夏洪偉,李 坤,韓 麗
考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的電-熱系統(tǒng)混合時(shí)間尺度調(diào)度
夏洪偉,李 坤,韓 麗
(中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
為了利用熱網(wǎng)特性補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,提出了一種電-熱系統(tǒng)混合時(shí)間尺度調(diào)度策略。考慮到電能和熱能傳輸在時(shí)間尺度上的差異性,建立了熱網(wǎng)短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)模型。在日內(nèi)調(diào)度階段,將指令周期分為長時(shí)間尺度和短時(shí)間尺度,由長時(shí)間尺度調(diào)度確定日內(nèi)階段30 min 級(jí)CHP機(jī)組的基本出力,短時(shí)間尺度調(diào)度則根據(jù)長時(shí)間尺度CHP機(jī)組的基本出力來確定日內(nèi)15 min 級(jí)常規(guī)機(jī)組的基本出力。在實(shí)時(shí)調(diào)度階段,CHP機(jī)組在日內(nèi)長時(shí)間尺度出力的基礎(chǔ)上進(jìn)行15 min 級(jí)短時(shí)間尺度的調(diào)整,并協(xié)同儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差。通過算例驗(yàn)證表明,考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的電-熱系統(tǒng)混合時(shí)間尺度調(diào)度模型,降低了儲(chǔ)能設(shè)備的使用率,提升了電-熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)具有良好的風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償效果。
調(diào)度;熱網(wǎng);混合時(shí)間尺度;預(yù)測(cè)誤差;綜合能源系統(tǒng)
電能易傳輸而熱能易存儲(chǔ),將電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)相結(jié)合,可以提升能源系統(tǒng)的總體可控性[1-3]。在電-熱聯(lián)合系統(tǒng)中,風(fēng)電受氣候和季節(jié)影響具有不確定性,很難精確預(yù)測(cè)。而風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差會(huì)影響系統(tǒng)的備用容量,增加系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),造成棄風(fēng)和切負(fù)荷[4-5]。
作為綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System, IES)的重要形式之一,電-熱系統(tǒng)中的電、熱能傳輸特性差異顯著,電能傳輸具有瞬時(shí)性,而熱能傳輸通常以熱水作為載體,傳輸速度較慢,響應(yīng)時(shí)間較長。這種時(shí)間尺度上的差異性,使得對(duì)于電-熱系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度的研究主要集中于小時(shí)級(jí)的日前調(diào)度[6-9]。文獻(xiàn)[10]綜合考慮了熱、氣管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性,提升了IES日前調(diào)度的靈活性。文獻(xiàn)[11]提出了一種熱能傳輸準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型,分析了熱網(wǎng)的虛擬儲(chǔ)能并應(yīng)用到電-熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中。文獻(xiàn)[12]考慮了供熱管網(wǎng)的儲(chǔ)熱特性,對(duì)供熱管網(wǎng)的儲(chǔ)熱能力進(jìn)行量化,提升了IES日前調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。上述對(duì)于IES日前調(diào)度的研究降低了多能流差異性對(duì)IES調(diào)度的影響,而在含風(fēng)電的電-熱系統(tǒng)中,風(fēng)電功率的日前預(yù)測(cè)值與短期或超短期預(yù)測(cè)值的偏差往往較大,僅考慮日前調(diào)度并不能在風(fēng)電功率發(fā)生變化的日內(nèi)或?qū)崟r(shí)短期調(diào)度中提供有效的風(fēng)電消納途徑。因此,還需要考慮不同調(diào)度時(shí)間尺度的差異性[13-16],為此,相關(guān)學(xué)者提出了多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[17]考慮了多能源-荷的波動(dòng)性,從能量供需的角度建立了IES多時(shí)間尺度優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[18]考慮了暫態(tài)天然氣系統(tǒng)變量存在時(shí)段耦合的特性,提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)[19]從用戶需求的角度建立考慮不同類型用戶用能訴求的含能量互保行為的實(shí)時(shí)能量偏差應(yīng)對(duì)模型。
