蘇承國, 申建建, 王沛霖, 周凌安, 程春田

(1. 大連理工大學(xué)水電與水信息研究所, 遼寧省大連市 116024; 2. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南省開封市 475004)

0 引言

近年來,以風(fēng)電為代表的可再生能源實現(xiàn)了快速發(fā)展[1],截至2016年底,中國風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模已突破148.6 GW,占全國發(fā)電裝機容量的比重超過9%[2],風(fēng)電已成為電網(wǎng)中非常重要的清潔能源。然而,由于風(fēng)電的隨機性、間歇性和反調(diào)峰[3]特性,風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)極易導(dǎo)致火電機組在日內(nèi)頻繁啟停或運行于深度調(diào)峰狀態(tài),給電網(wǎng)實際調(diào)度運行帶來極大挑戰(zhàn),也在很大程度上制約了風(fēng)電進一步消納。因此,在含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中建立多源相濟協(xié)調(diào)調(diào)度機制,充分發(fā)揮靈活性電源的調(diào)節(jié)能力和電源之間的互補特性,對于應(yīng)對風(fēng)電不確定性問題、提高風(fēng)電接納能力顯得尤為必要。

關(guān)于風(fēng)電與其他電源的協(xié)調(diào)調(diào)度問題已有諸多文獻報道[4-11],主要是利用風(fēng)電與水電、氣電、火電、抽水蓄能、儲能等常規(guī)能源的互補特性,同時配置較為充裕的備用容量,以緩解風(fēng)電接入對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的不利影響,但這種方法比較適用于風(fēng)電比例較小的情況,當(dāng)電網(wǎng)中風(fēng)電規(guī)模較大時,風(fēng)電功率頻繁波動會導(dǎo)致電網(wǎng)凈負(fù)荷波動更為劇烈,單純依靠備用容量難以有效響應(yīng)凈負(fù)荷的快速變化,電網(wǎng)安全往往面臨較大風(fēng)險;另一方面,配置足夠的備用極易造成大量的備用冗余,成本昂貴且難以為繼。近些年,部分研究從系統(tǒng)靈活性的角度對高比例可再生能源系統(tǒng)運行問題進行了分析[12-15],并提出靈活性裕度的概念以全面評估電力系統(tǒng)對可再生能源的消納能力,但目前對于靈活性的研究大多以原理分析和定性評價為主,仍缺乏實用的電力系統(tǒng)靈活性量化評價指標(biāo)和建模方法。文獻[16]提出了一種靈活性評價指標(biāo)及相應(yīng)計算方法,但未考慮系統(tǒng)不確定因素，如機組隨機停運、風(fēng)電預(yù)測誤差等,在很大程度上限制了工程實際應(yīng)用。

本文將靈活性理論和電力系統(tǒng)多源協(xié)調(diào)調(diào)度問題結(jié)合起來,提出一種基于電源靈活性裕度的風(fēng)水氣火多源協(xié)調(diào)調(diào)度方法。首先,參考電力系統(tǒng)靈活性定義,綜合考慮各類電源的運行特性,以及負(fù)荷和風(fēng)功率的波動性和隨機性影響,提出了電源靈活性裕度的工程量化評估方法。然后以污染物排放總量最小為目標(biāo),引入上調(diào)靈活性和下調(diào)靈活性約束,構(gòu)建了多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型,并提出了分層調(diào)度求解策略,實現(xiàn)了系統(tǒng)運行可靠性與風(fēng)電利用效益的有效協(xié)調(diào)。最后,通過編制某省級電網(wǎng)短期調(diào)度方案驗證了本文方法的合理性與有效性。

1 電源靈活性裕度指標(biāo)

