計及風電不確定性的環境經濟調度研究

范振亞,李亮亮,韓宛辰,蔣海龍, 劉偉東

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003;2.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司,長春 130021;3.內蒙古電力(集團)有限責任公司呼和浩特供電局,呼和浩特 010050)

計及風電不確定性的環境經濟調度研究

范振亞1,李亮亮1,韓宛辰2,蔣海龍3, 劉偉東1

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003;2.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司,長春 130021;3.內蒙古電力(集團)有限責任公司呼和浩特供電局,呼和浩特 010050)

針對風電不確定性給電網帶來的有功功率優化分配方面的調度問題,筆者根據機會約束規劃理論,建立了包含經濟目標及污染物排放量目標的環境經濟調度模型。該模型綜合考慮了環境影響及風電不確定性對系統經濟成本的影響,將風電不確定性引起的備用容量懲罰成本及棄風引起的棄風成本引入到經濟目標函數中,通過基于動態交換和密度距離的粒子群算法對模型進行求最優解。算例分析結果表明,該模型下火電機組的出力變化趨勢與負荷的變化趨勢相同,能較好地處理 風電的不確定性問題,很好地控制污染物的排放量。

環境經濟調度;機會約束;風電運行價值;環境成本

目前,風電的不確定性和波動性影響了電力系統的安全穩定運行[1-8],所以含風電場的電力系統優化調度成為當前調度的研究重點。文獻[9-11]將火電機組的排污特性引入環境污染懲罰項,提出了火電機組名義環境補償成本及風電棄風成本;文獻[11-15]研究了風電場電力系統調度的影響因素,建立了火電和風電的運行成本模型,提出風電場備用容量補償成本,并基于Monte-Carlo模擬的方法處理機會約束條件。但上述這些研究都有一定的局限性,沒有全面考慮環境影響及風電不確定性對系統經濟成本的影響。本文基于機會約束規劃建立多目標環境經濟調度模型,在經濟目標函數中考慮了傳統火電機組的運行成本和風電的廣義運行成本的影響,在目標函數中考慮了3種污染物的排放量限制,用基于動態交換和密度距離的多目標粒子群算法群求解非支配集,最后得到最優解。

1 建立含風電場的電力系統環境經濟調度模型

1.1 建立經濟目標函數模型

本文的經濟目標函數包括兩部分,分別為火電機組運行成本和風電機組運行成本。

1) 火電機組需要考慮煤耗成本及啟停費用,故運行成本函數為

(1)

式中:T為日調度總時段數,取24;Nt為火電機組總臺數;uit為第i臺火電機組在t時刻的啟停狀態,uit=1時表示該機組為運行狀態,uit=0時表示該機為停運狀態;ai、bi、ci為第i臺火電機組煤耗量成本系數;PGit為第i臺火電機組在t時刻的輸出功率;Sit為第i臺火電機組t時刻的啟停費用。

2) 風電場的運行成本包括3部分:正常運營成本、旋轉備用容量懲罰成本和棄風成本。

第j個風電場在t時刻的運營成本為

FSjt=KSjtPWSjt

(2)

式中:KSjt為第j個風電場出力在時刻t的運營價格;PWSjt為第j個風電場在時刻t的計劃調度出力。

第j個風電場在t時刻的旋轉備用容量補償成本為

FFjt=KFjt(1-Ejt)PWSjt

(3)

式中:KFjt為第j個風電場在t時刻的備用容量價格;Ejt為第j個風電場預測出力在t時刻的可信度。

第j個風電場在t時刻的棄風成本為

(4)

式中:PWFjt為第j個風電場t時刻的預測出力;

KNjt為第j個風電場t時刻的棄風容量價格。

風電場總運行成本為

(5)

式中Nw為風電場總數。

根據以上分析,經濟目標函數的建立采取機會規劃的形式為

(6)

1.2 建立污染物排放量目標函數模型

常規火電機組運行過程中會產生大量污染環境的氣體,其中主要以碳化物(如CO2)、硫化物(如SO2)、氮化物(如NO1、NO2等)為主[16]。各種污染物的排放量不同,且環保部門對各污染物排放量的要求及處理方法也不同。在此以一定的權重系數考慮污染物的排放量:

(7)

式中:f2為污染物排放量目標函數;aico2、bico2、cico2為第i臺火電機組CO2排放量系數;aiso2、biso2、ciso2為第i臺火電機組SO2排放量系數;qiNOx、biNOx、ciNOx為第i臺火電機組氮化物排放量系數;ei、di、hi為第i臺火電機組CO2、SO2、氮化物排放量的權重系數;α2為置信水平。

1.3 建立約束條件模型

功率平衡約束為

(8)

式中:Plt為系統t時刻的負荷值。

機組出力約束為

PGmini≤PGit≤PGmaxi

(9)

機組爬坡率約束為

-Rdi≤PGit-PGi(t-1)≤Rui

(10)

式中:Rdi、Rui為第i臺機組正、負爬坡率約束值。

正旋轉備用容量約束為

(11)

PGmaxit=min{PGmaxi，PGi(t-1)+Rui}

(12)

負旋轉備用容量約束為

(13)

PGminit=max{PGmini，PGi(t-1)-RWSjt}

(14)

式中:PGmaxi、PGmini為第i臺火電機組的最大、最小出力;PGmaxit、PGminit為第i臺火電機組在t時刻的最大、最小出力;Rui、Rdi為第i臺機組正、負爬坡率約束值;Khup為系統負荷的正波動系數;KWjup、KWjdown為第j個風電的正、負旋轉備用系數;β1、β2為事先給定的置信水平。

機組啟停時間約束為

(15)

