含海上風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的韌性調(diào)度策略

郭俊, 劉升偉，趙天陽(yáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司防災(zāi)減災(zāi)中心, 長(zhǎng)沙市 410007； 2.暨南大學(xué)能源電力研究中心，廣東省珠海市 519070)

0 引 言

2021年，我國(guó)新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到10.8 GW，總裝機(jī)容量躍居世界第一[1]。大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)集中分布的東南沿海地區(qū)，具有優(yōu)質(zhì)而豐富的風(fēng)資源，同時(shí)也飽受以臺(tái)風(fēng)為代表的氣象災(zāi)害的侵?jǐn)_[2-3]。臺(tái)風(fēng)過(guò)境過(guò)程中的強(qiáng)風(fēng)可能迫使風(fēng)電機(jī)組需要快速關(guān)停，當(dāng)系統(tǒng)備用不足時(shí)，短時(shí)間內(nèi)有功功率的巨大缺額可能導(dǎo)致切負(fù)荷，影響系統(tǒng)可靠性[4]。考慮到當(dāng)前高精度氣象預(yù)測(cè)的困難，制定韌性調(diào)度策略對(duì)于提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)不確定影響的能力具有重要意義。

“韌性”作為一個(gè)普遍的概念，在心理學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)等方面具有不同的定義[5]。目前接受較廣的是2009年聯(lián)合國(guó)提出的“韌性”定義，即一個(gè)系統(tǒng)抵御、吸收、適應(yīng)災(zāi)害和從災(zāi)害影響中快速恢復(fù)的能力[6]。“韌性”區(qū)別于“可靠性”的一個(gè)重要方面在于：可靠性衡量的是系統(tǒng)在“高概率-低影響”不利事件下的表現(xiàn)[7]；而韌性描述的是系統(tǒng)在“低概率-高影響”極端事件下的應(yīng)對(duì)和恢復(fù)能力，如臺(tái)風(fēng)災(zāi)害等。

韌性調(diào)度由預(yù)防性調(diào)度(如臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前的日前調(diào)度)和應(yīng)急響應(yīng)(如臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間的實(shí)時(shí)調(diào)度)兩階段構(gòu)成，是優(yōu)化現(xiàn)有可調(diào)度資源以期降低極端事件影響的短期活動(dòng)[8]。與常規(guī)調(diào)度面向的一般工況不同，韌性調(diào)度面向的工況為極端事件下的非常規(guī)工況，如臺(tái)風(fēng)事件可能導(dǎo)致系統(tǒng)中多發(fā)線(xiàn)路故障以及可再生能源出力的大幅劇烈波動(dòng)[9]。常規(guī)調(diào)度由于沒(méi)有明確的主導(dǎo)事件，因此各擾動(dòng)間多不具有明確的聯(lián)系，可建模為隨機(jī)量；而韌性調(diào)度具有明確的擾動(dòng)源，如風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)不同位置風(fēng)電場(chǎng)的停機(jī)時(shí)間和預(yù)測(cè)風(fēng)功率都受到同一臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的影響，具有時(shí)空耦合性[10]。因此，制定韌性調(diào)度策略需要明確極端事件對(duì)系統(tǒng)的影響，形成極端事件下考慮耦合擾動(dòng)的工況集合。

高風(fēng)速下機(jī)械載荷超過(guò)設(shè)計(jì)極限易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)損壞，高風(fēng)停機(jī)(high wind speed shutdown，HWSS)過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組需要快速關(guān)停，其出力可能在數(shù)分鐘內(nèi)由滿(mǎn)發(fā)降至0[11-12]。相較于小幅、高頻的出力波動(dòng)，高滲透率風(fēng)電大幅單向的快速爬坡事件對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響更大[13]。實(shí)際調(diào)度過(guò)程中往往采用計(jì)劃停機(jī)的方式以保障風(fēng)電機(jī)組資產(chǎn)安全和減少風(fēng)電快速爬坡對(duì)系統(tǒng)供需平衡的沖擊，但過(guò)早關(guān)停風(fēng)電機(jī)組將造成巨大的風(fēng)能損失，不符合盡可能消納風(fēng)電的原則，降低了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[11]。因此，臺(tái)風(fēng)過(guò)境過(guò)程中含海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的調(diào)度需要綜合考慮臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)信息、系統(tǒng)備用成本與備用裕度以及風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速-出力特性，以平衡經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

