崔童飛,李曉明,王 碩,于騰凱,劉 茂
(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021;2.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學(xué)),天津 300072)
隨著以風(fēng)光為代表的清潔能源規(guī)?;尤爰按罅侩娏﹄娮踊O(shè)備的使用,電力系統(tǒng)的運行特征發(fā)生改變。風(fēng)光等新能源具有不確定性,給區(qū)域電力系統(tǒng)頻率及安全穩(wěn)定運行帶來影響。為減小系統(tǒng)的頻率波動,維護區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率控制和電能質(zhì)量,確定自動發(fā)電控制AGC(automatic generation control)調(diào)頻容量具有重要意義[1]。確定控制區(qū)AGC調(diào)頻容量需求后,可在輔助服務(wù)市場購買相應(yīng)的調(diào)頻容量,但調(diào)頻容量過多會導(dǎo)致成本升高,造成調(diào)頻服務(wù)的冗余購買,降低電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。AGC調(diào)頻容量主要調(diào)節(jié)分鐘級別的波動分量,如何合理確定AGC調(diào)頻容量,在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時又要保障經(jīng)濟運行,至關(guān)重要。
目前區(qū)域電力系統(tǒng)AGC 調(diào)頻容量的計算主要分為2種方式:模型驅(qū)動法與概率統(tǒng)計法。模型驅(qū)動法主要以負(fù)荷、新能源發(fā)電、調(diào)頻機組出力波動等因素作為輸入計算調(diào)頻容量,但難以準(zhǔn)確把握有功功率的波動性[2]。例如:文獻[3]以華北電網(wǎng)為例,從發(fā)用電平衡角度出發(fā)確定AGC容量需求;文獻[4]考慮BAAL 標(biāo)準(zhǔn),綜合分析了各類影響因素對控制區(qū)調(diào)頻容量進行了預(yù)測。概率統(tǒng)計法[5-6]根據(jù)電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)來計算未來的調(diào)頻容量,較少考慮實際電網(wǎng)數(shù)據(jù),適用性較低。例如:文獻[7]首先分離了負(fù)荷分量,然后采用統(tǒng)計等方法確定調(diào)頻容量的需求;文獻[8]建立了系統(tǒng)最小慣量與一次調(diào)頻容量評估模型,通過估算獲取系統(tǒng)最小功率靜態(tài)特性系數(shù)??梢?,僅采用單一方法考慮因素較少,具有局限性,故需綜合模型驅(qū)動法與數(shù)據(jù)驅(qū)動法實現(xiàn)對AGC 調(diào)頻容量的準(zhǔn)確估計,既需考慮AGC 調(diào)頻容量影響因素,也需選擇合適的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來確定調(diào)頻容量需求。而極限學(xué)習(xí)機ELM(extreme learning machine)算法作為數(shù)據(jù)驅(qū)動方法[9-10],其特點是隱含層節(jié)點的權(quán)重為隨機或人為給定的,且不需要更新,學(xué)習(xí)過程僅計算輸出權(quán)重,在學(xué)習(xí)速率與泛化能力方面更具優(yōu)勢,有助于提升數(shù)據(jù)驅(qū)動的求解穩(wěn)定性。故本文選取ELM算法作為數(shù)據(jù)驅(qū)動方法。
針對當(dāng)前調(diào)頻容量方法單一、考慮因素較少、未能準(zhǔn)確把握出力波動與調(diào)頻容量的關(guān)系等問題,本文基于電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)分析,提出了一種區(qū)域新能源電力系統(tǒng)AGC調(diào)頻容量實時評估方法。該方法首先分析了新能源系統(tǒng)AGC調(diào)頻容量的影響因素,其次對AGC調(diào)頻容量的計算方法進行研究,從調(diào)頻容量角度,綜合考慮傳統(tǒng)機組、負(fù)荷、新能源、聯(lián)絡(luò)線影響調(diào)頻容量的因素,基于ELM算法對調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差預(yù)測,根據(jù)調(diào)頻表現(xiàn)達標(biāo)概率分布確定調(diào)頻容量。
本文采用有功平衡考核A標(biāo)準(zhǔn)[9]進行評價,該標(biāo)準(zhǔn)可分為A1和A2標(biāo)準(zhǔn),其中A1標(biāo)準(zhǔn)要求在一定間隔內(nèi)區(qū)域控制誤差A(yù)CE(area control error)過零,以定性反映ACE 過零次數(shù)為主;A2標(biāo)準(zhǔn)要求在所設(shè)的時間間隔內(nèi)的ACE 均值絕對值小于規(guī)定限值,可定量反映所在區(qū)域的調(diào)頻優(yōu)劣程度、效果較好。本文采用A2標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)來量化調(diào)頻表現(xiàn),第t時刻的區(qū)域控制偏差εACE,t的計算公式為