上述多時(shí)間尺度調(diào)度模型,在一定程度上提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性,卻忽略了異質(zhì)能量傳輸和響應(yīng)特性的差異。熱動(dòng)態(tài)特性給熱網(wǎng)提供了一定的可調(diào)空間,但頻率較高、幅度較大的短時(shí)間尺度供熱調(diào)節(jié)可能會(huì)導(dǎo)致熱能響應(yīng)存在偏差,影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[20-21]。電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度調(diào)節(jié)頻繁,時(shí)間尺度較小,而熱能傳輸通常以熱水作為載體,傳輸速度慢,暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間長,對(duì)熱網(wǎng)采取與電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度相同時(shí)間尺度且幅度較大的調(diào)節(jié),易產(chǎn)生供熱偏差,增加供熱不平衡度。此外,風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差通常變化速度較快,變化量較小,常規(guī)策略下多采用電力系統(tǒng)側(cè)的儲(chǔ)能設(shè)備和常規(guī)機(jī)組的備用容量進(jìn)行補(bǔ)償。而儲(chǔ)能設(shè)備投資和使用成本較高[22-24],頻繁的使用儲(chǔ)能設(shè)備會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本,影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。此外,常規(guī)機(jī)組備用容量有限,可補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)電預(yù)測(cè)誤差有限,且采用過大的備用容量既限制了系統(tǒng)調(diào)度方案的靈活性,又降低了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此,需要進(jìn)一步從熱網(wǎng)側(cè)尋求平抑風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的方式,提升電-熱系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。
基于上述問題,本文考慮了異質(zhì)能量傳輸和響應(yīng)特性的差異性,限制了熱源側(cè)短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)量以便于熱網(wǎng)可以充分響應(yīng),建立了熱網(wǎng)短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)模型,利用熱網(wǎng)特性協(xié)調(diào)熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Heat and Power, CHP)機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備共同補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,提出了考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的電-熱系統(tǒng)混合時(shí)間尺度調(diào)度策略:在日前調(diào)度階段,確定各機(jī)組1 h級(jí)時(shí)間尺度的出力計(jì)劃;在日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度階段,將日內(nèi)調(diào)度分為長時(shí)間尺度調(diào)度和短時(shí)間尺度調(diào)度,考慮到電能、熱能動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異性,由長時(shí)間尺度調(diào)度確定日內(nèi)階段30 min級(jí)CHP機(jī)組的基本出力,短時(shí)間尺度調(diào)度則是根據(jù)長時(shí)間尺度CHP機(jī)組的出力結(jié)果來確定日內(nèi)15 min級(jí)常規(guī)機(jī)組的基本出力;在實(shí)時(shí)調(diào)度階段,考慮到熱網(wǎng)的儲(chǔ)熱特性、短期動(dòng)態(tài)特性及熱負(fù)荷彈性,根據(jù)超短期風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差評(píng)估數(shù)據(jù),在CHP機(jī)組日內(nèi)30 min級(jí)基本出力的基礎(chǔ)上進(jìn)行15 min級(jí)小幅調(diào)節(jié),補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,確保熱能在短時(shí)間尺度上響應(yīng)的可行性,從而降低對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的需求,提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。最后,通過算例驗(yàn)證表明所提方案的可行性。
對(duì)于整個(gè)供熱網(wǎng)絡(luò),可以將各供熱管道作為熱網(wǎng)的支路,以熱水流動(dòng)的方向?yàn)橹返姆较颍瑹嵩?、熱用戶以及各個(gè)管道相互連接點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),進(jìn)而構(gòu)成整個(gè)熱網(wǎng)拓?fù)洹?/p>
1) 管道支路模型
2) 節(jié)點(diǎn)模型
節(jié)點(diǎn)溫度:供熱網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí),不同溫度的熱水從不同支路流向同一節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行混合,混合后流出該節(jié)點(diǎn)的所有支路的入口熱水溫度都等于這個(gè)混合溫度,即節(jié)點(diǎn)溫度混合定律。
節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量:熱網(wǎng)調(diào)節(jié)需要保持節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量連續(xù),不考慮流量損失,各節(jié)點(diǎn)熱水流入量等于流出量。
3) 熱力網(wǎng)絡(luò)模型
熱源節(jié)點(diǎn)處回水管道中的熱水經(jīng)過熱源加熱后輸送到供水管道,經(jīng)過各管道支路傳輸?shù)綗嵊脩?,然后溫度降低后再次進(jìn)入回水管道,依次循環(huán),在整個(gè)供熱過程中,供熱網(wǎng)絡(luò)需要保持供需動(dòng)態(tài)平衡,該熱動(dòng)態(tài)過程可以用熱力網(wǎng)絡(luò)平衡方程來描述[25]。