在高占比風(fēng)電并網(wǎng)的備用需求優(yōu)化方面，已有學(xué)者開(kāi)展大量研究工作。近年來(lái)研究主要集中在兩個(gè)方面：一是量化風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差和波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)備用增量影響相關(guān)的研究[14-15]，二是考慮新能源納入備用方面研究[16-17]。文獻(xiàn)[14]基于所建立的可靠性指標(biāo)“期望失負(fù)荷比例”，確定一定可靠性水平下的最小備用需求。文獻(xiàn)[15]引入了相似性理論，通過(guò)聚類(lèi)算法統(tǒng)計(jì)相似日預(yù)測(cè)誤差數(shù)據(jù)，以提高備用容量計(jì)算的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[16]基于風(fēng)電場(chǎng)的具體運(yùn)行方式，建立了考慮風(fēng)機(jī)降載運(yùn)行和快速并網(wǎng)的風(fēng)電備用模型，利用給定的誤差系數(shù)和預(yù)測(cè)風(fēng)速描述魯棒優(yōu)化的不確定集合。上述備用模型在考慮風(fēng)電出力時(shí)多認(rèn)為其各時(shí)段之間相互獨(dú)立，不具有時(shí)序和趨勢(shì)聯(lián)系。在臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景下，不能有效反映臺(tái)風(fēng)軌跡-強(qiáng)度的連續(xù)變化對(duì)系統(tǒng)影響的一致性。

為了避免由于預(yù)測(cè)誤差過(guò)大導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)承受高額罰金，風(fēng)電場(chǎng)需要配備儲(chǔ)能，以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[18]。風(fēng)電場(chǎng)配置的有功輔助控制儲(chǔ)能一般采用DC/AC變流器連接至并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處，形成風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)[19]。文獻(xiàn)[20]提出了一種考慮運(yùn)行成本控制的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)度模式，通過(guò)預(yù)設(shè)運(yùn)行成本以實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)量與機(jī)組啟停費(fèi)用之間平衡；文獻(xiàn)[21]建立了考慮超短期預(yù)測(cè)信息的滾動(dòng)協(xié)調(diào)調(diào)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了多時(shí)間尺度下的有功調(diào)度模式。上述風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)度方法主要聚焦于如何在保障風(fēng)電消納量的同時(shí)控制開(kāi)關(guān)機(jī)成本以及減少預(yù)測(cè)誤差所導(dǎo)致的懲罰成本。在高風(fēng)停機(jī)的極端場(chǎng)景中，風(fēng)電場(chǎng)在停機(jī)前均運(yùn)行于滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)，風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能無(wú)出力跟蹤需求。

為此，本文考慮利用儲(chǔ)能控制靈活、快速響應(yīng)的特性，利用風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能提供一部分備用平抑高風(fēng)停機(jī)事件下的風(fēng)電出力爬坡，形成風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在極端風(fēng)況下的韌性調(diào)度策略，以提高系統(tǒng)韌性和減少棄風(fēng)。首先，通過(guò)當(dāng)前和歷史臺(tái)風(fēng)信息，利用全生命周期模擬方法建立臺(tái)風(fēng)的軌跡-強(qiáng)度模型，得到包含高風(fēng)停機(jī)事件的預(yù)測(cè)風(fēng)功率分布魯棒模糊集；然后，基于風(fēng)電爬坡的系統(tǒng)備用需求和儲(chǔ)能的快速出力特性，建立含風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的日前-實(shí)時(shí)兩階段調(diào)度框架；最后，通過(guò)IEEE-RTS系統(tǒng)驗(yàn)證所提調(diào)度策略的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

