可再生能源電力系統調峰優化方法研究

摘要： 傳統可再生能源電力系統調峰優化方法雖然直接對協調函數的平衡約束條件進行了設計，但未對可再生能源電力系統優化協調函數進行計算，導致傳統方法優化效果較差。研究提出可再生能源電力系統調峰優化方法，建立可再生能源電力系統優化協調函數，設計協調函數的平衡約束條件，確保電力系統在面臨突發情況或需求波動時，也能夠穩定地運行，同時構建可再生能源電力系統調峰優化模型，從而實現可再生能源電力系統調峰優化。實驗結果表明，該研究方法優化效果更好，也更具有實際的應用價值。

關鍵詞：可再生能源；電力系統調峰；優化方法

引言

隨著全球能源結構的轉型與可持續發展目標的推進，可再生能源已成為電力系統中不可或缺的部分。由于可再生能源（太陽能、風能等）具有清潔、環保、可持續等優勢，因此在電力負荷高峰時段，如何有效調峰確保可再生能源電力系統的供需平衡，已成為當前能源領域研究的熱點之一。

當前，我國電力系統調峰主要依賴傳統的化石能源發電，不僅增加了碳排放，也加劇了能源資源的緊張局面[1]。因此，研究可再生能源電力系統調峰優化方法，對提升電力系統的穩定性、促進可再生能源的消納、實現能源結構的優化升級具有重要意義。

在研究現狀方面，國內外學者已經開展了一系列相關研究。在理論層面，通過數學建模、仿真分析等方法，對可再生能源電力系統的調峰特性進行深入研究[2]。在應用層面，探索儲能技術、需求側管理等多種調峰手段的應用潛力[3]。然而，現有研究多集中在單一調峰手段的研究與應用上，缺乏對多種調峰手段的綜合優化與協同調度研究[4]，并且不同地區、不同能源結構的電力系統調峰需求與策略也存在較大差異，因此仍需深入研究針對性的具體地區、具體能源結構的可再生能源電力系統調峰優化方法。

本文旨在探討可再生能源電力系統調峰優化方法，通過對國內外研究現狀的梳理與分析，結合具體地區的能源結構與電力負荷特性，提出一種綜合考慮多種調峰手段的綜合優化模型，并針對該模型展開進一步的應用與分析，以期為可再生能源電力系統的穩定運行與可持續發展提供理論支持與實踐指導。

1建立可再生能源電力系統優化協調函數

根據發電廠所需的能源類型，建立可再生能源電力系統優化協調函數，實現深度調整與備用容量成本的最優協調。由于建立可再生能源電力系統優化協調函數是一個復雜的過程，涉及到可再生能源的發電量、電力系統的需求、儲能系統的容量、電網的傳輸能力等多個因素，因此需先構建一個如式（1）所示的成本最小化的目標函數。

式中 Q—通過優化函數將篩選的總成本降至最小值；qi，t—在時間段t內可再生能源電力系統的運營能力；wi，t—初始停機的成本；ei，t—深度調度的成本；ri，t—備用設備的成本；T—總的最大削峰時間。

電網的傳輸能力決定了可再生能源電力能否有效地輸送到需求地區。同時，電網的穩定性也是保障可再生能源電力系統連續運行的關鍵。在時間段t內可再生能源電力系統的運營能力qi，t計算如式（2）所示。

式中 a、b和c—參數（主要由特定的操作階段定義）；P—機組在最大調整期內的運行容量。

啟動成本包括從停機狀態到正常運行狀態所需的一系列操作費用，如設備預熱、初始電力消耗等。暫停成本則涉及在機組運行過程中，將其暫停或降至低負荷狀態所引發的相關費用。這些成本可能包括保持機組在低負荷狀態的能源消耗、因暫停而減少的發電量導致的經濟損失，以及可能因頻繁啟停而對設備造成的額外磨損和維修費用。啟動和暫停成本的計算如式（3）所示。

式中 d和d1—控制機器啟動和停止的變量（當機器啟動時，d =1；當機器未啟動時，d =0。d1的取值范圍是0～1，d1=0表示機器沒有被暫停，因此不計算暫停成本；d1=1表示機器成功啟動并隨后被暫停，因此應該計算暫停成本[5]）；s— 1次啟動和停止的成本（該成本在機器實際啟動或停止時計算，而不是在開始時預先計算）。

計算深度最大調整成本如式（4）所示。

式中" "u—1個參數，頻率是該容量范圍以外的單位（u值為0時，表示v與u1的深度調整不需要額外的成本。u對應于標稱容量范圍在30%～50%之間的深度調整所需的額外成本。參數值規則與u相對應）。

在可再生能源電力系統的運營過程中，優化協調函數可以幫助決策者制定更加合理和高效的運行策略，并通過協調不同能源之間的配合，優化能源的分配和使用，從而降低系統的總成本。可再生能源電力系統優化協調函數計算如式（5）所示。

式中" "R—包含備用設備的總運行容量（備用裝置的成本參數值與運行成本參數值相對應）。

建立可再生能源電力系統優化協調函數，通過綜合考慮可再生能源的發電量、電力系統的需求、儲能系統的容量、電網的傳輸能力等因素，實現系統內部各組件之間的優化配合，降低啟動和暫停成本，減少深度調整成本，并充分利用備用設備的容量，從而提高整個系統的經濟效益和運行效率。