式中:ΔPline,t為第t時刻的聯(lián)絡(luò)線功率變化;Δf為當(dāng)前時刻的頻率偏差;B為區(qū)域的頻率偏差系數(shù),MW/0.1Hz。
A2為區(qū)域控制偏差在考核總時間內(nèi)的平均值,其計算公式為
式中,T為區(qū)域考核總時間。
大量新能源并網(wǎng)帶來的強不確定性和弱慣性改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的源荷特性,同時,電力系統(tǒng)新元素逐漸增加,如光伏、電動汽車充電站等。AGC 調(diào)頻容量通過平衡實際負(fù)荷與預(yù)測出力,以確保系統(tǒng)頻率的質(zhì)量。當(dāng)調(diào)頻容量越多,則越有利于電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定,但將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電側(cè)成本大幅度提高,經(jīng)濟性較低,不利于發(fā)展;當(dāng)調(diào)頻容量不足時,又無法滿足系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。因此,為滿足系統(tǒng)源荷側(cè)的供需平衡,以實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定和發(fā)電側(cè)持續(xù)性、經(jīng)濟性的目標(biāo),就需要對新能源電力系統(tǒng)AGC 調(diào)頻容量進行實時、準(zhǔn)確地評估。當(dāng)前,AGC 調(diào)頻容量主要的作用在于平衡波動分量,實現(xiàn)源荷側(cè)的供需平衡。
含高比例新能源的電力系統(tǒng)AGC 原理如圖1所示,影響AGC調(diào)頻容量的因素可分為傳統(tǒng)機組發(fā)電量、新能源發(fā)電量、聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)分量、負(fù)荷變化量4部分,當(dāng)這4部分出力出現(xiàn)擾動時,將改變電力系統(tǒng)的頻率。系統(tǒng)內(nèi)頻率的波動可由調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差來表示,其求解公式為
圖1 含高比例新能源的電力系統(tǒng)AGC 原理Fig.1 Schematic of AGC of power system with highproportion renewable energy
式中:δ為AGC考核時段內(nèi)的調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差;Psys,t為第t時刻系統(tǒng)凈調(diào)頻功率;Pload,t為第t時刻系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)頻功率;PGplan,t為第t時刻傳統(tǒng)發(fā)電機組的調(diào)頻功率;Penergy,t為第t時刻新能源的調(diào)頻功率;Pline,t為第t時刻聯(lián)絡(luò)線的調(diào)頻功率。
調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差在一定程度上可反映系統(tǒng)內(nèi)頻率的波動。挖掘調(diào)頻容量、調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差與調(diào)頻表現(xiàn)間的關(guān)系[11-12]可知:所在區(qū)域調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差越大,調(diào)頻表現(xiàn)越差,所需調(diào)頻容量越大。
由于含高比例新能源的電力系統(tǒng)具有強不確定性,區(qū)域電力系統(tǒng)調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差的計算主要與區(qū)域內(nèi)的傳統(tǒng)機組、新能源發(fā)電、負(fù)荷變化以及與聯(lián)絡(luò)線分量4部分相關(guān)。因此,需分別對電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的調(diào)頻功率進行計算,以得到初始調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差。
新能源系統(tǒng)的調(diào)頻分量包括傳統(tǒng)機組、新能源機組、負(fù)荷變化量及聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)分量等4 部分,需要對各環(huán)節(jié)的波動量分別進行建模。
(1)傳統(tǒng)機組調(diào)頻功率。傳統(tǒng)機組的發(fā)電計劃量不可忽略,根據(jù)發(fā)電差異,本文將調(diào)節(jié)方式劃分為兩大類:AGC 調(diào)頻機組和非AGC 調(diào)頻機組。
設(shè)定有NAGC臺AGC 調(diào)頻機組,則t時刻的機組變化量為