1 海上風(fēng)電高風(fēng)停機(jī)特性及其影響分析

風(fēng)電機(jī)組高風(fēng)停機(jī)往往出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)等極端天氣下，一方面具有出力幅值變化大、爬坡速率快的特點(diǎn)；另一方面由于氣象預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，目前臺(tái)風(fēng)過(guò)境過(guò)程中高風(fēng)停機(jī)引起的風(fēng)電爬坡事件難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[22]，高風(fēng)停機(jī)事件是否發(fā)生、關(guān)停時(shí)間點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間和重新切入時(shí)間點(diǎn)均具有不確定性。日前調(diào)度階段系統(tǒng)調(diào)度員需要基于不確定的場(chǎng)景信息安排調(diào)度計(jì)劃。

1.1 基于臺(tái)風(fēng)軌跡全生命周期模擬的高風(fēng)停機(jī)事件

在日前調(diào)度階段，系統(tǒng)操作員需要根據(jù)考慮HWSS的風(fēng)電預(yù)測(cè)功率制定機(jī)組啟停計(jì)劃和備用安排。臺(tái)風(fēng)過(guò)境過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)輪轂處的風(fēng)速取決于臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速分布和臺(tái)風(fēng)與風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置，當(dāng)風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置檢測(cè)到陣風(fēng)強(qiáng)度或平均風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的切出風(fēng)速時(shí)，觸發(fā)高風(fēng)停機(jī)。

評(píng)估臺(tái)風(fēng)危害和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，臺(tái)風(fēng)完整生命周期包含海上形成-發(fā)展-登陸-衰減4個(gè)階段[23]。研究對(duì)陸上風(fēng)電的風(fēng)速影響時(shí)一般只考慮臺(tái)風(fēng)登陸后的衰減過(guò)程，而目前發(fā)展中的海上風(fēng)電一般處于淺海區(qū)域，過(guò)境臺(tái)風(fēng)近岸發(fā)展-登陸-衰減過(guò)程均對(duì)其風(fēng)速預(yù)測(cè)有影響。因此，本文采用基于物理-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的臺(tái)風(fēng)軌跡全生命周期模擬方法生成多風(fēng)速預(yù)測(cè)場(chǎng)景，描述調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)速變化及其不確定性，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的出力-風(fēng)速曲線(xiàn)，形成考慮高風(fēng)停機(jī)事件的風(fēng)電機(jī)組可用出力模糊集合。

基于馬爾科夫鏈的臺(tái)風(fēng)軌跡模型為[24]：

vt=a1+a2vt-1+a3vt-2+v

(1)

θt=b1+b2θt-1+b3θt-2+b4φt-1+b5λt-1θ

(2)

式中：vt和θt表示當(dāng)前時(shí)段的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度與前進(jìn)方向；vt-1、vt-2與θt-1、θt-2表示前兩個(gè)時(shí)段的對(duì)應(yīng)變量；a1、a2、a3，b1、b2、b3、b4、b5為軌跡發(fā)展模型的系數(shù)；臺(tái)風(fēng)當(dāng)前時(shí)段前進(jìn)方向還與上一時(shí)段臺(tái)風(fēng)所處的經(jīng)度φt-1和緯度λt-1相關(guān)；v與θ為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

當(dāng)臺(tái)風(fēng)處于海上發(fā)展階段時(shí)，其強(qiáng)度變化受到地區(qū)季節(jié)狀況的限制，表示臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo)中心氣壓降需要根據(jù)海洋表面溫度、相對(duì)濕度、大氣對(duì)流層頂部溫度等區(qū)域的氣候指標(biāo)標(biāo)幺化為相對(duì)強(qiáng)度[25]：

(3)

It=c1+c2It-1+c3It-2+I

(4)

式中：It為臺(tái)風(fēng)當(dāng)前時(shí)段相對(duì)強(qiáng)度；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，取101.3 kPa;Δpt為中心氣壓降；RH表示相對(duì)濕度；x為最小可持續(xù)中心壓力表面值與環(huán)境干燥空氣分壓表面值之比；c1、c2、c3表示強(qiáng)度發(fā)展模型的系數(shù)；es表示飽和蒸汽壓強(qiáng)；I表示隨機(jī)誤差項(xiàng)。

Δpt=ΔpLexp(-dΔt)

(5)

Δt=t-tL

(6)

d=d0+d1(ΔpLvL/Rmw)

