考慮環(huán)境效應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

王海林，郭 莉

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

近年來隨著生產(chǎn)力的不斷提高，各大輕重工業(yè)都得到了全面發(fā)展。但隨著供應(yīng)量和生產(chǎn)量的瘋狂上漲，部分綜合能源系統(tǒng)承載的壓力已經(jīng)超出自身負(fù)荷，由于大部分的綜合能源系統(tǒng)采用的都是天然的供應(yīng)材料，存在資源緊缺、費用消耗較大的特點。日益上漲的負(fù)荷量不但會造成能源浪費，還會帶來成本耗費問題，以此往復(fù)循環(huán)，整個能源環(huán)保機(jī)制將會被打亂，環(huán)境污染問題也會隨之被激發(fā)，綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度具有重要意義。

改善綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部資源分配不均、負(fù)荷量大帶來的環(huán)境污染、效率降低等問題需要一種優(yōu)化調(diào)度方法。相關(guān)學(xué)者提出A級數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計和調(diào)度[1]，還有學(xué)者提出考慮電/熱儲能互補(bǔ)協(xié)調(diào)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[2]。綜合上述研究，本文采用一種考慮環(huán)境效應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法進(jìn)行研究分析。以綜合能源系統(tǒng)中的風(fēng)能作為主要調(diào)度方向，預(yù)測其在不同的外界條件例如：風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力影響下輸出功率值。利用期望函數(shù)，將預(yù)測值不斷逼近真實值，以此為后續(xù)優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)，可減少調(diào)度時產(chǎn)生的誤差概率、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。考慮到綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)能的消耗特點，將系統(tǒng)的儲備能耗作為主要備用資源，用于彌補(bǔ)系統(tǒng)中因能源分配不均出現(xiàn)的差額。建立優(yōu)化調(diào)度模型，通過模型求解實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)資源能耗及經(jīng)濟(jì)能耗的雙重平衡。

2 綜合能源系統(tǒng)輸出功率預(yù)測模型

綜合能源系統(tǒng)中最為重要的是風(fēng)力發(fā)電能源，考慮環(huán)境效應(yīng)，通過計算系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的輸出功率幫助后續(xù)實現(xiàn)負(fù)載量的調(diào)度與優(yōu)化[3-4]。

要想精準(zhǔn)推斷出綜合能源系統(tǒng)，受外界風(fēng)速影響時各風(fēng)力場的風(fēng)能出力情況，需要借助歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析[5]，圖1為某能源系統(tǒng)在24 h之內(nèi)風(fēng)能出力隨外界風(fēng)速的變化情況。可以看出，在若干個檢測時間段內(nèi)，每個時間橫坐標(biāo)都有與之對應(yīng)出力期望值縱坐標(biāo)，基于此，可通過變化規(guī)律求得任意時間段內(nèi)系統(tǒng)風(fēng)能處理的期望功率值，表達(dá)公式如下：

(1)

式中:Pvn為第vn時間段綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)能出力值[6]，kW/h;Pv為發(fā)電機(jī)的有功功率，kW;t為檢測時間，h;d為檢測天數(shù);tn、tn-1分別為區(qū)間值。

圖1 風(fēng)能有功功率隨風(fēng)速變化曲線

通過式(1)的計算以及圖1各個時間段內(nèi)風(fēng)速變化曲線的分析，假設(shè)將考慮環(huán)境效應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)能發(fā)電機(jī)器的風(fēng)向及風(fēng)速都設(shè)置相同數(shù)值，不考慮誤差電波影響。將系統(tǒng)的尾流電壓系數(shù)設(shè)置為0.85[7-8]，允許出力值有上下15%的偏差，根據(jù)推導(dǎo)計算就可得到如圖2所示的更新出力變化曲線。其中，風(fēng)能有功輸出功率值Pv需要滿足0.85vn≤Pvt≤15Pvn的條件。

從圖2可以看出，將風(fēng)向及風(fēng)速都設(shè)置相同數(shù)值后，綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)能出力波動曲線變化明顯變得更加平穩(wěn)。說明統(tǒng)一化的風(fēng)速及風(fēng)向管理會提高系統(tǒng)風(fēng)能的輸出功率值，對后續(xù)的風(fēng)能源優(yōu)化更調(diào)度幫助較大，通過目標(biāo)函數(shù)對風(fēng)能進(jìn)行約束時，也能更好地把握最低限度和最高限度，使調(diào)度效果最大化[9]。

圖2 風(fēng)向、風(fēng)速一致時系統(tǒng)風(fēng)能出力變化

3 考慮環(huán)境效應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度算法

3.1 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合近年來環(huán)境污染、生態(tài)保護(hù)等問題，充分考慮外界環(huán)境效應(yīng)影響，以綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性以及環(huán)保性為主要優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)[10-11]。由于經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性以及環(huán)保性目標(biāo)之間存在矛盾性[12-14]，需要設(shè)置多個變量分別進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，求解函數(shù)如下：

(2)

式中：L1為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)；L2為節(jié)能性目標(biāo)函數(shù)；Ln為環(huán)保性目標(biāo)函數(shù);Fl為倒數(shù)函數(shù)[15]；F0為對數(shù)函數(shù)，該數(shù)值越小代表綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)特性L1越好；N為非凸函數(shù)[16]，該數(shù)值越大代表綜合能源系統(tǒng)的節(jié)能特性L2越好；sa為非凹函數(shù)，該數(shù)值越小代表綜合能源系統(tǒng)的環(huán)保特性L3越好。通過目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)節(jié)能性、環(huán)保型以及經(jīng)濟(jì)性數(shù)值的統(tǒng)一劃分，提高綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度性能。