式中:P1,t為t時刻AGC 調(diào)頻機組出力;Pk,t和Pk,t+Δt分別為第k臺AGC 調(diào)頻機組第t和t+Δt時刻的出力。
電網(wǎng)內(nèi)有NN-AGC臺非AGC 機組,t時刻的出力變化量為
式中:P2,t為t時刻非AGC 調(diào)頻機組出力;Pi,t和Pi,t+Δt分別為第i臺非AGC 機組第t和t+Δt時刻的出力。
將2 種傳統(tǒng)機組的出力變化量匯總,則可計算得到傳統(tǒng)機組的總出力變化量,此外,考慮機組在調(diào)節(jié)中會存在調(diào)節(jié)偏差量ΔPGplan,t,該偏差可用機組的調(diào)節(jié)精度來度量,故可得到第t時刻傳統(tǒng)機組的調(diào)頻功率為
式中,ΔPGplan,t為機組調(diào)節(jié)偏差量。
(2)新能源調(diào)頻功率。本文新能源發(fā)電機組主要考慮風(fēng)電、光伏等間歇性不可控電源,基于新能源發(fā)電數(shù)據(jù),得到各時段的新能源出力變化量。
由于新能源具有波動性和間歇性,預(yù)測偏差值會對新能源調(diào)頻容量的準(zhǔn)確性造成影響,故其預(yù)測偏差也不可忽視,通過統(tǒng)計歷史發(fā)電數(shù)據(jù)的實際值與預(yù)測間的偏差,得到ΔGenergy,t為
式中:avg()· 為平均值函數(shù);ΔGenergy,t為第t時刻的新能源誤差預(yù)測值;Ghs,t和Gha,t分別為第t時刻的歷史新能源出力預(yù)測值和實際值。
通過計算第t和t+Δt時刻能源出力差值,并疊加預(yù)測偏差,即可得到第t時刻新能源調(diào)頻功率為
(3)負(fù)荷調(diào)頻功率。新型電力系統(tǒng)下,負(fù)荷運行特征也發(fā)生變化,部分用戶具有儲能設(shè)備級能量管理系統(tǒng)[13],并可參與調(diào)頻等輔助服務(wù)市場。本文基于系統(tǒng)負(fù)荷出力數(shù)據(jù),將一天劃分為若干時段,可實時計算各時段的負(fù)荷。
由于負(fù)荷影響因素的多樣性及不確定性,實際負(fù)荷與預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)存在偏差,故通過統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)的實際值與預(yù)測值間的偏差,計算公式為
式中:ΔPload,t為第t時刻的負(fù)荷誤差預(yù)測值;Lha,t和Lhs,t分別為第t時刻的歷史負(fù)荷運行實際值和預(yù)測值。
結(jié)合預(yù)測結(jié)果計算第t時刻的負(fù)荷調(diào)頻功率為
式中:Lt,max和Lt,min分別為第t時刻的最高和最低負(fù)荷值;ΔPload,t為第t時刻的負(fù)荷誤差預(yù)測值。
(4)聯(lián)絡(luò)線調(diào)頻功率。電力系統(tǒng)中,發(fā)電部分除常規(guī)機組、新能源機組外,還需考慮電網(wǎng)間的交互功率,聯(lián)絡(luò)線間功率的變化同樣也會影響AGC實際的調(diào)頻容量??紤]聯(lián)絡(luò)線交換計劃的調(diào)頻分量,計算第t時刻的聯(lián)絡(luò)線的調(diào)頻功率為
式中,Nline,t和Nline,t+Δt分別為第t和t+Δt時刻聯(lián)絡(luò)線交換計劃功率。
根據(jù)上述所求的傳統(tǒng)機組調(diào)頻功率PGplan,t、新能源調(diào)頻功率Penergy,t、負(fù)荷調(diào)頻功率Pload,t和聯(lián)絡(luò)線調(diào)頻功率Pline,t,可代入式(3)和式(4),求得系統(tǒng)內(nèi)的歷史典型日內(nèi)的初始調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差。
基于初始調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù),本文構(gòu)建了ELM預(yù)測模型,如圖2 所示,此模型基于單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行改進,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,不需設(shè)置其他參數(shù),故具有訓(xùn)練參數(shù)少、技術(shù)速度快、泛化能力強等優(yōu)點。
圖2 所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,n、L、m分別代表輸入層、隱藏層、輸出層的層數(shù);網(wǎng)絡(luò)輸入δ為歷史典型日內(nèi)n個考核時段的初始調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差,,由式(4)求得;網(wǎng)絡(luò)的輸出為所預(yù)測未來m個時段的調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差。ELM模型的映射為
式中:g(·)為隱藏層激活函數(shù),本文取Sigmoid函數(shù);bj為連接輸入層與隱藏層間的偏差;ωj為連接輸入層與隱藏層的權(quán)重向量;βk為連接隱藏層與輸出層的權(quán)重向量。