(7)

式中：ΔpL與vL分別為登陸時(shí)的中心氣壓降和移動(dòng)速度；t表示當(dāng)前時(shí)刻；tL表示登陸時(shí)刻；Δt為登陸后經(jīng)過(guò)時(shí)間；d為衰減系數(shù)；Rmw為最大風(fēng)速半徑；d0與d1為根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得到的衰減常數(shù)。

上述臺(tái)風(fēng)軌跡-強(qiáng)度模型式(3)—(7)中的系數(shù)a1、a2、a3，b1、b2、b3、b4、b5，c1、c2、c3均由所模擬區(qū)域的歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)通過(guò)自回歸方法確定。隨機(jī)誤差項(xiàng)v、θ、I則通過(guò)歷史數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中殘差項(xiàng)所構(gòu)成的經(jīng)驗(yàn)分布獲得[26]。

聯(lián)合臺(tái)風(fēng)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的軌跡-強(qiáng)度模型與基于物理特征的梯度風(fēng)和風(fēng)切面模型[27]，可以計(jì)算風(fēng)機(jī)輪轂處的時(shí)變風(fēng)速，進(jìn)一步根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速-出力曲線(xiàn)得到風(fēng)電機(jī)組預(yù)測(cè)功率的時(shí)序曲線(xiàn)[28]。由于誤差項(xiàng)計(jì)及了全生命周期發(fā)展過(guò)程中的隨機(jī)性，通過(guò)蒙特卡洛模擬可以得到描述風(fēng)電預(yù)測(cè)功率與負(fù)荷不確定性的多場(chǎng)景模糊集，其中負(fù)荷的波動(dòng)假設(shè)滿(mǎn)足正態(tài)分布。

(8)

1.2 高風(fēng)停機(jī)事件關(guān)停策略對(duì)系統(tǒng)備用影響分析

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范文件中規(guī)定：正常運(yùn)行情況下有功功率變化需滿(mǎn)足1 min和10 min時(shí)間尺度的變化限值，具體如表1所示[29]。

表1 正常運(yùn)行情況下風(fēng)電場(chǎng)功率變化限值Table 1 Power variation limit of wind farm under normal operation

不同時(shí)間尺度的風(fēng)電出力變化所需要的調(diào)節(jié)資源不同，1 min時(shí)間尺度的風(fēng)電出力變化需要響應(yīng)速度快的調(diào)頻備用進(jìn)行平衡，而10 min時(shí)間尺度的風(fēng)電出力變化對(duì)調(diào)節(jié)資源的響應(yīng)速度要求相對(duì)較低，可利用系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用進(jìn)行平衡。此外，技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，允許出現(xiàn)因風(fēng)速降低或風(fēng)速超出切出風(fēng)速而引起的風(fēng)電場(chǎng)出力變化超過(guò)最大變化限值的情況，因此，在高風(fēng)停機(jī)引起的爬坡事件中，風(fēng)電場(chǎng)的有功出力變化往往取決于風(fēng)電場(chǎng)所采用的關(guān)停策略。

基于風(fēng)電場(chǎng)的測(cè)風(fēng)塔所收集的風(fēng)速和風(fēng)向，可以得到風(fēng)電機(jī)組達(dá)到切出風(fēng)速的最短時(shí)間，即關(guān)停時(shí)點(diǎn)[11]。在關(guān)停時(shí)點(diǎn)前，風(fēng)電場(chǎng)可以靈活安排風(fēng)電場(chǎng)出力，一方面，提前分批關(guān)停風(fēng)電機(jī)組降低風(fēng)電場(chǎng)出力，可以降低風(fēng)電爬坡率，減少對(duì)系統(tǒng)向上爬坡旋轉(zhuǎn)備用的需求；另一方面，過(guò)早安排風(fēng)電機(jī)組關(guān)停，會(huì)產(chǎn)生大量棄風(fēng)，影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度需要綜合考慮系統(tǒng)中機(jī)組的備用裕度、啟停成本、棄風(fēng)成本等因素進(jìn)行效益分析以權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

2 考慮海上風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的多備用系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型

