大規(guī)模新能源外送容量?jī)?yōu)化分析

高 凡，吳 軍，劉滌塵，羅金山,2，王琪鑫，汪 凱，朱學(xué)棟

(1.武漢大學(xué)，武漢 430072;2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209)

大規(guī)模新能源外送容量?jī)?yōu)化分析

高 凡1，吳 軍1，劉滌塵1，羅金山1,2，王琪鑫1，汪 凱1，朱學(xué)棟1

(1.武漢大學(xué)，武漢 430072;2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209)

大規(guī)模使用新能源有利于解決當(dāng)前面臨的環(huán)境與能源供應(yīng)問題，但新能源外送容量直接影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)效益。為了有效進(jìn)行大規(guī)模新能源外送容量?jī)?yōu)化，介紹了新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型，從功率、電壓和頻率三方面構(gòu)建新能源外送容量?jī)?yōu)化約束條件，并從成本和效益兩方面分析模型的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)體系，采用基于權(quán)重因子和淘汰機(jī)制的布谷鳥搜索算法對(duì)新能源外送容量進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的新能源外送容量。

新能源；能源外送；評(píng)估模型；容量?jī)?yōu)化；布谷鳥搜索算法

0 引言

面對(duì)化石能源日益消耗與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重的局面，如何在保護(hù)自然環(huán)境的基礎(chǔ)上保障能源供應(yīng)安全成為當(dāng)前迫切需要解決的技術(shù)難題。隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用，其相對(duì)于傳統(tǒng)化石能源具有清潔無污染、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，使其成為解決當(dāng)前面臨問題的有效替代能源。但是，新能源相對(duì)于傳統(tǒng)化石能源具有不確定性的特點(diǎn)，其出力受自然因素的影響較大，且我國(guó)的新能源基地與負(fù)荷中心呈現(xiàn)逆向分布。因此如何實(shí)現(xiàn)新能源外送成為新能源大規(guī)模開發(fā)利用迫切需要解決的技術(shù)難題。

考慮到新能源外送容量直接關(guān)系到輸電工程規(guī)劃中各方的利益[1]，因此在新能源外送中應(yīng)該對(duì)外送容量進(jìn)行合理優(yōu)化。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)新能源外送容量?jī)?yōu)化進(jìn)行了廣泛的研究，主要集中在容量?jī)?yōu)化算法和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估2個(gè)方面。文獻(xiàn)[2-3]采用蒙特卡洛方法構(gòu)建容量可信度評(píng)估框架，文獻(xiàn)[4-5]從經(jīng)濟(jì)性角度分別從風(fēng)電優(yōu)先接入和投資組合角度構(gòu)建容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型。但目前的研究都沒有考慮到新能源外送容量對(duì)系統(tǒng)的影響，使得目前研究存在一定的不足之處。鑒于目前研究的不足，從新能源外送容量對(duì)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)性的影響兩方面構(gòu)建新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型，然后對(duì)新能源外送容量進(jìn)行優(yōu)化，并提出新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估流程。

1 新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型

通過對(duì)大規(guī)模新能源外送容量對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行充分研究分析，新能源的波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)的影響較大。為了有效降低其波動(dòng)特性對(duì)系統(tǒng)的影響，通過加入儲(chǔ)能設(shè)備的方式來平抑新能源的波動(dòng)性，從而梳理出新能源大規(guī)模外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型，見圖1。該評(píng)估模型首先從功率波動(dòng)、電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)3個(gè)方面構(gòu)建新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估約束條件，然后從儲(chǔ)能投資成本、節(jié)約成本效益、增加售電收益、節(jié)約能源效益、增加財(cái)政補(bǔ)貼效益和增加環(huán)境效益6個(gè)方面構(gòu)建新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估指標(biāo)體系，從而得到大規(guī)模新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型。

圖1 新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估模型

2 新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估指標(biāo)體系

考慮到新能源的波動(dòng)性，通過加入電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行波動(dòng)性的平抑，加入儲(chǔ)能設(shè)備后增加了新能源外送成本，其中儲(chǔ)能投資成本指其年運(yùn)行成本。

(1)

