靈活性裕度技術在電網荷源聯合調峰節能降耗控制中的應用

程 麗，柯 賽，熊 莉，劉凌宇

(1.國網湖北省電力有限公司 十堰供電公司，湖北 十堰 442099； 2.國電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

近年來，隨著電力系統的不斷發展，新能源電力系統已經成為未來的發展趨勢，以風電為代表的可再生能源成為占比較重的潔凈能源[1]。但風電的缺點也顯而易見：不確定性、波動性，風電運行由于靈活性不足導致的棄風和切負荷操作，會對電網能源造成極大浪費[2-3]。對于新能源的消納，需要保證電力系統的靈活性充裕。目前常用的電網調度有魯棒優化法、無序調度法等，但是魯棒調度法只針對不確定因素，過于局限性，無法達到經濟最優；無序調度法沒有調度順序，沒有考慮電源之間的耦合關系，不能保證電網安全運行[4]。

為了實現新能源消納，解決電力系統靈活性資源不足而導致電力系統資源浪費等問題[5]，將電力系統的靈活性資源合理配置為主要途徑，靈活性理論和電力系統相結合，提出一種基于靈活性裕度的電網荷源聯合協調調度方法來達到節能降耗控制。從全局出發，將所有電源形容成一個有約束的調度問題進行求解，得到最佳的結果。通過某省級電網短期調度數據對比，驗證本文方法的效率性和可行性，達到節能降耗的效果。

1 靈活性裕度指標

為了確定電力系統靈活性需求和靈活性供給能力，需要在建立每小時電力系統靈活性與供給模型的基礎上計算靈活性裕度。電力系統靈活性需求包括系統風電出力特性、負荷特性。而靈活性供給能力需要每個時段機組出力狀態、抽蓄電站容量等因素[6-8]。

1.1 靈活性需求量化模型

1.1.1 不確定性資源建模

為了塑造風電和負荷的不確定區間，使用魯棒優化原理，公式如下：

(1)

可用公式(2)表示負荷不確定模型，公式如下：

(2)

2.1.2 靈活性需求量化

為了獲得電力系統靈活性需求，需要從相鄰時刻風電出力、負荷的波動性與不確定性3個方面研究[9]，靈活性需求有上調與下調靈活性需求2種量化方式，公式如下：

(3)

2.2 靈活性供給量化模型

靈活性量化資源多種多樣，下面重點通過火電、氣電、水電3種比較有代表性的靈活性資源進行建模分析。抽水蓄能電站有裝機簡單、固定出力運行等特點，想要提高抽水蓄能電站靈活性，需要考慮電力系統的靈活性[10-11]。由于負荷的影響，將靈活性分成上調和下調靈活性，可用以下公式表示：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

負荷的上升和下降問題通過靈活性需求解決，構建了靈活性供給量化模型為：

(12)

根據上述模型確定靈活性供給能力需要每個時段機組出力狀態、抽蓄電站容量等因素。

3 節能降耗控制模型

3.1 日前調度控制模型

3.1.1 目標函數

以獲得最大抽蓄調峰效益、最大風電消納電量、降低發電機組能耗為目標，建立荷源聯合協調調度控制模型。其中抽水蓄能電站調節電網負荷峰谷的差值所產生的效益就是抽蓄調峰效益。此次函數不僅要計算火電機組和氣電機組的運行費用，還需要計算棄風量懲罰、上調和下調靈活性缺額懲罰：

(13)

上述機組出力成本計算公式如下：

(14)

式中，ai、bi、ci、aj、bj、cj分別為火電和氣電運轉成本系數。

3.1.2 約束條件

(1)功率平衡約束。功率平衡約束表達式為：

(15)

(2)系統靈活性約束。在靈活性缺額前提下，靈活性供給將無法滿足靈活性需求，公式如下：

(16)

(3)火電機組約束。火電機組的出力范圍約束為：

(17)

火電機組的爬坡約束為

(18)

電力發電系統的發電主體是大型火電機組，雖然大型火電機組能耗比較小，但由于受到調度指令影響，大型火電機組的鍋爐從冷備狀態到并網需要1～2 d甚至更長時間，所以火電機組運行期間，在24 h內不會發生變化，靈活性調度模型計算將不考慮火電機組短時間內或者日內的運行情況。

(4)水電站約束。下游水庫水力聯系表示為：

Lmh，t=Imh-1，t-τ+LR，mh，t-Smh-1，t-τ

(19)

式中，Imh，t為水電站mh的進庫量；Imh-1，t-τ為電站mh-1的發電量；τ為相鄰電站之間的水流滯時、LR，mh，t為流量；Smh-1，t-τ為水電站mh-1的棄水量。

水量平衡約束：

Vmh，t=Vmh，t-1+3 600(Lmh，t-Lmh，t-Smh，t)Δt

(20)

式中，Vmh，t為水電站mh在時刻t的庫容；Δt為時段步長。

庫水位約束：

(21)

末水位控制：

Wmh，t=Wmh，end

(22)

式中，Wmh，end為電站mh在調度期末的水位控制值。

出庫流量約束：

(23)

電站出力上下約束：

(24)

電站爬坡能力約束：

(25)

3.2 日內荷源聯合滾動調度控制

由于負荷預估差值跟時間相互聯系，為了實現系統運行的經濟性，需要在利用非常短期的負荷預測基礎上，了解抽水蓄能電站的發電狀態，同時優化調整電力系統各發電出力。在約束條件下，對日前調度計劃進行建模調整，可以決定第2 d機組啟停狀態與各個時間段的規劃出力，也可使日內滾動調度滿足最新的短期預估信息和負荷要求，可分為5步：①配置各種靈活性資源初始狀態、出力和運行參數等滾動調度的初始數據；②為了獲取下一次滾動窗口的負荷預測，設置每一小時一個周期的自動讀取；③下個周期初始數據是由上個周期滾動周期末的各種靈活性數據代入計算得來；④滾動調度程序運行后，即可計算抽水蓄電站等各部位的機組啟停、出力、接納容量等；⑤再次執行②—④步驟，直至結束全部日前調度周期。