電力系統(tǒng)靈活性,是指在一定時間尺度下,電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源,響應(yīng)(凈)負(fù)荷波動和可再生能源隨機變化的能力[12]。電力系統(tǒng)靈活性實際上是一個范圍很廣的概念,包含了電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、儲能裝置等各個方面,完備的靈活性指標(biāo)應(yīng)該將這些方面全部包含其中。但考慮到目前中國電網(wǎng)中的需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)和大規(guī)模儲能技術(shù)尚未推廣,較為完備的靈活性定量評價指標(biāo)在現(xiàn)階段往往不具備實用性和可操作性。因此,本文重點考慮了電源側(cè)的靈活性指標(biāo),旨在從電源側(cè)衡量電力系統(tǒng)應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的能力,因而后文的“靈活性”主要是指電源靈活性。本節(jié)在已有研究的基礎(chǔ)上,從靈活性供需平衡的角度提出了電源靈活性裕度指標(biāo)及其定量計算方法。

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的裝機比重很小,核電機組基本以固定出力運行,供給側(cè)主要依靠水電、氣電、火電等常規(guī)電源實現(xiàn)靈活性調(diào)節(jié)。所有常規(guī)機組在各個時段的可調(diào)容量之和即為系統(tǒng)在該時段能夠提供的靈活性調(diào)節(jié)容量,針對負(fù)荷上升和下降的情況,分別稱之為上調(diào)靈活性和下調(diào)靈活性供給,表示為:

(1)

(2)

系統(tǒng)靈活性需求源自負(fù)荷及風(fēng)電的波動性和不確定性、機組強迫停運等,因此針對負(fù)荷上升和下降的情況,上調(diào)靈活性需求和下調(diào)靈活性需求分別為:

(3)

根據(jù)以上對靈活性供給和需求的描述,將電源靈活性裕度指標(biāo)定義為靈活性供給與靈活性需求的差值,相應(yīng)的,靈活性裕度也具有向上和向下兩個方向,即

(4)

需要說明的是,由式(1)至式(4)可以看出,系統(tǒng)需配置的靈活性調(diào)節(jié)容量實際上包含了爬坡容量和旋轉(zhuǎn)備用容量兩部分,因此,系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量可視為靈活性調(diào)節(jié)容量的一部分,在安排調(diào)度計劃時電源靈活性裕度滿足則系統(tǒng)正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束必然滿足。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

與水電和燃?xì)鈾C組相比,電網(wǎng)中火電機組在運行過程中會排放出較多對環(huán)境有害的SOx,NOx及粉塵等污染物[17]。隨著近年來環(huán)境污染的加劇,世界各國都不斷加強對污染物排放的控制,大力促進風(fēng)電等清潔能源的發(fā)展便是其重要舉措之一。因此,為了體現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)的環(huán)境效益,本文以系統(tǒng)在調(diào)度期內(nèi)污染氣體綜合排放總量最小[18]為目標(biāo)函數(shù),表示如下:

ζmtexp(λmtPmt,t)]

(5)

式中:F為污染氣體排放量;αmt,βmt,γmt,ζmt,λmt為火電機組mt的污染物排放量系數(shù),可通過機組的實際排放數(shù)據(jù)擬合得到;T為調(diào)度周期。

2.2 約束條件

多電源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度需要同時考慮電網(wǎng)相關(guān)約束以及各類型電源實際運行特征,下文將詳細(xì)介紹。

2.2.1電網(wǎng)約束

1)系統(tǒng)功率平衡約束

(6)

2)上調(diào)靈活性約束

(7)

3)下調(diào)靈活性約束

(8)

2.2.2電站(機組)運行約束

2.2.2.1 水電站約束

1)上下游水庫水力聯(lián)系

Imh,t=Qmh-1,t-τ+IR,mh,t-Smh-1,t-τ

(9)

式中:Imh,t為水電站mh在t時段的入庫流量;τ為電站mh-1和mh間的水流滯時;Qmh-1,t-τ為電站mh-1在t時段的發(fā)電流量;IR,mh,t為水電站mh-1和水電站mh間的區(qū)間流量;Smh-1,t-τ為水電站mh-1的水庫在t時段的棄水流量。

