含高滲透率新能源發電的經濟調度策略研究

夏天宇，趙會亮，李 辰

（青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

火力發電消耗大量化石能源，排放大量粉塵、廢氣，造成空氣污染，節能減排，刻不容緩［1-2］。近幾年國內新能源發電并網容量不斷增加，新能源有別于傳統水力、火力發電形式，出力具有一定的隨機性和間歇性，當新能源在電網中滲透率達到一定程度時，就會影響系統電能質量，嚴重時甚至會威脅電網安全穩定運行，這對現有電網調度模式提出重大挑戰［3］。常規系統現有調度周期一般為 15 min，每15 min對電網進行一次優化，調整機組出力至最優運行點。在調度周期內，由AGC機組跟蹤負荷波動，AGC機組按照5 s更新一次的區域控制偏差（ACE）進行調節［4］，由于AGC機組費用較高，系統中一般不會安排較多AGC機組容量，這使得AGC機組調節壓力較大，特別在負荷高峰期，時常造成AGC機組調節容量不足的危急情況［5］。常規調度策略粗獷的認為在15 min內機組始終運行在經濟最優點上，其實由于機組一次調頻和AGC機組的調節，已經使得機組偏離最優運行點運行，只不過在主要以常規能源發電為主的電網中，這種偏差不明顯，但隨著新能源發電在系統中比例逐漸提高，情況明顯不同。

為了應對新能源并網帶來的機組偏離最優化運行點的問題，首先進行調度周期內偏離程度分析，然后細化調度時間級，動態確定調度周期，消納新能源的波動性，提高系統運行經濟性。最后給出算例分析，證明所提方法的可行性。

1 機組運行優化點偏離分析

電力系統一次調頻是針對周期為幾秒的小波動而調節的，一次調頻是有差調節，在互聯電網中會產生頻率和聯絡線功率偏差；二次調頻周期為0.5 min，定為發電調控級，可使頻率和ACE返回目標值，實現無差調節；一、二次調頻使機組偏離經濟運行點，這就需要經濟調度進行優化。圖1給出現行調度控制時間級示意圖，從圖中可以看出一個調度級包括30個發電調控級，一、二次調頻和經濟調度無論在時間上還是在功能上都可以實現互補，共同維持電力系統頻率穩定。

假設在上一調度級末、本調度級初，系統內發電機群體運行于最優點。由于負荷預測的誤差和新能源發電出力波動，在本調度級15 min內，機組難免要進行一、二次調頻，從而各機組輸出功率中既有經濟調度結果也有一、二次調頻分量，此時發電機組處于非優化點運行，這極有可能使經濟調度的目標落空［6］。下面在一個調度級（包含30個發電調控級）內給出數學描述。

圖1 現行調度控制時間級示意圖

第1個調控級第i臺機組的發電功率

第2個發電調控級第i臺機組的發電功率

第h個發電調控級第i臺機組的發電功率

由式（3）可以看出，在任何發電調控級、任何發電機組的發電功率可以看作由兩個部分構成，一部分是初始優化功率分量P°i，另一部分是一、二次調頻

第h個發電調控級發電機組群體總發電功率可用式（4）計算

雖然經過30個發電調控級，各機組運行在非優化運行點上，但非優化運行點與優化運行點處機組群體的總發電功率是相同的，如果將運行在非優化點機組進行優化分配，將得到相同發電水平的優化運行點。設區域電網投運的火電機組有m臺，以火電機組群體的煤耗為目標函數。第i臺機組的綜合煤耗函數可近似用二次函數表述為

第h個發電調控級火電機組群體非優化工作點的目標函數為

式中：犖hi＝P－P，它是第 h 個發電調控級第 i臺機組非優化功率 Ph^i與優化功率 P的差距；2aiP＋bi＝λi，λi為優化點第i臺機組的綜合費用微增率；根據最優潮流與經典經濟調度的相通性［7］，不論用何種方法尋優，在相同約束邊界范圍內，優化結果都是符合等微增率原則的，因此優化點各個機組的綜合費用微增率都相等。即

相同發電功率的優化運行點的目標函數

考慮到：

式（9）減去式（10），可以得出

由此，第h個發電調控級非優化運行點與優化運行點在目標函數上的差距可以寫成

由式（12）可知，在第h發電調控級，非優化點與優化點之間，發電機組群體煤耗綜合費用差距關系式的幾何性狀是多維超拋物面。如圖2所示，以m=2為例，其三維形狀象一個碗，碗底中心高度最小，是極值點，即機組優化運行點的費用。極值點周邊有一個圓形平坦區域，其中各處高度與極值點非常接近。

