計(jì)及需求側(cè)管理的風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)度方法

段樹(shù)勛，張國(guó)棟

（山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)采用分布式發(fā)電方式，在運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)電、光伏電站聯(lián)合發(fā)電，為用戶提供電能。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，以及社會(huì)對(duì)可再生能源關(guān)注的不斷提高和重視，風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)逐漸取代傳統(tǒng)形式電網(wǎng)，成為當(dāng)前主流電網(wǎng)形式。但是，在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中如何合理調(diào)控風(fēng)電、光伏發(fā)電，使2 種電協(xié)調(diào)、互補(bǔ)，充分發(fā)揮出風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，成為目前電力企業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。科學(xué)、合理地調(diào)度不僅能夠提高清潔能源利用率，同時(shí)能促進(jìn)電網(wǎng)節(jié)能減排，滿足用戶的用電需求，對(duì)提高風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，因此對(duì)風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)度非常有必要。但目前現(xiàn)行的調(diào)度方式?jīng)]有考慮需求側(cè)管理因素，在調(diào)度過(guò)程中并沒(méi)有從引導(dǎo)用戶峰谷時(shí)段用電行為角度出發(fā)，導(dǎo)致調(diào)度決策并不合理，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)供電水平比較低，能量消納率處于一個(gè)較低的水平，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的調(diào)度效果。傳統(tǒng)方法已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求，為此提出計(jì)及需求側(cè)管理的風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)度方法。

1 設(shè)定調(diào)度原則和假設(shè)條件

根據(jù)風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)本身具有的特點(diǎn)，設(shè)定調(diào)度原則。在調(diào)度過(guò)程中，電網(wǎng)可以工作于互補(bǔ)、孤島2 種模式下，但是優(yōu)先考慮在孤島模式下運(yùn)行，如果風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)無(wú)法滿足孤島運(yùn)行需求，即在風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電條件下發(fā)電量小于用戶用電量，電網(wǎng)自身不能實(shí)現(xiàn)能量平衡或者功率平衡時(shí)，切換到風(fēng)電光伏并網(wǎng)運(yùn)行模式，即互補(bǔ)運(yùn)行模式[1,2]。在對(duì)電網(wǎng)調(diào)度前，為了保證調(diào)度決策符合電網(wǎng)自身特點(diǎn)以及運(yùn)行規(guī)律，提出以下假設(shè)條件。

假設(shè)1：在運(yùn)行過(guò)程中要最大限度地利用風(fēng)能、光伏發(fā)電的電能，目標(biāo)函數(shù)建立時(shí)不考慮棄光問(wèn)題，并且假設(shè)風(fēng)能、光伏出力能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到。

假設(shè)2：作為電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度問(wèn)題，不考慮風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障而退出運(yùn)行的情況，并且也不考慮從公用電網(wǎng)購(gòu)電的情況。

假設(shè)3：在調(diào)度過(guò)程中電網(wǎng)負(fù)荷分布特性是已知的，電網(wǎng)負(fù)荷只考慮固定負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷2 種。

2 生成目標(biāo)函數(shù)及約束條件

根據(jù)以上設(shè)定的調(diào)度原則和假設(shè)條件，以風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)運(yùn)行總費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，用公式表示為

式中：minH為風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)運(yùn)行總費(fèi)用的最小值；T為單位時(shí)間間隔；t為電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的周期數(shù)；P(t)為調(diào)度周期內(nèi)電網(wǎng)電能平均交易價(jià)格；M為電網(wǎng)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的種類數(shù)；Sb為風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)運(yùn)行中第b類可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的單位補(bǔ)償費(fèi)用；t1為電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移前運(yùn)行時(shí)段；t2為電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后運(yùn)行時(shí)段[3]。針對(duì)需求側(cè)管理，對(duì)于建立的目標(biāo)函數(shù)設(shè)定約束條件，其中包含電網(wǎng)功率平衡約束、風(fēng)電光伏出力約束以及儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率約束，用公式表示為

式中：Y為積極需求側(cè)管理的電網(wǎng)運(yùn)行約束條件；Pe為電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電交換功率；Pr為某一時(shí)段負(fù)荷的總負(fù)荷功率；Pc為風(fēng)電光伏發(fā)電功率；Wmin為風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的最小出力；W為某一時(shí)段的電網(wǎng)出力；Wmax為電網(wǎng)的最大出力；Smin為電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的下限；Smax為電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的上限。

3 最優(yōu)調(diào)度策略求解

由于符合約束條件的目標(biāo)函數(shù)解比較多，假設(shè)目標(biāo)函數(shù)可能解的數(shù)量為n，解集為N，利用粒子群算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解，從解集中搜索到最優(yōu)解，其計(jì)算流程如圖1 所示。

圖1 基于粒子群算法的求解流程

如圖1所示，假設(shè)解集中每個(gè)可能解為一個(gè)粒子，由n個(gè)粒子形成粒子群體，粒子群體在一個(gè)二維空間中對(duì)目標(biāo)粒子搜索，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)種群進(jìn)行初始化，設(shè)定初始參數(shù)，其中包括種群數(shù)量、最大迭代次數(shù)、交叉率以及變異率[4]。種群在搜索過(guò)程中進(jìn)行交叉、變異操作，更新粒子的位置與速度，用公式表示為