2)水量平衡約束

Vmh,t=Vmh,t-1+3 600(Imh,t-Qmh,t-Smh,t)Δt

(10)

式中:Vmh,t為水電站mh在t時段的庫容;Δt為時段步長。

3)庫水位約束

(11)

4)末水位控制

Zmh,t=Zmh,end

(12)

式中:Zmh,end為電站mh在調(diào)度期末水位控制值。

5)出庫流量約束

(13)

6)電站出力上下限約束

(14)

7)電站爬坡能力約束

(15)

2.2.2.2 燃?xì)鈾C組約束

1)機組日電量控制

由于中國天然氣行業(yè)尚處于發(fā)展初期階段,基礎(chǔ)建設(shè)不足導(dǎo)致氣量常不能足額供給,因此在實際調(diào)度中一般會設(shè)置燃?xì)鈾C組的日控制電量,即

(16)

式中:Emg為燃?xì)鈾C組mg的日控制電量。

2)機組出力上下限約束

理論上燃?xì)鈾C組運行可極為靈活,能在0～100%的負(fù)荷率區(qū)間內(nèi)運行。但相關(guān)研究[4,19]表明,當(dāng)燃?xì)鈾C組負(fù)荷率在75%以上時,其發(fā)電效率高、氣耗率低、污染物排放水平也較低,在此運行區(qū)間內(nèi)負(fù)荷率的變化對機組安全經(jīng)濟運行的影響相對較小。然而當(dāng)機組負(fù)荷率低于75%時,其各項性能會顯著降低,發(fā)電成本也急劇增加,會極大地?fù)p害燃?xì)怆姀S的發(fā)電效益。因此,本文將75%的負(fù)荷率設(shè)置為燃?xì)鈾C組穩(wěn)定運行的出力下限,即

(17)

3)最小開機持續(xù)時間約束

頻繁啟停會顯著影響燃?xì)鈾C組的使用壽命,機組的運行成本也將大大增加,因此,通過設(shè)置最小開機持續(xù)時間以盡量避免機組的頻繁啟停,即

(18)

除上述約束外,燃?xì)鈾C組還包括機組出力爬坡約束,處理方法與水電站類似,不再贅述。

2.2.2.3 火電機組約束

1)開停機狀態(tài)約束

目前,能耗較小的大型火電機組是電網(wǎng)中的發(fā)電主體。大型火電機組從鍋爐處于冷備用狀態(tài)到并網(wǎng)需要1～2 d,考慮到調(diào)度指令因素,此時間可能會更長。因此,本文模型不考慮火電機組的日內(nèi)啟停[20-21],即機組運行狀態(tài)一旦確定,在日內(nèi)不會發(fā)生變化,即

umt,1=umt,2=…=umt,t=…=umt,T

(19)

