劉傳新

【摘 ?要】隨著人們的生活質(zhì)量在不斷的提高，對(duì)于用電的需求在不斷的加大，光伏出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，大規(guī)模光伏并網(wǎng)將對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)較大的沖擊，研究適應(yīng)光伏并網(wǎng)的電力優(yōu)化調(diào)度方法具有重要的實(shí)際意義。本文分析了光伏的典型出力特性，構(gòu)建了光伏消納優(yōu)化調(diào)度模型，并采用內(nèi)點(diǎn)法求解，最后以IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例分析了光伏消納優(yōu)化調(diào)度方法的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng);電力生產(chǎn);優(yōu)化調(diào)度;光伏消納

引言

由于能源危機(jī)、環(huán)境惡化等問(wèn)題，諸多國(guó)家正在加快太陽(yáng)能、風(fēng)能的開(kāi)發(fā)與利用，太陽(yáng)能光伏（photovoltaic，PV）發(fā)電和太陽(yáng)能光熱（concentratingsolar power，CSP）發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)前太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)路線的主流。光伏發(fā)電間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行帶來(lái)了諸多問(wèn)題，加劇了大規(guī)模并網(wǎng)情況下電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)峰平衡帶來(lái)負(fù)面影響。因此，諸多文獻(xiàn)對(duì)于含光伏并網(wǎng)的系統(tǒng)調(diào)度模型做了研究。將碳交易機(jī)制引入電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，構(gòu)建了考慮大規(guī)模光伏電源接入和CO2排放經(jīng)濟(jì)價(jià)值的優(yōu)化調(diào)度模型。以最小化經(jīng)濟(jì)成本和電網(wǎng)供電方差為目標(biāo)，建立了含光伏和蓄能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)蓄優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，最大程度實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的削峰填谷。為了提高分布式光伏在配電網(wǎng)中的滲透率，平抑其并網(wǎng)功率波動(dòng)，提出一種包括配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度和儲(chǔ)能電站站內(nèi)功率分配雙層結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能電站實(shí)時(shí)調(diào)度方法。

1概述

1.1光伏出力特性

光伏電站初始投資包括光伏組件、并網(wǎng)逆變器、配電設(shè)備及電纜、電站建設(shè)安裝等成本，其中光伏組件投資成本占初始投資的50%～60%。光伏電池組件效率的提升、制造工藝的進(jìn)步以及原材料價(jià)格下降等因素都會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電成本的下降。目前，組件生產(chǎn)成本已顯著下降，為光伏發(fā)電成本的降低起到推動(dòng)作用。但光伏出力的波動(dòng)也較大，對(duì)系統(tǒng)造成較大的影響。系統(tǒng)發(fā)電效率影響因素包括光伏電池組本身的轉(zhuǎn)化效率、系統(tǒng)使用效率和并入系統(tǒng)電網(wǎng)前的中間損失等，其中，光伏電池組本身的轉(zhuǎn)化效率起著基礎(chǔ)性的作用，而決定光伏電池組轉(zhuǎn)換效率的是太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。光伏電站出力受太陽(yáng)能資源的影響，具有規(guī)律性和波動(dòng)性。

1.2光伏電站運(yùn)行機(jī)理

當(dāng)前，中國(guó)的并網(wǎng)光伏發(fā)電呈現(xiàn)著“分散開(kāi)發(fā)、低壓就地接入”與“大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、中高壓接入”的兩種主要發(fā)展趨勢(shì)，建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站是集中利用太陽(yáng)能的重要方式。相比離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網(wǎng)光伏電站可以略去蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，基于最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升;相比小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網(wǎng)光伏電站可以集中利用太陽(yáng)能，通過(guò)采用逆變器并聯(lián)、集中管理和運(yùn)行控制技術(shù)，可在不同運(yùn)行場(chǎng)景下充分利用太陽(yáng)能的時(shí)間特性和儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)起到削峰、無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