圖2 非優化點與優化點差距示意圖（ai較大時）

圖3 非優化點與優化點差距示意圖（ai較小時）

當ai較小時，如圖3所示，拋物面形狀變得像一個盤子，極值點周邊的圓形平坦區域變得明顯寬闊，即在極值點附近很大鄰域內非優化點與優化點處機組費用差距不大。

將3維空間得到的拋物面極值點鄰域的重要性質推展到m+1維空間，可以作出如下結論：當各發電機組的系數ai數值很小時，多維超拋物面極值點周邊存在一個與目標函數極值點差距很小而范圍十分寬闊的區域。將差距函數求導

即隨著|犖hi|的增加，非優化點與優化點的差距Φ將加速增加，使經濟性能加速下降。 故本文將經濟調度周期分為三段，每段時間為5 min，如果在任何一段負荷或新能源發電出力發生大容量擾動，過大（本文取發電機容量的2%），此時各機組運行點偏離優化點較大，這時應發送優化調度指令，重新對機組進行優化分配，使機組重新運行在優化點上。如果在整個經濟調度周期直很小，但由這種小偏差所造成的與優化點費用之間的差距經過長時間的積累也是相當可觀的，此時應無條件地發送優化調度指令使機組調整至優化運行點。 利用這種策略，系統就能根據負荷或新能源發電出力的波動情況靈活地發送經濟調度指令，使系統具有更優良的經濟性能。

2 算例分析

本文所研究的系統有7種類型發電機組，分別記為A至G機組，各類發電機組總和為39臺，每臺發電機組參數包括：機組數量，AGC機組數量，機組出力上、下限（MW），能耗費用函數的參數Power_a、Power_b、Power_c（元/MW），具體參數列于表 1中；頻率、ACE，主要線路參數、新能源發電量等數據（每5 s更新一次）取自某省電網。

跟蹤 2012 年 10 月 15 日 17∶00—22∶00 時段，常規調度模式應進行20次經濟調度，本文方法進行29次經濟調度，多出的9次經濟調度主要是負荷或新能源發電出力波動較大的20∶25—21∶55負荷高峰時段。由于這9次經濟調度使偏離最優經濟運行點的機組回歸優化點，從而釋放出AGC機組容量，使機組調頻備用充足，從而獲得更好的頻率、ACE、CPS（控制性能標準）等指標。

表1 各發電機組煤耗參數

圖4 頻率對比

圖5 ACE分布對比

圖6 CPS1指標對比

圖4～圖6分別從頻率、ACE、CPS1指標等方面對本文方法和常規調度方法的電網控制水平進行比較。從頻率控制方面看，本文方法得到的頻率波動更小，頻率控制更穩定；從區域控制偏差分布的角度來看，本文方法得到的電網區域控制偏差總體小于常規調度方法，其中本文方法所得ACE用頻率分布直方圖方法統計，常規調度方法用核密度估計法統計；從CPS（控制性能標準）指標角度來看，本文方法得到的CPS1指標總體優于常規調度方法，但個別時刻CPS1指標也會劣于常規調度方法，但這種情況還是很少的，處于可以接受范圍內。綜合多方面比較可以看出，應用本文提出的方法，確實提高電網的控制性能水平。

3 結語

深入分析含高滲透率新能源發電的電網經濟調度與一、二次調頻時間跨度大，不能很好適應新能源并網要求的問題，給出非優化運行點與優化運行點差距的形象表述，動態確定經濟調度周期，將現有經濟調度方法由粗獷向精細化邁進一步，從而釋放部分AGC機組調節容量，減輕AGC調節壓力，提高一、二調頻的品質。利用電網真實數據進行分析，從電網頻率、ACE、CPS等方面進行比較，說明方法的可行性。利用所提出動態經濟調度策略應對高滲透律新能源并網帶來的系統波動，只需多付出幾次經濟調度的成本，就可以收獲降低AGC機組的調節負擔，提高系統控制性能，提高系統經濟性等種種好處，利于新能源發電的并網，利于節能減排。

［1］ 夏天宇，柳進.含高滲透率間歇性發電的在線備用調度協調控制［C］.中國高等學校電力系統第 27 屆學術年會，2011，35（1）.

［2］ 陳寧，于繼來.基于電氣剖分信息的風電系統有功調度與控制［J］.中國電機工程學報，2008，28（16）：51-58.

［3］ 柳進，潘毅.攀峰過程中協調優化調度的研究［J］.中國電機工程學報，2006，26（2），36-40.

［4］ 李雪峰，李衛東，劉樂.AGC容量需求研究［J］.電力自動化設備，2009，29（6）：40-47.

［5］ 劉嬈，林偉，李衛東，等.互聯電力系統運行控制性能評價標準的探討［J］.電力系統自動化，2005，29（8）：87-91.

［6］ 劉樂，劉嬈，李衛東.互聯電網中區域調頻責任及其分配方式［J］.電力系統自動化，2008，32（16）：20-23.

［7］ 王憲榮，柳焯.最優潮流與經典經濟調度的相通性［J］.中國電機工程學報，1993，13（3）：8-13.