2.1 兩階段分布魯棒優(yōu)化

本文建立考慮風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避的兩階段分布魯棒優(yōu)化模型，如下所示：

(9)

式中：x表示第一階段即日前機(jī)組組合的決策變量，包括機(jī)組啟停、日前預(yù)設(shè)出力和備用安排；x∈X表示考慮第一階段的約束條件；f(x)和QDRO(·)分別為第一和第二階段的目標(biāo)函數(shù)；ξ表示實(shí)時(shí)調(diào)度中的隨機(jī)變量，包括風(fēng)電場(chǎng)的可用出力和負(fù)荷波動(dòng)；CVaR,β為第二階段優(yōu)化問(wèn)題在置信度為β下的條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值；(·)表示期望；ρ為表征風(fēng)險(xiǎn)厭惡的參數(shù)，ρ值越小，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)厭惡程度越高。

2.2 日前小時(shí)級(jí)日前機(jī)組組合和備用安排

考慮到電能量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)之間耦合聯(lián)系，可分為聯(lián)合出清和順序出清兩種方式[30]。本文中日前市場(chǎng)采用了電能與調(diào)頻備用、旋轉(zhuǎn)備用聯(lián)合出清的方式，以保障所提出的機(jī)組組合與備用方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

第一階段的目標(biāo)函數(shù)主要包括機(jī)組的啟停成本和備用成本，表示如下：

(10)

第一階段的約束條件主要包括機(jī)組啟停、出力和備用容量約束和系統(tǒng)備用需求約束。

1)機(jī)組約束：

(11)

(12)

(13)

(14)

ug,t=ug,0,?t∈{1,…,tUR,g+tDR,g}

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式(11)—(15)表示機(jī)組的啟停約束；式(16)與(17)表示考慮備用的機(jī)組出力上下限約束；式(18)—(21)表示機(jī)組的備用容量約束，分別考慮了常規(guī)機(jī)組向上/向下的調(diào)頻與旋轉(zhuǎn)備用約束；式(22)與(23)表示機(jī)組的向上和向下1 h爬坡約束。

2)系統(tǒng)備用需求約束：

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

式(24)與(25)表示系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用約束，考慮了系統(tǒng)中常規(guī)機(jī)組事故停機(jī)的緊急備用與風(fēng)電機(jī)組向下爬坡事件所需的系統(tǒng)向上旋轉(zhuǎn)備用；式(26)為考慮風(fēng)電機(jī)組向上爬坡事件的系統(tǒng)向下旋轉(zhuǎn)備用需求，式(25)與(26)說(shuō)明，系統(tǒng)所需提供的旋轉(zhuǎn)備用容量隨著一定時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)風(fēng)電功率爬坡幅值的增大而增大；式(27)與(28)表示系統(tǒng)所需的調(diào)頻備用容量，系統(tǒng)所需的調(diào)頻備用容量由預(yù)測(cè)的系統(tǒng)負(fù)荷和風(fēng)電出力確定，用于應(yīng)對(duì)短時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)和由陣風(fēng)引起的風(fēng)電機(jī)組分鐘級(jí)的出力波動(dòng)。

2.3 實(shí)時(shí)次小時(shí)級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

為分析實(shí)時(shí)調(diào)度對(duì)日前調(diào)度的影響，在隨機(jī)事件發(fā)生后，對(duì)給定的第一階段優(yōu)化變量x，構(gòu)建第二階段的追索問(wèn)題。第二階段優(yōu)化變量y考慮了棄風(fēng)、切負(fù)荷和發(fā)電機(jī)組切機(jī)，追索問(wèn)題的可行解非空，因此該問(wèn)題為完全追索問(wèn)題(full recourse problem)。

為適應(yīng)風(fēng)電出力在小時(shí)內(nèi)的快速變化和波動(dòng)，本文在實(shí)時(shí)調(diào)度階段采用了次小時(shí)級(jí)(10 min)的時(shí)間尺度，反映了實(shí)際調(diào)度過(guò)程中發(fā)電機(jī)組出力的連續(xù)調(diào)節(jié)過(guò)程,以避免機(jī)組小時(shí)級(jí)階躍變化違反爬坡約束影響調(diào)度方案的可行性[31-32]。