2光伏并網(wǎng)的電力優(yōu)化調(diào)度方法

2.1第一階段優(yōu)化

大型光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)運(yùn)行后，由于光熱電站配備了大容量的儲(chǔ)熱裝置以及具備快速爬坡能力的汽輪機(jī)組，該系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)而言具備了調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差、改善負(fù)荷曲線、增強(qiáng)電力系統(tǒng)靈活運(yùn)行的作用。因此，在第一階段優(yōu)化過(guò)程中，以削減系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差為目標(biāo)，應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法，建立光伏光熱電站的調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)度模型，為第二階段的機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配提供等效負(fù)荷數(shù)據(jù)。

2.2第二階段優(yōu)化

第二階段的火電機(jī)組優(yōu)化調(diào)度在第一階段優(yōu)化后的等效負(fù)荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行。優(yōu)化目標(biāo)是在調(diào)度周期內(nèi)和一定約束條件下，合理安排機(jī)組啟停和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配，使得總發(fā)電成本最低。

2.3求解方法

遺傳算法是一種建立在自然選擇原理和自然遺傳機(jī)制上的迭代式自適應(yīng)概率性搜索方法。它模擬自然界中生物進(jìn)化的發(fā)展規(guī)律，在人工系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的優(yōu)化。目前遺傳算法發(fā)展迅速，已被廣泛應(yīng)用于解決各種問(wèn)題，例如，系統(tǒng)優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、工程控制、模式識(shí)別、人工智能、故障診斷以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域，取得了良好的效果。遺傳算法的基本思路是，利用數(shù)字編碼模擬由遺傳算子作用這些編碼構(gòu)成的群體的進(jìn)化過(guò)程。遺傳算法求解過(guò)程類似于生物進(jìn)化，通過(guò)作用于染色體上的基因，尋找好的染色體來(lái)求解優(yōu)化問(wèn)題。遺傳算法通過(guò)選擇操作，有組織地，隨機(jī)地交換信息來(lái)重新組合那些適應(yīng)性好的個(gè)體，同時(shí)也在某些個(gè)體結(jié)構(gòu)中嘗試用新的基因去替代原有的基因來(lái)生成新的個(gè)體。遺傳算法相比傳統(tǒng)算法最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)優(yōu)化模型的數(shù)學(xué)形式要求較低，不要求連續(xù)可導(dǎo)，甚至目標(biāo)函數(shù)可以分段。在本文所提模型中，需調(diào)用外界仿真軟件獲得系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析結(jié)果，因此傳統(tǒng)經(jīng)典算法無(wú)法處理這一問(wèn)題。

2.4儲(chǔ)能工作策略

儲(chǔ)能工作策略包括經(jīng)濟(jì)性最佳策略和可靠性最佳策略。1）經(jīng)濟(jì)性最佳策略：儲(chǔ)能發(fā)揮削峰填谷的作用，充分利用峰谷價(jià)差，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。即儲(chǔ)能只在低谷電價(jià)時(shí)段和光伏發(fā)電多余時(shí)充電，在高峰時(shí)段放電。2）可靠性最佳策略：儲(chǔ)能發(fā)揮平抑光伏發(fā)電波動(dòng)性和減少高峰從電網(wǎng)購(gòu)電的作用，最大化消納光伏發(fā)電，以便于最大限度地保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。即儲(chǔ)能只在光伏發(fā)電多余時(shí)充電，在電網(wǎng)電力自給不足時(shí)放電。