基于ELM 模型,可預(yù)測未來時段的調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差,并統(tǒng)計得到調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差上限δmax。
利用前述調(diào)頻容量、調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差與調(diào)頻表現(xiàn)的關(guān)系,建立調(diào)頻表現(xiàn)相關(guān)模型。以系統(tǒng)中某一調(diào)頻容量初值c為例,首先在系統(tǒng)中,篩選調(diào)頻容量r∈[c-Δc,c+Δc],調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差t∈[0,δmax]的數(shù)據(jù),再計算數(shù)據(jù)中滿足考核要求的數(shù)據(jù)所達標(biāo)的概率G(c,δmax),有
式中:G(c,δmax)為在調(diào)頻容量取c和調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差屬于[0,δmax]內(nèi)的條件下的A2標(biāo)準(zhǔn)達標(biāo)概率;δmax為調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差上限;H(·)為調(diào)頻容量達標(biāo)概率;為考核標(biāo)準(zhǔn)限值;|A2|為調(diào)頻容量取c和調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差屬于[0,δmax]下的ACE 均值的絕對值;Δc為調(diào)頻容量偏差范圍。
基于ELM預(yù)測模型,可統(tǒng)計得到調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差上限δmax,代入式(14)即可求得AGC 調(diào)頻容量達標(biāo)概率。最后建立調(diào)頻容量的目標(biāo)函數(shù)[14-15],計算使達標(biāo)概率G(c,δmax) 大于置信度F的最小調(diào)頻容量。所構(gòu)建的模型為
式中,R為目標(biāo)函數(shù)。
通過求解式(15)方程,即可求得使調(diào)頻表現(xiàn)概率大于置信度的最小調(diào)頻容量。
結(jié)合前述分析,本文所提出的區(qū)域新能源電力系統(tǒng)AGC調(diào)頻容量實時評估流程如圖3所示,主要步驟如下。
圖3 區(qū)域新能源電力系統(tǒng)AGC 調(diào)頻容量實時評估流程Fig.3 Real-time evaluation process of AGC frequency modulation capacity for regional new energy power system
步驟1從電網(wǎng)供需平衡出發(fā),綜合考慮機組多種因素,分別計算影響功率平衡的各部分偏差分量。機組發(fā)電功率方面,利用式(5)~式(7)得到不同類型的發(fā)電機組調(diào)頻功率PGplan,t;新能源調(diào)頻分量方面,通過新能源發(fā)電等數(shù)據(jù),利用式(8)~式(9)求得新能源調(diào)頻功率Penergy,t;負(fù)荷調(diào)頻分量方面,通過歷史負(fù)荷等數(shù)據(jù),利用式(10)~式(11)求得系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)頻功率Pload,t;聯(lián)絡(luò)線交換功率方面,通過歷史數(shù)據(jù)利用式(13)求得聯(lián)絡(luò)線調(diào)頻功率Pline,t。
步驟2利用式(3)求得凈調(diào)頻功率,代入式(4)得到初始調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差,構(gòu)建ELM模型預(yù)測未來時段的調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差,并統(tǒng)計得到調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差上限δmax。
步驟3設(shè)定調(diào)頻容量初值為歷史調(diào)頻容量最小值,基于式(14)計算調(diào)頻容量達標(biāo)的概率G(c,δmax)。
步驟4判斷G(c,δmax)是否滿足下述條件:是否大于置信度F,或調(diào)頻容量c達到歷史調(diào)頻容量限值climit。當(dāng)滿足上述條件時,則調(diào)頻容量為c;否則增加AGC 調(diào)頻容量步長cstep,并返回上一步,重新計算調(diào)頻概率分布。
以河北某電網(wǎng)為例,驗證本文所提AGC調(diào)頻容量評估方法的有效性,該區(qū)域電網(wǎng)以傳統(tǒng)能源發(fā)電為主,新能源并網(wǎng)比例較大。利用本文所提AGC調(diào)頻容量計算方法,計算出電網(wǎng)一天中各個時段AGC調(diào)頻容量。對該電網(wǎng)的AGC調(diào)頻機組進行分析,可得到各個時間段的上、下調(diào)頻次數(shù)情況,如圖4 所示。在00:00—06:00 早高峰期間,機組調(diào)頻次數(shù)較高,在12:00—17:00 期間,機組調(diào)頻次數(shù)較低,反映了不同時段的調(diào)頻需求情況。