式中：Ybat為儲(chǔ)能設(shè)備生命周期；Pbat、Cbat、Pcat、Ccat分別為電池和超級(jí)電容器的額定功率和額定容量；nb,p、nb,c、nc,p、nc,c分別為電池和超級(jí)電容器的功率單價(jià)和容量單價(jià)[6-7]；qbat、Ybat分別為電池和超級(jí)電容器的功率單價(jià)和容量單價(jià)；mbat為維護(hù)單價(jià)。

加入儲(chǔ)能設(shè)備后，能夠有效減少火電的發(fā)電量，從而獲得節(jié)約發(fā)電成本效益。

(2)

式中：Pi,c、Pi,0分別為第i種新能源加入儲(chǔ)能設(shè)備前后新能源的外送功率；Ωnew為新能源種類集合；Ph,pro、PLOCE分別為火電與新能源的單位發(fā)電成本[8]。

加入儲(chǔ)能設(shè)備后，能夠在新能源高發(fā)時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能，在低發(fā)時(shí)段通過儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行釋能的方式來提高新能源的利用率，從而能夠增加售電收益。

(3)

式中：μl為輸電線路的線損率，csold為單位售電價(jià)格。

由于采用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)能，能夠提高新能源的利用效率，減少化石能源的消耗量，從而獲得節(jié)約能源效益，如式(4)所示。

(4)

式中：mi、ci分別為單位發(fā)電量第 種能源的消耗量和單位價(jià)格；N為能源的種類，取煤炭和淡水資源。

新能源是一種清潔無污染的能源，通過大量使用能夠有效減少化石能源的燃燒，從而能夠有效減少SO2、NOx、粉塵和CO2的排放量，從而獲得增加環(huán)境效益。

(5)

式中：VSO2j、VNOxj、VTSPj分別為第 種新能源單位發(fā)電量的SO2、NOx和粉塵排放量[9]，cemsj為其對(duì)應(yīng)的單位排放價(jià)格；Vhuoj為第j種新能源發(fā)電量轉(zhuǎn)換為火電發(fā)電時(shí)所產(chǎn)生的CO2排放量；ccarbon為單位CO2排放價(jià)格。

新能源是國(guó)家重點(diǎn)扶植產(chǎn)業(yè)，對(duì)新能源發(fā)電根據(jù)其發(fā)電量給予相應(yīng)的補(bǔ)貼，從而獲得增加財(cái)政補(bǔ)貼效益。

(6)

式中：ct為單位電能的財(cái)政補(bǔ)貼價(jià)格。

為了能夠保障大規(guī)模新能源并入電網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要新能源滿足功率波動(dòng)、電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)在一定的范圍。即

(7)

式中：Δαp(t)、ΔαU(t)、Δαf(t)分別代表t時(shí)刻的功率、電壓和頻率波動(dòng)量，且Δαp(t)、ΔαU(t)和Δαf(t)計(jì)算如式(8)所示。

(8)

3 改進(jìn)布谷鳥算法的新能源外送容量?jī)?yōu)化

布谷鳥搜索算法具有很強(qiáng)的跳躍性，其局部搜索能力不夠強(qiáng)，在搜索后期易出現(xiàn)搜索速度慢、搜索精度不夠高的問題。為了有效提高布谷鳥搜索算法的局部搜索能力，文獻(xiàn)[10]引入淘汰機(jī)制，提出基于淘汰機(jī)制的布谷鳥搜索算法，能夠在搜索后期重新對(duì)鳥巢位置進(jìn)行重新排序，將位置差的鳥巢位置淘汰掉，并在其附近產(chǎn)生等量的新鳥巢，從而實(shí)現(xiàn)鳥巢的更新，加快尋優(yōu)速度。

在新能源外送容量?jī)?yōu)化中，需要考慮到各類電源的成本與出力特性，對(duì)不同的電源應(yīng)具備一定的容量才能保障約束條件滿足要求。因此，需要對(duì)文獻(xiàn)[10]中的算法進(jìn)行改進(jìn)，加入權(quán)重因子提出基于權(quán)重因子和淘汰機(jī)制的布谷鳥搜索算法。該算法主要在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上對(duì)新鳥巢的位置公式進(jìn)行改進(jìn)，其改進(jìn)公式如式(9)所示。

(9)

根據(jù)該改進(jìn)算法進(jìn)行大規(guī)模新能源外送容量的優(yōu)化，構(gòu)建新能源外送容量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

maxE=Eproduce+Esold+Ee+Eb+Eems-Cc

(10)

