胡永洪

(國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州350003)

融合交互規(guī)劃與經(jīng)濟性的風(fēng)電接納水平優(yōu)化

胡永洪

(國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州350003)

風(fēng)電的實際出力與預(yù)測出力不可避免地存在一定的偏差，給電力系統(tǒng)帶來一定的輔助服務(wù)成本，同時也給電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度帶來難度。本文從電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度出發(fā)，考慮風(fēng)電預(yù)測出力與實際出力的偏差對調(diào)度經(jīng)濟性的影響，引入風(fēng)電接納水平系數(shù)，建立了綜合考慮常規(guī)機組和風(fēng)電場調(diào)度經(jīng)濟性的風(fēng)電接納水平優(yōu)化模型，從經(jīng)濟性角度評估電力系統(tǒng)的風(fēng)電接納水平，并通過算例來驗證本文提出優(yōu)化模型的正確性，為風(fēng)電場規(guī)劃和電網(wǎng)調(diào)度提供了依據(jù)。

交互規(guī)劃;經(jīng)濟性;風(fēng)電接納;優(yōu)化模型

1 引言

風(fēng)能是一種清潔可再生能源，利用風(fēng)能發(fā)電給電力系統(tǒng)運行帶來較大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，也給工業(yè)化進程帶來巨大的推動作用［1］。但風(fēng)電出力的不確定性和波動性將給電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性帶來一定的影響，也給大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的風(fēng)電消納帶來挑戰(zhàn)［2］。

在能源需求不斷增長的今天，風(fēng)能作為一種最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉?，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模將不斷擴大［3］。但風(fēng)電具有隨機性和波動性，且目前的風(fēng)電預(yù)測精度仍較低，因此在未來某個時刻風(fēng)電的實際出力與預(yù)測出力不可避免地存在一定的偏差，系統(tǒng)為平衡風(fēng)電功率偏差需要調(diào)用備用或者出現(xiàn)棄風(fēng)，給電力系統(tǒng)帶來一定的輔助服務(wù)成本，同時風(fēng)電實際出力與預(yù)測值的偏差也給電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度帶來難度［4］。

鑒于風(fēng)電存在的問題，本文從電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度出發(fā)，考慮風(fēng)電預(yù)測出力與實際出力的偏差對調(diào)度經(jīng)濟性的影響，引入風(fēng)電接納水平系數(shù)，建立了綜合考慮常規(guī)機組和風(fēng)電場調(diào)度經(jīng)濟性的風(fēng)電接納水平優(yōu)化模型，從經(jīng)濟性角度評估電力系統(tǒng)的風(fēng)電接納水平，并通過算例來驗證本文提出優(yōu)化模型的正確性，為風(fēng)電場規(guī)劃和電網(wǎng)調(diào)度提供了依據(jù)。

2 風(fēng)電出力偏差

風(fēng)電出力偏差即風(fēng)電實際可用出力與預(yù)測出力的差值，按照實際風(fēng)電出力相對于預(yù)測出力的大小來分，將風(fēng)電出力偏差分為兩類:風(fēng)電高估出力和風(fēng)電低估出力［5］。統(tǒng)計結(jié)果表明，較長時間內(nèi)的風(fēng)速分布服從Weibull分布［6］，因此，采用風(fēng)速服從威布爾分布的概率密度函數(shù)推導(dǎo)得到各時段風(fēng)電預(yù)測值與未來該時刻實際風(fēng)電出力偏差的期望值，風(fēng)速服從威布爾分布的風(fēng)電功率概率密度函數(shù)為:

(1)風(fēng)電高估期望值

風(fēng)電高估出力表現(xiàn)為實際風(fēng)電出力不足，即未來某一時刻的風(fēng)電實際可用出力小于預(yù)測出力［7］。假設(shè)風(fēng)電場在某一時段的預(yù)測出力為Pforecast，則風(fēng)電高估時未來該時刻的實際出力0≤w＜Pforecast，高估偏差大小的表達式為(Pforecast－w)。

根據(jù)式(1)以及高估偏差的表達式可以得出風(fēng)電場該時段的風(fēng)電高估偏差大小的期望值Eeh為:

(2)風(fēng)電低估期望值

風(fēng)電低估出力表現(xiàn)為實際風(fēng)電出力過剩，即未來某一時刻的風(fēng)電實際可用出力大于預(yù)測出力。假設(shè)風(fēng)電場在某一時段的預(yù)測出力為Pforecast，則風(fēng)電低估時未來該時刻的實際出力Pforecast＜w≤wr，低估偏差大小的表達式為(w-Pforecast)。

根據(jù)式(1)以及低估偏差的表達式可以得出風(fēng)電場在該時段的風(fēng)電低估偏差大小的期望值Eel為

3 考慮經(jīng)濟性的風(fēng)電接納水平優(yōu)化模型

為了保證常規(guī)機組和風(fēng)電場的經(jīng)濟效益，同時提高系統(tǒng)風(fēng)電接納水平，使風(fēng)電在系統(tǒng)負荷較大的情況下能夠充分發(fā)揮其節(jié)能減排效益，在常規(guī)機組運行成本最小的同時可以允許風(fēng)電在某些時段有一定的棄風(fēng)量，但為了保證風(fēng)電場商的利益，要求棄風(fēng)量盡可能小［8］。

考慮到目前含風(fēng)電的電力系統(tǒng)調(diào)度往往是基于當(dāng)前裝機容量下的風(fēng)電預(yù)測值的，調(diào)度結(jié)果僅僅只能作為機組出力參考，而無法評估電力系統(tǒng)的最佳風(fēng)電接納水平，因此，本文以當(dāng)前風(fēng)電預(yù)測出力為基準(zhǔn)，引入優(yōu)化變量即風(fēng)電接納水平倍數(shù)βw評估最佳風(fēng)電接納水平。βw定義為當(dāng)前風(fēng)電預(yù)測值的倍數(shù)，可以大于1或小于1。如果βw大于1，則表示為了系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，還可以適當(dāng)新增風(fēng)電裝機容量，提高風(fēng)電出力;如果βw小于1則表示目前電力系統(tǒng)存在“棄風(fēng)”的概率較大，風(fēng)電并網(wǎng)容量需要適當(dāng)予以控制。因此，βw也能夠描述系統(tǒng)能夠接納的最佳風(fēng)電裝機容量大小。

由于常規(guī)機組運行成本與風(fēng)電場棄風(fēng)和偏差成本數(shù)量級差別較大，優(yōu)化變量除了常規(guī)機組和風(fēng)電場出力外，還有變化較大的風(fēng)電接納水平倍數(shù)。如果直接采用單目標(biāo)優(yōu)化，可能導(dǎo)致常規(guī)機組的運行成本在優(yōu)化中起到完全的導(dǎo)向作用，從而使得風(fēng)電接納水平倍數(shù)過大而導(dǎo)致較大的棄風(fēng)，影響風(fēng)電場運行的經(jīng)濟性。因此，為了綜合考慮常規(guī)機組和風(fēng)電場運行的經(jīng)濟性，較好地均衡常規(guī)機組運行和風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟性，以各常規(guī)機組和風(fēng)電場出力以及風(fēng)電接納水平系數(shù)作為優(yōu)化變量，建立了常規(guī)機組運行成本最小以及風(fēng)電棄風(fēng)和出力偏差成本最小的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，如式(4)所示。

式中:T為調(diào)度周期，一般取調(diào)度周期為一天，即T=24h;Δt為調(diào)度的時間間隔，一般取調(diào)度時間間隔為1小時，即Δt=1h;n、m分別為參與調(diào)度的常規(guī)火電機組數(shù)和風(fēng)電場數(shù)量;Ii，t表示一定負荷下常規(guī)機組的開停機狀態(tài)，Ii，t=0表示機組i在t時段處于停機狀態(tài)，Ii，t=1表示機組i在t時段處于開機狀態(tài);為機組i在t時段的出力;ai、bi、ci為機組i的運行成本系數(shù);Si，t為機組i在t時段的開機費用，Si，t=δi+σi(1－exp(－TOFFi，t/τi))，δi、σi、τi為機組i的啟停機成本系數(shù);為機組i在t時段的累計停運時間;βw為系統(tǒng)對風(fēng)電場w的風(fēng)電接納水平;為風(fēng)電場w在t時段的預(yù)測出力值;為電網(wǎng)在t時段對風(fēng)電場w的實際調(diào)度接納出力;為風(fēng)電場w在t時段的棄風(fēng)懲罰成本系數(shù);為風(fēng)電場w在t時段的出力偏差懲罰成本系數(shù);為風(fēng)電場w在t時段的高估出力期望值;為風(fēng)電場w在t時段的低估出力期望值。