2設計協調函數的平衡約束條件

由于確保電力系統的穩定運行，需要基于發電負載的平衡來計算電力的約束需求，因此需根據電力系統的實時負載情況及可再生能源發電的預測值，來預測和計算電力需求的最大值[6]，同時根據對調節功能的約束請求來建立相應的限制條件，以確保電力系統在面臨突發情況或需求波動時能夠穩定地運行。

以風力電力系統為例，為確保風能生產的穩定和安全，首先，應建立風能生產的緊急條件，計算2種例外情況（突發情況或異常狀況），包括利用系統獲得限制，以應對風能生產的突發情況或異常狀況；其次，預壓力與風力變化之間存在反向線性關系，意味著隨著預壓力的增加，風力變化會相應減少，這一特性在設計和優化風能發電系統時需要考慮；最后，在確定系統限值時，必須計算輸出的上下限，有助于了解系統的最大和最小輸出能力，從而確保系統在任何情況下都能穩定運行。在確定限值時，可按式（6）計算輸出的上下限。

式中" "Pi，t—預測的風力極限值（Pi，t是一個關鍵參數，界定風力發電系統在每個時間段t內能夠安全、有效地處理的最大風力強度）。

預測的風力極限值可根據氣象數據、系統設計參數及運營經驗綜合得出，目的是確保風力發電系統在任何情況下都能穩定、安全地運行，同時避免超出系統的容量極限，從而防止可能的設備損壞或性能下降。通過準確預測和控制這一極限值，可最大化風力發電系統的效率和可靠性，實現可再生能源的高效利用。

通過對限制狀態的分析，使用IEEE計算軟件來確定風力電力系統機組的裝機功率應為3000MW。根據機組當前的運行狀況，發現風力電力系統的最大電量低于機組功率2800MW，風電的傳輸效率在30%～35%之間，而風電系統的容量則低于800MW。因此，在優化過程中，需確保計算的準確性，特別是當處理極限情況時。

3構建可再生能源電力系統調峰優化模型

為了構建可再生能源電力系統的調峰優化模型，需要根據系統的負載狀態和風力情況，精確控制蓄電池存儲系統的負載狀態及電力水平。為了降低系統的運行成本，必須合理分配能源生產單元的負擔。在此過程中，將周期設定為24h，并選擇1h作為確定目標函數的時間間隔。這樣設置，能確保模型實時響應系統的變化，實現最優的調峰效果。根據式（7）將日負荷曲線的標準偏差減至最小。

式中" "F1—日負荷曲線的標準差；—t時刻的系統負荷（系統的平均負荷）；—t時刻的風能預測值；—t時刻電池儲能和系統變化能量；—t時刻除風能外的其他能源供應；k—t時刻蓄電池的儲能狀態。

通過這些參數，可以構建可再生能源電力系統的調峰優化模型，以更精確地預測和控制系統的運行狀態，可按照式（8）將優化降至最低。

式中" " —發電機組的優化；CtW —風能發電的優化；CtE—電池存儲的優化。

這些成本因素，在構建可再生能源電力系統的調峰優化模型中起著至關重要的作用，如式（9）所示直接影響到系統的經濟性和可行性。

式中" "—t時刻發電機組的容量；b和ci—發電機燃料單元的成本；Si—啟動和關閉發電機組的成本。

按照相關規定，在火力發電站的最大篩選期間內，除了進行必要的調節單元開啟和關閉操作外，不得在任何其他時間開啟或關閉發電機組。在式（10）的計算中，這部分成本將被忽略。

式中" "l—成本因子；h—放電的成本因子；—第t次放電的容量；—第t時刻的放電容量。

由于目標是找到能量單位生產附近點的最小平方差異，因而構建如式（11）所示的可再生能源電力系統調峰優化模型。

式中" "λ1、λ2—權重系數， λ1 +λ2=1。

4實驗論證

為了驗證所設計的可再生能源電力系統調峰優化方法解決傳統調峰協調方法產生的問題，將該方式應用于實際案例中，并與傳統方法1和傳統方法2的調峰效益結果進行對比，實驗如下。

4.1實驗準備

實驗選用A地區的S電站為對象，在7d內其調峰日負荷平均記錄如圖1所示。

4.2對比實驗

收集歷史氣象數據（風速、光照強度等），以模擬可再生能源的發電情況；收集歷史負荷數據和電價數據，以模擬電力系統的需求側情況。使用電力系統仿真軟件（PSS/E、ETAP等）來搭建和模擬電力系統；使用編程語言（Python、MATLAB等）來編寫和優化調峰算法。設定傳統方法1和傳統方法2的參數及初始條件，在同一時間段內，分別使用傳統方法和對比方法模擬電力系統的運行，并分別對3種方法的經濟效益進行記錄。實驗結果如表1所示。

根據表1，可以完成對測試結果的分析與研究，得出“對比方法經濟效益最高”的結論，并且與傳統方法1和傳統方法2相比，電力系統運行費用最低，表明對比方法優化效果更好，更具有實際的應用價值。

結語

隨著可再生能源在電力系統中的比重日益增加，如何有效地進行調峰以應對其固有的間歇性和不確定性，成為電力領域亟需解決的關鍵問題。上文圍繞“可再生能源電力系統調峰優化方法研究”進行了系統的梳理和分析，旨在提出一套適應具體地區、具體能源結構的綜合優化模型，為可再生能源電力系統的穩定運行和可持續發展提供理論支持和實踐指導。

參考文獻

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作者簡介

王書君（1986—），男，漢族，內蒙古赤峰人，工程師，工學學士，研究方向為電力生產運行、新能源與煤化工耦合、電氣節能。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-19