考慮風(fēng)電時空特性和相對波動率的平衡成本分?jǐn)偡椒?/h1>
2024-01-03 06:23:52何義瓊李鑫賈海清劉長璽劉茹谷旭東雷霞
電力建設(shè) 2024年1期
何義瓊,李鑫,賈海清,劉長璽,劉茹,谷旭東,雷霞
(1.內(nèi)蒙古東部電力交易中心有限公司,呼和浩特市 010000;2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,成都市 610039)
0 引 言
“十三五”以來,全國風(fēng)電發(fā)展迅速,棄風(fēng)限電情況逐年改善明顯。2021年全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量4 757 kW,同比增長16.6%;風(fēng)電年發(fā)電量6 526億kW·h,占全部電源總發(fā)電量的7.8%;年棄風(fēng)電量208.8億kW·h,棄風(fēng)率下降至3.1%?！笆奈濉笔请娏Φ吞嫁D(zhuǎn)型的關(guān)鍵期,大力發(fā)展風(fēng)電依舊是主旋律,現(xiàn)階段更為積極的目標(biāo)應(yīng)是在提升風(fēng)電消納能力的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善電力交易機(jī)制和價格激勵方式,促進(jìn)風(fēng)電和電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。目前,我國現(xiàn)貨市場建設(shè)如火如荼,其通過短時間尺度的快速交易及與中長期市場的配合,可進(jìn)一步緩解風(fēng)電波動對電網(wǎng)運(yùn)行的影響并減少棄風(fēng),這也對挖掘短時間尺度的風(fēng)電成本提出了更高要求。此外,風(fēng)電仍以平準(zhǔn)化度電成本為基準(zhǔn)報價,其并網(wǎng)產(chǎn)生的成本在市場交易中未量化體現(xiàn),這不利于系統(tǒng)對風(fēng)電的接納。只有全面厘清與現(xiàn)貨交易時間尺度一致的風(fēng)電分時段真實(shí)成本,才能保證新能源現(xiàn)貨市場交易的公平性,并促進(jìn)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)度方案的制定。
風(fēng)電作為清潔能源對于節(jié)能減排具有正向價值,但風(fēng)力發(fā)電易受環(huán)境和自然資源影響,具有波動性和不確定性,因此,風(fēng)電并網(wǎng)后需要常規(guī)機(jī)組或儲能的啟停、調(diào)節(jié)、預(yù)留備用等一系列操作來確保電力系統(tǒng)的實(shí)時有功平衡[3],由此帶來的系統(tǒng)額外運(yùn)行成本即為“平衡成本”[4]。針對風(fēng)電平衡成本計算方法與定性分析的問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[5]對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的美國德州電力市場進(jìn)行了研究,指出在該市場環(huán)境下,風(fēng)電并網(wǎng)會對市場其他參與者產(chǎn)生影響,評估風(fēng)電價值不能忽視風(fēng)電與其他電源之間的影響關(guān)系;文獻(xiàn)[6]研究了英國風(fēng)力發(fā)電對系統(tǒng)平衡成本的影響,結(jié)果表明風(fēng)電并網(wǎng)容量增大時,系統(tǒng)平衡成本顯著增加;文獻(xiàn)[7]研究了風(fēng)電并網(wǎng)時平衡成本的量化方法,基于線性回歸和隨機(jī)規(guī)劃的方法對不同風(fēng)電滲透率下的平衡成本進(jìn)行了計算;文獻(xiàn)[8]結(jié)合電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度分析了風(fēng)電波動對電網(wǎng)運(yùn)行的影響,提出應(yīng)構(gòu)造無風(fēng)電平衡成本的等效場景,使風(fēng)電能源價值從平衡成本中剝離,在等效時將風(fēng)電出力處理為恒值出力;文獻(xiàn)[9]研究了定量分析風(fēng)電平衡成本的計算思路,并分季節(jié)對不同風(fēng)電接納量系統(tǒng)的平衡成本進(jìn)行了測算分析;文獻(xiàn)[10]基于波形相似理論度量風(fēng)電場實(shí)際出力曲線和等效出力曲線的波動整體性差異,兼顧風(fēng)電場裝機(jī)容量的影響,確定各風(fēng)電場因未能有效跟蹤負(fù)荷波動而承擔(dān)的風(fēng)電波動成本份額;文獻(xiàn)[11]研究了基于平衡成本的調(diào)峰補(bǔ)償成本測算方法,并在其基礎(chǔ)上提出了風(fēng)電分段調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制,結(jié)果表明棄風(fēng)段的風(fēng)電因平衡成本過高而交易價值較低。以上研究工作主要針對風(fēng)電在較長時間段或調(diào)度周期內(nèi)總的平衡成本進(jìn)行定量和定性分析,難以滿足現(xiàn)貨市場短時間尺度交易的需要,因此,有必要對風(fēng)電功率短時間尺度的波動特性及其量化評估方法進(jìn)行研究。
目前已有很多針對風(fēng)電波動特性方面的研究。文獻(xiàn)[12]提出一種考慮最優(yōu)核函數(shù)帶寬選擇的改進(jìn)型非參數(shù)核密度估計法,建立了風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)分布模型,從不同時間尺度分析了不同區(qū)域間的風(fēng)電出力概率特性差異;文獻(xiàn)[13]提出了一種基于混合尺度參數(shù)和位置參數(shù)的t分布模型對風(fēng)電功率波動變化率進(jìn)行擬合,該方法基于統(tǒng)計原理,在對風(fēng)電功率波動的研究過程中消除了時序特征;文獻(xiàn)[14]研究了在不同裝機(jī)容量和不同差分尺度下的風(fēng)電功率波動特性,結(jié)果表明風(fēng)電功率波動在時間尺度分布上具有趨勢性;文獻(xiàn)[15]研究了風(fēng)電功率波動在不同時間、空間尺度上的分布特性,研究結(jié)果表明,隨著風(fēng)電場群空間分布廣度的增大會使得風(fēng)電功率的波動出現(xiàn)平緩效應(yīng),但并未對波動進(jìn)行定量的刻畫;文獻(xiàn)[16]研究了不同時間分辨率下各時段風(fēng)電功率波動的統(tǒng)計特性,實(shí)現(xiàn)了具有時序特征的風(fēng)電功率波動特性的定量分析;文獻(xiàn)[17]提出了分析風(fēng)電功率時間序列波動性與預(yù)測誤差關(guān)系的方法,對風(fēng)電功率波動的時序特征進(jìn)行了較為準(zhǔn)確地描述。上述關(guān)于風(fēng)電功率波動性的研究,對其功率時間序列的演進(jìn)變換特征進(jìn)行定量刻畫的方法主要運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)模型,對數(shù)據(jù)要求過高,從而降低了在風(fēng)電波動成本分?jǐn)傊袘?yīng)用的實(shí)用性。
針對上述問題,本文從對風(fēng)電功率波動特性的分析出發(fā),提出一種考慮風(fēng)電時空特性和相對波動率的平衡成本分?jǐn)偡椒āＪ紫?構(gòu)造“等電量-順負(fù)荷”場景,考慮風(fēng)電每日的出力特性,對一天的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,對比預(yù)測場景和等效場景優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)總運(yùn)行成本計算得到調(diào)度周期內(nèi)總的風(fēng)電平衡成本[9-10];其次,兼顧風(fēng)電場的空間分布和容量對平衡成本分?jǐn)偟挠绊?提出風(fēng)電平衡成本的空間分布分?jǐn)偡椒?。隨后,提出一種用于刻畫風(fēng)電功率波動時序特性的指標(biāo)即分時段三角系數(shù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步定義用于量化風(fēng)電功率分時段波動的分時段波動率,以及反映風(fēng)電相對負(fù)荷波動程度的指標(biāo)即分時段相對波動率;最后,以各時段相對波動率指標(biāo)為依據(jù)對風(fēng)電平衡成本進(jìn)行逐時段的分?jǐn)?即得到風(fēng)電分時波動成本。最后以某地區(qū)含高比例風(fēng)電接入的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析,驗(yàn)證所提方法的有效性。
1 風(fēng)電相對波動性及平衡成本分析
波動性是一種描述物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)概念,強(qiáng)調(diào)的是物質(zhì)的時變特性,只要事物處于持續(xù)變化的狀態(tài),就一定存在波動。據(jù)此,風(fēng)電的波動性則指風(fēng)電的輸出功率隨時間的持續(xù)變化狀態(tài)。風(fēng)電波動性產(chǎn)生的根本原因在于風(fēng)機(jī)的動力元素——風(fēng)能受天氣和地勢等多種不可抗拒的自然因素影響,且目前風(fēng)電機(jī)組控制功率波動的能力有限,因此波動性是風(fēng)電的固有特性。即使風(fēng)電預(yù)測具有很高的準(zhǔn)確度,甚至不存在預(yù)測誤差,風(fēng)電出力仍然會表現(xiàn)出波動性。
