考慮高壓直流接入的電網調峰優化方法研究

邢超，和鵬，劉明群，奚鑫澤，李勝男

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

隨著高壓直流接入電網，導致電網的運行情況更加復雜，調峰問題進一步加劇，亟需研究高壓直流接入對電網調峰的影響及其應對措施[1]。區域電網的調峰困境日漸突出，對各級電力系統安全穩定的影響不容小視[2-5]。目前，在高壓直流接入的電網調峰評估方法中，高壓直流一般按照有功功率的運行方式進行處理，并且以備用容量或者調峰盈余作為指標來評估電網的調峰能力[6-13]。以備用容量評估電網的調峰能力，即先求出電網所能提供的備用容量，再將系統所能提供的備用容量和所需求的備用容量進行對比，從而評估電網調峰平衡情況的優劣。以調峰盈余評估電網的調峰能力，則是根據電源的調峰能力、負荷峰谷差和備用容量求出調峰盈余，根據調峰盈余容量的大小對電網的調峰能力進行評估[14-18]。

文獻[19]提出基于熵權屬性識別模型的電力系統調峰方案評估方法體系。文獻[20]從電網、電源和高載能負荷三個方面提出了表征電力節能的指標，然后基于綜合模糊評價法進行綜合評估。文獻[21]提出一種綜合考慮系統運行成本以及常規機組低谷時刻負調峰能力的多目標機組組合優化模型。文獻[22]利用年棄風比例、年利用小時數、年棄風電量月分布、年棄風電量峰谷分布等各類數據，來反映水平年風電棄風情況。文獻[23]建立了以有功損耗最小為目標，計及機組爬坡速率約束以及系統安全約束的優化調度模型，制定了高壓直流送不同風電比例情況下電網的調峰方案。

傳統的評估方法中僅以備用容量或調峰盈余作為單一評價指標對調峰方案進行評估，難以適應復雜調峰運行方式的需求，無法對電網的調峰能力做出全面、科學的評價。本文采用了一種新的評估方法，考慮高峰時期調峰盈余和低谷時期棄電量兩個評估指標，以調峰盈余隸屬度函數和棄電量隸屬度函數之和構建綜合評價模型，以綜合隸屬度函數最大化為目標來評價高壓直流接入后電網的調峰能力，逐月校核調峰平衡情況，根據校核結果分月制定高壓直流的調峰運行方式。

1 調峰評估指標

高壓直流接入電網后，考慮負荷高峰期調峰盈余和最大、最小調峰盈余，引入調峰盈余隸屬度函數；同時對于高壓直流的接入會使電網在多個月份的低谷時段存在調峰缺額的情況，引入棄電量所對應的隸屬度函數。

1.1 調峰盈余隸屬度函數

以調峰盈余隸屬度函數評估電網的調峰能力，首先根據高壓直流所傳輸的最大、最小電能，求出最小調峰盈余和最大調峰盈余；再將調峰盈余容量減去最小調峰盈余；最后除以最大、最小調峰盈余的差值，從而求出調峰盈余隸屬度函數。具體計算過程如下：

高壓直流傳輸最小電能時最大調峰盈余容量如式（1）所示。

高壓直流傳輸最大電能時最小調峰盈余容量如式（2）所示。

高壓直流不同運行方式下的調峰盈余如式（3）所示。

式中：Fmax和Fmin分別表示最大調峰盈余和最小調峰盈余；Fi表示第i個高壓直流運行方式下的調峰盈余；PLmax表示系統的最高發電負荷；PC.max和PC.min分別表示系統所有出力可控電源同一時段最大、最小可調出力；PT.i為第i個高壓直流運行方式下高壓直流傳輸的電能；PT.max和PT.min分別為高壓直流傳輸的最大、最小電能；PRL為負荷備用(熱備用)；PRA為事故備用(熱備用)。