從而可以得到基于權(quán)重因子和淘汰機(jī)制的布谷鳥搜索算法的新能源外送容量?jī)?yōu)化的步驟：

a.根據(jù)風(fēng)速、光照等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)新能源出力公式并結(jié)合裝機(jī)容量得到其出力曲線；

b.根據(jù)出力曲線和負(fù)荷曲線初步選定儲(chǔ)能設(shè)備容量，作為儲(chǔ)能設(shè)備容量的初始值；

c.基于步驟b中的初始值，采用基于權(quán)重因子和淘汰機(jī)制的布谷鳥搜索算法進(jìn)行儲(chǔ)能設(shè)備容量的優(yōu)化，在尋優(yōu)過程中，以式(10)作為目標(biāo)函數(shù)，以式(7)作為約束條件進(jìn)行儲(chǔ)能設(shè)備容量的優(yōu)化。

4 結(jié)論

a.從儲(chǔ)能投資成本、節(jié)約成本效益、增加售電收益、節(jié)約能源效益、增加財(cái)政補(bǔ)貼效益和增加環(huán)境效益6個(gè)方面構(gòu)建新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估指標(biāo)體系，能夠科學(xué)全面的評(píng)估新能源外送容量對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

b.從功率、電壓和頻率波動(dòng)3方面梳理出新能源外送容量?jī)?yōu)化約束條件，能夠確保在新能源外送容量?jī)?yōu)化過程中保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

c.采用基于權(quán)重因子和淘汰機(jī)制的布谷鳥搜索算法能夠?yàn)槿萘績(jī)?yōu)化提供一種科學(xué)快速的新能源外送容量?jī)?yōu)化評(píng)估方法，有利于工程應(yīng)用。

[1] 穆 鋼，崔 楊，嚴(yán)干貴.確定風(fēng)電場(chǎng)群功率匯聚外送輸電容量的靜態(tài)綜合優(yōu)化方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(1):15-19.

[2] 王海超， 魯宗相，周雙喜.風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電容量可信度研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(10)：103-106.

[3] 何 俊，鄧長(zhǎng)虹，徐秋實(shí)，等.風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可信容量及互補(bǔ)效益評(píng)估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(11)：3030-3036.

[4] 華 文，徐 政.風(fēng)電火電打捆送出時(shí)的輸電容量?jī)?yōu)化方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012， 40(8):121-125.

[5] 黃昕穎，黎 建，楊 莉，等.基于投資組合的虛擬電廠多電源容量配置[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，2015，39(19)：75-81.

[6] 汪全元，石慶均，李興鵬，等.風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(7)：19-26.

[7] 韓曉娟，程 成，籍天明，等.計(jì)及電池使用壽命的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(34)：91-98.

[8] 邢 娜.基于LCC的風(fēng)電項(xiàng)目財(cái)務(wù)可行性分析研究[D].北京: 華北電力大學(xué)， 2014.

[9] 王勇超，陳皓勇，禤培正，等.基于最優(yōu)場(chǎng)景集的含多類型電源魯棒調(diào)度[J].電網(wǎng)技術(shù)， 2016，5(2): 354-362.

[10] 王 文.布谷鳥搜索算法與蝙蝠優(yōu)化算法的改進(jìn)研究[D].南寧：廣西民族大學(xué)，2014.

本文責(zé)任編輯：齊勝濤

Large-scale New Energy Delivery Capacity Optimization Analysis

Gao Fan1，Wu Jun1，Liu Dichen1，Luo Jinshan1,2,Wang Qixin1，Wang Kai1，Zhu Xuedong1

(1.Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.State Grid Economic Resenrch Institute,Beijing 102209,China)

Large-scale new energy is used conducive to solve environment and energy supply problem,whereas its delivery capacity is direct impacted to grid stability and economic.In order to achieve large-scale new energy delivery capacity optimization,new energy delivery capacity optimization assessment model is built.Firstly,restrictions is built from power,voltage and frequency three aspects,then economic assessment index system is built from costs and benefits two aspects，after based on weighting factors and elimination mechanism cuckoo search algorithm is used to searching delivery capacity.Finally,the paper is summarized and analyzed.

new energy;energy delivery;evaluation model;capacity optimization;cuckoo search algorithm

2016-08-22

高 凡(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

TM614

A

1001-9898(2016)06-0008-03