風(fēng)電作為電源,難以像水電、火電等常規(guī)機(jī)組那樣“完美”地跟蹤負(fù)荷,而且其呈現(xiàn)的波動性及反調(diào)峰特性使得風(fēng)電出力與負(fù)荷的變化趨勢難以同步[18-20],因此從調(diào)度資源來看,風(fēng)電既具有電源特性也具有負(fù)荷特性[21]。本文將風(fēng)電與負(fù)荷的持續(xù)相對運(yùn)動形式定義為風(fēng)電相對波動性,將其認(rèn)為是風(fēng)電出力中的電源異質(zhì)性,呈現(xiàn)的是風(fēng)電的負(fù)荷同質(zhì)性,是平衡成本產(chǎn)生的根源。
隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的逐步增大,風(fēng)電相對波動性會對系統(tǒng)的運(yùn)行特性造成影響[22-23]。一方面,系統(tǒng)凈負(fù)荷的峰谷差及變化率會因風(fēng)電相對負(fù)荷的波動而改變,此時,常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)自身出力不僅需要實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的實(shí)時匹配,還要平抑因風(fēng)電并網(wǎng)可能導(dǎo)致的更大凈負(fù)荷峰谷差及變化率,這勢必會使得其啟停等調(diào)節(jié)成本大大增加;另一方面,風(fēng)電并網(wǎng)使系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量減少,降低了電網(wǎng)的耐頻能力,需要預(yù)留一定的旋轉(zhuǎn)備用以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,使得系統(tǒng)預(yù)留備用容量的費(fèi)用也進(jìn)一步增加。因此,為了保證系統(tǒng)的供需平衡和安全穩(wěn)定,系統(tǒng)需對各機(jī)組啟停、出力和旋轉(zhuǎn)備用等進(jìn)行調(diào)節(jié),這部分額外的系統(tǒng)響應(yīng)成本即為風(fēng)電的平衡成本。
2 風(fēng)電分時段平衡成本計算
風(fēng)電平衡成本的產(chǎn)生源于風(fēng)電的相對波動性,需要由系統(tǒng)調(diào)度常規(guī)機(jī)組來進(jìn)行平抑,因此其量化可利用電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度模型完成。求解風(fēng)電分時段平衡成本的關(guān)鍵在于:1)將常規(guī)機(jī)組平衡風(fēng)電波動的調(diào)度成本與平衡負(fù)荷波動的調(diào)度成本剝離;2)根據(jù)各風(fēng)電場的容量大小及其波動特性對系統(tǒng)平衡成本的影響程度,將剝離出的調(diào)度成本分?jǐn)傊粮黠L(fēng)電場;3)精準(zhǔn)刻畫在各調(diào)度時段風(fēng)電出力相對負(fù)荷波動功率的時序演進(jìn)特征,探尋風(fēng)電平衡成本合理分?jǐn)傊粮鲿r段的依據(jù)和方法。由于構(gòu)成風(fēng)電平衡成本的主體是常規(guī)火電機(jī)組,為平抑風(fēng)電相對負(fù)荷波動而實(shí)施啟停、調(diào)用出力及提供旋轉(zhuǎn)備用而產(chǎn)生的成本,且各調(diào)度時段平衡成本的產(chǎn)生并不孤立,而是存在著必然的耦合因素,因此,計算分時段平衡成本不能簡單地僅基于各時段系統(tǒng)局部優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行求解,而應(yīng)該先求解系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)總的平衡成本,再遵循合理原則對平衡成本進(jìn)行時段分?jǐn)偂?/p>
風(fēng)電分時段平衡成本的計算框架如圖1所示。
圖1 風(fēng)電分時段平衡成本計算框架Fig.1 The proposed calculation method flowchart of time-segment balance cost of wind power
首先對風(fēng)電預(yù)測出力場景進(jìn)行等效,得到零風(fēng)電平衡成本的風(fēng)電等效出力場景,分別計算2種場景下的系統(tǒng)總運(yùn)行成本,二者之差即為調(diào)度周期風(fēng)電總平衡成本;通過分時段三角系數(shù)對風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列的時序演進(jìn)特征進(jìn)行定量提取,基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法在一定時間窗口內(nèi)(本文取15 min)篩選分時段三角系數(shù)的次優(yōu)解,歸一化處理后得到逐時段描述風(fēng)電相對負(fù)荷局部波動程度典型狀態(tài)的分時段相對波動率;以各時段風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率的局部典型狀態(tài)對整個調(diào)度周期風(fēng)電相對負(fù)荷功率的宏觀波動特征的影響(即局部波動影響因子)大小為依據(jù),對調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電總平衡成本逐時段分?jǐn)?即得到15 min時間尺度的風(fēng)電分時段平衡成本。
2.1 調(diào)度周期風(fēng)電總平衡成本計算方法
針對上述思路的關(guān)鍵點(diǎn)1,本文利用文獻(xiàn)[9-10]提出的“等電量-順負(fù)荷”方法構(gòu)造了一個零風(fēng)電平衡成本場景,將風(fēng)電等效為調(diào)度周期內(nèi)輸出功率能夠始終跟蹤負(fù)荷的等效替代電源。基于系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,通過計算風(fēng)電預(yù)測出力場景和風(fēng)電等效出力場景下系統(tǒng)總運(yùn)行成本差異,得到風(fēng)電調(diào)度周期內(nèi)的總平衡成本。
圖2 風(fēng)電等效替代電源構(gòu)造示意Fig.2 Equivalent alternative power supply construction diagram of wind power
風(fēng)電等效替代電源構(gòu)造方法為:
(1)
2.2 計及風(fēng)電的動態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型
本文構(gòu)建的計及風(fēng)電的動態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)是在滿足負(fù)荷及系統(tǒng)安全運(yùn)行約束的前提下同時優(yōu)化火電機(jī)組出力、火電機(jī)組啟停及旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化配置,使調(diào)度周期內(nèi)的系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小。
目標(biāo)函數(shù)為:
minCTOC=min(CG+CSU+CSR+CW)
(2)
式中:CTOC為系統(tǒng)的總運(yùn)行成本;CG、CSU、CSR分別為火電機(jī)組的發(fā)電成本、啟停成本、預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用成本;CW為風(fēng)電運(yùn)維成本。
1)火電機(jī)組發(fā)電成本。
(3)
2)火電機(jī)組啟停成本。
(4)
(5)
3)風(fēng)電的運(yùn)維成本。
(6)
式中:kW為風(fēng)電場的單位運(yùn)維成本;PWj,t為風(fēng)電場j在t時刻的計劃出力;NW為風(fēng)電場數(shù)。
4)火電機(jī)組預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用的成本。
(7)
約束條件包含以下部分:
1)系統(tǒng)有功功率平衡約束。
(8)
式中:PL,t為t時刻總的負(fù)荷預(yù)測功率。
2)機(jī)組出力約束。
(9)
(10)
3)火電機(jī)組爬坡約束。
(11)
4)最小啟停時間約束。
(12)
5)旋轉(zhuǎn)備用約束。
(13)
(14)
6)線路有功潮流約束。
本文中潮流約束考慮直流潮流模型,各支路有功潮流通過發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子矩陣Gln計算得到。
(15)
為第l條線路的有功傳輸上限。
將火電機(jī)組發(fā)電成本分段線性化處理后,利用上述混合整數(shù)線性規(guī)劃模型分別得到調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電預(yù)測出力場景下的系統(tǒng)總平衡成本Cpred和風(fēng)電等效出力場景下的系統(tǒng)總平衡成本Cequ,再由式(16)計算可得一個調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電總的平衡成本Ctot。
Ctot=Cpred-Cequ
(16)
2.3 風(fēng)電平衡成本的空間分布分?jǐn)偡椒?/h3>
實(shí)際系統(tǒng)中往往存在多個風(fēng)電場并網(wǎng),如果單獨(dú)計算各自產(chǎn)生的平衡成本,則忽略了風(fēng)電場之間的集群效應(yīng)。本文綜合考慮各風(fēng)電場容量和對系統(tǒng)運(yùn)行的影響大小,將總平衡成本分?jǐn)傊粮黠L(fēng)電場,以解決關(guān)鍵點(diǎn)2。
風(fēng)電平衡成本的空間分?jǐn)偡椒ㄈ缦滤?