在風(fēng)電接納水平評估的數(shù)學(xué)模型中，由于βw為風(fēng)電出力預(yù)測值的倍數(shù)且有對風(fēng)電場裝機容量的指導(dǎo)作用，因此在風(fēng)電出力偏差計算中，風(fēng)電場裝機容量以及風(fēng)電出力預(yù)測值都是隨著βw的變化而變化的，即在式(2)、(3)的風(fēng)電出力偏差表達式中，當(dāng)風(fēng)電接納水平倍數(shù)為βw時，風(fēng)電場w在t時段的出力預(yù)測值與風(fēng)電裝機容量分別變化為式(5)、(6)。

式中:wr為風(fēng)電場當(dāng)前裝機容量。

4 交互規(guī)劃決策的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法

4.1 交互規(guī)劃決策在優(yōu)化算法的應(yīng)用

近年來，交互規(guī)劃決策的方法在解決多目標(biāo)優(yōu)化問題上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。交互規(guī)劃決策指在問題規(guī)劃求解的過程中加入決策者的喜好信息來判斷解的優(yōu)劣性，減少了問題求解中的隨機性因素。另外，交互規(guī)劃法還允許決策者隨著對求解問題的了解程度來修正偏好信息，在一定程度上避免了單一決策偏好信息可能帶來的決策錯誤的情況。

交互規(guī)劃決策通常以理想點為基礎(chǔ)，以理想點作為決策者偏好信息的數(shù)學(xué)表達并以可行解與理想點的歐式距離作為解的優(yōu)劣性判斷指標(biāo)。本文在MOPSO算法中引入決策目標(biāo)函數(shù)，取理想點與原點的歐式距離作為基準(zhǔn)，以粒子對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值與理想點的歐式距離最小為決策目標(biāo)，判斷粒子的優(yōu)劣性，如式(7)所示。決策目標(biāo)函數(shù)的值越小，則表明粒子與理想點的距離越近，則該粒子優(yōu)于其它粒子。

式中:f(x)為目標(biāo)函數(shù)值，f(x)=(f1(x)，f2(x)，…，fM(x))，其中M為目標(biāo)函數(shù)的個數(shù);f*為目標(biāo)函數(shù)的理想點，即決策者的偏好信息，f*=(f1*，f2*，…，fM*)。

為了降低多目標(biāo)粒子群算法在個體極值和全局極值確定過程中的隨機性，在粒子群優(yōu)化的每一次迭代中采用交互決策的方法，根據(jù)決策者提供的偏好信息，即理想點，判斷粒子的優(yōu)劣性，決策目標(biāo)值較小的粒子則較優(yōu)，取較優(yōu)的粒子作為粒子個體極值和種群全局極值，當(dāng)?shù)螖?shù)滿足要求時，最后一次確定的全局極值即為優(yōu)化的最終解?；诮换ヒ?guī)劃決策的粒子個體極值和全局極值確定的步驟為:

(1)決策者根據(jù)決策問題給出本次迭代規(guī)劃中的決策偏好，即目標(biāo)函數(shù)理想點。

(2)根據(jù)理想點以及本次迭代中更新的粒子對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，計算決策目標(biāo)值。

(3)將更新前后的粒子決策目標(biāo)值進行比較，取決策目標(biāo)值較小的粒子作為該粒子的個體極值;將更新前后種群決策目標(biāo)最小值進行比較，取決策目標(biāo)較小的粒子作為種群全局極值。

4.2 優(yōu)化計算過程

程序流程圖如圖1所示，本文分別對單目標(biāo)運行兩個目標(biāo)函數(shù)，確定在不受另外一個目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)劣性約束下，兩個目標(biāo)函數(shù)分別優(yōu)化得到的最佳值并以該值作為理想點。

4.3 算法最終解的確定

由于基于交互規(guī)劃決策的多目標(biāo)粒子群算法(MOPSO)最后一次迭代結(jié)束后得到的是一個最優(yōu)解集，因此需要在解集中確定一個最終解。在最小化型的多目標(biāo)優(yōu)化中，基本的MOPSO通常根據(jù)模糊集理論，將所得到的非劣解(Pareto)前沿中各個解的各目標(biāo)函數(shù)值按照式(8)所示的隸屬度函數(shù)進行歸一化后，按一定的權(quán)重系數(shù)得到如式(9)所示的各個解的滿意度值，取滿意度最大的解作為最終解。