式中:umt,t為t時段機組開機狀態(tài)的0-1整數(shù)變量。

2)火電機組其他約束,如出力上下限約束、機組爬坡能力約束,表示方法與水電站類似,不再贅述。

3 求解方法

3.1 總體求解思路

風(fēng)水氣火多源協(xié)調(diào)調(diào)度是一個異常復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題,當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時,直接優(yōu)化求解的難度很大。為了減小問題解搜索空間,提高求解效率,本文借鑒了文獻[7-8]介紹的分層求解思想,將模型分解為風(fēng)電、水電、氣電、火電4個調(diào)度層,調(diào)度層之間以負(fù)荷和靈活性裕度為關(guān)聯(lián),同時針對各電源運行特性和電網(wǎng)調(diào)度需求,分別設(shè)計了適合的求解方法。圖1給出了總體求解框架,其求解思路是:依據(jù)風(fēng)電優(yōu)先、全額上網(wǎng)的政策,風(fēng)電盡可能地全額消納,不再作為調(diào)度中的優(yōu)化變量,若后續(xù)計算中系統(tǒng)下調(diào)靈活性不足,則采取一定的棄風(fēng)措施,并修正凈負(fù)荷曲線;水電、氣電機組運行靈活,污染物排放極少,應(yīng)優(yōu)先承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù),盡量削減凈負(fù)荷峰谷差以提升系統(tǒng)靈活性裕度,同時確保余留給火電的凈負(fù)荷盡可能地平坦,平穩(wěn)的負(fù)荷過程對于火電機組平衡系統(tǒng)負(fù)荷、減少其污染物排放尤為重要;火電機組調(diào)節(jié)能力相對較差,因此應(yīng)盡可能地承擔(dān)基荷。在求解過程中,針對常規(guī)水電、氣電優(yōu)化調(diào)度層,分別采用變尺度優(yōu)化方法、改進的日啟停調(diào)峰運行方法進行求解;針對火電優(yōu)化調(diào)度層,先利用啟發(fā)式搜索方法確定火電機組組合,然后采用改進粒子群優(yōu)化(improved particle swarm optimization,IPSO)算法確定該機組組合方式下的機組最優(yōu)出力過程。需要說明的是,雖然分層求解策略求得的調(diào)度結(jié)果只是較優(yōu)解或局部最優(yōu)解,但是該策略計算效率較高,得到的調(diào)度方案比較符合各電站/機組的實際運行工況和電網(wǎng)的調(diào)度習(xí)慣,具有很強的實用性?？紤]到風(fēng)電不作為優(yōu)化變量,下文將重點介紹水電、氣電和火電調(diào)度層的求解策略。

圖1 總體求解框架Fig.1 General framework of solution

3.2 水電調(diào)度層

有關(guān)水電短期調(diào)峰問題的求解方法已有大量研究報道,本文采用變尺度優(yōu)化方法求解該問題,其詳細(xì)的求解步驟可參考文獻[22]。

3.3 氣電調(diào)度層

在現(xiàn)階段,由于天然氣供應(yīng)不足、發(fā)電成本過高等原因,燃?xì)鈾C組采用晝開夜停的日啟停運行方式。本節(jié)針對當(dāng)前電網(wǎng)中燃?xì)鈾C組運行現(xiàn)狀以及燃?xì)鈾C組運行特性,提出一種改進的日啟停燃?xì)鈾C組調(diào)峰運行方法。對于燃?xì)鈾C組mg,其求解過程如下。

1)確定機組開機時段

根據(jù)機組的日計劃電量、出力上下限約束以及最小開機持續(xù)時間要求,采用式(20)至式(23)計算機組所有可行的運行時長(穩(wěn)定運行階段,不包含機組啟停階段)。

Emg,peak=Emg-Emg,on-Emg,off

(20)

(21)

(22)

(23)

為確保機組在負(fù)荷高峰時段發(fā)電,充分發(fā)揮機組調(diào)峰作用,搜索機組mg面臨的凈負(fù)荷(扣除風(fēng)電、水電出力之后的負(fù)荷)均值最高的tmg,n個時段,作為機組的可行連續(xù)開機時段,n個可行連續(xù)開機時段可構(gòu)成集合,即

(24)

2)優(yōu)化機組出力

如前文所述,對于燃?xì)鈾C組優(yōu)化調(diào)度層,以系統(tǒng)調(diào)峰為優(yōu)化目標(biāo),為此,采用電網(wǎng)凈負(fù)荷方差最小做目標(biāo)函數(shù)為:

(25)

式中:Ct′為扣除風(fēng)電、水電出力之后在t時段的凈負(fù)荷。

通過該方法得到燃?xì)鈾C組出力可兼顧電網(wǎng)調(diào)峰需求與機組運行限制(如調(diào)峰深度、運行時長、出力波動約束),充分發(fā)揮機組的靈活性調(diào)節(jié)能力。