1)計算各風(fēng)電場的單一平衡成本。在計算第j個風(fēng)電場的單一平衡成本時,將其余風(fēng)電場預(yù)測出力按前文所述等效處理,保留第j個風(fēng)電場的原預(yù)測出力。計算第j個風(fēng)電場原預(yù)測出力下的調(diào)度成本與風(fēng)電場全部等效出力的調(diào)度成本差值,以該差值作為風(fēng)電場j的單一平衡成本Cj。
2.4 分時段相對波動率
針對關(guān)鍵點(diǎn)3,本文提出基于分時段三角系數(shù)的定量提取風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率時序演進(jìn)特征的指標(biāo)——分時段相對波動率。分時段三角系數(shù)與傳統(tǒng)評估風(fēng)電波動的一階差分形式指標(biāo)[24-25]側(cè)重點(diǎn)各有不同。后者模型簡單易懂且已經(jīng)在衡量各種能量波動的研究中得到廣泛的應(yīng)用,其重點(diǎn)在于描述相鄰時刻波動功率的變化;前者為了與逐時段合理分?jǐn)傦L(fēng)電平衡成本的目標(biāo)相契合,更著重于捕捉風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列在各時段內(nèi)的持續(xù)波動特征。為了與現(xiàn)貨交易時間尺度保持一致性,本文將風(fēng)電相對波動率的時段定為15 min。
圖3為風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列的15 min三角系數(shù)求解示意圖,圖中標(biāo)注了個別功率極值點(diǎn)、非極值點(diǎn)、功率三角形的幅值U及相角θ。通過不同功率三角形的幅值U和相角θ可對該時段風(fēng)電相對負(fù)荷功率的持續(xù)波動狀態(tài)進(jìn)行定量描述。
圖3 功率序列分時三角系數(shù)示意圖Fig.3 Diagram of time-sharing triangle coefficient of power sequence
1)逐小時輸入1 min時間尺度風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列PW-L(1),PW-L(2),…,PW-L(k),…,PW-L(15)。
(17)
(18)
3)忽略功率序列中的非極值點(diǎn),形成新的功率序列P′W-L,序列中相鄰2個數(shù)據(jù)點(diǎn)間連線與垂直和水平方向相交后形成功率三角形,如圖3中陰影部分所示。
4)計算功率序列P′W-L中各功率三角形的幅值和相角,二者共同構(gòu)成分時三角系數(shù)。
在每15 min內(nèi)的風(fēng)電相對負(fù)荷功率序列中,如果某時段的風(fēng)電相對負(fù)荷波動劇烈,則該段時間的波動功率序列變化過程應(yīng)呈現(xiàn)變化時間快、波動幅度大的特征,即該時段的三角系數(shù)應(yīng)同時滿足幅值最大和相角最大2個條件。但上述2個條件難以同時滿足,如圖3所示,功率三角形1具有最大相角θ1,而功率三角形2具有最大幅值U2,在該時間段內(nèi),最大相角和最大幅值并未同時出現(xiàn),故采用灰色關(guān)聯(lián)分析法這一多屬性決策方法以尋求此15 min內(nèi)幅值和相角的次優(yōu)解。
灰色關(guān)聯(lián)決策提供了一種衡量不同因素間關(guān)聯(lián)程度大小的重要量化處理方法,該方法能夠找出理想最優(yōu)方案對應(yīng)的效果評價向量,由決策問題中各個方案的效果評價向量與最優(yōu)方案效果評價向量之間的灰色關(guān)聯(lián)度大小確定問題的最優(yōu)解決方案和優(yōu)劣排序[26-28]。通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法可挖掘代表風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列各時段波動程度典型狀態(tài)的分時段三角系數(shù),具體步驟如下:
1)根據(jù)事件集A={a1,a2,···,an}和對策集B={b1,b2,···,bm}構(gòu)造局勢集S={sij=(ai,bj)|ai∈A,bj∈B}。本文中以各時段風(fēng)電相對負(fù)荷的持續(xù)波動狀態(tài)為事件集A={a1,a2,···,a12},分時段三角系數(shù)的幅值和相角作為對策集B={U,θ}。
2)確定決策目標(biāo)k,k=1,2,···,s。
(19)
(20)
依據(jù)式(20)提取的各調(diào)度時段風(fēng)電相對負(fù)荷局部波動程度特征量(即分時段相對波動率),對完整調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電相對負(fù)荷宏觀波動狀態(tài)的影響(即局部波動影響因子)大小,將調(diào)度周期內(nèi)各風(fēng)電場分?jǐn)偟钠胶獬杀局饡r段進(jìn)行分?jǐn)?即得到風(fēng)電分時段平衡成本。
(21)
(22)
式中:Cj,t為風(fēng)電場j在t時刻的風(fēng)電分時段平衡成本;φj,t為風(fēng)電場j在t時刻相對波動率的局部波動影響因子。
3 算例分析
3.1 算例參數(shù)概述
本文采用某地區(qū)32節(jié)點(diǎn)含高比例風(fēng)電接入的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為計算調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電分時平衡成本進(jìn)行仿真分析,系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,調(diào)度時間尺度設(shè)置為15 min。
圖4 某地區(qū)32節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.4 32-node grid structure in a certain area
該系統(tǒng)包含4臺火電機(jī)組,參數(shù)見表1,9個風(fēng)電場,風(fēng)電出力和負(fù)荷功率數(shù)據(jù)采用該地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)。其中火電裝機(jī)容量為2 000 MW,占比28.6%;風(fēng)電裝機(jī)容量為5 000 MW,新能源發(fā)電占比71.4%?；痣姍C(jī)組旋轉(zhuǎn)備用成本為120元/(MW·h),棄風(fēng)懲罰成本為160元/(MW·h)。求解各風(fēng)電場出力相對于負(fù)荷的分時段波動率時,選取時間尺度為1 min的風(fēng)電、負(fù)荷預(yù)測功率序列。
表1 火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of thermal power units
3.2 算例結(jié)果及分析
3.2.1 風(fēng)電場平衡成本分?jǐn)偨Y(jié)果
根據(jù)本文所提風(fēng)電場平衡成本分?jǐn)偡椒?計算出某典型日的總平衡成本為10 822.4元,其中9個風(fēng)電場的分?jǐn)偝杀救绫?所示。
表2 風(fēng)電平衡成本分?jǐn)俆able 2 Balance cost allocation of wind power
表2反映了9個風(fēng)電場的分?jǐn)傁禂?shù)及各自的分?jǐn)偝杀尽Ｓ杀?可知,W1的單位平衡成本為中等水平,但由于其容量遠(yuǎn)大于其他風(fēng)電,對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最大,因此分?jǐn)偟降钠胶獬杀咀疃?W3并網(wǎng)下單位容量引起的平衡成本最小,且其容量也較小,因此分?jǐn)傁禂?shù)最小,分?jǐn)偟降钠胶獬杀咀钌?W8雖然容量最小,但由于其波動特性對系統(tǒng)安全運(yùn)行影響較大,所以其分?jǐn)偟钠胶獬杀颈容^大。
3.2.2 風(fēng)電的空間分布對平衡成本分?jǐn)偟挠绊懛治?/p>