3光伏消納優(yōu)化調(diào)度模型

近年來(lái)，中國(guó)太陽(yáng)能電池與組件規(guī)模迅速擴(kuò)大，光伏電池制造技術(shù)進(jìn)步不斷加快，產(chǎn)品質(zhì)量位居世界前列。當(dāng)前新能源已經(jīng)成為我國(guó)重要的電力來(lái)源，目前已經(jīng)有13個(gè)省區(qū)新能源電量的比重超過(guò)了10%。光伏能否獲得持續(xù)發(fā)展、大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵因素，在于能否盡早平價(jià)上網(wǎng)，產(chǎn)生與其他類型電力相競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)力。而決定發(fā)電成本的關(guān)鍵因素是光伏發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)格和發(fā)電效率，首先需要解決的問(wèn)題是大規(guī)模光伏并網(wǎng)之后，系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的問(wèn)題。為此，本文構(gòu)建了光伏消納優(yōu)化調(diào)度模型，該模型由目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)成。光伏消納優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為光伏功率消納最大： 式中，ΔPi為第i個(gè)光伏電站的光伏消納功率;N為系統(tǒng)中并網(wǎng)的光伏電站數(shù)目;Δt為光伏消納周期的時(shí)間間隔，一般取15min為一個(gè)時(shí)段。光伏消納優(yōu)化調(diào)度模型的約束條件主要包括系統(tǒng)的功率平衡約束，節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流約束，系統(tǒng)中常規(guī)火電機(jī)組出力約束等。由于光伏電站的裝機(jī)容量有上限值，故存在光伏出力最大值約束，一般取為額定容量。除此之外，由于光伏出力的波動(dòng)性和不確定性，系統(tǒng)必需設(shè)置一定的備用容量，以使得光伏出力波動(dòng)較大時(shí)系統(tǒng)仍能滿足功率平衡約束。系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量約束為： 式中，HG，i，t為系統(tǒng)中第i臺(tái)機(jī)組在時(shí)段t的啟停狀態(tài)，PmaxG，i為第i臺(tái)機(jī)組的額定容量，α和β分別為系統(tǒng)的上下旋轉(zhuǎn)備用容量的需求系數(shù)，Sdt為系統(tǒng)中負(fù)荷的備用容量需求系數(shù)，Ppv，t為在時(shí)段t的光伏出力數(shù)值。式為系統(tǒng)的上旋轉(zhuǎn)備用容量約束，表示當(dāng)系統(tǒng)的光伏出力不足時(shí)，系統(tǒng)中的常規(guī)機(jī)組應(yīng)能增大出力，滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求。式為系統(tǒng)的下旋轉(zhuǎn)備用容量約束，表示當(dāng)系統(tǒng)的光伏出力過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)中的常規(guī)機(jī)組應(yīng)能降低出力，以使系統(tǒng)仍能保證功率平衡，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。上述光伏消納優(yōu)化調(diào)度模型可采用常規(guī)的內(nèi)點(diǎn)法迭代優(yōu)化計(jì)算，該方法具有計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，收斂可靠的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)優(yōu)化模型的求解中得到了廣泛的采用。內(nèi)點(diǎn)法計(jì)算優(yōu)化模型的原理是迭代計(jì)算，當(dāng)計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為已經(jīng)找到了一個(gè)最優(yōu)解點(diǎn)，之后再繼續(xù)尋找下一個(gè)時(shí)段的下一個(gè)最優(yōu)解點(diǎn)，直到完成系統(tǒng)中所有時(shí)段的優(yōu)化計(jì)算。將系統(tǒng)中全天的光伏消納功率總加，結(jié)果即為系統(tǒng)中全天的光伏消納電量。

結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)家一直鼓勵(lì)光伏發(fā)電項(xiàng)目靠近電力負(fù)荷建設(shè)，接入中低壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電力就近消納。各類配電網(wǎng)企業(yè)將為分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)運(yùn)行提供服務(wù)，優(yōu)先消納分布式光伏發(fā)電量，建設(shè)分布式發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)支撐系統(tǒng)并組織分布式電力交易。此外，太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)應(yīng)用將呈現(xiàn)寬領(lǐng)域、多樣化的趨勢(shì)，適應(yīng)各種需求的光伏產(chǎn)品將不斷問(wèn)世，除了大型并網(wǎng)光伏電站外，與建筑相結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)、小型光伏系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏系統(tǒng)等也將快速興起，因此光伏并網(wǎng)后的優(yōu)化調(diào)度方法將發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]原亞寧，李琳，周博文.基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的分布式家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型[J].智慧電力，2018（1）：7-13.

[2]段紹輝，汪偉，劉中勝，等.含光伏的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方案[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，25（4）：150-155

（作者單位：國(guó)網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司）