3.4 火電調(diào)度層

如前文所述,當(dāng)前電網(wǎng)中火電機組完成一次啟停的時間較長,難以在日內(nèi)完成開停機狀態(tài)轉(zhuǎn)換?；谝陨线\行特點,為了減少尋優(yōu)空間和計算冗余,本節(jié)將火電優(yōu)化調(diào)度層分解為上下2層依次進行求解:上層采用啟發(fā)式的優(yōu)先順序法決策機組開機方式;下層采用IPSO算法確定該機組組合方式下的最優(yōu)出力過程。

3.4.1確定機組組合方式

確定火電機組組合方式的啟發(fā)式搜索步驟如下。

1)依照單位污染物排放量由低到高對火電機組進行排序,單位污染物排放量相同時,比耗量系數(shù)低的機組優(yōu)先,建立機組開機排序表。比耗量系數(shù)定義為:

(26)

2)剔除排序表中的檢修機組、電量超發(fā)或即將超發(fā)機組和尚處于停機狀態(tài)并且未達到最小停機時間要求(以d為單位)的機組。

3)依據(jù)機組排序表中的順序,逐次累加各機組最大出力,直至滿足最高凈負(fù)荷及其正備用需求:

(27)

4)采用式(28)進一步驗證機組最小出力能否滿足最低負(fù)荷點的負(fù)備用要求,若不滿足,說明在負(fù)荷最低點時系統(tǒng)難以完全消納風(fēng)電,需要在負(fù)荷最低點附近采取棄風(fēng)措施,直至約束滿足。

(28)

3.4.2優(yōu)化機組出力

粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本節(jié)針對傳統(tǒng)PSO算法在求解具有復(fù)雜約束問題時存在可行解獲取困難、易于陷入局部最優(yōu)解等弊端,提出一種耦合復(fù)雜約束動態(tài)修補策略的IPSO算法,用于優(yōu)化求解機組出力。

該策略的主要思想為:在獲取初始解和每次迭代更新時,對不滿足約束條件的粒子進行修正, 使其盡量滿足約束條件,對于部分難以修正的約束,采用罰函數(shù)法轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題。具體的修補原則如下。

原則1：調(diào)整機組出力使其滿足機組出力上下限約束。

(29)

原則2：如果違反機組爬坡速率約束,則按以下原則調(diào)整。

(30)

原則3：當(dāng)t時段違反功率平衡約束時,計算功率偏差值。

(31)

若ΔPt>0,標(biāo)記t時段出力值達到下限的機組序號(假設(shè)為k),按照式(32)將功率偏差值分配到各個機組;若ΔPt<0,標(biāo)記t時段出力值達到上限的機組序號(假設(shè)為n),按照式(32)將分配功率偏差值。

(32)

在分配完成后如若違反出力上下限和爬坡速率約束,按照原則1和2調(diào)整機組出力。反復(fù)調(diào)整機組出力,直至ΔPt=0或r=Rset(r為截至當(dāng)前的調(diào)整次數(shù),Rset為設(shè)定的最大調(diào)整次數(shù)),則停止迭代。

如果達到設(shè)定的調(diào)整次數(shù), 仍然不能滿足功率平衡約束,說明該粒子本次迭代得到的解并非可行解(但已經(jīng)盡量靠近了可行解區(qū)域)。同樣,上調(diào)和下調(diào)靈活性約束也難以同時滿足,因此,本文在適應(yīng)度函數(shù)中加入功率平衡約束和系統(tǒng)靈活性約束的罰函數(shù),保證在下次迭代時將粒子盡可能吸引到可行解的區(qū)域中。相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)為:

(33)