第二階段的目標(biāo)函數(shù)主要包括實(shí)時(shí)調(diào)度階段可能出現(xiàn)的切負(fù)荷成本、切機(jī)成本、棄風(fēng)成本和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電成本，表示如下：

(29)

第二階段的約束條件主要包括網(wǎng)側(cè)運(yùn)行約束和風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行約束。

1)電網(wǎng)側(cè)約束：

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

式(30)表示實(shí)時(shí)調(diào)度中計(jì)及旋轉(zhuǎn)備用的常規(guī)機(jī)組出力范圍；式(31)表示機(jī)組的切機(jī)容量不能超過(guò)日前調(diào)度中預(yù)設(shè)的機(jī)組出力；式(32)表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j線(xiàn)路的輸電容量約束；式(33)表示切負(fù)荷值不能超過(guò)實(shí)際負(fù)荷；式(34)表示節(jié)點(diǎn)的功角約束；式(35)與(36)表示次小時(shí)常規(guī)機(jī)組出力的向上/向下爬坡約束；式(37)表示次小時(shí)調(diào)度中的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率平衡約束。

2)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行約束：

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

儲(chǔ)能的快速出力特性可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)注入系統(tǒng)的功率，式(38)表示風(fēng)電場(chǎng)考慮儲(chǔ)能裝置充放電的功率平衡約束；式(39)表示t小時(shí)時(shí)段內(nèi)每一個(gè)相鄰次小時(shí)時(shí)段的風(fēng)電機(jī)組出力向上/向下爬坡都小于日前調(diào)度中的風(fēng)電向上/向下爬坡預(yù)設(shè)值，從而保證在實(shí)時(shí)調(diào)度中出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組快速爬坡事件時(shí)系統(tǒng)能提供足夠的旋轉(zhuǎn)備用；式(40)表示日前調(diào)度中設(shè)置調(diào)頻備用的風(fēng)電預(yù)測(cè)功率應(yīng)大于實(shí)時(shí)調(diào)度中各小時(shí)時(shí)段風(fēng)電功率，滿(mǎn)足多場(chǎng)景的調(diào)頻需求；式(41)—(43)表示實(shí)時(shí)調(diào)度中考慮棄風(fēng)的風(fēng)電場(chǎng)出力約束；式(44)與(45)表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電約束；式(46)表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)變化；式(47)表示一個(gè)調(diào)度周期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)段的荷電狀態(tài)應(yīng)保持一致。

2.4 模型的確定性轉(zhuǎn)化

式(9)中的兩階段分布魯棒優(yōu)化含有min-max問(wèn)題，無(wú)法直接求解。首先通過(guò)拉格朗日對(duì)偶進(jìn)行確定性轉(zhuǎn)化[33]：

(49)

(50)

3 算例分析

3.1 算例設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置

表2 風(fēng)電機(jī)組型號(hào)與參數(shù)Table 2 The type and parameters of wind turbines

陸上可調(diào)度儲(chǔ)能與海上風(fēng)電場(chǎng)中的儲(chǔ)能在極端場(chǎng)景下都可以接受調(diào)度中心控制發(fā)揮儲(chǔ)能的快速出力特性，提升系統(tǒng)韌性，已有文獻(xiàn)對(duì)包含風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的站內(nèi)儲(chǔ)能在內(nèi)多類(lèi)型儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)調(diào)度進(jìn)行了相關(guān)研究[35-36]。本文從韌性調(diào)度策略魯棒性的角度出發(fā)，僅考慮了海上風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中所配置的儲(chǔ)能。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Simulation case

3.2 調(diào)度策略效果對(duì)比分析

不同調(diào)度策略下的結(jié)果如表4所示，所有算例中均未出現(xiàn)切機(jī)，各算例極端場(chǎng)景中調(diào)度期間累計(jì)出現(xiàn)0.18、0.10、0.03、0.20、0.01、0.14、0.01 pu的切負(fù)荷，系統(tǒng)小時(shí)峰值負(fù)荷為29.36 pu。

