出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

張紅偉 鄒相國

出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

張紅偉 鄒相國

（湖北省電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度技術(shù)受出力波動(dòng)影響較大，導(dǎo)致風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度目標(biāo)與實(shí)際調(diào)度結(jié)果誤差較大的問題，提出一種優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。首先，分析出力波動(dòng)對(duì)風(fēng)電儲(chǔ)能的影響過程，獲得判斷波動(dòng)特征量；然后，建立出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度模型；接著，優(yōu)化風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)出力波動(dòng)變量的全局優(yōu)化，提升風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度精準(zhǔn)度，增強(qiáng)調(diào)度參量對(duì)出力波動(dòng)影響系數(shù)的抗擾定力；最后，通過數(shù)據(jù)調(diào)試進(jìn)一步證明了該優(yōu)化調(diào)度技術(shù)的有效性與可實(shí)現(xiàn)性。

風(fēng)電出力波動(dòng)；風(fēng)電儲(chǔ)能；調(diào)度技術(shù)；調(diào)度尺度模型；調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

0 引言

為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，我國積極推動(dòng)風(fēng)電并網(wǎng)。目前，全國累計(jì)裝機(jī)容量超過3.4億瓦[1]。隨著我國電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力要求的不斷提高，風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后的調(diào)峰調(diào)頻也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后的調(diào)峰調(diào)頻存在不穩(wěn)定、制約較大等風(fēng)險(xiǎn)。為降低以上風(fēng)險(xiǎn)，一般利用儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電出力波動(dòng)性，即出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。

針對(duì)出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，現(xiàn)有的研究主要從電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，如在考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電-熱系統(tǒng)混合時(shí)間尺度調(diào)度方法[2]；提出考慮風(fēng)光出力季節(jié)性波動(dòng)的儲(chǔ)能容量配置方法[3]；建立考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的柔性負(fù)荷日內(nèi)調(diào)度模型[4]；設(shè)計(jì)基于平抑風(fēng)光出力波動(dòng)的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法[5]等，但上述方法調(diào)度效果與設(shè)計(jì)預(yù)期存在較大差距。為此，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)函數(shù)模型，對(duì)發(fā)電計(jì)劃模型進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效果。

基于此優(yōu)化思路，本文充分考慮風(fēng)電出力波動(dòng)影響下的調(diào)度目標(biāo)，在分析出力波動(dòng)影響過程的基礎(chǔ)上，提出一種新的優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，以獲得較好的調(diào)度優(yōu)化效果。

1　優(yōu)化調(diào)度技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.1　出力波動(dòng)影響過程分析

根據(jù)風(fēng)電儲(chǔ)能的特征可知，電能存儲(chǔ)速率與天氣密切關(guān)聯(lián)[6-7]。在風(fēng)力資源充足的狀態(tài)下，電能存儲(chǔ)速率的時(shí)間序列和存儲(chǔ)信號(hào)均處于低頻狀態(tài)；而出力波動(dòng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)擾動(dòng)序列為高頻隨機(jī)出力，需對(duì)其進(jìn)行分離濾波處理，以獲得更精準(zhǔn)的出力波動(dòng)影響。但考慮到高頻隨機(jī)出力在濾波過程中電能存儲(chǔ)存在不規(guī)則湍流運(yùn)動(dòng)[8-9]，需要先進(jìn)行獨(dú)立濾波，提取高頻隨機(jī)出力分布區(qū)域的序列輪廓，再根據(jù)風(fēng)電儲(chǔ)能波動(dòng)的幅度與寬度（持續(xù)時(shí)間）的差值，獲取最終的出力波動(dòng)影響。濾波前后的高頻隨機(jī)出力分布區(qū)域的序列輪廓，如圖1所示。

圖1　濾波前后的高頻隨機(jī)出力分布區(qū)域的序列輪廓

由圖1可知，濾波后的高頻隨機(jī)出力分布區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定，為后續(xù)更好地分析高頻隨機(jī)出力的波動(dòng)特征奠定了基礎(chǔ)。出力波動(dòng)影響下的高頻隨機(jī)出力分布區(qū)域的序列輪廓對(duì)應(yīng)的時(shí)間量為多個(gè)不同起伏變化的波動(dòng)量構(gòu)成的時(shí)間序列。若將其中某一個(gè)時(shí)間波動(dòng)值放大至最大值，再將其縮小至最小值，且對(duì)應(yīng)到下一個(gè)波動(dòng)出力位置，則這一過程可視為一次出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能波動(dòng)，該過程可通過數(shù)學(xué)模型表達(dá)為