式中:λpb,λmu,λmd分別為功率平衡約束、上調(diào)靈活性約束和下調(diào)靈活性約束的懲罰因子。

若迭代至最后一代時,功率平衡約束或系統(tǒng)靈活性約束仍不滿足,則搜索靈活性不足的時段并采取棄風(fēng)措施,以保障電網(wǎng)安全運行。

關(guān)于PSO算法的其他具體步驟請參見文獻[24]。

4 實例分析

4.1 工程背景

以中國某省級電網(wǎng)冬季典型日的短期調(diào)度方案制作為例,驗證本文模型和方法有效性與可行性。

算例包含10個大型風(fēng)電場、2個梯級水電站、10臺燃?xì)鈾C組和36臺火電機組(1 000 MW機組4臺、 660 MW機組4臺、600 MW機組10臺、350 MW機組4臺、330 MW機組6臺、300 MW及以下機組8臺)。以1 d為調(diào)度周期,1 h為1個調(diào)度時段。調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷和風(fēng)功率預(yù)測數(shù)據(jù)如附錄A表A1所示,負(fù)荷與風(fēng)電預(yù)測出力曲線如附錄A圖A1所示,由圖A1可以看出,風(fēng)電預(yù)測出力呈現(xiàn)出一定“反調(diào)峰”特性,增加了調(diào)度運行的難度。水電站和燃?xì)鈾C組的運行參數(shù)分別見附錄A表A2和表A3,部分火電機組的運行參數(shù)如附錄A表A4所示。其他參數(shù)ηu=ηd=5%,ηe=8%,ωu=ωd=25%,IPSO算法最大迭代次數(shù)取500,粒子數(shù)目取50。

4.2 計算結(jié)果及分析

采用JAVA語言編制了本文方法的應(yīng)用程序,在主頻2.3 GHz、四核CPU、內(nèi)存16 GB、硬盤500 GB的Lenovo計算機上連續(xù)運行該算法50次,得到的最優(yōu)值和最差值的偏差僅為0.34%,并且完成一次計算的最長時間為42.6 s,可有效滿足電網(wǎng)短期調(diào)度的時效性要求。圖2和圖3分別為風(fēng)水氣火協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果和電網(wǎng)實際調(diào)度結(jié)果,兩種場景下均實現(xiàn)了風(fēng)電全額消納。

從圖3可以看出,水電站和燃?xì)鈾C組在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時段(10:00—22:00)加大出力,在負(fù)荷低谷時段不發(fā)電,利用其靈活的調(diào)節(jié)能力,達到平抑風(fēng)電隨機波動和削減負(fù)荷峰谷差的目的,確保余留給火電機組的負(fù)荷盡可能平穩(wěn)。經(jīng)過水電、氣電有效調(diào)峰,剩余最高負(fù)荷(即火電承擔(dān)的最高凈負(fù)荷)為13 911 MW,負(fù)荷峰谷差由8 142 MW削減為6 214 MW,負(fù)荷均方差由2 874 MW削減為2 265 MW,證明了本文水電、氣電優(yōu)化層的求解策略的有效性。實際調(diào)度方案中,由于對水電站運行模型進行了簡化,因此安排水電站在16:00—21:00定出力運行,同時安排燃?xì)鈾C組在負(fù)荷高峰時段滿功率運行,這種運行方式雖然也有效降低了負(fù)荷峰谷差(峰谷差削減為6 763 MW),但由于定出力運行,限制了水電和氣電的調(diào)峰潛力,在10:00—22:00期間余留給火電的負(fù)荷仍然有較大波動。

圖2 協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.2 Results of coordinated optimal dispatching

圖3 實際調(diào)度結(jié)果Fig.3 Results of actual dispatching

但同時也應(yīng)該看到,經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度后,火電機組在調(diào)度期內(nèi)出力波動依然較為明顯,主要是因為:水電、氣電裝機比重相對較小,并且正值枯水期,來水量偏少,使得水電站可發(fā)電量較少,而燃?xì)鈾C組由于天然氣供應(yīng)不足和自身發(fā)電成本限制,也大大影響了其靈活性的發(fā)揮。未來隨著“西氣東輸”工程全面實施和電網(wǎng)中燃?xì)鈾C組裝機比重不斷增加,氣電作為靈活性電源在電網(wǎng)中的作用將愈加顯著。