2 基于隨機模擬方法的多目標粒子群算法

2.1 基于隨機模擬方法處理約束條件

對于式Pr{gi(x，ξ)≤0；i=1，2，…，p}≥α所示的一般形式的機會約束,可以使用隨機模擬技術來檢驗其是否成立。

具體步驟如下:

1) 設置M=0。

2) 根據隨機向量ξ的概率分布函數,產生隨機變量ξj。

3) 若gi(x，ξj)≤0；i=1，2，…，p;則M=M+1。

4) 把2)和3)重復N次。

5) 若M/N≥α成立,則模擬成功,否則放棄原有抽樣,重新模擬。

2.2 基于隨機模擬方法處理目標函數

具體步驟如下:

1) 根據隨機向量ξ的概率分布函數,產生N個獨立的隨機變量設置ξ1、ξ2…ξN。

2) 將ξ1、ξ2…ξN代入f(x，ξ)，進行計算,得到目標值序列{f1，f2，…fN}。

3) 設置M為βN的整數部分。

2.3 多目標粒子群算法

對于本文多目標優化問題,利用改進的粒子群算法求解。首先應用基于動態交換和密度距離的多目標粒子群算法群求解非支配集,然后在非支配集中尋找最優粒子時,利用文獻[17]提出的模糊滿意度法求出最優粒子,即模型的最優解。

動態交換過程是指利用適應度支配的概念將粒子群分成支配集和非支配集,每次僅更新支配集粒子的速度和位置,將支配集中的優秀粒子和非支配集中的粒子交換,保證非支配集中的粒子靠近Proteto前沿,具體的動態交換的過程參考文獻[18]。

為了避免粒子群算法過早的陷入局部最優,增強算法的尋優能力,選取非支配集中密度距離最大的粒子作為速度更新中的全局最優解,密度距離[18]可以表示為

(16)

在非支配集中尋找最優的粒子作為模型的解,假設非支配集中粒子的數量為n,模型中有兩個目標函數,則可以得到優化問題的目標特征矩陣為

(17)

式中fij為非支配集中的粒子j對應的目標函數i的值。

目標函數特征矩陣做歸一化處理,從而得到矩陣U:

(18)

而

(19)

式中:uij為第j個粒子對應的第i個目標函數的歸一化值,值越大,相應的目標函數值越小,解的性能越好,i=1，2；j=1，2，…，n。

設權系數轉換矩陣為

(20)

非支配集中的粒子的滿意度指標為

D=SU=[D2D2…Dn]

(21)

求解,式(21)最大的粒子即為多目標問題的最優解。

3 算例分析

3.1 風電場和火電機組參數

本文對某區域電網進行算例分析,該區域包括10臺火電機組[19]和3個風電場[8],決策周期取24 h。各時段預測出力可信度取0.85,營運價格為550元/MW,旋轉備用容量懲罰價格為115元/MW。取1號風電場棄風容量價格為500元/MW,取2、3號風電場棄風容量價格為550元/MW。系統在各時段(1h)的負荷值如表1所示。

3.2 算例結果分析

按表1參數進行計算,機會約束置信度都取0.95,可得3個風電場的調度出力,如表2所示。火電機組各時段(1h)調度出力結果如表3所示。

表1 系統在各時段的負荷

從表3可以看出,本文調度模型下火電機組的出力變化趨勢與負荷的變化趨勢相同,證明了該模型的有效性。由于允許風電場棄風及火電機組啟停時間的約束,有效地限制了火電機組的啟停機,減少了機組啟停費用。傳統單目標調度模型與本文多目標調度模型的經濟性及污染物排放量的數據比較如表4所示;不同置信水平下數據的比較如表5所示。

表2 電場在不同時段的調度出力結果

表3 火電機組在不同時段的調度出力結果

表4 不同調度方案的數據比較

從表4可以看出,本文的多目標調度模型中考慮了污染物排放量限制,這使得在滿足系統負荷及約束條件的情況下經濟性有所下降,但污染物的排放量得到很好地控制。

表5 不同置信水平的數據比較

從表5可以看出,隨著置信水平的提高,為了減小風險而達到可信度水平,要不斷增加旋轉備用容量,提升經濟成本。

4 結 論

1) 多目標調度模型能夠很好地控制污染物的排放量,保證了系統經濟性,降低了污染物排放量。

2) 置信水平的高低決定系統可靠性的大小。置信水平越高,可靠性越高,需要的旋轉備用容量越多,有利于現場調度。

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(責任編輯 侯世春)

Research on environmental economic dispatch considering wind power uncertainty

FAN Zhenya1, LI Liangliang1, HAN Wanchen2, JIANG Hailong2, LIU Weidong1

(1. Electrical Engineering College of NCEPU, Baoding 071003, China; 2. China Power Engineering Consulting,Changchun 130021, China; 3. Hohhot Power Supply Bureau of Inner Mongolia Power (Group) Co., LTD., Hohhot 010050, China)

Aiming at the dispatching problems of active power distribution in power grid brought by wind power uncertainty, the author established environmental economic dispatch model considering the economic target and the target of pollution emission amount. The backup capacity penalty cost caused by wind power uncertainty and the wind curtailment cost were brought in the economic target function by the model, considering the impact of environment and wind power uncertainty on system economic cost, which was solved by particle swarm algorithm based on dynamic exchange and density distance to acquire the optimum solution. The example results show that the change trend of thermal power unit output and load are the same. It is proved that the model is able to contorl wind power uncertainty and pollution emission amount.

environmental economic dispatch; chance constrained; operation value of wind generation; environment cost

2015-05-20。

范振亞(1990—),男,在讀研究生,研究方向為新能源的運行與調度。

TM73

A

2095-6843(2015)06-0477-06