1.2　出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度模型

圖2　風(fēng)電儲(chǔ)能設(shè)備高斯分量擬合效果

出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度高斯擬合屬于一維高斯混合模型，其表達(dá)式為

出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度模型以8組風(fēng)電儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，修改其中任意一組風(fēng)電儲(chǔ)能設(shè)備的分量系數(shù)，得到的擬合效果如圖2所示。

由圖2可知，一維分量高斯混合的擬合效果最好。

因此，一維分量高斯混合可以更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度擬合，以此構(gòu)建一維高斯混合擬合后的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度模型為

1.3　風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

對(duì)出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度模型的調(diào)度函數(shù)進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)風(fēng)電儲(chǔ)能效果與時(shí)間分布之間的特征，將調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的時(shí)間量劃分為24個(gè)時(shí)段。

基于24個(gè)優(yōu)化目標(biāo)時(shí)間量，可得到出力波動(dòng)影響下相同調(diào)度尺度風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度的初始目標(biāo)函數(shù)為

為保護(hù)風(fēng)電儲(chǔ)能單元，在調(diào)度目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的過程中，需對(duì)出力波動(dòng)影響下的電能調(diào)度狀態(tài)進(jìn)行約束。約束函數(shù)的計(jì)算公式為

出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度目標(biāo)的綜合優(yōu)化函數(shù)為

調(diào)度過程中的有功系數(shù)量平衡關(guān)系函數(shù)為

關(guān)聯(lián)環(huán)境時(shí)間因素，整理得到風(fēng)電儲(chǔ)能波動(dòng)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)的出力約束為

考慮到多個(gè)擬合分量之間的約束融合關(guān)系，可得到

經(jīng)過整理計(jì)算，得到最終的調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

2　應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證本文提出的出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)的可行性，進(jìn)行仿真測(cè)試。為保證測(cè)試的客觀準(zhǔn)確，引入基于波動(dòng)特性的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度模型（對(duì)比方法1）、基于出力時(shí)間序列風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度方法（對(duì)比方法2）作為對(duì)比方法。在設(shè)定的測(cè)試條件下，對(duì)比不同指標(biāo)差異，并加以分析得出測(cè)試結(jié)論。

2.1　測(cè)試數(shù)據(jù)

采用2021年6～10月某風(fēng)電儲(chǔ)能數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。在MATLAB仿真環(huán)境下完成測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)化配置與測(cè)試流程的執(zhí)行、分析。測(cè)試數(shù)據(jù)樣本量與執(zhí)行量均采用隨機(jī)的方式產(chǎn)生，測(cè)試內(nèi)容為調(diào)度響應(yīng)測(cè)試、出力波動(dòng)抗擾性能測(cè)試與調(diào)度誤差測(cè)試3項(xiàng)。

2.2　調(diào)度響應(yīng)測(cè)試

基于MATLAB仿真環(huán)境，在風(fēng)電儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽取500組數(shù)據(jù)樣本，摻雜出力波動(dòng)擾動(dòng)數(shù)據(jù)后，生成測(cè)試樣本信號(hào)。通過MATLAB工具將測(cè)試樣本信號(hào)發(fā)送至對(duì)比方法1、對(duì)比方法2、本文方法進(jìn)行調(diào)度處理，由MATLAB工具中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)調(diào)度響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，并生成圖3所示曲線。

圖3　3種調(diào)度方法在出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)比圖3可知：圖3(a)中風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度響應(yīng)曲線的響應(yīng)值域范圍為103～158 ms，隨著調(diào)度樣本的增加，波動(dòng)變得越發(fā)激烈，結(jié)合出力波動(dòng)擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，其受到出力波動(dòng)擬合不足的影響，說明對(duì)比方法1存在局部調(diào)度響應(yīng)延遲的現(xiàn)象，結(jié)合風(fēng)電儲(chǔ)能的調(diào)度特征，該調(diào)度響應(yīng)結(jié)果不滿足調(diào)度響應(yīng)指標(biāo)要求；圖3(b)中風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度響應(yīng)曲線整體波動(dòng)較為劇烈，根據(jù)出力波動(dòng)擬合曲線分析，調(diào)度過程受到激烈波動(dòng)的影響，其響應(yīng)值域范圍為113～170 ms，調(diào)度響應(yīng)時(shí)間區(qū)間偏大，易出現(xiàn)調(diào)度偏差；圖3(c)中風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度響應(yīng)曲線相對(duì)平穩(wěn)，出力波動(dòng)的擬合效果與調(diào)度響應(yīng)指標(biāo)達(dá)到平衡，可以判定本文方法調(diào)度響應(yīng)效果較好。

2.3　出力波動(dòng)抗擾性能測(cè)試

分別測(cè)試瞬時(shí)出力波動(dòng)與連續(xù)出力波動(dòng)的抗擾性能，結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4　3種調(diào)度方法的瞬時(shí)出力波動(dòng)抗擾性能