3.3 控制模型求解

聯合調度是通過整數非線性規劃的非常復雜的計算，較難直接解析。為了提升解析功效，縮小問題解搜尋維度，得到合適的解析方法，對電網荷源的水電、氣電、火電3個調度層進行求解，求解思想：水電、氣電、火電3個調度層分別采用變尺度調度優化法、24 h啟停調峰運行法、機組組合啟發式搜索法結合改進粒子群優化算法(Improved Particle Swarm Optimization，IPSO)算法進行分層求解。求解策略框架如圖1所示。

圖1 整體求解策略框架Fig.1 Overall solution strategy framework

4 實例分析

為了驗證本文方法節能控制效果，選取某省電網秋季日調度數據進行分析比較。控制周期為每天、控制階段為每小時。電網有9個大型風電場，1個梯級水電站，9臺燃氣機組和36臺電機組。

4.1 靈活性資源配置前后需求與供給對比

在靈活性裕度指示標準前提下，將分成兩個場景進行靈活性資源配置前后的電力系統仿真比較分析。①設置靈活性配置前為場景一，其中火電機組為靈活性供給的主要來源，在融入棄風與切負荷懲罰的目標函數基礎上，強迫風電全額消納，棄風與切負荷懲罰所產生的費用都達到2 000美元/MW；②設置靈活性配置后為場景二，此時風電最好的消納電量為風電資源優化后的結果，其中火電、氣電機組、抽水蓄能均可提供靈活性供給。

(1)靈活性資源配置前。靈活性配置前各電源出力情況如圖2所示，場景一靈活性資源配置前的靈活性供給和需求如圖3所示。

圖2 靈活資源配置前的各電源出力Fig.2 Power output before flexible resource allocation

初始時段(0:00—8:00)風電出力最大，而火電機組技術出力最小，從而導致上調靈活性剩余，下調靈活性不足的缺點，為了機組安全性，將產生棄風；上午時段(8:00—12:00)，用電負荷增加，需增加上調靈活性資源以期與系統功率平衡，沒有可用的靈活性資源，此時可能會導致電力系統上調靈活性不足無法調動多余資源的問題；12：00—15:00負荷下降，有足夠的上調與下調靈活性資源，但沒有其他使用導致靈活性資源浪費；17:00進入晚高峰期，火電機組開始大量出力，上調靈活性裕度跌至0以下，18:00—20:00出現切負荷情況，火電機組負責調峰。綜上可知，靈活性配置前，只有火電機組提供靈活性資源的情況，會產生棄風與切負荷，存在電網能源大量浪費情況，直接影響新能源消納和穩定的電網安全運行，電網節能降耗控制效果較差。

圖3 靈活性資源配置前的上下調靈活性需求與供給Fig.3 Up and down flexible demand and supply before flexible resource allocation

(2)靈活性資源配置后。靈活性資源配置后各系統電源出力情況、靈活性需求與供給如圖4、圖5所示。

圖4 靈活資源配置后的各電源出力Fig.4 Output of each power supply after flexible resource allocation

從圖4、圖5中可以看出，為了改善電力系統的靈活性，加入了氣電、抽蓄。在初始時間段(00:00—08:00)，因火電機組下調靈活性供給較小，而下調靈活性是棄風電量轉化成勢能的主要來源，所以下調靈活性將由抽水蓄能電站的抽水操作為主體所提供；中后期(9:00—22:00)，電網調度負荷增大，將耗費大量靈活性，為了減少上調靈活性缺額的出現，將氣電機組參與到該時段的資源調度，火電機組運行能力達到最大值，將氣電機組、抽水蓄能所提供的上調靈活性供給滿足所有靈活性需求。由于氣電、抽蓄的統一調度，同時切負荷情況也沒有出現，風電資源被全額消納，使電力系統可以更加安全地運行。因此，靈活性資源配置后可最大限度利用電網資源，達到電網荷源聯合調峰節能降耗控制的目的。

圖5 靈活性資源配置后的上下調靈活性需求與供給Fig.5 Flexible demand and supply after flexible resource allocation

4.2 節能降耗控制效果

該方法對電網荷源進行聯合調峰節能降耗控制前后滿足同等負荷所需的機組數量與污染物排放量統計結果見表1。

表1 本文方法控制前后對比Tab.1 Comparison before and after control

由表1可知，本文方法控制后電網實際調度污染物排放可減少341 t，減排率達到4.3%，同時滿足風電全部消納和系統靈活性需求。靈活性資源合理地分配到各個電力系統，等負荷情況下機組使用減少。實驗結果表明，本文方法控制后可有效實現電網荷源節能降耗。

5 結論

可再生資源優化已經成為電力發展的趨勢，從靈活性視角分析電網系統運行問題至關重要。為此文章提出一種基于靈活性裕度的電網荷源聯合調峰節能降耗控制方案，經過算例分析，得到以下結論。

(1)通過協調調度靈活性資源，利用火電、氣電、抽蓄水電的運行特性和每個時段機組運行的調度能力，提升火電機組的運行效率。

(2)為了優化電力系統的可靠性，建立日內滾動調度控制模型，優化日內所有機組的出力，以及各種靈活性資源調度策略，在保證電網靈活性需求的同時，降低了污染物排放量。

(3)在靈活性裕度的基礎上，將風電作為優化變量參與資源調度，建立分層調度模型計算局部調度最優解，再經過統一協調調度得到全局調度最優解，最后達到節能降耗控制作用。