3.2 求解算法

考慮環(huán)境效應(yīng)影響問題，采用非線性法求解上述多目標(biāo)函數(shù)。設(shè)風(fēng)能優(yōu)化調(diào)度問題為Sn，問題粒子為M，將這些問題粒子通過影響進(jìn)行組合排列，形成一種群落[17-18]，其中，第i個問題粒子在群落中的速度及和位置的計算公式為

(3)

(4)

通過該規(guī)律進(jìn)行最優(yōu)解尋找時，考慮環(huán)境效應(yīng)更新能源系統(tǒng)中目標(biāo)粒子的速度和位置，保證優(yōu)化調(diào)度的實時性。通常情況下，目標(biāo)粒子的速度與位置都存在連續(xù)相關(guān)關(guān)系，建立實數(shù)表達(dá)空間[20]。從綜合能源系統(tǒng)風(fēng)能粒子數(shù)據(jù)集中挑選幾組隨機(jī)粒子，通過慣性系數(shù)變化規(guī)律計算隨機(jī)粒子的權(quán)重，由此完成考慮環(huán)境效應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。

4 仿真實驗

本次實驗的主要測試對象為某綜合能源加工廠系統(tǒng)，該工廠地處平原位置，風(fēng)能儲備量高，風(fēng)能作為主要的能源支持。該工廠全貌如圖3所示。

圖3 能源加工廠全貌圖

能源加工廠系統(tǒng)中包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力蓄電池、風(fēng)力蓄熱槽以及發(fā)電輪等單元。其中，能源加工現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 能源加工現(xiàn)場圖

考慮到環(huán)境效應(yīng)中的分時電價、柔性電力負(fù)荷以及電能交易量等影響因素，設(shè)置風(fēng)能檢測周期為24 h，單位優(yōu)化調(diào)度時段為1 h。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)能參數(shù)及發(fā)電所需能源耗用如表1所示。

表1 綜合能源系統(tǒng)風(fēng)能參數(shù)

測試時間內(nèi)系統(tǒng)風(fēng)能及負(fù)荷變化如圖5所示。

圖5 綜合能源系統(tǒng)風(fēng)能及負(fù)荷變化

考慮到外界環(huán)境效應(yīng)的影響，在分時電價、柔性電力負(fù)荷以及電能交易量三個方面，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度實驗，實驗結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 控制前后分時電價變化曲線

從圖6中可以看出，優(yōu)化調(diào)度前綜合能源系統(tǒng)分時電價曲線變化幅度相對較高，整體增長幅度明顯，隨著系統(tǒng)用電量的不斷上升，分時電價也隨之大幅度上漲。說明，優(yōu)化調(diào)度前系統(tǒng)不具有自動調(diào)控能力，風(fēng)能資源耗用大，導(dǎo)致實時電價消費高。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度后的分時電價曲線明顯降低并逐漸趨于平穩(wěn)，并且在1 200 kW值后出現(xiàn)持平狀態(tài)，保持穩(wěn)定且不再發(fā)生變化。這說明，優(yōu)化調(diào)度起到了關(guān)鍵作用，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)能的均衡配比，保證系統(tǒng)運行的平衡性及穩(wěn)定性。解決了原始系統(tǒng)的高額費用，在改善系統(tǒng)運行的同時降低耗用，減少經(jīng)濟(jì)費用。

圖7 控制前后柔性電力負(fù)荷變化曲線

從圖7中可以看出，優(yōu)化調(diào)度后能源系統(tǒng)柔性電力負(fù)荷曲線的高頻波動問題得到了改善，曲線出現(xiàn)平仰形態(tài)，該形態(tài)代表曲線波動幅度低，平穩(wěn)性強(qiáng)。單位測試電量段內(nèi)負(fù)荷方差值大幅度降低，這是因為，本文結(jié)合系統(tǒng)風(fēng)能耗用特點，著重考慮環(huán)境效應(yīng)影響，利用懲罰函數(shù)對優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行約束，并通過內(nèi)部能源的分配與代替削減高峰用電負(fù)荷，緩解內(nèi)部潮流堵塞問題。不僅提高了系統(tǒng)工作能力，還降低了用電量，避免高峰用電時段的能源擁擠問題，提高運行效率。

圖8 控制前后電能交易量變化曲線

由圖8可知，對比優(yōu)化調(diào)度前后的系統(tǒng)的電能交易量曲線，任意選取一組檢測區(qū)間，調(diào)度后的曲線都比調(diào)度前的曲線值要高。說明，單位時間內(nèi)調(diào)度后系統(tǒng)電量完成率更高，用電浪費量下降，能源配比更均衡，運行效果更佳，對于高用電導(dǎo)致高污染排放問題也得到了妥善解決。

5 結(jié) 論

結(jié)合環(huán)境效應(yīng)問題，通過一種優(yōu)化調(diào)度方法改善綜合能源系統(tǒng)因能源配比不均導(dǎo)致的高污染排放、高負(fù)荷以及高負(fù)載量等問題。以風(fēng)能資源作為主要調(diào)度重點，計算出其在各種風(fēng)速、風(fēng)向等外界影響下有功及無功出力的變化情況。以功率為鋪墊，可提高后續(xù)調(diào)度目標(biāo)的誤判率，根據(jù)功率實現(xiàn)對應(yīng)調(diào)度。仿真實驗證明，本文方法對于系統(tǒng)內(nèi)部高負(fù)荷調(diào)度效果較好，調(diào)度后的分時電價、柔性電力負(fù)荷及電能交易量等指標(biāo)都得到了明顯的改善。調(diào)度方案具有多樣化、多功能性的特點，經(jīng)濟(jì)高效，實用性強(qiáng)。