圖5　3種調(diào)度方法的連續(xù)出力波動(dòng)抗擾性能

由圖4可知：在瞬時(shí)出力波動(dòng)擾動(dòng)下，對(duì)比方法1的抗擾曲線變化較大，在測(cè)試過程中后期出現(xiàn)明顯的波峰起伏，說明對(duì)比方法1的瞬時(shí)出力波動(dòng)抗擾性存在閾值權(quán)重控制缺陷；對(duì)比方法2抗擾曲線呈平滑上升趨勢(shì)，但上升幅度較大，經(jīng)過時(shí)間的積累，其后期抗擾性能存在不穩(wěn)定因素；本文方法抗擾曲線平滑，隨著時(shí)間的積累，抗擾強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)，說明該方法對(duì)瞬時(shí)出力波動(dòng)具有較好的控制能力。

由圖5可知：3種調(diào)度方法在連續(xù)出力波動(dòng)作用下，抗擾性能均有所減弱，其中對(duì)比方法1波動(dòng)擾動(dòng)最為劇烈；對(duì)比方法2波動(dòng)次數(shù)明顯增多，雖由波動(dòng)幅度可以看出其具有收斂作用，但整體收斂控制不足；本文方法抗擾強(qiáng)度明顯下滑，但中后期調(diào)度控制分量?jī)?yōu)化的收斂作用有效果，抗擾強(qiáng)度有所回升。

2.4　調(diào)度誤差測(cè)試

在上述測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)中，隨機(jī)抽取20組測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)其中的調(diào)度偏差值進(jìn)行提取統(tǒng)計(jì)，獲得調(diào)度誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1　調(diào)度誤差測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過橫向?qū)Ρ缺?數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本文方法的調(diào)度誤差明顯小于對(duì)比方法1、對(duì)比方法2的調(diào)度誤差值，說明本文提出的出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，能夠有效降低出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度偏差，提升調(diào)度穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，證明了本文方法具有可實(shí)現(xiàn)性。

3　結(jié)論

本文通過對(duì)出力波動(dòng)特征的分析，結(jié)合風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度現(xiàn)狀，在分析出力波動(dòng)影響過程的基礎(chǔ)上，利用一維高斯混合模型構(gòu)建了出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度尺度模型。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度，解決調(diào)度誤差偏大的問題，為風(fēng)電儲(chǔ)能及清潔能源儲(chǔ)能調(diào)度研究提供了一個(gè)新的研究思路。但受到風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合屬性的影響，無法將調(diào)度效果應(yīng)用到全局，造成局部能源調(diào)度系數(shù)與風(fēng)電儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化系數(shù)出現(xiàn)調(diào)度差值，進(jìn)而降低調(diào)度優(yōu)化效果。為避免這一問題，可嘗試設(shè)計(jì)一組分量控制系統(tǒng)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法或大數(shù)據(jù)融合算法等自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，對(duì)其調(diào)度變量進(jìn)行區(qū)域匹配，以此保證優(yōu)化效果，更好地適應(yīng)各種儲(chǔ)電調(diào)度應(yīng)用。

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Optimal Dispatching Technology of Wind Power Energy Storage under the Influence of Output Fluctuation

ZHANG Hongwei ZOU Xiangguo

(Power China Hubei Electric Engineering Co., Ltd., Wuhan 430040, China)

Aiming at the problem that the existing wind energy storage dispatching technology is greatly affected by output fluctuations, resulting in a large error between the wind energy storage dispatching goals and actual dispatching results, an optimized dispatching technology is proposed. Firstly, analyze the impact process of output fluctuations on wind power energy storage, and obtain the characteristic quantities for judging fluctuations; Then, establish a scale model for wind energy storage dispatching under the influence of output fluctuations; Next, optimize the objective function of wind energy storage dispatching, achieve global optimization of output fluctuation variables, improve the accuracy of wind energy storage dispatching, and enhance the anti-interference ability of dispatching parameters on the coefficient of output fluctuation; Finally, the effectiveness and feasibility of the optimized dispatching technology were further demonstrated through data debugging.

fluctuation output of wind power; wind power energy storage; dispatching technology; dispatching scale model; dispatching objective function

TM732

A

1674-2605(2023)04-0002-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.002

張紅偉，男，1981年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：新能源工程設(shè)計(jì)、管理等。E-mail: zhanghwsj@powerchina-hb.com

：張紅偉,鄒相國.出力波動(dòng)影響下的風(fēng)電儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)[J].自動(dòng)化與信息工程,2023,44(4):7-12;27.

ZHANG Hongwei, ZOU Xiangguo. Optimal dispatching technology of wind power energy storage under the influence of output fluctuation[J]. Automation & Information Engineering, 2023,44(4):7-12;27.