4) 熱動(dòng)態(tài)模型
對(duì)于熱水供熱網(wǎng)絡(luò),熱能受熱水流速限制存在著傳輸延遲,使得熱網(wǎng)具有儲(chǔ)熱特性,同時(shí)熱水在傳輸過程中會(huì)向外部環(huán)境散發(fā)熱量。考慮熱網(wǎng)的延遲性、儲(chǔ)熱特性和傳輸熱損,管道支路的入口溫度與出口溫度之間的關(guān)系可表示為
考慮到管道的設(shè)計(jì)溫度,各管道支路的入口溫度需要滿足式(10)。
5) 電-熱系統(tǒng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差
風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差定義為
6) 短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)模型
本文引入舒適度感覺平均預(yù)測(cè)(Predicted Mean Vote, PMV)指數(shù)來量化用戶在室內(nèi)的用熱舒適度。由于PMV指數(shù)受空氣溫度、人體著裝、活動(dòng)狀態(tài)、空氣濕度和流速等多維參數(shù)共同作用,計(jì)算復(fù)雜,而在工程上忽略了空氣濕度和流速,對(duì)其進(jìn)行簡化處理[26],得到
通過計(jì)算,將PMV指標(biāo)量化在[-3,3],并分為7級(jí),如圖1所示。
圖1 PMV指數(shù)與舒適度關(guān)系
風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)誤差的變化速度較快、幅度較小,常采用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。為了降低系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的需求,本文優(yōu)先利用熱網(wǎng)短時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)來補(bǔ)償預(yù)測(cè)誤差,然后再采用儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)剩余誤差進(jìn)行補(bǔ)償,熱網(wǎng)短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)量需要滿足式(15)。
為了補(bǔ)償預(yù)測(cè)誤差,CHP機(jī)組對(duì)預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)量需要滿足式(16)。
為了避免儲(chǔ)能設(shè)備過補(bǔ)償,儲(chǔ)能充、放電功率需要滿足式(17)。
考慮到熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性和風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差在時(shí)間尺度上的差異性,提出了一種混合時(shí)間尺度調(diào)度策略,分為“日前調(diào)度-日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度-實(shí)時(shí)調(diào)度”3個(gè)階段。圖2為該混合時(shí)間尺度調(diào)度策略的時(shí)間流程。
如圖2所示,在日前調(diào)度階段,風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差較大,后續(xù)的調(diào)度環(huán)節(jié)中需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行較大幅度的調(diào)整,因此采用時(shí)間尺度較長的1 h級(jí)分辨率,得到常規(guī)機(jī)組和CHP機(jī)組的日前出力計(jì)劃。在日內(nèi)調(diào)度階段,考慮到熱能響應(yīng)時(shí)間較長,故日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度策略采用30 min級(jí)分辨率,從而避免因短時(shí)間內(nèi)熱網(wǎng)調(diào)節(jié)幅度過大導(dǎo)致熱能無法準(zhǔn)確響應(yīng);電能響應(yīng)具有瞬時(shí)性,故日內(nèi)短時(shí)間尺度調(diào)度策略采用15 min級(jí)分辨率,依據(jù)長時(shí)間尺度的調(diào)度結(jié)果,制定常規(guī)機(jī)組的滾動(dòng)出力計(jì)劃,滾動(dòng)周期選取為2 h,滾動(dòng)周期過長,易導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃與實(shí)際偏差較大,滾動(dòng)周期過短,導(dǎo)致調(diào)節(jié)過于頻繁。日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度計(jì)劃是根據(jù)提前2 h的風(fēng)電功率短期預(yù)測(cè)值得到的,與實(shí)際風(fēng)電功率有所差異,因此,需要在日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度的基礎(chǔ)上增加實(shí)時(shí)調(diào)度,根據(jù)提前15 min的風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),制定常規(guī)機(jī)組的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)量,并在風(fēng)電誤差評(píng)估的基礎(chǔ)上,對(duì)CHP機(jī)組進(jìn)行15 min級(jí)分辨率的小幅度調(diào)節(jié),從而降低風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響。
圖2 混合時(shí)間尺度調(diào)度時(shí)間流程