式中：vt+1為粒子種群交叉、變異操作后更新的速度；?為慣性權(quán)重；vt為上一時(shí)刻粒子種群搜索的速度；e為交叉率；g為變異率；v*為粒子種群初始化的速度；xt+1為粒子種群交叉、變異操作后更新的位置；xt為上一時(shí)刻的粒子種群位置[5]。通過(guò)交叉、變異后，生成新的種群，以此完成一次迭代計(jì)算。根據(jù)事先設(shè)定的最大迭代次數(shù)，檢驗(yàn)當(dāng)前的迭代情況是否滿足要求，如果沒(méi)有滿足迭代條件，則繼續(xù)對(duì)種群進(jìn)行交叉、變異操作；如果滿足了迭代條件，則利用適用度函數(shù)計(jì)算種群中每個(gè)粒子個(gè)體的適應(yīng)度值。適應(yīng)度值可以反映出更新后粒子個(gè)體位置與目標(biāo)位置之間的距離，適應(yīng)度值越大，則表示粒子距離目標(biāo)位置越近，輸出適應(yīng)度值最大的粒子個(gè)體，其對(duì)應(yīng)的解為目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，即電網(wǎng)最優(yōu)調(diào)度策略。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

完成需求側(cè)管理的風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)度方法設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中效果的檢驗(yàn)，采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)設(shè)計(jì)方法的可靠性與可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。以某風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該電網(wǎng)的光伏電源額定功率為120 kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的下限為0.25，上限為1.15，聯(lián)絡(luò)線路的最大功率約束為120 kW，蓄電池的額定容量為100 kW·h，額定充放電功率為45 kW。利用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)該電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度，為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的說(shuō)明性與可靠性，選擇2 種傳統(tǒng)方法作為比較對(duì)象。2 種傳統(tǒng)方法分別為基于用戶滿意度的調(diào)度方法和基于人工智能技術(shù)的調(diào)度方法，以下分別用傳統(tǒng)方法1 與傳統(tǒng)方法2 表示。實(shí)驗(yàn)中，令電網(wǎng)處于運(yùn)行狀態(tài)，將電網(wǎng)風(fēng)機(jī)最大出力設(shè)定為65.45 kW，光伏最大出力設(shè)定為45.36 kW。根據(jù)該電網(wǎng)的實(shí)際情況設(shè)定粒子群算法的參數(shù)：將粒子種群數(shù)量設(shè)定為200，交叉率設(shè)定為0.24，變異率設(shè)定為0.14，最大迭代次數(shù)設(shè)定為100。按照設(shè)計(jì)流程求出最優(yōu)調(diào)度策略，并進(jìn)行實(shí)施，評(píng)定具體調(diào)度效果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)以電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)電光伏能源消納率作為3 種方法調(diào)度效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，消納率可以反映出風(fēng)能、太陽(yáng)能用量占總發(fā)電量的比例，其值越高，則表示電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出的風(fēng)能、太陽(yáng)能使用程度以及資源利用率越高，電網(wǎng)的調(diào)度經(jīng)濟(jì)效果越好，計(jì)算公式為

式中：YU為風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的能源消納率；EN為風(fēng)電光伏發(fā)電的使用電量；SD為風(fēng)電光伏發(fā)電的總量。實(shí)驗(yàn)以時(shí)間為變量，每隔10 h 統(tǒng)計(jì)一次風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的能量消納率，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 3 種方法應(yīng)用下的電網(wǎng)消納率對(duì)比

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，3 種方法在能量消納率方面表現(xiàn)出明顯的差異。在設(shè)計(jì)方法應(yīng)用下，風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的消納率范圍為85.18%～87.58%，平均值為86.32%，說(shuō)明發(fā)出的風(fēng)能、光伏能源基本可以被使用；而2 種傳統(tǒng)方法應(yīng)用下，風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的消納率相對(duì)較低，傳統(tǒng)方法1 的消納率范圍為54.28%～56.42%，平均值為55.28%，比設(shè)計(jì)方法的消納率低將近32%，傳統(tǒng)方法2 的消納率范圍為52.41%～53.26%，平均值為52.61%，比設(shè)計(jì)方法的消納率低將近34%。本次實(shí)驗(yàn)證明了，從電網(wǎng)能源消納表現(xiàn)來(lái)看，設(shè)計(jì)方法優(yōu)于2 種傳統(tǒng)方法，能夠有效提升風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的消納能力，具有良好的調(diào)度效果，相比較2 種傳統(tǒng)方法更適用于風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)的調(diào)度。

5 結(jié) 論

調(diào)度是風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)管理與調(diào)控中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)協(xié)調(diào)調(diào)度使電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化。此次從需求側(cè)管理角度出發(fā)，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，提出了一個(gè)新的調(diào)度思路，有效增強(qiáng)了風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)消納能力，為計(jì)及需求側(cè)管理的風(fēng)電光伏互補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)度方法探究提供了參考依據(jù)，同時(shí)為實(shí)際調(diào)度操作提供了理論支撐，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。