大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的影響

胡青

摘要：在對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的研究中，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)波動問題是制約大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展的主要因素之一。同時(shí)，風(fēng)電運(yùn)行時(shí)的反調(diào)峰特性加劇了電網(wǎng)的峰谷差和有功調(diào)度控制的難度。在風(fēng)電接入后，現(xiàn)有系統(tǒng)備用容量的確定方法和制定調(diào)度計(jì)劃的策略已不能滿足電網(wǎng)企業(yè)安全經(jīng)濟(jì)的控制目標(biāo)。本文總結(jié)了當(dāng)前的相關(guān)研究并給出了解決方案，指出多源互補(bǔ)備用協(xié)同策略和多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)備用發(fā)電方案聯(lián)合優(yōu)化策略適用于大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)，以及考慮風(fēng)電場輸出耦合的有效功發(fā)電調(diào)度策略關(guān)系對大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)的適用性。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模風(fēng)電；電網(wǎng)；調(diào)度；備用容量

作為最重要的新型清潔能源，風(fēng)電具有許多與傳統(tǒng)電源不同的顯著特點(diǎn)。近年來大規(guī)模風(fēng)電在貴州的安裝容量迅速增加，在2011年至2014年間迅速增加至2326 MW，貴州風(fēng)電建設(shè)將進(jìn)入快速發(fā)展階段。大規(guī)模風(fēng)電接入的增加對各級電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)營（接入點(diǎn)、控制區(qū)域、電網(wǎng)）產(chǎn)生影響，考慮到風(fēng)電功率變化和預(yù)測不確定性是大規(guī)模風(fēng)電接入最具挑戰(zhàn)性的問題，本文以此為重點(diǎn)進(jìn)行了研究。

1 研究內(nèi)容與方法

風(fēng)力的大小決定了風(fēng)電的負(fù)荷，風(fēng)力呈現(xiàn)出比較明顯的隨機(jī)變化率和預(yù)測的不確定性。由于風(fēng)力的大小與氣象條件相關(guān)，并且兩者之間的變化息息相關(guān)，本文定義負(fù)荷功率和風(fēng)力發(fā)電功率之差為“凈負(fù)荷”，并分析和研究了負(fù)荷以及風(fēng)電規(guī)模對電網(wǎng)整體特性的影響。以電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行模型為參考框架，發(fā)現(xiàn)凈負(fù)荷的隨機(jī)變化率和預(yù)報(bào)不確定性將對電網(wǎng)調(diào)整、負(fù)荷跟蹤和電網(wǎng)運(yùn)行管理等造成影響。本文重點(diǎn)介紹電網(wǎng)調(diào)頻和待機(jī)調(diào)度的兩個(gè)基本內(nèi)容，利用統(tǒng)計(jì)調(diào)度和待機(jī)調(diào)度分析方法研究大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)運(yùn)行的影響，對2010年附近的中國電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷和預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，然后根據(jù)電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電規(guī)劃的發(fā)展速度規(guī)劃2020年的電網(wǎng)調(diào)度水平。

2 大規(guī)模風(fēng)電接入對調(diào)度計(jì)劃的影響

2.1 存在的問題

有功功率的實(shí)時(shí)調(diào)度是電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的核心所在，不僅關(guān)系到系統(tǒng)有功功率和頻率的穩(wěn)定性，而且對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行起著重要的作用。國內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行中主要采用自動調(diào)度控制（AGC）方法，其在應(yīng)用中的缺點(diǎn)有：

a）自動調(diào)度控制方法缺乏合理的科學(xué)依據(jù)，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來制定調(diào)度策略，與功率預(yù)期之間存在矛盾；風(fēng)電的實(shí)時(shí)監(jiān)測日負(fù)荷數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果常常在第二天具有較大差別。風(fēng)電負(fù)荷的隨機(jī)性和波動性使得預(yù)測方案無法正常實(shí)施。

b）調(diào)度員的操作缺乏準(zhǔn)確調(diào)度策略的指導(dǎo)，工作實(shí)施強(qiáng)度較大；調(diào)度模型不合理，難以確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。

c）很容易出現(xiàn)AGC的可調(diào)容量不足的情況，進(jìn)一步影響了系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。

大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，風(fēng)電的隨機(jī)變化率和預(yù)測的不確定性對整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電負(fù)荷和安全運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。為了提高風(fēng)電接入的能力，需要對電網(wǎng)的有功功率調(diào)度進(jìn)行針對性的考察和研究。

