該電網的負荷波動率曲線雖然與調峰前波動情況相同，但波動率數(shù)值呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)，此時波動率最高值依然在14：00左右，但波動率數(shù)值較為調峰前低2.73個百分點。上述結果表明：經過本文方法調峰后，該電力系統(tǒng)電網負荷波動率下降較為明顯，電力系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。

為更充分呈現(xiàn)本文方法的有效性，設置備用電容不同時，從調峰充裕度角度對本文方法進行測試，通常調峰充裕度在0.1%以上可確保電力系統(tǒng)在新能源接入時的穩(wěn)定性，結果見表1。

表1 調峰充裕度Tab.1 Peak adjustment abundance

分析表1可知，調峰充裕度與新能源接入電力系統(tǒng)的備用容量呈反比例關系。其中，該方法在電力系統(tǒng)備用容量不同時的調峰充裕度均較高，且該方法的調峰充裕度隨著備用容量的增加下降幅度較小，當備用容量為200 MW時，該方法調峰下的充裕度始終高于0.1%，可確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。上述結果表明，本文方法具備較好的調峰能力。

3 結論

本文研究新能源參與電力系統(tǒng)調峰調頻的仿真方法，并以某市接入新能源的電力系統(tǒng)為研究對象，使用本文方法對其進行調峰調頻。通過仿真軟件模擬調峰調頻情況，仿真結果表明，本文方法應用后該電力系統(tǒng)的頻率數(shù)值和有功功率數(shù)值均呈現(xiàn)降低態(tài)勢，電網負荷波動率數(shù)值下降明顯，電力系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，且調峰充裕度數(shù)值較高，具備較優(yōu)秀的調峰能力。