將本文優(yōu)化調(diào)度后的結(jié)果與該日電網(wǎng)實際調(diào)度運行(風(fēng)電全額并網(wǎng),備用容量取為最高負(fù)荷的固定比例)的結(jié)果進行比較, 圖4(a)和圖4(b)分別為實際調(diào)度和本文優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)上調(diào)靈活性裕度和下調(diào)靈活性裕度,可以看出,電網(wǎng)實際調(diào)度在負(fù)荷高峰時段存在大量靈活性(正備用)冗余,而在負(fù)荷低谷時段下調(diào)靈活性裕度存在不足,在02:00—05:00的靈活性缺額分別達到了128，350，420，251 MW,意味著在這些時段電源的下調(diào)能力不足,可能無法快速響應(yīng)負(fù)荷和風(fēng)功率預(yù)測偏差,發(fā)生棄風(fēng)或火電緊急停機的風(fēng)險較高。而優(yōu)化調(diào)度結(jié)果由于在負(fù)荷低谷及其相鄰時段考慮了系統(tǒng)下調(diào)靈活性需求,然后在負(fù)荷高峰時段充分利用了水電、氣電的上調(diào)靈活性優(yōu)勢,使得系統(tǒng)在各個時段均滿足靈活性裕度需求。

圖4 優(yōu)化前后靈活性裕度對比Fig.4 Comparison of flexibility margin between before and after optimal operation

統(tǒng)計優(yōu)化調(diào)度后全天的系統(tǒng)污染物排放總量、火電開機臺數(shù)和開機容量,并與實際調(diào)度場景做對比,結(jié)果如表1所示。

表1 本文方法與電網(wǎng)實際運行污染物排放對比Table 1 Comparison of pollutant emission between actual operation and the method in this paper

由表1可見,通過對各類型電源出力和備用容量獲取方式的優(yōu)化,在保證風(fēng)電完全消納和滿足系統(tǒng)靈活性要求的前提下,系統(tǒng)仍然存在污染物減排空間,相對于實際調(diào)度場景,排污染排放減少量為341 t,減排率為4.1%。同時,隨著系統(tǒng)火電開機容量的大幅降低,使得火電機組在調(diào)度周期內(nèi)的負(fù)荷率得到有效提升,進而可達到提高機組運行效率、降低發(fā)電煤耗的效果。這一結(jié)果主要受益于兩個方面:一方面是本文模型引入了電源靈活性指標(biāo),對有限的靈活性資源進行了優(yōu)化分配,大大減少了系統(tǒng)正備用冗余,從而減少了開機機組臺數(shù);另一方面是利用了分層求解的思想,針對水電、氣電優(yōu)化調(diào)度層分別設(shè)計了合理有效的求解方法,最大限度地發(fā)揮了其靈活性優(yōu)勢,然后采用IPSO算法實現(xiàn)了火電機組最優(yōu)負(fù)荷分配,避免了PSO算法陷入局部最優(yōu)解。

由于短期風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)的限制,風(fēng)電的日前預(yù)測出力和實際出力間必然存在一定的偏差。本文將進一步地考慮風(fēng)電預(yù)測偏差對優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的影響,驗證優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對系統(tǒng)中不確定性因素的適應(yīng)性,即所提模型和方法的魯棒性[25]。

附錄A圖A2為該日實際的風(fēng)電出力過程,雖然總體趨勢與預(yù)測出力過程相近,但在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時段(04:00—08:00),實際出力要明顯高于預(yù)測出力,極大地增加了風(fēng)電低谷消納的難度。

嚴(yán)格來說,日前制作的調(diào)度方案根據(jù)實時風(fēng)功率進行調(diào)整時,更多的是屬于實時調(diào)度的范疇,為了簡化計算,本文根據(jù)實際的風(fēng)功率和負(fù)荷曲線,固定日前確定的火電機組的開機方式,使用上文介紹的方法重新計算得到了新的調(diào)度方案,新的調(diào)度方案可近似認(rèn)為是調(diào)整方案,調(diào)整后的結(jié)果如附錄A圖A3所示。從圖A3可以看出,水電和氣電出力在高峰時段根據(jù)凈負(fù)荷的變化趨勢及時做出了調(diào)整,使得余留給火電的凈負(fù)荷繼續(xù)保持平穩(wěn),同時為了應(yīng)對風(fēng)電在低谷時段的出力突增,部分火電機組在低谷時段降低出力,以接近最低技術(shù)出力運行,以保證風(fēng)電的全額消納。調(diào)整后的調(diào)度方案能夠重新達到系統(tǒng)功率平衡,驗證了本文方法得到的調(diào)度方案的魯棒性。