圖3為混合時(shí)間尺度調(diào)度的流程圖,在日前調(diào)度階段,以1 h級(jí)分辨率為調(diào)度指令周期,制定未來24 h的調(diào)度計(jì)劃,確定日前調(diào)度的常規(guī)機(jī)組啟停計(jì)劃,并根據(jù)日前風(fēng)電和負(fù)荷功率的預(yù)測(cè)值,確定常規(guī)機(jī)組的備用計(jì)劃、基本出力計(jì)劃和CHP機(jī)組的日前出力計(jì)劃。日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度階段,分為日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度和日內(nèi)短時(shí)間尺度調(diào)度,其中日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度主要是為了確定日內(nèi)調(diào)度階段調(diào)度指令周期為30 min級(jí)CHP機(jī)組未來2 h的基本出力,而日內(nèi)短時(shí)間尺度調(diào)度則是根據(jù)日內(nèi)長時(shí)段尺度調(diào)度所得到的CHP機(jī)組出力,來確定短時(shí)間尺度上15 min級(jí)常規(guī)機(jī)組未來2 h的出力計(jì)劃。在實(shí)時(shí)調(diào)度階段,根據(jù)風(fēng)電和負(fù)荷的超短期預(yù)測(cè)功率,在日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度結(jié)果的基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)常規(guī)機(jī)組未來15 min的出力,并根據(jù)預(yù)測(cè)誤差的評(píng)估值,對(duì)CHP機(jī)組在15 min的時(shí)間尺度上進(jìn)行小幅度調(diào)節(jié),以保證熱網(wǎng)可以充分響應(yīng)15 min級(jí)分辨率的調(diào)度指令,若經(jīng)CHP機(jī)組調(diào)節(jié)后預(yù)測(cè)誤差無法完全被補(bǔ)償,則開啟儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)剩余誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
圖3 混合時(shí)間尺度調(diào)度流程
日前調(diào)度為預(yù)測(cè)時(shí)刻前24 h的調(diào)度計(jì)劃,由日前風(fēng)電預(yù)測(cè)值制定1 h級(jí)分辨率的常規(guī)機(jī)組啟停和備用計(jì)劃,以及常規(guī)機(jī)組和CHP機(jī)組初步出力。
2.1.1目標(biāo)函數(shù)
日前調(diào)度模型中,CHP機(jī)組為常開狀態(tài),考慮常規(guī)機(jī)組的啟動(dòng)、運(yùn)行成本以及CHP機(jī)組的運(yùn)行成本,建立如式(18)所示模型。
2.1.2約束條件
1) 電功率平衡約束
2) 機(jī)組上、下旋轉(zhuǎn)備用容量約束
3) 熱網(wǎng)側(cè)約束
CHP機(jī)組出力約束為
除了CHP機(jī)組出力約束,熱網(wǎng)側(cè)還需滿足1.1節(jié)所列出的熱動(dòng)態(tài)約束和熱力網(wǎng)絡(luò)平衡約束。
4) 其他約束
常規(guī)機(jī)組還需滿足啟停時(shí)間約束、爬坡約束及出力上下限等常規(guī)約束,這里不再贅述。
日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度包括日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度和短時(shí)間尺度調(diào)度,制定不同時(shí)間尺度的CHP機(jī)組和常規(guī)機(jī)組日內(nèi)出力計(jì)劃。
2.2.1日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度
日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度為預(yù)測(cè)時(shí)刻前2 h的調(diào)度計(jì)劃,由日內(nèi)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值,給出30 min級(jí)分辨率的CHP機(jī)組出力,為制定15 min級(jí)常規(guī)機(jī)組出力提供依據(jù)。
1) 目標(biāo)函數(shù)
與日前調(diào)度模型類似,日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度中以常規(guī)機(jī)組和CHP機(jī)組的運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)。
2) 約束條件
功率平衡約束為
旋轉(zhuǎn)備用約束與日前調(diào)度不同,在日內(nèi)調(diào)度的機(jī)組備用容量中引入風(fēng)險(xiǎn)約束,表示機(jī)會(huì)約束形式。
其他約束,包括熱網(wǎng)約束等在內(nèi)的其余約束條件與日內(nèi)調(diào)度類似,這里不再贅述。
2.2.2日內(nèi)短時(shí)間尺度調(diào)度
日內(nèi)短時(shí)間尺度調(diào)度為預(yù)測(cè)時(shí)刻前2 h的常規(guī)機(jī)組15 min級(jí)的出力計(jì)劃,由日內(nèi)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值和長時(shí)間尺度調(diào)度所確定的CHP機(jī)組的出力,制定未來2 h的15 min級(jí)常規(guī)機(jī)組出力。
1) 目標(biāo)函數(shù)
與日前調(diào)度模型類似,日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度中以常規(guī)機(jī)組的運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)。
2) 約束條件
功率平衡約束為
由于長時(shí)間尺度調(diào)度已經(jīng)確定了CHP機(jī)組的日內(nèi)出力計(jì)劃,所以無需考慮熱網(wǎng)側(cè)約束,僅需考慮常規(guī)機(jī)組的約束條件,與長時(shí)間尺度調(diào)度類似,這里不再贅述。
