基于風(fēng)儲一體化的風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略研究

DOI：10.12433/zgkjtz.20252018

風(fēng)力發(fā)電受地理位置、氣候條件的限制較大，風(fēng)速不足或過強(qiáng)都將影響發(fā)電效率，進(jìn)而影響風(fēng)電并網(wǎng)效率。在此背景下，風(fēng)儲一體化通過整合風(fēng)電、儲能資源，有效解決風(fēng)電出力波動性和不連續(xù)性問題，既提升了電網(wǎng)運(yùn)行效率，又減少了對傳統(tǒng)調(diào)峰電站的依賴。

一、基于風(fēng)儲一體化的風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行需求

（一）提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

風(fēng)儲一體化下的儲能系統(tǒng)能夠與風(fēng)電配合，減少風(fēng)電出力過高或過低造成的風(fēng)電棄風(fēng)懲罰成本支出。同時儲能系統(tǒng)通過合理規(guī)劃充放電時段和差異化電價可以進(jìn)一步提高風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

（二）提高運(yùn)行的穩(wěn)定性

風(fēng)電發(fā)電受自然環(huán)境影響較大，這也導(dǎo)致風(fēng)電出力具有較大不確定性，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度通過儲能系統(tǒng)充放電操作可以平滑處理風(fēng)電出力，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)電出力過低時，儲能系統(tǒng)可以通過放電彌補(bǔ)風(fēng)電出力不足，維持電網(wǎng)電能穩(wěn)定。

二、基于風(fēng)儲一體化的風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略

（一）多目標(biāo)調(diào)度策略的綜合優(yōu)化

風(fēng)儲一體化背景下，電網(wǎng)整合風(fēng)電、儲能技術(shù)有效解決了可再生能源供應(yīng)的波動性和不連續(xù)性問題，提高了風(fēng)儲項目的經(jīng)濟(jì)性和可行性。在實(shí)際運(yùn)行期間，風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度以運(yùn)行成本最小為綜合優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式如下：

式（1）中， F_W 、 F_S 和 F_G 分別表示棄風(fēng)成本、儲能運(yùn)行成本和傳統(tǒng)火電機(jī)組運(yùn)行成本。其中，棄風(fēng)成本是風(fēng)電出力與預(yù)測值不符，導(dǎo)致未能并網(wǎng)消納產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本[1]，成本表達(dá)式如下：

式（2）中， Nw 表示風(fēng)電機(jī)組數(shù)量； γ_W 表示風(fēng)電棄風(fēng)懲罰成本； P_j，t^wf 表示風(fēng)電機(jī)組在時段的預(yù)測出力值； P_j，t^w 表示風(fēng)電機(jī)組在時段的運(yùn)行調(diào)度出力值。

儲能運(yùn)行成本主要是指電化學(xué)等儲能模式下儲能系統(tǒng)的充放電成本循環(huán)成本。表達(dá)式如下：

式（3）中， N_T 和 N_S 分別表示機(jī)組組合的總數(shù)和儲能機(jī)組數(shù)量； αδ s表示循環(huán)成本系數(shù)； I_st^s，c 和I_st^s，d 分別表示時段t儲能系統(tǒng)s在充放電狀態(tài)下的二元整型變量； I_st-1^s，c 和 I_st-1^s，d 分別表示時段t前一刻儲能系統(tǒng)s在充放電狀態(tài)下的二元整型變量； α_sc，s 和αsd.s分別表示儲能系統(tǒng)充放電功率成本系數(shù)；Pc和 P_st^s，d 分別表示時段儲能系統(tǒng)的充放電功率值。

傳統(tǒng)火電機(jī)組運(yùn)行成本主要由火電機(jī)組發(fā)電成本、火電機(jī)組啟停成本和火電機(jī)組旋轉(zhuǎn)成本構(gòu)成。表達(dá)式如下：

式（4）中， N_g 表示火電機(jī)組數(shù)量； u_i，t 表示火電機(jī)組i在時段t的啟停情況，具體采用二元分類法衡量，當(dāng)火電機(jī)組i處于啟動狀態(tài)下， u_i，t=1 。當(dāng)火電機(jī)組i處于停機(jī)狀態(tài)下， u_i，t 0； a_i 、 b_i 和 c_i 表示火電機(jī)組燃料成本系數(shù)； p_i，t 表示火電機(jī)組i在時段t的出力值； S_i^U 表示火電機(jī)組的啟動成本； S_i^D 表示火電機(jī)組i的停機(jī)成本； β_i 和分別表示火電機(jī)組i正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量的報價系數(shù)； U_i，t 和 D_i，t 分別表示火電機(jī)組i在時段t的正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量。