為分析風(fēng)電的空間分布對平衡成本分?jǐn)偟挠绊?本文將W7、W8的容量相易,同時不改變其出力預(yù)測曲線的波動趨勢,再根據(jù)本文所提風(fēng)電場平衡成本分?jǐn)偡椒ㄖ匦逻M(jìn)行計算,計算得到某典型日的總平衡成本為11 351.70元。各風(fēng)電場的分?jǐn)偝杀救绫?所示。
表3 W6、W7容量相易后風(fēng)電平衡成本分?jǐn)俆able 3 Balance cost allocation of wind power after capacity conversion of W6 and W7
在W7和W8容量相易,出力預(yù)測曲線波動趨勢不變的情況下,系統(tǒng)的總平衡成本是略微有所增加的,對比表2和表3中W7和W8的單位成本系數(shù)可知,系統(tǒng)總平衡成本的增加是由于相對負(fù)荷波動程度更大的W8的容量增大引起的。對比表2和表3中W7和W8的分?jǐn)偝杀究芍?在機(jī)組容量變化、出力預(yù)測曲線波動趨勢不變的情況下,各機(jī)組的并網(wǎng)容量發(fā)生改變會影響其分?jǐn)偟降钠胶獬杀尽Ρ缺?中容量相同的W3和W8機(jī)組可知,在容量相同的情況下,風(fēng)電場的單位成本系數(shù)更高,則其分?jǐn)偟降钠胶獬杀靖?。這說明風(fēng)電場相對負(fù)荷波動程度的大小會影響到平衡成本的分?jǐn)偂?/p>
由以上結(jié)果分析,風(fēng)電場在系統(tǒng)中所處的空間位置將會影響其并網(wǎng)產(chǎn)生的平衡成本,這是由于風(fēng)電場所處的地理位置不同,其風(fēng)力資源也不同,進(jìn)而導(dǎo)致其風(fēng)電的出力特性不同。同時,在同一地理位置,若風(fēng)電場的容量增大,則其對系統(tǒng)的影響也將增大。本文所提風(fēng)電平衡成本的空間分布分?jǐn)偡椒ㄔ谶M(jìn)行系統(tǒng)總平衡成本分?jǐn)倳r,同時考慮了風(fēng)電場容量及其相對負(fù)荷波動程度對系統(tǒng)總平衡成本分?jǐn)偟挠绊憽?/p>
3.2.3 風(fēng)電波動程度對分時段平衡成本的影響分析
為分析風(fēng)電出力波動程度對分時段平衡成本的影響,本文選取表2中容量相近且分?jǐn)偝杀净鞠嗤娘L(fēng)電場W6、W7進(jìn)行分析。圖5為W6、W7的凈負(fù)荷曲線以及其分時段平衡成本。通過對比分析不同風(fēng)電波動程度下風(fēng)電分時段平衡成本的差異和變化來確定其影響關(guān)系。
圖5 W6、W7凈負(fù)荷曲線及分時段平衡成本對比Fig.5 Comparison of net load curves and time-segment balance costs of W6 and W7
結(jié)合圖5可知,各時段的平衡成本大小與風(fēng)電場的凈負(fù)荷曲線的波動程度呈正相關(guān),風(fēng)電場凈負(fù)荷曲線的波動程度體現(xiàn)了風(fēng)電場追蹤負(fù)荷的能力。在凈負(fù)荷曲線波動較劇烈的時候,表明風(fēng)電追蹤負(fù)荷的能力較差,該時段的平衡成本就較高,如圖5中17:00—20:00所示。反之,凈負(fù)荷曲線波動較平穩(wěn)的時候,表明風(fēng)電追蹤負(fù)荷的能力較好,該時段的平衡成本較低,如圖5中08:00—16:00所示。在圖5中,W6、W7的凈負(fù)荷曲線整體趨勢大體相近,但各個時段內(nèi)的波動率存在差別,這也導(dǎo)致了兩者在各個時段內(nèi)的分時段平衡成本有所差異。本文所提的分時段相對波動率為風(fēng)電總平衡成本進(jìn)行逐時段分?jǐn)偺峁┝肆炕罁?jù)。
4 結(jié) 論
為解決新能源現(xiàn)貨市場的定價問題,針對風(fēng)電接入電網(wǎng)后其固有的波動性給常規(guī)機(jī)組帶來的額外調(diào)節(jié)成本,本文結(jié)合日前優(yōu)化調(diào)度模型,研究了一種基于風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率特性分析的風(fēng)電分時段平衡成本計算方法。提出了定量描述風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列時序演進(jìn)特征的指標(biāo)即相對波動率,并基于相對波動率獲取局部波動影響因子對風(fēng)電調(diào)度周期總平衡成本進(jìn)行了逐時段分?jǐn)?通過算例仿真驗(yàn)證了模型的有效性,得到不同風(fēng)電并網(wǎng)容量、不同風(fēng)電波動程度下的分時段平衡成本計算結(jié)果。從算例結(jié)果可以看出,風(fēng)電并網(wǎng)容量越大,其對系統(tǒng)平衡成本產(chǎn)生的影響也就越大;風(fēng)電在某時段內(nèi)相對于負(fù)荷波動越劇烈,則在該時段對應(yīng)的平衡成本也越高。且風(fēng)電的平衡成本是一個動態(tài)值,會隨著風(fēng)電功率、負(fù)荷需求的實(shí)時波動及系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的改變而持續(xù)變化。本文所提的風(fēng)電分時段平衡成本計算方法,一是對風(fēng)電場在某地理位置的容量規(guī)劃有一定的指導(dǎo)意義;二是對后續(xù)建立健全現(xiàn)貨市場風(fēng)電交易機(jī)制和價格激勵方式具有一定的實(shí)際價值,亦可為風(fēng)電消納的輔助服務(wù)市場價值研究提供理論分析基礎(chǔ)。
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何義瓊,李鑫,賈海清,劉長璽,劉茹,谷旭東,雷霞
(1.內(nèi)蒙古東部電力交易中心有限公司,呼和浩特市 010000;2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,成都市 610039)
0 引 言
“十三五”以來,全國風(fēng)電發(fā)展迅速,棄風(fēng)限電情況逐年改善明顯。2021年全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量4 757 kW,同比增長16.6%;風(fēng)電年發(fā)電量6 526億kW·h,占全部電源總發(fā)電量的7.8%;年棄風(fēng)電量208.8億kW·h,棄風(fēng)率下降至3.1%?！笆奈濉笔请娏Φ吞嫁D(zhuǎn)型的關(guān)鍵期,大力發(fā)展風(fēng)電依舊是主旋律,現(xiàn)階段更為積極的目標(biāo)應(yīng)是在提升風(fēng)電消納能力的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善電力交易機(jī)制和價格激勵方式,促進(jìn)風(fēng)電和電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。目前,我國現(xiàn)貨市場建設(shè)如火如荼,其通過短時間尺度的快速交易及與中長期市場的配合,可進(jìn)一步緩解風(fēng)電波動對電網(wǎng)運(yùn)行的影響并減少棄風(fēng),這也對挖掘短時間尺度的風(fēng)電成本提出了更高要求。此外,風(fēng)電仍以平準(zhǔn)化度電成本為基準(zhǔn)報價,其并網(wǎng)產(chǎn)生的成本在市場交易中未量化體現(xiàn),這不利于系統(tǒng)對風(fēng)電的接納。只有全面厘清與現(xiàn)貨交易時間尺度一致的風(fēng)電分時段真實(shí)成本,才能保證新能源現(xiàn)貨市場交易的公平性,并促進(jìn)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)度方案的制定。