由此可得調峰盈余隸屬度函數表達式如式（4）所示。

式中：ηi為第i個高壓直流運行方式下調峰盈余隸屬度函數。

1.2 棄電量隸屬度函數

當負荷低谷時期調峰盈余不足時，引入棄電量隸屬度函數來評估電網的調峰能力。棄電量的定義如下：

圖1中的陰影部分的面積即為典型日低谷盈余不足情況下的棄電量。

圖1 典型日棄電量示意圖

典型日棄電量E定義式如式(5)所示。

式中：t1和t2分別為典型日負荷低于最低出力的起始時間和終止時間；p為低谷最小出力；f(x)為負荷曲線的數學表達式。

通過典型日棄電量得到典型月棄電量P，如式（6）所示。

式中：E為典型日棄電量；n為該月份的天數；α為棄電量系數。

高壓直流傳輸最小電能時，典型日棄電量最大值表達式如（7）所示。

高壓直流傳輸最大電能時，典型日棄電量最小值表達式如(8)所示。

高壓直流不同運行方式下典型日棄電量表達式如(9)所示。

式中：Emax和Emin分別為典型日最大棄電量和最小棄電量；Ei為第i個高壓直流運行方式下的典型日棄電量；PT.max和PT.min分別為高壓直流傳輸的最大、最小電能；PT.i為第i個高壓直流運行方式下高壓直流傳輸的電能。

高壓直流傳輸最小電能時，典型月棄電量最大值如（10）所示。

高壓直流傳輸最大電能時，典型月棄電量最小值如式（11）所示。

高壓直流不同運行方式下典型月棄電量如式（12）所示。

式中：Pmax和Pmin分別為典型月最大棄電量和最小棄電量；Pi為第i個高壓直流運行方式下的典型月棄電量；nk為第k月的天數。

由此可得棄電量隸屬度函數如（13）所示。

式中：ξi為第i個高壓運行方式下棄電量隸屬度函數。

2 評估方法流程及數學模型

本文將高壓直流納入調峰體系，考慮高壓直流多種運行方式，基于多目標分段建模理論，構建以調峰盈余隸屬度函數和棄電量隸屬度函數為指標的綜合評估模型，提出一種以綜合隸屬度函數最大化為目標的高壓直流調峰評估方法。該方法將分月制定高壓直流調峰方案，并利用綜合隸屬度函數對調峰方案進行評估，從而選取最優的調峰方案。評估思路為：計算調峰盈余隸屬度函數和棄電量隸屬度函數，通過比較兩個隸屬度函數之和的大小來評價不同調峰方案的優劣。其求解流程如圖2所示。

圖2 調峰評估方法流程圖

從每年的1月開始，根據高壓直流的最大、最小傳輸電能，計算出當月負荷高峰時段的最大、最小調峰盈余、高壓直流不同運行方式下的調峰盈余和負荷低谷時段最大、最小棄電量、高壓直流不同運行方式下的棄電量。從而計算出當月不同運行方式下的調峰盈余隸屬度函數和棄電量隸屬度函數。比較不同運行方式下的綜合隸屬度函數，以綜合隸屬度函數最大值所對應的調峰方案作為當月的調峰方案。對1月至12月進行逐月校核，分別得到各個月對應的最優調峰方案。

基于分段建模的高壓直流運行曲線優化策略數學模型如（14）所示。

式中：表示第k月中i個高壓直流運行方式下的綜合隸屬度函數；Ω為調峰方案個數的取值空間，T為月份的取值空間，分別為第k月第i個高壓直流運行方式下的調峰英語隸屬度函數和棄電量隸屬度函數。

3 調峰方案及仿真實例

利用本文中的調峰評估方法對永富高壓直流接入云南電網的調峰情況進行具體分析。

3.1 永富高壓直流運行方案

2016年，永富高壓直流工程建成投產，永富高壓輸送電力容量最小為150 MW，最大為3000 MW。結合云南電網的負荷需求以及永富高壓直流的送電能力，將永富高壓直流的運行方案設置五種運行方式。