與此同時，風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度需滿足風(fēng)電場功率約束、總功率平衡約束、火電機(jī)組爬坡約束等條件。例如，風(fēng)電場功率約束要求其調(diào)度值不超過預(yù)測值，即； P_j，t^wf≥P_j，t^w≥0 總功率平衡約束要求各機(jī)組出力與需求相匹配，則有 ，其中， ? 表示總功率平衡約束的置信水平， P_t^load 表示電網(wǎng)在t時段的總負(fù)荷， e_t 表示風(fēng)電出力預(yù)測的誤差值；火電機(jī)組爬坡約束要求火電機(jī)組在各時段中的最大、最小出力在適當(dāng)范圍內(nèi)，保證出力小于爬坡能力。則有ΔTr_i，u≥P_i，t^g-P_i，t-1^g≥-ΔTr_i，d， ，其中， ΔT 表示火電機(jī)組運(yùn)行時間， r_i，u 和 r_i，d 分別表示火電機(jī)組i出力的上升、下降速率。

（二）智能調(diào)度算法的應(yīng)用

本文采用粒子群算法求解目標(biāo)函數(shù)模型，粒子群算法主要是依據(jù)鳥群覓食期間群體行為規(guī)律的群體智能調(diào)度算法。粒子群算法求解風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度模型時，系統(tǒng)自動監(jiān)測、輸入電網(wǎng)系統(tǒng)日內(nèi)實(shí)時出力、風(fēng)電場日前預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以及風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度過程中涉及到的傳統(tǒng)火電機(jī)組運(yùn)行、儲能系統(tǒng)運(yùn)行、風(fēng)電場運(yùn)行相關(guān)參數(shù)[。隨后，隨機(jī)生成初始粒子并對其位置和速度信息進(jìn)行賦值，且保證其滿足上述約束條件，再計算各粒子適應(yīng)度函數(shù)以及更新粒子個體極值。圖1是對本文粒子群算法的收斂性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在迭代到100次左右時已基本收斂，收斂速度較為合理，能夠得到最優(yōu)解。

圖1粒子群算法收斂曲線

（三）調(diào)度策略的實(shí)時優(yōu)化與調(diào)整

由于風(fēng)電并網(wǎng)出力的不確定性，風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度也要實(shí)時調(diào)整。為此，電站要基于數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等構(gòu)建智能運(yùn)維系統(tǒng)，通過部署各類傳感器實(shí)時監(jiān)測，采集風(fēng)電場、儲能系統(tǒng)、火電機(jī)組運(yùn)行以及負(fù)荷需求數(shù)據(jù)，包括風(fēng)電出力、儲能系統(tǒng)充放電功率、儲能系統(tǒng)容量、火電機(jī)組裝機(jī)容量等。與此同時，采取滾動優(yōu)化方法實(shí)時進(jìn)行調(diào)度策略的調(diào)整，對風(fēng)電場、儲能系統(tǒng)和傳統(tǒng)火電機(jī)組出力計劃進(jìn)行日內(nèi)滾動優(yōu)化，結(jié)合預(yù)測信息不斷修正日內(nèi)出力計劃，進(jìn)而提高調(diào)度策略的有效性。滾動優(yōu)化調(diào)度示意圖如圖2所示。

圖2滾動優(yōu)化調(diào)度示意圖

由圖2可知，規(guī)定為滾動優(yōu)化調(diào)度周期，系統(tǒng)修正調(diào)度計劃所需時間為，則在時段內(nèi)系統(tǒng)調(diào)度計劃修正次數(shù)為2。通過滾動優(yōu)化調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度實(shí)時優(yōu)化，不斷提高調(diào)度精度，提高調(diào)度策略的經(jīng)濟(jì)性。

三、基于風(fēng)儲一體化的風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略的有效性，以某電站為例進(jìn)行風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度實(shí)驗(yàn)。其中風(fēng)電場裝機(jī)容量為600MW，儲能系統(tǒng)容量為200MW ??ε h，循環(huán)成本系數(shù)和棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)分別為30和10元／MW·h。分別整理采用本文提出風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略前以及用本文提出風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略前后的系統(tǒng)運(yùn)行成本見表1。

由表1可知，實(shí)施本文提出的風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略可以在保證總功率平衡的前提下降低系統(tǒng)運(yùn)行總成本。與此同時，為進(jìn)一步分析本文提出滾動優(yōu)化調(diào)度策略在實(shí)踐中的應(yīng)用價值。

設(shè)置滾動優(yōu)化調(diào)度周期為 15min ，進(jìn)一步統(tǒng)計靜態(tài)調(diào)度和滾動優(yōu)化調(diào)度策略下系統(tǒng)運(yùn)行成本，發(fā)現(xiàn)滾動優(yōu)化調(diào)度策略下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用、常規(guī)機(jī)組發(fā)電成本和儲能系統(tǒng)運(yùn)行成本均低于靜態(tài)調(diào)度策略下的運(yùn)行成本，說明采取滾動優(yōu)化調(diào)度策略可以進(jìn)一步提高風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性。

四、結(jié)語

表1實(shí)施風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度策略前后的運(yùn)行成本比較（單位：萬元）

基于風(fēng)儲一體化的風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度有利于平滑風(fēng)電出力，提高風(fēng)電消納能力，進(jìn)一步提高風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。通過構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)模型和應(yīng)用粒子群算法可以依據(jù)風(fēng)電出力、儲能系統(tǒng)和傳統(tǒng)火電機(jī)組運(yùn)行有關(guān)數(shù)據(jù)自動調(diào)整儲能系統(tǒng)充放電行為，提高風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度有效性。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司新能源分公司）