圖1 基于交互規(guī)劃決策的MOPSO算法流程圖

本文在交互規(guī)劃決策的基礎(chǔ)上，直接采用決策目標(biāo)作為最終解確定的函數(shù)，在Pareto前沿確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(7)確定各個解的決策目標(biāo)函數(shù)值，取決策目標(biāo)函數(shù)值最小的解作為最終解。采用決策目標(biāo)函數(shù)的方法只取離理想點最近的解作為最終解，對最優(yōu)解集的分布沒有要求，可以大大簡化程序，提高程序優(yōu)化的效率。

5 算例分析

在含6臺常規(guī)機組和1個風(fēng)電場的電力系統(tǒng)中進行計算分析。調(diào)度周期為1天，調(diào)度時間段T=24h，調(diào)度的時間間隔Δt=1h;不含風(fēng)電場時系統(tǒng)的備用容量取負荷的5%，風(fēng)電并網(wǎng)后增加的備用容量取風(fēng)電實際調(diào)度接納出力的15%;常規(guī)機組參數(shù)如表1所示;負荷數(shù)據(jù)及風(fēng)電場日出力預(yù)測值如表2所示;風(fēng)電場參數(shù)如表3所示;該風(fēng)電場風(fēng)速出力模型的威布爾參數(shù)為k=2，c=9m/s;取邊際機組價格作為風(fēng)電場單位棄風(fēng)成本和偏差懲罰成本。

表1 常規(guī)發(fā)電機組相關(guān)參數(shù)

表2 日負荷數(shù)據(jù)及風(fēng)電數(shù)據(jù)出力

表3 風(fēng)電場參數(shù)

為了驗證基于交互規(guī)劃決策的MOPSO的有效性，算例分別采用基本MOPSO算法和基于交互規(guī)劃決策的MOPSO算法對風(fēng)電接納水平優(yōu)化模型進行了求解，采用決策目標(biāo)函數(shù)值作為算法性能指標(biāo)，比較了兩種算法的優(yōu)化效果，如表4所示。

由表4的算法優(yōu)化結(jié)果比較可以看出，在基于交互規(guī)劃決策的MOPSO算法的優(yōu)化結(jié)果中，總的運行成本以及決策目標(biāo)值均優(yōu)于基本的MOPSO算法，由此可以看出基于交互規(guī)劃決策的MOPSO算法的可行性與有效性。

表4 兩種算法優(yōu)化結(jié)果比較

6 結(jié)論

本文從電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度以及風(fēng)電并網(wǎng)運行的角度出發(fā)，考慮了風(fēng)電出力偏差對風(fēng)電并網(wǎng)經(jīng)濟性的影響。首先在風(fēng)速滿足威布爾分布的風(fēng)電功率概率密度函數(shù)基礎(chǔ)上，對風(fēng)電出力偏差大小的計算進行了推導(dǎo)。其次在電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度中考慮風(fēng)電出力偏差對輔助服務(wù)成本的影響，建立了綜合考慮常規(guī)機組和風(fēng)電場運行經(jīng)濟性的風(fēng)電接納水平優(yōu)化模型。最后通過算例驗證分析，證明了本文所提出的多目標(biāo)優(yōu)化模型的正確性。

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Wind Power Receiving Level Optimization of Interactive Planning and Economic Integration

HU Yong-hong
(State Grid Fujian Electric Power Supply Corporation，F(xiàn)uzhou 350003，China)

Actual output and forecast output of wind power inevitably exist a certain bias，to bring some power system ancillary services costs，but also to bring difficult economic dispatch.From the economic dispatch of view，considering deviation of wind power output and actual output forecast impact on the scheduling of the economy，introducing the level of acceptance of wind power coefficientm，establishing a comprehensive consideration of the conventional scheduling unit wind farm economy of the acceptance of wind power level optimization model，assessing the level of acceptance wind power system from an economic point of view，and numerical examples in this paper to verify the correctness of the optimization model for wind farm planning and provide a basis for grid scheduling.

interactive planning;economy;wind power acceptance;optimization model

TM71

B

1004－289X(2016)04－0081－05

2016－03－02

胡永洪(1974－)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)水電調(diào)度、配電網(wǎng)管理、電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)工作。