含風儲主動配電網與輸電網協同的機組組合

2021-05-08 05:23:16李本新張衷望

東北電力大學學報 2021年1期

李本新，張衷望

(東北電力大學現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室，吉林吉林 132012)

近年來，隨著國家能源清潔化政策的實施，越來越多的分布式可再生能源發電逐漸接入配電網，其在發揮綠色減排效益的同時，也使電力系統運行面臨愈發嚴重的不確定性問題.為緩解或消除這一不確定性，儲能等各類互補設備不斷接入配電網，由此使傳統配電網向主動配電網方向轉變[1].機組組合的任務是在日前或周前制定滿足發電、負荷及備用要求的機組啟停計劃[2].在傳統輸配割裂調度模式下，機組組合往往針對輸電網，由于其往往將經聯絡線注入配電網功率的期望值及其偏差值視為常數，從而難以有效協調輸電網與主動配電網的靈活性資源，出現棄風光的誤判.在此背景下，如何協調輸電網與主動配電網運行計劃提升風光等可再生能源發電的消納，成為機組組合決策面臨的新挑戰.

按常規，決策機組組合問題，若考慮網絡制約指的就是輸電網，此時配電網相當于等值的負荷，這一問題的研究比較成熟[3-8].隨著風光等分布式電源大量接入配電網，以及為消納這些新能源而在配網側配置儲能設施的行為，出現了諸多基于主動配電網運行優化與控制的研究[9-14]，也促進了風光等可再生能源的消納.然而，從電力系統整體角度出發，輸電網與配電網兩個運行優化問題分離決策，難免會出現決策保守或冒進的情況，因此有聯合協同決策的必要性.盡管聯合決策有其難度，但也有學者對此進行了研究.文獻[15]基于集中式儲能對電能的時空平移特性實現與輸電網的協同，建立了含風儲系統的隨機機組組合決策模型，不僅提高了系統運行的經濟性，而且緩解了風電不確定性的影響；在此基礎上，文獻[16]進一步發掘儲能系統平抑風電不確定性的能力，構建了含風儲魯棒機組組合決策模型，其中的儲能系統既參與期望場景下的功率平衡，又與火電機組共同分擔負荷與風力發電兩類預期外的功率波動，使輸電網與含風儲主動配電網間的協同趨于實際.然而，上述方法需要集成輸電網與各配電網的私密信息，不僅信息傳輸負擔重，而且模型會隨著主動配電網數量的擴大而更加復雜.同時，市場環境下含儲能主動配電網與輸電網具有不同的利益訴求，信息難以實現完全開放，因此輸電網與主動配電網集中式協同調度方法將越來越難以適應湊效.

分布式方法通過解耦邊界耦合信息對輸電網和各主動配電網分別予以建模，并利用乘子修正策略協調輸電網與主動配電網運行決策以交替迭代方式趨向可行和最優，具有信息交互少、便于精細化建模，可實施并行計算的優勢，是目前發展的趨勢[17-18].文獻[19]提出了基于異構分解的輸電網與多主動配電網協同經濟調度分布式優化方法.文[20]提出一種基于目標級聯法的輸配協同經濟調度分布式優化方法；文[21]針對給定負荷場景提出了輸電網與多主動配電協同的機組組合模型和方法，雖然未考慮風電的不確定性問題，但為新形勢下含儲能主動配電網與輸電網協同的機組組合建模及求解提供了良好的思路.

為了更好地應對或消除風電的不確定性，本文在前人工作基礎上，計及電力系統一次調頻特性和二次頻率調整手段，建立了含風儲主動配電網與輸電網協同的機組組合模型，并給出基于拉格朗日松弛技術的分布式優化方法.其核心在于以主動配電網與輸電網間聯絡線為分解協調點，基于增廣拉格朗日松弛技術將協同優化模型分解為輸電網機組組合優化決策模型和多個含風儲主動配電網運行優化決策模型，并利用拉格朗日乘子修正策略，引導含風儲主動配電網與輸電網機組組合決策以交替迭代的方式獲得最優協同策略.

1 數學模型

1.1 目標函數

在研究周期內，忽略風力發電運行成本，以輸電網機組組合成本與含儲能主動配電網運行成本之和最小作為優化目標，如公式(1)所示.

