可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法研究

摘要： 傳統(tǒng)可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法雖然直接對協(xié)調(diào)函數(shù)的平衡約束條件進行了設計，但未對可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)進行計算，導致傳統(tǒng)方法優(yōu)化效果較差。研究提出可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法，建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)，設計協(xié)調(diào)函數(shù)的平衡約束條件，確保電力系統(tǒng)在面臨突發(fā)情況或需求波動時，也能夠穩(wěn)定地運行，同時構建可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型，從而實現(xiàn)可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化。實驗結果表明，該研究方法優(yōu)化效果更好，也更具有實際的應用價值。

關鍵詞：可再生能源；電力系統(tǒng)調(diào)峰；優(yōu)化方法

引言

隨著全球能源結構的轉型與可持續(xù)發(fā)展目標的推進，可再生能源已成為電力系統(tǒng)中不可或缺的部分。由于可再生能源（太陽能、風能等）具有清潔、環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)勢，因此在電力負荷高峰時段，如何有效調(diào)峰確?？稍偕茉措娏ο到y(tǒng)的供需平衡，已成為當前能源領域研究的熱點之一。

當前，我國電力系統(tǒng)調(diào)峰主要依賴傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電，不僅增加了碳排放，也加劇了能源資源的緊張局面[1]。因此，研究可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法，對提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、促進可再生能源的消納、實現(xiàn)能源結構的優(yōu)化升級具有重要意義。

在研究現(xiàn)狀方面，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了一系列相關研究。在理論層面，通過數(shù)學建模、仿真分析等方法，對可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰特性進行深入研究[2]。在應用層面，探索儲能技術、需求側管理等多種調(diào)峰手段的應用潛力[3]。然而，現(xiàn)有研究多集中在單一調(diào)峰手段的研究與應用上，缺乏對多種調(diào)峰手段的綜合優(yōu)化與協(xié)同調(diào)度研究[4]，并且不同地區(qū)、不同能源結構的電力系統(tǒng)調(diào)峰需求與策略也存在較大差異，因此仍需深入研究針對性的具體地區(qū)、具體能源結構的可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法。

本文旨在探討可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法，通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的梳理與分析，結合具體地區(qū)的能源結構與電力負荷特性，提出一種綜合考慮多種調(diào)峰手段的綜合優(yōu)化模型，并針對該模型展開進一步的應用與分析，以期為可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與可持續(xù)發(fā)展提供理論支持與實踐指導。

1建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)

根據(jù)發(fā)電廠所需的能源類型，建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)深度調(diào)整與備用容量成本的最優(yōu)協(xié)調(diào)。由于建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)是一個復雜的過程，涉及到可再生能源的發(fā)電量、電力系統(tǒng)的需求、儲能系統(tǒng)的容量、電網(wǎng)的傳輸能力等多個因素，因此需先構建一個如式（1）所示的成本最小化的目標函數(shù)。

式中 Q—通過優(yōu)化函數(shù)將篩選的總成本降至最小值；qi，t—在時間段t內(nèi)可再生能源電力系統(tǒng)的運營能力；wi，t—初始停機的成本；ei，t—深度調(diào)度的成本；ri，t—備用設備的成本；T—總的最大削峰時間。

電網(wǎng)的傳輸能力決定了可再生能源電力能否有效地輸送到需求地區(qū)。同時，電網(wǎng)的穩(wěn)定性也是保障可再生能源電力系統(tǒng)連續(xù)運行的關鍵。在時間段t內(nèi)可再生能源電力系統(tǒng)的運營能力qi，t計算如式（2）所示。

式中 a、b和c—參數(shù)（主要由特定的操作階段定義）；P—機組在最大調(diào)整期內(nèi)的運行容量。

啟動成本包括從停機狀態(tài)到正常運行狀態(tài)所需的一系列操作費用，如設備預熱、初始電力消耗等。暫停成本則涉及在機組運行過程中，將其暫停或降至低負荷狀態(tài)所引發(fā)的相關費用。這些成本可能包括保持機組在低負荷狀態(tài)的能源消耗、因暫停而減少的發(fā)電量導致的經(jīng)濟損失，以及可能因頻繁啟停而對設備造成的額外磨損和維修費用。啟動和暫停成本的計算如式（3）所示。

