大規模光伏電源接入下電力系統運行調度方法研究

張建功 劉 學 李 寧

（國網河北省電力有限公司滄州供電分公司，河北 滄州 061001）

0 引言

當前溫室氣體引發的全球氣候變化已成為全人類面臨的嚴重問題，積極應對氣候變化、發展低碳經濟已成為國際社會的普遍共識［1-2］。在這個背景下，發現并積極應用新清潔能源非常重要。為滿足國家對能源的使用需求及對環境的改善需求，我國也在積極應用清潔能源。近年來，我國在電力系統中接入大量的光伏、風力等清潔能源電源，用新能源發電來替代傳統火電，以解決電力行業發展帶來的能源緊缺和環境污染問題［3］。電力是人們日常生活中不可或缺的能源，對人民的工作和生活都有著重要影響［4］。電力缺乏將導致各個領域無法有序運行。我國電力工業歷史悠久，相關研究也已經取得了眾多成果，且伴隨社會經濟進步，我國人均用電量也越來越大，故對大規模光伏電源接入電力系統的優化調度方法研究是非常重要的。

光伏發電主要依賴太陽能，易受天氣等因素的影響，整體不確定性較高，輸配電波動較大，直接影響電力系統的運行安全性。此外，受地形、地理等因素的影響，容易出現光伏能源浪費問題。目前，國內的相關研究一般是對光伏發電特點進行綜合分析，提出通過發電預測來完成電力系統運行調度，以提高發電平穩性。此外，我國相關研究人員還結合電力系統的實際運行要求，設計出規模化分布式光伏電源集群劃分方法，用以優化電力系統運行調度方法［5］。而大多數調度方法還使用保守度可調的魯棒模型來描述運行不確定因子，盡管調度平穩性有所提高，但易受時間平滑作用的影響，導致電力系統的運行成本偏高。為解決上述問題，本研究設計出一種全新的大規模光伏電源電力系統運行調度方法。

1 大規模光伏電源電力系統運行調度方法設計

1.1 構建大規模光伏接入的電力系統運行調度模型

大規模光伏接入電力系統在運行過程中易受太陽輻照度、溫度等的影響，出現較高的隨機波動性。因此，本研究利用模態分解技術來消除參與噪聲［6］，關鍵的光伏接入功率預測參數x(i)見式（1）。

式中：ck(i)為不同的光伏接入模態分解量；RN為分解殘差值。

在光伏計入電力系統運行調度預測過程中，可能受集成作用的影響，導致難以獲取最優分解值，因此，本研究利用模態混疊算法生成最優分解式NAk，見式（2）。

式中：Lk為分解噪聲等級；σ為光伏發電標準差。

此時要計算不同模態分解量間的相關系數，生成運行功率分解值。電力系統預測運行功率區間mek見式（3）。

式中：CK,CK2,....,CK-1分別為不同預測區間下的光伏分解均值。

根據上述預測運行區間可獲取虛假模態分量，此時得到的綜合調度指標K見式（4）。

式中：CRK為特定的調度頻率分量，在實際預測過程中，隨接入光伏發電量變化，其運行功率區間也會發生動態改變。因此，本研究設計的方法使用分段慣性權重法來計算局部全局搜索能力，提高調度收斂性能，此時構建的電力系統運行調度模型w見式（5）。

式中：a為迭代次數；t為迭代時間；wend為最終慣性權重；δ為初始慣性權重。

由此，完成電力系統運行功率預測模型的建立。

1.2 經濟調度目標函數設計及求解

為解決電力系統運行過程中受時間平滑作用影響而出現的調度成本過高問題，本研究將電力系統運行調度轉換成一種多目標優化問題，即將調度經濟因素看成多維決策變量，此時生成的電力系統大規模光伏電源接入經濟調度目標函數minf見式（6）。

式中：f1(x),f2(x),...,f n(x)分別為不同的調度經濟因素。

根據經濟因素的均衡關系可進行加權平均處理，即要確定不同調度群組的輸入訓練樣本變量，見式（7）。

式中：xi、yi均為調度分量。

待確定樣本變量后，可生成經濟調度參數取值范圍，此時可利用調度支配關系進行求解，產生的經濟均衡調度解包括兩類，即可行解和不可行解，利用Pareto 來獲取經濟最優調度解集。待上述步驟完畢后，可計算出上述目標函數的標準化滿意度，若計算的標準化滿意度滿足電力系統運行調度需求，證明此時得到的經濟性因素調度均衡參數合理。反之，則需要重新進行求解，直至滿意度滿足最終的調度要求。

以光伏發電的燃料為例，其在不同調度周期中消耗的成本總數不同。因此，本研究對上述設計的目標函數進行優化，生成了燃料成本優化目標函數F(PG)，見式（8）。

式中：ai、bi、ci分別為第i臺機組的燃料成本；PG為光伏電站輸出的有功功率；T為調度周期。

使用粒子群算法對式（8）進行求解，得到的最優解vk，見式（9）。

式中：w為運動慣性因子；c1、c2為常數加速值；r1、r2為隨機實數為粒子移動速度；為速度權重控制因子；為控制速度；為粒子經歷的最優位置。經過上述計算可得電力系統調度運行的最優解。在光伏電源接入過程中，電力系統運行調度成本可能會出現預測偏差，需要根據發電功率價格懲罰系數進行調整，在最大程度上保證電力系統的運行調度經濟性。

2 實例分析

2.1 概況及準備

為驗證本研究設計的大規模光伏電源電力系統運行調度方法的實際調度效果，以X 電網的電力系統為例，進行實例分析。已知該電網供電面積為14.8萬km2，服務總人口超4 000萬，發電規模較大，早期使用火電發電，因傳統能源價格上升，接入了光伏電源和風力發電機。本研究以該電力系統的若干條輸電線路為例，生成的算例分析模型如圖1所示。

圖1 算例分析模型

由圖1 可知，該風電場屬于分期建設風電場，使用的發電機組較多，風電機組包括#A01～#A66。為提高實例分析的有效性，隨機抽取機組，使用YonSuite 記錄電力系統在不同時間下的運行調度成本。

2.2 應用效果與討論

結合實際情況，可進行電力系統運行調度實例分析，即隨機抽取若干個組合機組，使用本研究設計的大規模光伏電源電力系統調度方法進行調度，記錄不同日期的運行調度成本，并將其與原本的運行調度成本對比，實例分析結果見表1。

表1 實例分析結果

由表1 可知，本研究設計的大規模光伏電源電力系統運行調度方法在不同組合的運行機組下的運行成本遠低于電力系統原有的運行成本。上述實例分析結果證明，本研究設計的大規模光伏電源電力系統運行調度方法的調度效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

3 結語

在工業化時代，我國能源消耗量越來越高，不可再生能源總數越來越少。為滿足能源需求，需要接入大規模光伏、風力等可再生能源。受可再生能源的動態可變性影響，在輸配電過程中容易出現失穩風險，影響電力系統的調度效果，因此，本研究設計了一種全新的大規模光伏電源電力系統運行調度方法。實例分析結果表明，本研究設計的電力系統運行調度方法的調度效果較好、可靠性高，具有一定的應用價值。本研究的研究成果為提高可再生能源供電效果做出了一定貢獻。