風(fēng)電作為清潔能源對于節(jié)能減排具有正向價值,但風(fēng)力發(fā)電易受環(huán)境和自然資源影響,具有波動性和不確定性,因此,風(fēng)電并網(wǎng)后需要常規(guī)機(jī)組或儲能的啟停、調(diào)節(jié)、預(yù)留備用等一系列操作來確保電力系統(tǒng)的實(shí)時有功平衡[3],由此帶來的系統(tǒng)額外運(yùn)行成本即為“平衡成本”[4]。針對風(fēng)電平衡成本計算方法與定性分析的問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[5]對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的美國德州電力市場進(jìn)行了研究,指出在該市場環(huán)境下,風(fēng)電并網(wǎng)會對市場其他參與者產(chǎn)生影響,評估風(fēng)電價值不能忽視風(fēng)電與其他電源之間的影響關(guān)系;文獻(xiàn)[6]研究了英國風(fēng)力發(fā)電對系統(tǒng)平衡成本的影響,結(jié)果表明風(fēng)電并網(wǎng)容量增大時,系統(tǒng)平衡成本顯著增加;文獻(xiàn)[7]研究了風(fēng)電并網(wǎng)時平衡成本的量化方法,基于線性回歸和隨機(jī)規(guī)劃的方法對不同風(fēng)電滲透率下的平衡成本進(jìn)行了計算;文獻(xiàn)[8]結(jié)合電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度分析了風(fēng)電波動對電網(wǎng)運(yùn)行的影響,提出應(yīng)構(gòu)造無風(fēng)電平衡成本的等效場景,使風(fēng)電能源價值從平衡成本中剝離,在等效時將風(fēng)電出力處理為恒值出力;文獻(xiàn)[9]研究了定量分析風(fēng)電平衡成本的計算思路,并分季節(jié)對不同風(fēng)電接納量系統(tǒng)的平衡成本進(jìn)行了測算分析;文獻(xiàn)[10]基于波形相似理論度量風(fēng)電場實(shí)際出力曲線和等效出力曲線的波動整體性差異,兼顧風(fēng)電場裝機(jī)容量的影響,確定各風(fēng)電場因未能有效跟蹤負(fù)荷波動而承擔(dān)的風(fēng)電波動成本份額;文獻(xiàn)[11]研究了基于平衡成本的調(diào)峰補(bǔ)償成本測算方法,并在其基礎(chǔ)上提出了風(fēng)電分段調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制,結(jié)果表明棄風(fēng)段的風(fēng)電因平衡成本過高而交易價值較低。以上研究工作主要針對風(fēng)電在較長時間段或調(diào)度周期內(nèi)總的平衡成本進(jìn)行定量和定性分析,難以滿足現(xiàn)貨市場短時間尺度交易的需要,因此,有必要對風(fēng)電功率短時間尺度的波動特性及其量化評估方法進(jìn)行研究。
目前已有很多針對風(fēng)電波動特性方面的研究。文獻(xiàn)[12]提出一種考慮最優(yōu)核函數(shù)帶寬選擇的改進(jìn)型非參數(shù)核密度估計法,建立了風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)分布模型,從不同時間尺度分析了不同區(qū)域間的風(fēng)電出力概率特性差異;文獻(xiàn)[13]提出了一種基于混合尺度參數(shù)和位置參數(shù)的t分布模型對風(fēng)電功率波動變化率進(jìn)行擬合,該方法基于統(tǒng)計原理,在對風(fēng)電功率波動的研究過程中消除了時序特征;文獻(xiàn)[14]研究了在不同裝機(jī)容量和不同差分尺度下的風(fēng)電功率波動特性,結(jié)果表明風(fēng)電功率波動在時間尺度分布上具有趨勢性;文獻(xiàn)[15]研究了風(fēng)電功率波動在不同時間、空間尺度上的分布特性,研究結(jié)果表明,隨著風(fēng)電場群空間分布廣度的增大會使得風(fēng)電功率的波動出現(xiàn)平緩效應(yīng),但并未對波動進(jìn)行定量的刻畫;文獻(xiàn)[16]研究了不同時間分辨率下各時段風(fēng)電功率波動的統(tǒng)計特性,實(shí)現(xiàn)了具有時序特征的風(fēng)電功率波動特性的定量分析;文獻(xiàn)[17]提出了分析風(fēng)電功率時間序列波動性與預(yù)測誤差關(guān)系的方法,對風(fēng)電功率波動的時序特征進(jìn)行了較為準(zhǔn)確地描述。上述關(guān)于風(fēng)電功率波動性的研究,對其功率時間序列的演進(jìn)變換特征進(jìn)行定量刻畫的方法主要運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)模型,對數(shù)據(jù)要求過高,從而降低了在風(fēng)電波動成本分?jǐn)傊袘?yīng)用的實(shí)用性。
針對上述問題,本文從對風(fēng)電功率波動特性的分析出發(fā),提出一種考慮風(fēng)電時空特性和相對波動率的平衡成本分?jǐn)偡椒āＪ紫?構(gòu)造“等電量-順負(fù)荷”場景,考慮風(fēng)電每日的出力特性,對一天的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,對比預(yù)測場景和等效場景優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)總運(yùn)行成本計算得到調(diào)度周期內(nèi)總的風(fēng)電平衡成本[9-10];其次,兼顧風(fēng)電場的空間分布和容量對平衡成本分?jǐn)偟挠绊?提出風(fēng)電平衡成本的空間分布分?jǐn)偡椒?。隨后,提出一種用于刻畫風(fēng)電功率波動時序特性的指標(biāo)即分時段三角系數(shù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步定義用于量化風(fēng)電功率分時段波動的分時段波動率,以及反映風(fēng)電相對負(fù)荷波動程度的指標(biāo)即分時段相對波動率;最后,以各時段相對波動率指標(biāo)為依據(jù)對風(fēng)電平衡成本進(jìn)行逐時段的分?jǐn)?即得到風(fēng)電分時波動成本。最后以某地區(qū)含高比例風(fēng)電接入的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析,驗(yàn)證所提方法的有效性。
1 風(fēng)電相對波動性及平衡成本分析
波動性是一種描述物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)概念,強(qiáng)調(diào)的是物質(zhì)的時變特性,只要事物處于持續(xù)變化的狀態(tài),就一定存在波動。據(jù)此,風(fēng)電的波動性則指風(fēng)電的輸出功率隨時間的持續(xù)變化狀態(tài)。風(fēng)電波動性產(chǎn)生的根本原因在于風(fēng)機(jī)的動力元素——風(fēng)能受天氣和地勢等多種不可抗拒的自然因素影響,且目前風(fēng)電機(jī)組控制功率波動的能力有限,因此波動性是風(fēng)電的固有特性。即使風(fēng)電預(yù)測具有很高的準(zhǔn)確度,甚至不存在預(yù)測誤差,風(fēng)電出力仍然會表現(xiàn)出波動性。
風(fēng)電作為電源,難以像水電、火電等常規(guī)機(jī)組那樣“完美”地跟蹤負(fù)荷,而且其呈現(xiàn)的波動性及反調(diào)峰特性使得風(fēng)電出力與負(fù)荷的變化趨勢難以同步[18-20],因此從調(diào)度資源來看,風(fēng)電既具有電源特性也具有負(fù)荷特性[21]。本文將風(fēng)電與負(fù)荷的持續(xù)相對運(yùn)動形式定義為風(fēng)電相對波動性,將其認(rèn)為是風(fēng)電出力中的電源異質(zhì)性,呈現(xiàn)的是風(fēng)電的負(fù)荷同質(zhì)性,是平衡成本產(chǎn)生的根源。
隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的逐步增大,風(fēng)電相對波動性會對系統(tǒng)的運(yùn)行特性造成影響[22-23]。一方面,系統(tǒng)凈負(fù)荷的峰谷差及變化率會因風(fēng)電相對負(fù)荷的波動而改變,此時,常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)自身出力不僅需要實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的實(shí)時匹配,還要平抑因風(fēng)電并網(wǎng)可能導(dǎo)致的更大凈負(fù)荷峰谷差及變化率,這勢必會使得其啟停等調(diào)節(jié)成本大大增加;另一方面,風(fēng)電并網(wǎng)使系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量減少,降低了電網(wǎng)的耐頻能力,需要預(yù)留一定的旋轉(zhuǎn)備用以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,使得系統(tǒng)預(yù)留備用容量的費(fèi)用也進(jìn)一步增加。因此,為了保證系統(tǒng)的供需平衡和安全穩(wěn)定,系統(tǒng)需對各機(jī)組啟停、出力和旋轉(zhuǎn)備用等進(jìn)行調(diào)節(jié),這部分額外的系統(tǒng)響應(yīng)成本即為風(fēng)電的平衡成本。