圖4 各時段機組上下調(diào)頻次數(shù)情況Fig.4 Frequency up and down of unit in each period
各環(huán)節(jié)調(diào)頻功率計算中,以負(fù)荷出力、新能源出力為關(guān)鍵內(nèi)容進行分析:新能源功率曲線如圖5所示,由于新能源發(fā)電的間歇性、波動性,故其預(yù)測準(zhǔn)確度較低,AGC調(diào)頻容量需求也較大。結(jié)合歷史各時段風(fēng)電預(yù)測值與實際值,可分析風(fēng)電預(yù)測差值變化量。在00:00—06:00 時段內(nèi),新能源調(diào)頻功率較大,調(diào)頻容量需求較大,通過分析可知,這是該時間段內(nèi)新能源并網(wǎng)比例較大造成的。
圖5 新能源預(yù)測和實際功率曲線Fig.5 Curves of forecasted and actual new energy power
由歷史數(shù)據(jù)得到的最大、最小負(fù)荷曲線如圖6所示,通過負(fù)荷數(shù)據(jù)可得出由負(fù)荷變化所導(dǎo)致的調(diào)頻需求量??梢姡?0:00—18:00 時段內(nèi),負(fù)荷調(diào)頻功率較大,調(diào)頻需求較大。
圖6 各時段最大和最小負(fù)荷曲線Fig.6 Maximum and minimum load curves in each period
圖7為基于ELM模型預(yù)測的調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差,圖中預(yù)測結(jié)果可反映一天中的有功波動情況,根據(jù)調(diào)頻容量、調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差與調(diào)頻表現(xiàn)間的關(guān)系,采用式(15)建立調(diào)頻容量的目標(biāo)函數(shù),即可求得各時段的AGC調(diào)頻容量。
圖8 為采用不同方法求得的各時段AGC 調(diào)頻容量。分析可知,一天中在時段01:00—06:00 的調(diào)頻容量較大,而在時段12:00—17:00的調(diào)頻容量較小。將本文所提方法與文獻[7]所提滾動平均法、文獻[8]所提多項式擬合法進行容量對比,結(jié)果如表1 所示。文獻[7]所提方法AGC 平均調(diào)頻容量為205 MW,文獻[8]所提方法AGC 平均調(diào)頻容量為180 MW,2種方法所得的調(diào)頻容量要高于本文所提方法的調(diào)頻容量。可見,本文所提方法更能有效地分配調(diào)頻容量。
表1 不同方法獲得調(diào)頻容量及調(diào)頻表現(xiàn)結(jié)果對比Tab.1 Comparison among frequency modulation capacities and frequency modulation performances obtained by different methods
圖8 各時段AGC 調(diào)頻容量Fig.8 Frequency modulation capacity of AGC in each period
此外,以A2標(biāo)準(zhǔn)為考核指標(biāo),對比了不同方法預(yù)測的調(diào)頻表現(xiàn),如圖9和表1所示??芍?,所預(yù)測的AGC 調(diào)頻容量越限概率越低,則調(diào)頻表現(xiàn)越好;本文所提方法的A2越限概率為8.05%,均低于文獻[7]與文獻[8]所提方法的越限概率。可得出結(jié)論:本文所提方法在保證經(jīng)濟性要求的基礎(chǔ)上,越限概率更低,調(diào)頻表現(xiàn)更優(yōu),故更具有實際意義。
圖9 不同方法的A2 指標(biāo)越限概率對比Fig.9 Comparison of probability of crossing the limit of index A2 among different methods
本文考慮AGC調(diào)頻容量的影響因素,獲取調(diào)頻容量、調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差與調(diào)頻表現(xiàn)之間的關(guān)系,提出區(qū)域新能源電力系統(tǒng)AGC調(diào)頻容量實時評估方法,采用ELM方法預(yù)測調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)差,并通過達標(biāo)概率分布確定調(diào)頻容量。結(jié)果表明,與現(xiàn)有方法相比,本文所提方法AGC調(diào)頻容量更小,更能有效分配調(diào)頻容量;以A2標(biāo)準(zhǔn)為考核指標(biāo),AGC調(diào)頻容量越限概率更低,調(diào)頻表現(xiàn)更優(yōu),具有更好的安全性和經(jīng)濟性,能夠保障電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。但是,當(dāng)前新能源預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測精度仍不夠高,造成較大調(diào)頻容量需求,如何提升預(yù)測精度的同時考慮AGC調(diào)頻速率等因素成為未來研究的關(guān)鍵難點。