實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃在預(yù)測(cè)時(shí)刻前15 min制定,根據(jù)風(fēng)電確定性誤差評(píng)估得到預(yù)測(cè)誤差,建立實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模型。利用熱網(wǎng)補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的實(shí)質(zhì)是在滿足供熱網(wǎng)絡(luò)平衡的條件下,利用熱網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性,小幅度調(diào)節(jié)CHP機(jī)組出力,達(dá)到補(bǔ)償風(fēng)電誤差目標(biāo)。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)使用成本較高,且容量和輸出電量一般較小,優(yōu)先利用熱網(wǎng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)誤差,使誤差在機(jī)組可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)得到補(bǔ)償,再利用儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償剩余的誤差。
2.3.1目標(biāo)函數(shù)
實(shí)時(shí)調(diào)度模型以常規(guī)機(jī)組的運(yùn)行成本、CHP機(jī)組的運(yùn)行成本、儲(chǔ)能的使用成本以及棄風(fēng)和切負(fù)荷成本最小為目標(biāo)函數(shù)。
2.3.2約束條件
1) 電功率平衡約束
2) 儲(chǔ)能約束
其余約束條件包括機(jī)組出力約束、爬坡約束、供熱網(wǎng)絡(luò)平衡約束和短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)約束等。
如圖4所示,算例選取改進(jìn)后的IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)包括:8臺(tái)常規(guī)機(jī)組;2臺(tái)CHP機(jī)組,分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)34和節(jié)點(diǎn)36;1座風(fēng)電場(chǎng)和1個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng),分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)29和節(jié)點(diǎn)37。風(fēng)電數(shù)據(jù)來源為比利時(shí)Elia電力運(yùn)營商公開的2019年7月7日的運(yùn)行數(shù)據(jù)。熱網(wǎng)拓?fù)淙鐖D5所示。節(jié)點(diǎn)a、b、c和a'、b'、c'為匯流和分流節(jié)點(diǎn),黑色節(jié)點(diǎn)為熱源節(jié)點(diǎn),灰色節(jié)點(diǎn)為熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。管道1—8和1'—8'分別為供水管道和回水管道,設(shè)計(jì)供水溫度上下限為110 ℃和70 ℃,回水溫度上下限為65 ℃和50 ℃,調(diào)節(jié)方式為質(zhì)調(diào)節(jié)。表1為儲(chǔ)能設(shè)備具體參數(shù)。
圖4 改進(jìn)的IEEE-39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)
圖5 熱網(wǎng)拓?fù)?/p>
表1 儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)
算例求解平臺(tái)為Intel(R) Core(TM) i5-6300HQ、2.30 GHz、12 GB RAM,基于Matlab2016a軟件平臺(tái),調(diào)用yalmip + cplex求解器進(jìn)行求解。算例求解過程主要包含機(jī)會(huì)約束求解和調(diào)度主程序求解,其中耗時(shí)最長的部分為日內(nèi)調(diào)度中基于快速傅立葉變換(FFT)的機(jī)會(huì)約束求解[27]。FFT的計(jì)算時(shí)間依賴于數(shù)據(jù)長度,一般不超過分鐘級(jí)。日前調(diào)度的調(diào)度周期為24 h,以1 h為一個(gè)調(diào)度時(shí)段,模型的整體計(jì)算時(shí)間小于1 min;日內(nèi)調(diào)度周期為2 h,長時(shí)間尺度和短時(shí)間尺度模型分別以30 min和15 min為一個(gè)調(diào)度時(shí)段,日內(nèi)調(diào)度模型求解時(shí)間為分鐘級(jí);實(shí)時(shí)調(diào)度的周期為15 min,求解的時(shí)間為秒級(jí)。算例求解時(shí)間滿足電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)時(shí)性需要。
為驗(yàn)證本文所提調(diào)度策略的有效性,設(shè)置以下兩種情景進(jìn)行比較。
情景1:熱網(wǎng)不參與15 min級(jí)實(shí)時(shí)短時(shí)間尺度誤差補(bǔ)償,僅參與日前調(diào)度和日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度,利用儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差。
情景2:熱網(wǎng)參與15 min級(jí)實(shí)時(shí)短時(shí)間尺度誤差補(bǔ)償,利用熱網(wǎng)和儲(chǔ)能設(shè)備共同補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差。