2 風(fēng)電分時段平衡成本計算
風(fēng)電平衡成本的產(chǎn)生源于風(fēng)電的相對波動性,需要由系統(tǒng)調(diào)度常規(guī)機(jī)組來進(jìn)行平抑,因此其量化可利用電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度模型完成。求解風(fēng)電分時段平衡成本的關(guān)鍵在于:1)將常規(guī)機(jī)組平衡風(fēng)電波動的調(diào)度成本與平衡負(fù)荷波動的調(diào)度成本剝離;2)根據(jù)各風(fēng)電場的容量大小及其波動特性對系統(tǒng)平衡成本的影響程度,將剝離出的調(diào)度成本分?jǐn)傊粮黠L(fēng)電場;3)精準(zhǔn)刻畫在各調(diào)度時段風(fēng)電出力相對負(fù)荷波動功率的時序演進(jìn)特征,探尋風(fēng)電平衡成本合理分?jǐn)傊粮鲿r段的依據(jù)和方法。由于構(gòu)成風(fēng)電平衡成本的主體是常規(guī)火電機(jī)組,為平抑風(fēng)電相對負(fù)荷波動而實(shí)施啟停、調(diào)用出力及提供旋轉(zhuǎn)備用而產(chǎn)生的成本,且各調(diào)度時段平衡成本的產(chǎn)生并不孤立,而是存在著必然的耦合因素,因此,計算分時段平衡成本不能簡單地僅基于各時段系統(tǒng)局部優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行求解,而應(yīng)該先求解系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)總的平衡成本,再遵循合理原則對平衡成本進(jìn)行時段分?jǐn)偂?/p>
風(fēng)電分時段平衡成本的計算框架如圖1所示。
圖1 風(fēng)電分時段平衡成本計算框架Fig.1 The proposed calculation method flowchart of time-segment balance cost of wind power
首先對風(fēng)電預(yù)測出力場景進(jìn)行等效,得到零風(fēng)電平衡成本的風(fēng)電等效出力場景,分別計算2種場景下的系統(tǒng)總運(yùn)行成本,二者之差即為調(diào)度周期風(fēng)電總平衡成本;通過分時段三角系數(shù)對風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列的時序演進(jìn)特征進(jìn)行定量提取,基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法在一定時間窗口內(nèi)(本文取15 min)篩選分時段三角系數(shù)的次優(yōu)解,歸一化處理后得到逐時段描述風(fēng)電相對負(fù)荷局部波動程度典型狀態(tài)的分時段相對波動率;以各時段風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率的局部典型狀態(tài)對整個調(diào)度周期風(fēng)電相對負(fù)荷功率的宏觀波動特征的影響(即局部波動影響因子)大小為依據(jù),對調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電總平衡成本逐時段分?jǐn)?即得到15 min時間尺度的風(fēng)電分時段平衡成本。
2.1 調(diào)度周期風(fēng)電總平衡成本計算方法
針對上述思路的關(guān)鍵點(diǎn)1,本文利用文獻(xiàn)[9-10]提出的“等電量-順負(fù)荷”方法構(gòu)造了一個零風(fēng)電平衡成本場景,將風(fēng)電等效為調(diào)度周期內(nèi)輸出功率能夠始終跟蹤負(fù)荷的等效替代電源。基于系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,通過計算風(fēng)電預(yù)測出力場景和風(fēng)電等效出力場景下系統(tǒng)總運(yùn)行成本差異,得到風(fēng)電調(diào)度周期內(nèi)的總平衡成本。
圖2 風(fēng)電等效替代電源構(gòu)造示意Fig.2 Equivalent alternative power supply construction diagram of wind power
風(fēng)電等效替代電源構(gòu)造方法為:
(1)
2.2 計及風(fēng)電的動態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型
本文構(gòu)建的計及風(fēng)電的動態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)是在滿足負(fù)荷及系統(tǒng)安全運(yùn)行約束的前提下同時優(yōu)化火電機(jī)組出力、火電機(jī)組啟停及旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化配置,使調(diào)度周期內(nèi)的系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小。
目標(biāo)函數(shù)為:
minCTOC=min(CG+CSU+CSR+CW)
(2)
式中:CTOC為系統(tǒng)的總運(yùn)行成本;CG、CSU、CSR分別為火電機(jī)組的發(fā)電成本、啟停成本、預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用成本;CW為風(fēng)電運(yùn)維成本。
1)火電機(jī)組發(fā)電成本。
(3)
2)火電機(jī)組啟停成本。
(4)
(5)
3)風(fēng)電的運(yùn)維成本。
(6)
式中:kW為風(fēng)電場的單位運(yùn)維成本;PWj,t為風(fēng)電場j在t時刻的計劃出力;NW為風(fēng)電場數(shù)。
4)火電機(jī)組預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用的成本。
(7)
約束條件包含以下部分:
1)系統(tǒng)有功功率平衡約束。
(8)
式中:PL,t為t時刻總的負(fù)荷預(yù)測功率。
2)機(jī)組出力約束。
(9)
(10)
3)火電機(jī)組爬坡約束。
(11)
4)最小啟停時間約束。
(12)
5)旋轉(zhuǎn)備用約束。
(13)
(14)
6)線路有功潮流約束。
本文中潮流約束考慮直流潮流模型,各支路有功潮流通過發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子矩陣Gln計算得到。
(15)
為第l條線路的有功傳輸上限。
將火電機(jī)組發(fā)電成本分段線性化處理后,利用上述混合整數(shù)線性規(guī)劃模型分別得到調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電預(yù)測出力場景下的系統(tǒng)總平衡成本Cpred和風(fēng)電等效出力場景下的系統(tǒng)總平衡成本Cequ,再由式(16)計算可得一個調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電總的平衡成本Ctot。
Ctot=Cpred-Cequ
(16)
2.3 風(fēng)電平衡成本的空間分布分?jǐn)偡椒?/h3>
實(shí)際系統(tǒng)中往往存在多個風(fēng)電場并網(wǎng),如果單獨(dú)計算各自產(chǎn)生的平衡成本,則忽略了風(fēng)電場之間的集群效應(yīng)。本文綜合考慮各風(fēng)電場容量和對系統(tǒng)運(yùn)行的影響大小,將總平衡成本分?jǐn)傊粮黠L(fēng)電場,以解決關(guān)鍵點(diǎn)2。
風(fēng)電平衡成本的空間分?jǐn)偡椒ㄈ缦滤?