式中 d和d1—控制機器啟動和停止的變量（當機器啟動時，d =1；當機器未啟動時，d =0。d1的取值范圍是0～1，d1=0表示機器沒有被暫停，因此不計算暫停成本；d1=1表示機器成功啟動并隨后被暫停，因此應該計算暫停成本[5]）；s— 1次啟動和停止的成本（該成本在機器實際啟動或停止時計算，而不是在開始時預先計算）。

計算深度最大調(diào)整成本如式（4）所示。

式中" "u—1個參數(shù)，頻率是該容量范圍以外的單位（u值為0時，表示v與u1的深度調(diào)整不需要額外的成本。u對應于標稱容量范圍在30%～50%之間的深度調(diào)整所需的額外成本。參數(shù)值規(guī)則與u相對應）。

在可再生能源電力系統(tǒng)的運營過程中，優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)可以幫助決策者制定更加合理和高效的運行策略，并通過協(xié)調(diào)不同能源之間的配合，優(yōu)化能源的分配和使用，從而降低系統(tǒng)的總成本。可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)計算如式（5）所示。

式中" "R—包含備用設備的總運行容量（備用裝置的成本參數(shù)值與運行成本參數(shù)值相對應）。

建立可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)函數(shù)，通過綜合考慮可再生能源的發(fā)電量、電力系統(tǒng)的需求、儲能系統(tǒng)的容量、電網(wǎng)的傳輸能力等因素，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各組件之間的優(yōu)化配合，降低啟動和暫停成本，減少深度調(diào)整成本，并充分利用備用設備的容量，從而提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和運行效率。

2設計協(xié)調(diào)函數(shù)的平衡約束條件

由于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要基于發(fā)電負載的平衡來計算電力的約束需求，因此需根據(jù)電力系統(tǒng)的實時負載情況及可再生能源發(fā)電的預測值，來預測和計算電力需求的最大值[6]，同時根據(jù)對調(diào)節(jié)功能的約束請求來建立相應的限制條件，以確保電力系統(tǒng)在面臨突發(fā)情況或需求波動時能夠穩(wěn)定地運行。

以風力電力系統(tǒng)為例，為確保風能生產(chǎn)的穩(wěn)定和安全，首先，應建立風能生產(chǎn)的緊急條件，計算2種例外情況（突發(fā)情況或異常狀況），包括利用系統(tǒng)獲得限制，以應對風能生產(chǎn)的突發(fā)情況或異常狀況；其次，預壓力與風力變化之間存在反向線性關系，意味著隨著預壓力的增加，風力變化會相應減少，這一特性在設計和優(yōu)化風能發(fā)電系統(tǒng)時需要考慮；最后，在確定系統(tǒng)限值時，必須計算輸出的上下限，有助于了解系統(tǒng)的最大和最小輸出能力，從而確保系統(tǒng)在任何情況下都能穩(wěn)定運行。在確定限值時，可按式（6）計算輸出的上下限。

式中" "Pi，t—預測的風力極限值（Pi，t是一個關鍵參數(shù)，界定風力發(fā)電系統(tǒng)在每個時間段t內(nèi)能夠安全、有效地處理的最大風力強度）。

預測的風力極限值可根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設計參數(shù)及運營經(jīng)驗綜合得出，目的是確保風力發(fā)電系統(tǒng)在任何情況下都能穩(wěn)定、安全地運行，同時避免超出系統(tǒng)的容量極限，從而防止可能的設備損壞或性能下降。通過準確預測和控制這一極限值，可最大化風力發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性，實現(xiàn)可再生能源的高效利用。

通過對限制狀態(tài)的分析，使用IEEE計算軟件來確定風力電力系統(tǒng)機組的裝機功率應為3000MW。根據(jù)機組當前的運行狀況，發(fā)現(xiàn)風力電力系統(tǒng)的最大電量低于機組功率2800MW，風電的傳輸效率在30%～35%之間，而風電系統(tǒng)的容量則低于800MW。因此，在優(yōu)化過程中，需確保計算的準確性，特別是當處理極限情況時。