情景1和情景2中的CHP機(jī)組出力以及情景2中的CHP機(jī)組短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)量如圖6所示。從圖中可以看出,情景1中,CHP機(jī)組的日內(nèi)出力調(diào)節(jié)時(shí)間尺度為30 min,此時(shí)CHP機(jī)組不參于15 min 級(jí)實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償。在30 min的出力調(diào)節(jié)時(shí)間尺度下,雖然可以使熱網(wǎng)側(cè)供熱調(diào)節(jié)響應(yīng)更加充分,降低供熱偏差,但由于在情景1的調(diào)度方案中,日內(nèi)長時(shí)間尺度調(diào)度方案已經(jīng)確定了CHP機(jī)組的供熱出力,因此該調(diào)度方案下風(fēng)電的短時(shí)間尺度誤差無法通過對(duì)熱網(wǎng)側(cè)CHP機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)15 min 時(shí)間尺度的調(diào)節(jié)來補(bǔ)償,此類電-熱系統(tǒng)調(diào)度方案的靈活性較低。而情景2中,實(shí)時(shí)調(diào)度階段采用本文建立的短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)模型,其調(diào)度方案在實(shí)時(shí)調(diào)度中增加了熱網(wǎng)15 min 級(jí)小幅度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并加以約束,從而補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差。對(duì)CHP機(jī)組采用較小的調(diào)節(jié)幅度既可以提升系統(tǒng)調(diào)度方案的靈活性,又可以盡可能地減小對(duì)熱用戶側(cè)的影響,提升供熱的可靠性。
圖6 CHP機(jī)組出力情況
情景1和情景2中的風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償結(jié)果如圖7所示。
從圖7中可以看出,情景1僅采用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行誤差補(bǔ)償,但誤差較大的時(shí)段內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)備功率有限,在02:00—04:00和18:00—20:00時(shí)段內(nèi),風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差較大,部分時(shí)段即使儲(chǔ)能設(shè)備處于滿功率運(yùn)行狀態(tài),仍有較多的剩余誤差無法得到有效補(bǔ)償,如03:15時(shí)刻,儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償后,剩余誤差功率仍還有26.08 MW。在情景2中,熱網(wǎng)側(cè)CHP機(jī)組參與短時(shí)間尺度的誤差補(bǔ)償,在日調(diào)度結(jié)果中,對(duì)熱網(wǎng)和儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度可以在多數(shù)時(shí)段起到較好的誤差補(bǔ)償效果,如:在00:00—02:00和11:00—13:00時(shí)段內(nèi),風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差得到了完全補(bǔ)償;在18:00—20:00時(shí)段內(nèi),顯著降低了剩余誤差,補(bǔ)償后的剩余誤差多出現(xiàn)在風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差較大的時(shí)段。
圖7 風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償
情景1和情景2中的儲(chǔ)能設(shè)備功率及荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)曲線如圖8所示。
圖8 儲(chǔ)能設(shè)備功率及SOC曲線
從圖8中可以看出,情景1中的儲(chǔ)能設(shè)備較多時(shí)段處于滿功率運(yùn)行狀態(tài),充/放電次數(shù)較多,且一天內(nèi)多個(gè)時(shí)段達(dá)到了深度充/放電狀態(tài)。而儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命主要受到放電深度、放電速率和充/放電循環(huán)次數(shù)等因素影響,因此,情景1中的儲(chǔ)能設(shè)備循環(huán)壽命損耗較快。同時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備受到最大功率和最大容量的限制,即使部分時(shí)段處于滿功率運(yùn)行狀態(tài),預(yù)測(cè)誤差仍然沒有得到有效補(bǔ)償,此時(shí)可以采取增加儲(chǔ)能設(shè)備的容量和最大充/放電功率的途徑達(dá)到較好的誤差補(bǔ)償效果,而儲(chǔ)能設(shè)備投資成本高,充/放電循環(huán)次數(shù)有限,增加儲(chǔ)能設(shè)備的容量,會(huì)帶來額外的投資成本,降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
在情景1中,僅依靠儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償誤差會(huì)面臨兩個(gè)問題:1) 提升儲(chǔ)能的容量和最大充/放電功率會(huì)增加系統(tǒng)的投資成本;2) 誤差得不到較為充分的補(bǔ)償,需要采取相應(yīng)的棄風(fēng)或者切負(fù)荷手段進(jìn)行調(diào)節(jié),既降低了風(fēng)電消納水平,又影響了供電的可靠性。
在情景2中,熱網(wǎng)側(cè)CHP機(jī)組參與了短時(shí)間尺度的誤差補(bǔ)償,在一定程度上起到了對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的替代作用,緩解了儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的壓力。在情景2的調(diào)度結(jié)果中,儲(chǔ)能設(shè)備的使用率和放電深度低于情景1,因此,情景2的調(diào)度方案可以在不增設(shè)額外的儲(chǔ)能設(shè)備的前提下,提升風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的補(bǔ)償效果,并延長儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。