表4 算例的結(jié)果對(duì)比Table 4 Result comparison of different cases

由算例1與算例2的比較可知，臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間考慮風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)調(diào)度具有更好的經(jīng)濟(jì)性。采用基于軌跡-強(qiáng)度模型的風(fēng)速場(chǎng)景來(lái)安排風(fēng)電場(chǎng)的出力，相比于在臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間直接關(guān)停風(fēng)電場(chǎng)，第一階段目標(biāo)函數(shù)降低了4.26%。風(fēng)速高于額定風(fēng)速但未達(dá)到切出風(fēng)速的調(diào)度期間，風(fēng)電機(jī)組可用出力為其額定功率，該部分出力減少了常規(guī)機(jī)組發(fā)電燃料成本4.62×104美元。算例2相比算例1第二階段的目標(biāo)函數(shù)降低了57.63%，主要是由于高峰負(fù)荷階段，風(fēng)電場(chǎng)的出力減少了系統(tǒng)切負(fù)荷所造成的經(jīng)濟(jì)損失。

比較算例2、3與算例4、5可知，考慮棄風(fēng)成本后，系統(tǒng)的棄風(fēng)量減少，但常規(guī)機(jī)組的調(diào)度成本上升。算例4、5中增加的風(fēng)電消納量降低了常規(guī)機(jī)組的燃料成本，算例4中燃料成本相比算例2減少4.70×104美元，但旋轉(zhuǎn)備用成本和調(diào)頻備用成本分別增加8.82×104美元和1.91×104美元。在風(fēng)電高風(fēng)停機(jī)、重新切入和臺(tái)風(fēng)登陸后衰減過(guò)程中風(fēng)電出力急劇變化，要求跟隨風(fēng)電出力的同時(shí)保證系統(tǒng)的供需平衡，日前調(diào)度中常規(guī)機(jī)組需要提供大量的旋轉(zhuǎn)備用容量，因此從系統(tǒng)發(fā)電成本的角度來(lái)看，完全消納和跟隨臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景下的風(fēng)電場(chǎng)出力，并不是經(jīng)濟(jì)性最高的方案。

在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)配置儲(chǔ)能，與風(fēng)電場(chǎng)形成風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，在極端臺(tái)風(fēng)天氣下，有利于提高系統(tǒng)對(duì)可用風(fēng)能的消納作用和系統(tǒng)可靠性。比較算例2與3，算例4與5可知，在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)參與協(xié)調(diào)調(diào)度后，極端場(chǎng)景下的切負(fù)荷值分別降低了70%和95%，負(fù)荷的供電可靠性提升；極端場(chǎng)景下的棄風(fēng)量分別減少了4.60 、3.59 pu，燃料成本降低了2.13×104和0.88×104美元，進(jìn)一步提高了風(fēng)能的消納。此外，在考慮棄風(fēng)成本，即要求系統(tǒng)盡可能消納風(fēng)能時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)快速出力特性改善系統(tǒng)靈活性的效果更為顯著，算例5相比于算例4，其旋轉(zhuǎn)備用成本降低了1.41×104美元，在消納更多風(fēng)能的同時(shí)，減少了常規(guī)機(jī)組所需備用。

各算例中為滿(mǎn)足系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)向下爬坡所需的向上旋轉(zhuǎn)備用容量如圖1所示。算例2、3中所需的旋轉(zhuǎn)備用低于算例4、5，在不考慮棄風(fēng)成本時(shí)，消納更多風(fēng)能導(dǎo)致的備用成本和機(jī)組啟停成本高于減少的燃料成本，因此調(diào)度策略?xún)A向于棄風(fēng)以減少運(yùn)行成本。在算例4、5中，向上旋轉(zhuǎn)備用需求最高的分別是06:00—08:00和20:00—24:00兩個(gè)時(shí)段，06:00—08:00期間隨著臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)中心與風(fēng)電場(chǎng)逐漸接近，風(fēng)速超過(guò)風(fēng)電機(jī)組的切出風(fēng)速觸發(fā)高風(fēng)停機(jī)，快速爬坡導(dǎo)致的功率缺額需要由旋轉(zhuǎn)備用進(jìn)行補(bǔ)償；20:00—24:00期間由于臺(tái)風(fēng)登陸后失去動(dòng)力來(lái)源，強(qiáng)度衰減的同時(shí)逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)，因此風(fēng)電場(chǎng)處風(fēng)速低于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速且快速下降，對(duì)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用需求再次升高。第二次備用高峰的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)殡S著模擬時(shí)間的增長(zhǎng)，各場(chǎng)景的風(fēng)功率預(yù)測(cè)中爬坡事件發(fā)生的時(shí)間不確定增大，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)在多場(chǎng)景下的可靠運(yùn)行，需要安排更為充足的備用。

