新能源參與電力系統調峰調頻的仿真研究

梁曉瑜

(國家電投浙江分公司，浙江 杭州 310016)

為保證電力系統輸送電力的可靠性，需要規劃最佳電力系統結構，利用具有間歇性的新能源仿真電力系統調峰調頻[1]。電力系統調峰調頻的合理性意義重大，它會對整個電力系統的運行與用戶供電的質量產生直接影響。我國傳統的電力系統主體規劃單一[2-3]，為此需要加大配電網基礎設施建設的投入，提高供電可靠性。但目前其仍存在運行成本高昂等問題，部分鄉鎮供電設施、線路老化，供電能力低[4]。為提升電力系統水平，保證電網供電安全性，應益強等[5]基于新能源的隨機性提出多目標的調峰策略，陸秋瑜等[6]通過次梯度投影控制方法提出調頻策略，但前者的收斂速度較慢，尋求最優解的難度較高，規劃決策時間長，后者的過程繁瑣，規劃效率低。

為此本文研究新能源參與電力系統調峰調頻的仿真，以配電公司建設運行成本最小規劃電力系統，調整電力用戶的用電，提升調峰調頻效果，確保電力系統穩定運行。

1 新能源參與電力系統調峰調頻仿真方法

1.1 新能源參與電力系統調峰優化模型

通過機會約束規劃設計的新能源參與電力系統調峰優化模型，能夠獲取在某個已知置信度水平下的調峰優化結果[7]。電力系統調峰模型如圖1所示。

圖1 電力系統調峰模型Fig.1 Block diagram of peak shaving model of power system

圖1中，ΔPtie為交換功率；ΔPG為調頻功率；ΔPL為負荷變化量；B為調峰系數；R為調差系數；Δω=2πΔf，代表頻率偏差。

1.1.1 目標函數

(1)

啟動成本和機組的停機時間關系密切[8-9]，新能源參與電力系統的調峰模型內，以最小總運行成本為目標的目標函數：

(2)

機組處于深度調峰時的出力需添加額外運行成本，添加至總運行成本內：參考可中斷負荷調峰時，需為用戶提供停電導致的損失費用[11]，同樣添加至總運行成本內：

(3)

1.1.2 約束條件

(1)新能源參與電力系統時系統功率平衡約束。無需考慮網損情況下，系統輸出功率和負荷平衡的約束條件如下：

(4)

(2)系統備用約束。新能源參與的穩定性較差，在參考系統備用約束情況下，機會約束規劃模型令系統在已知置信度水平時符合系統需要的備用容量需求[12]。正旋轉備用約束如下：

(5)

負旋轉備用約束如下：

(6)

1.1.3 模型求解

采用改進蟻群算法求解新能源參與電力系統調峰優化模型，求解過程如下：①初始化信息素濃度、算法參數、迭代次數；②設置k只螞蟻；③各螞蟻依據移動節點概率實時移動；④螞蟻移至新節點后，修改禁忌表，更新路徑信息素；⑤迭代操作步驟②—步驟④，以全部螞蟻均找到可行路徑為止；⑥利用目標函數選取最優路徑；⑦更新所有路徑信息素；⑧達到最大迭代次數時，結束搜索，輸出模型最優解，完成調峰控制[13]。

1.2 新能源參與電力系統調頻控制仿真

新能源參與電力系統完成調峰后，確保系統輸出有功功率達到穩定，調度中心再按照電力系統的頻率偏差與聯絡線功率等參數求解功率缺額，并發送調度指令至新能源，令其配合新能源對發電機組的出力控制[14]，共同實現調頻任務，實時修正有功功率頻率穩定。出力控制偏差公式如下：

PACE=ΔPt+εΔf

(7)

式中，ΔPt為聯絡線實際有功功率和預先協議值的差，有功功率正方向屬于輸出方向；ε為頻率偏差系數。

新能源參與電力系統調頻的結構框架如圖2所示。圖2中，總頻率偏差為Δfc，鄰近區域頻率偏差為Δfj，控制偏差量為E。新能源參與電力系統調頻的上、下調容量分別為Ph，up，K、Ph，down，K。

圖2 新能源參與電力系統調頻流程Fig.2 Frequency modulation flow chart of new energy participation in power system