系統(tǒng)在情景1和情景2方案下的調(diào)度結(jié)果如表2所示。與情景1對(duì)比可知,情景2經(jīng)過熱網(wǎng)補(bǔ)償,顯著地降低了剩余誤差和系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),此外減少了系統(tǒng)運(yùn)行成本,系統(tǒng)的總運(yùn)行成本降低了7776.7美元。其總運(yùn)行成本減少的主要原因有兩個(gè):1) 棄風(fēng)和切負(fù)荷懲罰成本降低;2) 儲(chǔ)能設(shè)備的使用成本降低,其中由剩余誤差引起的棄風(fēng)和切負(fù)荷成本降低了5133.6美元。同時(shí),由于情景2減少了儲(chǔ)能設(shè)備充/放電總次數(shù),故情景2中的調(diào)度方案在一定程度上延長了儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。
表2 調(diào)度結(jié)果
針對(duì)電-熱聯(lián)合系統(tǒng)中風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償問題,提出了一種考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的電-熱系統(tǒng)混合時(shí)間尺度調(diào)度策略,建立了熱網(wǎng)短時(shí)間尺度調(diào)節(jié)模型,實(shí)現(xiàn)了熱網(wǎng)側(cè)參與系統(tǒng)實(shí)時(shí)短時(shí)間尺度調(diào)度,并利用熱網(wǎng)對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。通過算例驗(yàn)證表明,在一天的調(diào)度方案中,通過實(shí)時(shí)短時(shí)間尺度的熱網(wǎng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,可以有效地減少剩余誤差,降低系統(tǒng)的日運(yùn)行成本,同時(shí)減少了儲(chǔ)能設(shè)備的使用率,延長了儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。若僅利用儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)償風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,仍會(huì)存在較多的剩余誤差,影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。
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Hybrid time-scale dispatch of an electric-heating system considering wind power forecast error
XIA Hongwei, LI Kun, HAN Li
(School of Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
To use the characteristics of a heating network to compensate for wind power forecast error, a hybrid time-scale dispatch strategy for an electric-heating system is proposed. Considering the differences in time-scale between electric energy and heat energy transmission, a short time-scale regulation model of the heating network is established. In intra-day dispatch, the dispatch model is divided into long (30 minutes) and short (15 minutes) time-scale models to obtain the scheduling scheme of CHP and conventional units, respectively. In real-time dispatch, based on the results of the long time-scale model, CHP units are adjusted on the short time-scale to compensate for the forecast error with energy storage system. The simulation results verify that this model of an electric-heating system reduces the utilization rate of the energy storage system, improves the economy of the electric-heating system, and has a good effect on wind power forecast error compensation.
dispatch; heating network; hybrid time-scale; forecast error; integrated energy system
10.19783/j.cnki.pspc.211573
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(62076243)
This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 62076243).
2021-11-22;
2022-04-01
夏洪偉(1997—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速與風(fēng)電功率預(yù)測(cè);E-mail: hw_xia@126.com
韓 麗(1977—),女,通信作者,博士,教授,研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電技術(shù)、電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度等。E-mail: dannyli717@163.com
(編輯 姜新麗)