1)計算各風(fēng)電場的單一平衡成本。在計算第j個風(fēng)電場的單一平衡成本時,將其余風(fēng)電場預(yù)測出力按前文所述等效處理,保留第j個風(fēng)電場的原預(yù)測出力。計算第j個風(fēng)電場原預(yù)測出力下的調(diào)度成本與風(fēng)電場全部等效出力的調(diào)度成本差值,以該差值作為風(fēng)電場j的單一平衡成本Cj。
2.4 分時段相對波動率
針對關(guān)鍵點(diǎn)3,本文提出基于分時段三角系數(shù)的定量提取風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率時序演進(jìn)特征的指標(biāo)——分時段相對波動率。分時段三角系數(shù)與傳統(tǒng)評估風(fēng)電波動的一階差分形式指標(biāo)[24-25]側(cè)重點(diǎn)各有不同。后者模型簡單易懂且已經(jīng)在衡量各種能量波動的研究中得到廣泛的應(yīng)用,其重點(diǎn)在于描述相鄰時刻波動功率的變化;前者為了與逐時段合理分?jǐn)傦L(fēng)電平衡成本的目標(biāo)相契合,更著重于捕捉風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列在各時段內(nèi)的持續(xù)波動特征。為了與現(xiàn)貨交易時間尺度保持一致性,本文將風(fēng)電相對波動率的時段定為15 min。
圖3為風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列的15 min三角系數(shù)求解示意圖,圖中標(biāo)注了個別功率極值點(diǎn)、非極值點(diǎn)、功率三角形的幅值U及相角θ。通過不同功率三角形的幅值U和相角θ可對該時段風(fēng)電相對負(fù)荷功率的持續(xù)波動狀態(tài)進(jìn)行定量描述。
圖3 功率序列分時三角系數(shù)示意圖Fig.3 Diagram of time-sharing triangle coefficient of power sequence
1)逐小時輸入1 min時間尺度風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列PW-L(1),PW-L(2),…,PW-L(k),…,PW-L(15)。
(17)
(18)
3)忽略功率序列中的非極值點(diǎn),形成新的功率序列P′W-L,序列中相鄰2個數(shù)據(jù)點(diǎn)間連線與垂直和水平方向相交后形成功率三角形,如圖3中陰影部分所示。
4)計算功率序列P′W-L中各功率三角形的幅值和相角,二者共同構(gòu)成分時三角系數(shù)。
在每15 min內(nèi)的風(fēng)電相對負(fù)荷功率序列中,如果某時段的風(fēng)電相對負(fù)荷波動劇烈,則該段時間的波動功率序列變化過程應(yīng)呈現(xiàn)變化時間快、波動幅度大的特征,即該時段的三角系數(shù)應(yīng)同時滿足幅值最大和相角最大2個條件。但上述2個條件難以同時滿足,如圖3所示,功率三角形1具有最大相角θ1,而功率三角形2具有最大幅值U2,在該時間段內(nèi),最大相角和最大幅值并未同時出現(xiàn),故采用灰色關(guān)聯(lián)分析法這一多屬性決策方法以尋求此15 min內(nèi)幅值和相角的次優(yōu)解。
灰色關(guān)聯(lián)決策提供了一種衡量不同因素間關(guān)聯(lián)程度大小的重要量化處理方法,該方法能夠找出理想最優(yōu)方案對應(yīng)的效果評價向量,由決策問題中各個方案的效果評價向量與最優(yōu)方案效果評價向量之間的灰色關(guān)聯(lián)度大小確定問題的最優(yōu)解決方案和優(yōu)劣排序[26-28]。通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法可挖掘代表風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列各時段波動程度典型狀態(tài)的分時段三角系數(shù),具體步驟如下:
1)根據(jù)事件集A={a1,a2,···,an}和對策集B={b1,b2,···,bm}構(gòu)造局勢集S={sij=(ai,bj)|ai∈A,bj∈B}。本文中以各時段風(fēng)電相對負(fù)荷的持續(xù)波動狀態(tài)為事件集A={a1,a2,···,a12},分時段三角系數(shù)的幅值和相角作為對策集B={U,θ}。
2)確定決策目標(biāo)k,k=1,2,···,s。
(19)
(20)
依據(jù)式(20)提取的各調(diào)度時段風(fēng)電相對負(fù)荷局部波動程度特征量(即分時段相對波動率),對完整調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電相對負(fù)荷宏觀波動狀態(tài)的影響(即局部波動影響因子)大小,將調(diào)度周期內(nèi)各風(fēng)電場分?jǐn)偟钠胶獬杀局饡r段進(jìn)行分?jǐn)?即得到風(fēng)電分時段平衡成本。
(21)
(22)
式中:Cj,t為風(fēng)電場j在t時刻的風(fēng)電分時段平衡成本;φj,t為風(fēng)電場j在t時刻相對波動率的局部波動影響因子。
3 算例分析
3.1 算例參數(shù)概述
本文采用某地區(qū)32節(jié)點(diǎn)含高比例風(fēng)電接入的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為計算調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電分時平衡成本進(jìn)行仿真分析,系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,調(diào)度時間尺度設(shè)置為15 min。
圖4 某地區(qū)32節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.4 32-node grid structure in a certain area
該系統(tǒng)包含4臺火電機(jī)組,參數(shù)見表1,9個風(fēng)電場,風(fēng)電出力和負(fù)荷功率數(shù)據(jù)采用該地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)。其中火電裝機(jī)容量為2 000 MW,占比28.6%;風(fēng)電裝機(jī)容量為5 000 MW,新能源發(fā)電占比71.4%?；痣姍C(jī)組旋轉(zhuǎn)備用成本為120元/(MW·h),棄風(fēng)懲罰成本為160元/(MW·h)。求解各風(fēng)電場出力相對于負(fù)荷的分時段波動率時,選取時間尺度為1 min的風(fēng)電、負(fù)荷預(yù)測功率序列。