調頻時會導致電力系統潮流分布出現較大波動，降低系統運行的穩定性[15]，令Ph，up，K與Ph，down，K低于新能源額定容量GK×δ，可確保系統穩定運行，閾值是δ。

新能源參與電力系統調頻的總上、下調容量PG，up，K、PG，down，K：

(8)

不同新能源單元參與電力系統調頻的上、下調容量Pup，m、Pdown，m：

(9)

2 實驗結果分析

以某市接入新能源的電力系統為實驗對象，使用本文方法對該電力系統進行調峰調頻，使用MATLAB仿真軟件仿真該電力系統調峰調頻情況。

2.1 調頻效果測試

設置該新能源接入電力系統的頻率偏差數值上下不超過0.2 Hz，頻率上限為1.4 Hz，下限為0.4 Hz，使用本文方法對其頻率進行調整，結果如圖3所示，圖3中虛線為頻率上下限。

圖3 調頻效果測試結果Fig.3 Test results of FM effect

分析圖3可知，新能源接入電力系統的頻率在未使用本文方法對其進行調頻時，其頻率數值隨著時間的增加高于所設上限數值并低于下限，其中上限最大差值出現在時間為58 s左右，超出數值約為1.63 Hz，下限超出最大數值出現在時間為42 s左右，超出數值為0.25 Hz左右。圖3(b)內經過本文方法對該新能源接入電力系統進行調頻后，該電網的頻率數值明顯降低，雖存在超出所設上限和下限情況，但超出數值均未高于頻率偏差數值。上述結果表明：本文方法可有效調整新能源接入電力系統的頻率，且調整效果較好。

測試本文方法對該新能源接入電力系統的有功功率調節效果，結果如圖4所示。

圖4 有功功率調節結果Fig.4 Active power regulation results

分析圖4可知，在未經過本文方法調節前的電力系統有功功率數值波動較大。其中，最高數值和最低數值分別為1 000 W左右和-1 000 W左右，且有功功率的初始值約為280 W，經過本文方法對該電力系統進行調節后，有功功率數值降低明顯，初始有功功率數值接近0 W，而有功功率最高數值和最低數值分別為350 W左右和-350 W左右。上述結果表明，使用本文方法對該電網進行調節后，其有功功率數值下降明顯。

2.2 調峰效果測試

以電網負荷波動率作為衡量調峰效果指標，測試本文方法調峰效果，結果如圖5所示。

圖5 電網負荷波動率Fig.5 Power grid load fluctuation rate

分析圖5可知，本文方法對該電力系統進行調峰處理前，該電網的負荷波動率數值較大，最高值出現在14：00左右，電網負荷波動率數值接近4.0。而經過本文方法對該電力系統進行調峰處理后，該電網的負荷波動率曲線雖然與調峰前波動情況相同，但波動率數值呈現明顯下降狀態，此時波動率最高值依然在14：00左右，但波動率數值較為調峰前低2.73個百分點。上述結果表明：經過本文方法調峰后，該電力系統電網負荷波動率下降較為明顯，電力系統運行較為穩定。

為更充分呈現本文方法的有效性，設置備用電容不同時，從調峰充裕度角度對本文方法進行測試，通常調峰充裕度在0.1%以上可確保電力系統在新能源接入時的穩定性，結果見表1。

表1 調峰充裕度Tab.1 Peak adjustment abundance

分析表1可知，調峰充裕度與新能源接入電力系統的備用容量呈反比例關系。其中，該方法在電力系統備用容量不同時的調峰充裕度均較高，且該方法的調峰充裕度隨著備用容量的增加下降幅度較小，當備用容量為200 MW時，該方法調峰下的充裕度始終高于0.1%，可確保電力系統穩定運行。上述結果表明，本文方法具備較好的調峰能力。

3 結論

本文研究新能源參與電力系統調峰調頻的仿真方法，并以某市接入新能源的電力系統為研究對象，使用本文方法對其進行調峰調頻。通過仿真軟件模擬調峰調頻情況，仿真結果表明，本文方法應用后該電力系統的頻率數值和有功功率數值均呈現降低態勢，電網負荷波動率數值下降明顯，電力系統運行較為穩定，且調峰充裕度數值較高，具備較優秀的調峰能力。