3構建可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型

為了構建可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰優(yōu)化模型，需要根據(jù)系統(tǒng)的負載狀態(tài)和風力情況，精確控制蓄電池存儲系統(tǒng)的負載狀態(tài)及電力水平。為了降低系統(tǒng)的運行成本，必須合理分配能源生產(chǎn)單元的負擔。在此過程中，將周期設定為24h，并選擇1h作為確定目標函數(shù)的時間間隔。這樣設置，能確保模型實時響應系統(tǒng)的變化，實現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)峰效果。根據(jù)式（7）將日負荷曲線的標準偏差減至最小。

式中" "F1—日負荷曲線的標準差；—t時刻的系統(tǒng)負荷（系統(tǒng)的平均負荷）；—t時刻的風能預測值；—t時刻電池儲能和系統(tǒng)變化能量；—t時刻除風能外的其他能源供應；k—t時刻蓄電池的儲能狀態(tài)。

通過這些參數(shù)，可以構建可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰優(yōu)化模型，以更精確地預測和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，可按照式（8）將優(yōu)化降至最低。

式中" " —發(fā)電機組的優(yōu)化；CtW —風能發(fā)電的優(yōu)化；CtE—電池存儲的優(yōu)化。

這些成本因素，在構建可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰優(yōu)化模型中起著至關重要的作用，如式（9）所示直接影響到系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可行性。

式中" "—t時刻發(fā)電機組的容量；b和ci—發(fā)電機燃料單元的成本；Si—啟動和關閉發(fā)電機組的成本。

按照相關規(guī)定，在火力發(fā)電站的最大篩選期間內(nèi)，除了進行必要的調(diào)節(jié)單元開啟和關閉操作外，不得在任何其他時間開啟或關閉發(fā)電機組。在式（10）的計算中，這部分成本將被忽略。

式中" "l—成本因子；h—放電的成本因子；—第t次放電的容量；—第t時刻的放電容量。

由于目標是找到能量單位生產(chǎn)附近點的最小平方差異，因而構建如式（11）所示的可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化模型。

式中" "λ1、λ2—權重系數(shù)， λ1 +λ2=1。

4實驗論證

為了驗證所設計的可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法解決傳統(tǒng)調(diào)峰協(xié)調(diào)方法產(chǎn)生的問題，將該方式應用于實際案例中，并與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的調(diào)峰效益結果進行對比，實驗如下。

4.1實驗準備

實驗選用A地區(qū)的S電站為對象，在7d內(nèi)其調(diào)峰日負荷平均記錄如圖1所示。

4.2對比實驗

收集歷史氣象數(shù)據(jù)（風速、光照強度等），以模擬可再生能源的發(fā)電情況；收集歷史負荷數(shù)據(jù)和電價數(shù)據(jù)，以模擬電力系統(tǒng)的需求側情況。使用電力系統(tǒng)仿真軟件（PSS/E、ETAP等）來搭建和模擬電力系統(tǒng)；使用編程語言（Python、MATLAB等）來編寫和優(yōu)化調(diào)峰算法。設定傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的參數(shù)及初始條件，在同一時間段內(nèi)，分別使用傳統(tǒng)方法和對比方法模擬電力系統(tǒng)的運行，并分別對3種方法的經(jīng)濟效益進行記錄。實驗結果如表1所示。

根據(jù)表1，可以完成對測試結果的分析與研究，得出“對比方法經(jīng)濟效益最高”的結論，并且與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2相比，電力系統(tǒng)運行費用最低，表明對比方法優(yōu)化效果更好，更具有實際的應用價值。

結語

隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的比重日益增加，如何有效地進行調(diào)峰以應對其固有的間歇性和不確定性，成為電力領域亟需解決的關鍵問題。上文圍繞“可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化方法研究”進行了系統(tǒng)的梳理和分析，旨在提出一套適應具體地區(qū)、具體能源結構的綜合優(yōu)化模型，為可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和實踐指導。

參考文獻

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作者簡介

王書君（1986—），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，工學學士，研究方向為電力生產(chǎn)運行、新能源與煤化工耦合、電氣節(jié)能。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-19