云南電網0點至8點為負荷低谷時段，8點至24點為負荷高峰時段。

方式一：永富直流按高峰低谷輸送相同電能，即1500 MW。

方式二：永富直流在0點-8點按1200 MW輸送電能，8點-24點按1800 MW輸送電能。

方式三：永富直流在0點-8點按900 MW輸送電能，8點-24點按2100 MW輸送電能。

方式四：永富直流在0點-8點按600 MW輸送電能，8點-24點按2400 MW輸送電能。

方式五：永富直流在0點-8點按300 MW輸送電能，8點-24點按2700 MW輸送電能。

3.2 2017年仿真實例

根據2017年云南電網運行數據，算出2017年云南電網調峰盈余，同時做出調峰盈余對比圖，如圖3所示。

圖3 2017年云南電網調峰盈余對比圖

由圖3可知：在永富高壓直流采取相同的運行方式情況下，對比不同月份的調峰盈余，最大的調峰盈余出現在七月。

在同一月份中，對比永富高壓直流采取的不同運行方式，最大的調峰盈余出現在方式一。

根據對云南電網不同月份最小負荷典型日曲線的分析研究，棄電量系數近似取值為1-3月取0.23，4-6月取0.3，7-9月取0.25，10-12月取0.2。根據前述棄電量計算方法，得到2017年云南電網各月份的棄電量，同時做出棄電量對比圖，如圖4所示。

圖4 云南電網2017年份月棄電量對比圖(億kWh)

由4可知：在永富高壓直流采取相同的運行方式情況下，對比不同月份的棄電量，最大的棄電量出現在九月。

在同一月份中，對比永富高壓直流采取的不同運行方式，最大的棄電量出現在方式一。

由以上數據計算出調峰盈余隸屬度函數、棄電量隸屬度函數以及綜合隸屬度函數，同時做出2017年云南電網不同月份隸屬度函數的對比圖，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 調峰盈余隸屬度函數對比圖

圖6 棄電量隸屬度函數對比圖

由圖5可知：在2017年云南電網運行的每個月中，方式一的調峰盈余隸屬度函數最大，同時都為0.5263；而方式五的調峰盈余隸屬度函數最小，同時都為0.1053。在永富直流的每種運行方式中，12個月份的調峰盈余隸屬度函數大小都相同，五種方式分別為0.5263，0.4211，0.3151，0.2105，0.1053。

由圖6可知：在永富高壓直流采取相同的運行方式情況下，對比不同的月份的棄電量隸屬度函數，最大值出現在2月。

在同一月份中，對比永富高壓直流采取的不同運行方式，最大的棄電量隸屬度函數出現在方式一。由圖7可知：在2017年云南電網運行的每個月中，方式一的綜合隸屬度函數最大。因此2017年云南電網全年采取方式一進行電網調峰，即永富高壓直流在高峰和低谷輸送1500 MW電能。采取該方式調峰，云南電網全年都能夠滿足高峰低谷負荷需求，調峰效果能夠達到最好，使得云南電網經濟穩定運行。

圖7 綜合隸屬度函數對比圖

4 結束語

本文針對高壓直流接入對電網調峰產生的影響，在分析傳統調峰評估方法的基礎上，引入了調峰盈余隸屬度函數和棄電量隸屬度函數，從而提出了一種新的調峰評估方法，并在該評估方法下對永富高壓接入后云南電網2017年的調峰情況進行實例計算，得到了以下結論：

1）永富高壓直流采取運行方式一，即在高峰期和低谷期同時輸送1500 MW電能，能夠滿足2017年云南電網全年負荷需求，使得調峰效果達到最好。

2）對于考慮高壓直流接入的電網，能夠采用調峰盈余和棄電量兩個指標來對調峰問題進行評估，從而得出最優的調峰方案。