附錄A圖A4為優(yōu)化調(diào)度方案調(diào)整后的電源靈活性裕度,可看出在實際運行場景下,電源上調(diào)靈活性仍存在一定的裕度,但下調(diào)靈活性在03:00和04:00已經(jīng)分別出現(xiàn)了184 MW和320 MW的缺額,表明此時系統(tǒng)中電源的下調(diào)靈活性已經(jīng)達到了極限。隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高,電網(wǎng)面臨的靈活性不足問題將成為限制風(fēng)電消納的主要瓶頸之一。因此,在電力系統(tǒng)規(guī)劃中,應(yīng)進一步提高電源結(jié)構(gòu)中抽水蓄能、燃?xì)怆娬镜褥`活性電源的比重,全面提升電力系統(tǒng)的靈活性以適應(yīng)高比例可再生能源的運行。

5 結(jié)語

本文提出一種基于電源靈活性裕度的含風(fēng)電力系統(tǒng)多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法,并將其應(yīng)用于中國某省級電網(wǎng)的日前發(fā)電計劃編制,通過實例分析,獲得如下結(jié)論。

1)提出的電源靈活性裕度指標(biāo)充分考慮了風(fēng)電和負(fù)荷的波動性和不確定性影響以及水電、氣電和火電的靈活性調(diào)節(jié)能力,可有效評估系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力,可實現(xiàn)有限靈活性資源的優(yōu)化分配,大幅減少系統(tǒng)備用冗余,提升機組的負(fù)荷率和運行效率。

2)本文方法利用水電、氣電靈活性的調(diào)節(jié)作用有效平抑了風(fēng)電和負(fù)荷的隨機波動,并且進一步優(yōu)化了火電機組的出力過程,在保證風(fēng)電完全消納和滿足電網(wǎng)靈活性需求的同時,降低了系統(tǒng)的污染物排放水平。

3)通過發(fā)電側(cè)多源協(xié)調(diào)互濟是提高電網(wǎng)對間歇性新能源接納能力的一種有效實用的技術(shù)手段,本文提出的風(fēng)水氣火多源相濟協(xié)調(diào)策略,可為大規(guī)模風(fēng)電接入后電網(wǎng)發(fā)電調(diào)度運行提供借鑒和參考。

高比例可再生能源將成為電力系統(tǒng)未來發(fā)展的一個突出特征,因此從靈活性角度看待電力系統(tǒng)運行問題顯得尤為必要。本文重點研究了電源靈活性裕度指標(biāo)以及基于該指標(biāo)的多源協(xié)調(diào)調(diào)度機制,暫時未考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束,下一步的研究計劃是在本文提出模型的基礎(chǔ)上加入網(wǎng)絡(luò)約束,使得建立的多源協(xié)調(diào)調(diào)度模型更符合實際。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

蘇承國(1994—),男,博士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)優(yōu)化運行、大規(guī)模清潔能源消納技術(shù)。E-mail： suchguo@163.com

申建建(1984—),男,通信作者，博士,副教授,主要研究方向:水電及電網(wǎng)調(diào)度。E-mail: shenjj@dlut.edu.cn

程春田(1965—),男,博士生導(dǎo)師,長江學(xué)者特聘教授,主要研究方向:大水電系統(tǒng)調(diào)度、清潔能源電力市場、電網(wǎng)調(diào)度與控制等。E-mail: ctcheng@dlut.edu.cn