表1 火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of thermal power units
3.2 算例結(jié)果及分析
3.2.1 風(fēng)電場平衡成本分?jǐn)偨Y(jié)果
根據(jù)本文所提風(fēng)電場平衡成本分?jǐn)偡椒?計算出某典型日的總平衡成本為10 822.4元,其中9個風(fēng)電場的分?jǐn)偝杀救绫?所示。
表2 風(fēng)電平衡成本分?jǐn)俆able 2 Balance cost allocation of wind power
表2反映了9個風(fēng)電場的分?jǐn)傁禂?shù)及各自的分?jǐn)偝杀尽Ｓ杀?可知,W1的單位平衡成本為中等水平,但由于其容量遠(yuǎn)大于其他風(fēng)電,對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最大,因此分?jǐn)偟降钠胶獬杀咀疃?W3并網(wǎng)下單位容量引起的平衡成本最小,且其容量也較小,因此分?jǐn)傁禂?shù)最小,分?jǐn)偟降钠胶獬杀咀钌?W8雖然容量最小,但由于其波動特性對系統(tǒng)安全運(yùn)行影響較大,所以其分?jǐn)偟钠胶獬杀颈容^大。
3.2.2 風(fēng)電的空間分布對平衡成本分?jǐn)偟挠绊懛治?/p>
為分析風(fēng)電的空間分布對平衡成本分?jǐn)偟挠绊?本文將W7、W8的容量相易,同時不改變其出力預(yù)測曲線的波動趨勢,再根據(jù)本文所提風(fēng)電場平衡成本分?jǐn)偡椒ㄖ匦逻M(jìn)行計算,計算得到某典型日的總平衡成本為11 351.70元。各風(fēng)電場的分?jǐn)偝杀救绫?所示。
表3 W6、W7容量相易后風(fēng)電平衡成本分?jǐn)俆able 3 Balance cost allocation of wind power after capacity conversion of W6 and W7
在W7和W8容量相易,出力預(yù)測曲線波動趨勢不變的情況下,系統(tǒng)的總平衡成本是略微有所增加的,對比表2和表3中W7和W8的單位成本系數(shù)可知,系統(tǒng)總平衡成本的增加是由于相對負(fù)荷波動程度更大的W8的容量增大引起的。對比表2和表3中W7和W8的分?jǐn)偝杀究芍?在機(jī)組容量變化、出力預(yù)測曲線波動趨勢不變的情況下,各機(jī)組的并網(wǎng)容量發(fā)生改變會影響其分?jǐn)偟降钠胶獬杀尽Ρ缺?中容量相同的W3和W8機(jī)組可知,在容量相同的情況下,風(fēng)電場的單位成本系數(shù)更高,則其分?jǐn)偟降钠胶獬杀靖?。這說明風(fēng)電場相對負(fù)荷波動程度的大小會影響到平衡成本的分?jǐn)偂?/p>
由以上結(jié)果分析,風(fēng)電場在系統(tǒng)中所處的空間位置將會影響其并網(wǎng)產(chǎn)生的平衡成本,這是由于風(fēng)電場所處的地理位置不同,其風(fēng)力資源也不同,進(jìn)而導(dǎo)致其風(fēng)電的出力特性不同。同時,在同一地理位置,若風(fēng)電場的容量增大,則其對系統(tǒng)的影響也將增大。本文所提風(fēng)電平衡成本的空間分布分?jǐn)偡椒ㄔ谶M(jìn)行系統(tǒng)總平衡成本分?jǐn)倳r,同時考慮了風(fēng)電場容量及其相對負(fù)荷波動程度對系統(tǒng)總平衡成本分?jǐn)偟挠绊憽?/p>
3.2.3 風(fēng)電波動程度對分時段平衡成本的影響分析
為分析風(fēng)電出力波動程度對分時段平衡成本的影響,本文選取表2中容量相近且分?jǐn)偝杀净鞠嗤娘L(fēng)電場W6、W7進(jìn)行分析。圖5為W6、W7的凈負(fù)荷曲線以及其分時段平衡成本。通過對比分析不同風(fēng)電波動程度下風(fēng)電分時段平衡成本的差異和變化來確定其影響關(guān)系。
圖5 W6、W7凈負(fù)荷曲線及分時段平衡成本對比Fig.5 Comparison of net load curves and time-segment balance costs of W6 and W7
結(jié)合圖5可知,各時段的平衡成本大小與風(fēng)電場的凈負(fù)荷曲線的波動程度呈正相關(guān),風(fēng)電場凈負(fù)荷曲線的波動程度體現(xiàn)了風(fēng)電場追蹤負(fù)荷的能力。在凈負(fù)荷曲線波動較劇烈的時候,表明風(fēng)電追蹤負(fù)荷的能力較差,該時段的平衡成本就較高,如圖5中17:00—20:00所示。反之,凈負(fù)荷曲線波動較平穩(wěn)的時候,表明風(fēng)電追蹤負(fù)荷的能力較好,該時段的平衡成本較低,如圖5中08:00—16:00所示。在圖5中,W6、W7的凈負(fù)荷曲線整體趨勢大體相近,但各個時段內(nèi)的波動率存在差別,這也導(dǎo)致了兩者在各個時段內(nèi)的分時段平衡成本有所差異。本文所提的分時段相對波動率為風(fēng)電總平衡成本進(jìn)行逐時段分?jǐn)偺峁┝肆炕罁?jù)。
4 結(jié) 論
為解決新能源現(xiàn)貨市場的定價問題,針對風(fēng)電接入電網(wǎng)后其固有的波動性給常規(guī)機(jī)組帶來的額外調(diào)節(jié)成本,本文結(jié)合日前優(yōu)化調(diào)度模型,研究了一種基于風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率特性分析的風(fēng)電分時段平衡成本計算方法。提出了定量描述風(fēng)電相對負(fù)荷波動功率序列時序演進(jìn)特征的指標(biāo)即相對波動率,并基于相對波動率獲取局部波動影響因子對風(fēng)電調(diào)度周期總平衡成本進(jìn)行了逐時段分?jǐn)?通過算例仿真驗(yàn)證了模型的有效性,得到不同風(fēng)電并網(wǎng)容量、不同風(fēng)電波動程度下的分時段平衡成本計算結(jié)果。從算例結(jié)果可以看出,風(fēng)電并網(wǎng)容量越大,其對系統(tǒng)平衡成本產(chǎn)生的影響也就越大;風(fēng)電在某時段內(nèi)相對于負(fù)荷波動越劇烈,則在該時段對應(yīng)的平衡成本也越高。且風(fēng)電的平衡成本是一個動態(tài)值,會隨著風(fēng)電功率、負(fù)荷需求的實(shí)時波動及系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的改變而持續(xù)變化。本文所提的風(fēng)電分時段平衡成本計算方法,一是對風(fēng)電場在某地理位置的容量規(guī)劃有一定的指導(dǎo)意義;二是對后續(xù)建立健全現(xiàn)貨市場風(fēng)電交易機(jī)制和價格激勵方式具有一定的實(shí)際價值,亦可為風(fēng)電消納的輔助服務(wù)市場價值研究提供理論分析基礎(chǔ)。
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