圖1 不同算例中風(fēng)電場(chǎng)所需向上旋轉(zhuǎn)備用Fig.1 Up spinning reserve required of wind farms in different cases

以棄風(fēng)量最大的場(chǎng)景17中風(fēng)機(jī)切出過(guò)程為例，對(duì)儲(chǔ)能裝置在風(fēng)電爬坡事件中的效用進(jìn)行研究。根據(jù)臺(tái)風(fēng)模擬和風(fēng)場(chǎng)模型得到的風(fēng)功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)如圖2所示，風(fēng)電場(chǎng)2中機(jī)組在06:30風(fēng)速超出切出風(fēng)速，因此機(jī)組在此時(shí)間前需關(guān)停。在不考慮儲(chǔ)能參與韌性調(diào)度的算例4中，風(fēng)電場(chǎng)的出力受限于高風(fēng)停機(jī)快速爬坡所需的旋轉(zhuǎn)備用，風(fēng)電場(chǎng)從06:00開(kāi)始逐步降低功率和關(guān)停，其間共產(chǎn)生棄風(fēng)量為2.67 pu。

圖2 儲(chǔ)能對(duì)高風(fēng)停機(jī)事件期間風(fēng)電消納的影響Fig.2 Effects of energy storage system on wind power accommodation during HWSS events

在韌性調(diào)度策略下，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用其雙向出力和快速調(diào)節(jié)特性，通過(guò)在關(guān)停前時(shí)段充電，在關(guān)停時(shí)段放電，平滑了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)整體的輸出功率，使得系統(tǒng)在不增加備用需求的條件下，可以暫緩風(fēng)電機(jī)組的關(guān)停。在風(fēng)電場(chǎng)按照5%、10%和15%的容量進(jìn)行儲(chǔ)能配置并參與韌性調(diào)度的算例6、5、7中，棄風(fēng)量分別減少了34%、74%、85%。如表4所示，儲(chǔ)能容量的提高在有效減少風(fēng)電場(chǎng)在高風(fēng)停機(jī)事件中棄風(fēng)量的同時(shí)，降低了常規(guī)機(jī)組的燃料成本和系統(tǒng)所需的旋轉(zhuǎn)備用，算例6、5、7相比于算例4，總運(yùn)行成本分別降低了6.7%、8.0%、10.3%。

4 結(jié) 論

為了應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間包含高風(fēng)停機(jī)事件在內(nèi)的風(fēng)電爬坡事件對(duì)系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的影響，提升極端天氣下系統(tǒng)的調(diào)度韌性，結(jié)合臺(tái)風(fēng)的全生命周期模擬方法，本文提出了一種考慮海上風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的次小時(shí)多備用韌性調(diào)度策略。通過(guò)仿真算例驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)所提出的調(diào)度策略能夠合理安排日前機(jī)組組合、備用安排和實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃，在不確定臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景下確定風(fēng)電場(chǎng)的出力，在高可靠性的前提下盡可能消納風(fēng)能以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2)在包含高風(fēng)停機(jī)等風(fēng)功率快速爬坡的場(chǎng)景中，完全跟隨風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)功率進(jìn)行調(diào)度會(huì)顯著提高系統(tǒng)備用需求，在不考慮棄風(fēng)成本時(shí)可能會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3)利用儲(chǔ)能的快速充放電特性，可以平滑風(fēng)電爬坡速率，減少常規(guī)機(jī)組備用負(fù)擔(dān)，幫助系統(tǒng)消納更多風(fēng)能。