(1)

1.2 約束條件

1.2.1 輸電網機組組合約束

(1)期望場景下的有功平衡約束

(2)

(2)波動場景下的有功平衡約束

若計及配電網中負荷和風力發電的不確定性，公式(2)中虛擬負荷的實際功率往往會偏離預測值，在波動場景下，要實現系統有功平衡，必須滿足：

(3)

(4)

(5)

(3)其它約束

為滿足頻率質量要求的系統有功平衡，輸電網機組組合還必須滿足如下約束：

(6)

-Δfmax≤Δfdn≤0≤Δfup≤Δfmax

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Pi，t-Pi，t-1≤[1-Ii，t(1-Ii，t-1)]ri，u+Ii，t(1-Ii，t-1)Si，u

(14)

Pi，t-1-Pi，t≤[1-Ii，t-1(1-Ii，t)]ri，d+Ii，t-1(1-Ii，t)Si，d

(15)

1.2.2 含風儲主動配電網運行相關約束

(1)期望場景下的有功平衡約束

(16)

(2)波動場景下的有功平衡約束

(17)

(18)

(3)儲能系統充放電功率約束

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(4)儲能系統存儲電量約束

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

1.2.3 輸電網與主動配電網間的耦合約束

輸電網與含風儲主動配電網間聯絡線解耦后生成的虛擬電源發出功率等于對應虛擬負荷吸收的功率，由此構成輸電網與主動配電網間的耦合約束，即

(30)

公式(1)～公式(30)即構成含風儲主動配電網與輸電網協同機組組合優化決策模型.

2 求解方法

2.1 基于增廣拉格朗日技術的輸電網與主動配電網解耦機制

本文所提的含風儲主動配電網與輸電網協同的機組組合優化決策模型可抽象為如下形式：

(31)

公式中：y0為輸電網私有變量，β1，…，βSA為輸配電網邊界處歸屬輸電網的耦合變量(虛擬負荷)；g0、h0為輸電網機組組合相關約束；yk為主動配電網k的私有變量；αk為輸配電網邊界處歸屬主動配電網k的耦合變量(虛擬電源)；gk、hk為主動配電網k所屬變量需滿足的配電網運行相關約束；sk為輸電網與主動配電網k的耦合約束.

可以發現，sk使輸電網與主動配電網耦合在一起，難以直接對輸電網和主動配電網分散求解.為了松弛耦合約束sk，在目標函數中引入增廣拉格朗日罰函數π.

(32)

公式中：⊙為Hadamard積；λk、μk分別為增廣拉格朗日罰函數一次項與二次項的乘子向量；增大μk可促使松弛后的耦合約束逐漸趨于可行；調整λk可避免模型在趨向最優解的過程中出現數值病態問題[22].

如圖1所示，耦合約束松弛后，公式(31)變為輸電網與各個主動配電網可分離優化的模型，如下所示：

(33)

minfk(yk，αk)+π(αk，βk)，

s.t：gk(yk，αk)≤0?k∈SA，hk(yk，αk)=0?k∈SA，

(34)

圖1 輸電網與含儲能主動配電網解耦

2.2 輸電網與主動配電網解耦的優化決策模型

(1)考慮輸電網約束的機組組合模型

由輸電網機組組合約束公式(2)～公式(15)以及補充的公式(35)即構成考慮輸電網約束的機組組合模型.

(35)

(2)含風儲主動配電網運行優化決策模型

由含風儲主動配電網運行相關約束公式(16)～公式(29)及補充的目標函數公式(36)即構成含風儲主動配電網k的運行優化決策模型.

(36)

2.3 輸電網與多主動配電網協調策略

輸電網與主動配電網間的協調可分為2步，一是在乘子給定下對含風儲主動配電網與輸電網分別求解；二是修正乘子，驅使二者以交替迭代的方式趨向可行到最優.計算流程如圖2所示，步驟如下：

圖2 含儲能主動配電網與輸電網分布協同優化流程圖

(1)初始化參數.置ω=0，ν=0，并對罰函數乘子以及輸電網等效的虛擬負荷賦初值.

(4)檢查第ω次迭代結果是否滿足公式(37)、公式(38)所示的內環收斂準則，如果滿足，進入步驟(5)；否則，返回步驟(2).

(37)

(38)

(5)檢查公式(39)、公式(40)所示的外環收斂條件是否滿足，若都滿足，輸出優化結果，結束計算；否則，進入步驟(6).

(39)

(40)

(6)置v=v+ 1，ω=0，按公式(41)、公式(42)更新罰函數乘子，并返回步驟(2).

(41)

(42)

公式中：ρ為參數，為加速算法收斂，其取值一般為2<ρ<3.

3 算例分析

本文采用6節點系統對所提模型和方法的有效性進行驗證.如圖3所示，該測試系統由1個輸電網及2個含風儲主動配電網(ADG1、ADG2)組成.其中，負荷及風電參數如圖4所示，火電機組參數如表1所示，儲能系統參數如表2所示，系統額定頻率為50 Hz，允許波動范圍為±0.1 Hz；假設火電機組單位調節功率均為20，各節點負荷的頻率調節效應系數均為2.89%.ε1、ε2、ε3分別設為0.01、0.01、0.01%.