2.2 風(fēng)電有功功率調(diào)度的幾個(gè)問題

2.2.1 風(fēng)電有功功率調(diào)度模型

由于風(fēng)電功率輸出的預(yù)測精度隨著時(shí)間間隔的增長而變差，因此傳統(tǒng)調(diào)度模型中的兩組時(shí)間尺度組合方式不適合對日常的有功功率和自動發(fā)電控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。可結(jié)合日常計(jì)劃、滾動調(diào)度和實(shí)時(shí)調(diào)度的多時(shí)間尺度組合優(yōu)化調(diào)度機(jī)制，逐級細(xì)化預(yù)測的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，多級協(xié)調(diào)，逐步消除風(fēng)電的低預(yù)測性，提高風(fēng)電的利用率。根據(jù)燃料成本、總排放量和電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行三個(gè)方面來評估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率。結(jié)果表明，風(fēng)電滲透率較低時(shí)可以促進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)電負(fù)荷增加時(shí)，儲存設(shè)備和生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加。隨著風(fēng)電滲透率的增加，電力系統(tǒng)的安全水平呈現(xiàn)先增后降的趨勢。基于隨機(jī)安全框架和風(fēng)電場的不確定性特點(diǎn)，也可以提出短期的電力市場清算計(jì)劃。與傳統(tǒng)測定方法相比，短期隨機(jī)運(yùn)行規(guī)劃可以承受更大的風(fēng)電滲透率，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮電網(wǎng)運(yùn)行需求的問題，提出了將風(fēng)電場發(fā)電裝置與需求響應(yīng)電源結(jié)合的分析方法。傳統(tǒng)的調(diào)度方法一直將可再生能源算作負(fù)的負(fù)荷，在模型優(yōu)化過程中，對期望的負(fù)載值和可再生能源生成值進(jìn)行預(yù)測分析。同時(shí)將可控發(fā)電機(jī)的輸出方式調(diào)整為階躍負(fù)載。將模型預(yù)測控制理論應(yīng)用于風(fēng)電調(diào)度問題，提出了一種前瞻性優(yōu)化調(diào)度控制方法。該方法依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對風(fēng)電輸出功率進(jìn)行預(yù)測，對風(fēng)電接入進(jìn)行階段性合理調(diào)度，與傳統(tǒng)的以風(fēng)電為負(fù)的負(fù)荷的電網(wǎng)調(diào)度方式相比，該方法顯著降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。在以風(fēng)電機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)約束和負(fù)荷安全邊界約束為主的直流潮流優(yōu)化調(diào)度模型中，建立以風(fēng)電風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)行成本影響為主參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，并將模糊函數(shù)用于風(fēng)電接入約束的計(jì)算中，用以考慮風(fēng)電接入的不穩(wěn)定性。當(dāng)綜合考慮風(fēng)電超時(shí)調(diào)度導(dǎo)致的待機(jī)成本和調(diào)度不足導(dǎo)致的風(fēng)電關(guān)機(jī)成本時(shí)，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)備用成本系數(shù)增加時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量趨于下降，風(fēng)電成本系數(shù)的增加提高了風(fēng)電的利用率。

隨著人堆環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，有源發(fā)電的污染物排放問題日益受到重視。在建立調(diào)度模型時(shí)，需考慮運(yùn)營成本函數(shù)與污染物排放成本函數(shù)，因此，風(fēng)力發(fā)電也被稱為環(huán)境/經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

2.2.2 風(fēng)電有功功率調(diào)度算法

在進(jìn)行風(fēng)電有功功率調(diào)度優(yōu)化算法時(shí)，提出了一種經(jīng)濟(jì)可行的調(diào)度方法，即直接搜索算法。該算法的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和待機(jī)成本。采用隨機(jī)波動理論建立了風(fēng)電場電力系統(tǒng)動態(tài)調(diào)度模型，并利用隨機(jī)模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的混合智能算法求解該模型，有效改善了調(diào)度模型的收斂速度和搜索性能。由于模型包括多目標(biāo)優(yōu)化、多值和非線性特征問題，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法很難解決。因此，本文使用遺傳進(jìn)化算法來求解模型。利用拉格朗日松弛算法可將動態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題分解為幾個(gè)并行子問題，同時(shí)結(jié)合凸規(guī)劃模型的特點(diǎn)，使用子問題動態(tài)優(yōu)化算法的逆優(yōu)化來加快計(jì)算速度。

3 結(jié)語

本文對貴州電網(wǎng)電力負(fù)荷和凈負(fù)荷變化特征及預(yù)測性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析了調(diào)度電網(wǎng)和控制區(qū)控制性能隨大規(guī)模風(fēng)電接入后的影響，并對大規(guī)模風(fēng)電接入的隨機(jī)變化率和預(yù)測的不確定性進(jìn)行了分析。由于貴州風(fēng)電功率的預(yù)測尚未進(jìn)行，如果在系統(tǒng)風(fēng)電裝機(jī)不大的情形下接入大規(guī)模風(fēng)電，就必須加快對本地區(qū)風(fēng)電場的預(yù)測研究。結(jié)果表明：大規(guī)模風(fēng)電接入會增加電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)需要改善待機(jī)運(yùn)行調(diào)度模型，以平衡風(fēng)電接入帶來的預(yù)測偏差。

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