基于電量共享的梯級水光蓄聯合發電系統優化調度策略

夏依莎，劉俊勇，劉繼春，李蕓漫，韓曉言，丁理杰，高紅均

（1. 四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065；2. 國網四川省電力公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國售電側改革的穩步推進，電力市場中將涌入大量社會主體展開激烈競爭，逐漸形成主體多元、競爭有序的電力交易格局［1］。在偏遠地區有很多含豐富水光電源的獨立鄉鎮級用電體，其在滿足自身負荷需求的同時，也試圖充分協調利用內部資源以實現更大的經濟效益［2］。由于各個用電體都是獨立運行的，其用電模式和行為存在差異性，對這類鄉鎮級用電體進行互補式經濟優化，能夠合理利用其內部資源來實現資源共享，提升整體經濟效益。此外，用電體內分布式光伏發電出力隨機性和間歇性的特點給電網的平穩經濟運行帶來了新的挑戰［3］，通常通過配置水電機組和抽水蓄能機組來補償光伏發電出力，平滑該出力波動。

目前已有大量文獻對多能互補系統優化調度方法開展了研究［4-5］。文獻［4］建立風光水互補發電系統，提高了總出力的可調能力和對風光的消納能力。文獻［5］建立以最大化系統收益以及平滑風電和光伏發電出力波動性為目標的調度模型，并利用機會成本方法對可調元素的替代效益進行分析。雖然關于清潔能源高比例滲透的多能互補系統優化調度的研究已較為成熟，但這些研究主要針對風光水互補，實際上梯級水電與光伏互補系統在緩解光伏波動的同時會影響梯級水電基于水資源利用而制定的發電計劃，造成水資源無法得到充分利用，因此應該考慮在發電側利用靈活性更強的抽水蓄能機組來平抑光伏波動［6］，如四川小金縣等地區采用比常規恒速恒頻抽水蓄能機組調節能力更強、發電／抽水效率更高的變速恒頻抽水蓄能機組。然而，目前針對水光蓄三者互補發電系統優化調度的研究還較少。

此外，眾多學者在運營商對單個用電體的優化管控和可控元素的協調調用方面開展了大量研究［7-8］。文獻［7］提出基于指數變化的需求響應機制，以改善源荷兩側的匹配度以及提升系統風光消納量。文獻［8］通過改變可轉移負荷的時間使光伏發電出力與負荷曲線更貼合，從而提高對光伏發電的消納。然而上述文獻都只針對單個用電體，沒有考慮對不同用電體的管控協調和資源共享。將單個用電體能源管控擴展到多用電體聯盟形成的聯合體中，擴大資源共享優化范圍，能夠進一步提高各用電體以及整個系統的經濟效益。文獻［9］驗證在社會資本大量涌現的背景下，多獨立個體的聯盟有利于各個體之間的信息和能量流動。文獻［10］以最小化成本和減少電量偏差為目標，優化得到可中斷負荷量及電量互給時的轉移電量，并對集合總費用進行分配。上述文獻采用的共享策略均可應用于直接與主網交易的用電體聯盟的優化調度中，但不能應用于地處偏遠地區而無法直接與主網交易的鄉鎮級用電體聯盟的優化調度中。

為此，本文針對偏遠地區電網結構，提出基于電量共享策略的梯級水光蓄聯合發電系統經濟調度方法。首先，搭建由包括分布式光伏、梯級小水電、剛性負荷和可控負荷的鄉鎮聯合體與可調用抽水蓄能的區域電網組成的系統架構，并對鄉鎮級用電體之間、鄉鎮級用電體與區域電網之間、區域電網與主網之間的信息和能量流動關系進行分析；其次，搭建以實現鄉鎮聯合體和區域運營商經濟效益最大化為目標的日前兩階段共享優化調度模型，在模型中考慮梯級水電中水力、電力之間聯系產生的復雜約束，可控負荷可中斷時間和轉移時間約束以及區域電網與主網的購售電約束，并按參與共享的鄉鎮對應的貢獻函數進行利益最優分配；最后，通過不同場景下的算例分析驗證所提模型和方法的合理性和有效性。

1 基于電量共享的水光蓄聯合發電系統經濟調度策略

1.1 鄉鎮級用電體之間的電量共享策略

經濟對等的多方利益主體可以構成聯合體，多個主體之間良好的交互性有利于合理分配資源，提高整體收益，進而提高系統的經濟性。由于電能充足的用電體向配電網的售電電價低于存在電能缺口的用電體的購電電價，因此余電鄉鎮級用電體與缺電鄉鎮級用電體可以構成聯合體，采用電量共享策略使剩余電量在聯合體內部充分消耗后，再與上級電網進行交互。剩余電量是指鄉鎮級用電體滿足其自身日用負荷、可控負荷和水電發電需求之后所剩的電量。由用電體內部優化共享模型可得到鄉鎮需要從區域電網購買的電量或售給區域電網的剩余電量。該調度方法有利于實現更大范圍的可控資源優化共享，減少從配電網的購電量，提升鄉鎮整體經濟效益。每個鄉鎮內部的可控元素為可中斷負荷、可轉移負荷和水電，不可控元素為剛性負荷和光伏發電。參與電量共享的鄉鎮聯合體內部結構如圖1所示。

圖1 鄉鎮聯合體內部結構圖Fig.1 Internal architecture of township consortium

1.2 水光蓄聯合發電系統經濟調度方法

鄉鎮聯合體內部資源經區域運營商的統一管控被充分消耗后再與區域電網進行交互。若鄉鎮聯合體存在電量缺口，則區域電網向其售電，所售電量一部分來自抽水蓄能機組出力，另一部分從主網購買。若鄉鎮聯合體內光伏發電有富余，則區域電網從鄉鎮聯合體購買剩余電量，并調用抽水蓄能機組與之進行互補，使輸出的功率曲線更平滑，在保證自身負荷需求以及滿足購售電波動約束的前提下將電量售給主網，實現自身效益最大化。梯級水光蓄聯合發電系統優化共享模型如圖2所示。

圖2 聯合發電系統優化共享模型Fig.2 Optimal sharing model for hybrid generation system

2 梯級水光蓄聯合發電系統優化共享模型

2.1 基于電量共享的鄉鎮日前優化調度模型2.1.1 目標函數

鄉鎮聯合體中每個鄉鎮可以與鄰近鄉鎮進行電量共享，然后鄉鎮聯合體在電量出現缺額或盈余時與區域電網進行交易，實現整體效益最大的目標。目標函數中除了外部售電收益還考慮外部購電費用、需求響應成本、梯級水電購電成本和過網費成本，如式（1）所示。

2.1.2 約束條件

鄉鎮聯合體日前調度模型的約束條件包括系統的運行約束，光伏發電、梯級水電等各類型電源機組的運行特性約束及各可控元素的約束等，具體如下：

部分研究［3，11-12］采用二次函數模型如式（9）所示，通過流量計算梯級水電出力，梯級水電的水位約束、出力約束、流量約束以及上、下游水庫水力聯系約束如附錄A 式（A1）—（A7）所示；式（10）為分布式光伏發電的出力模型，本文采用場景生成法解決分布式電源的不確定性問題［13］；式（11）為電量平衡約束；式（12）為光伏最大出力約束；式（13）和式（14）分別為可中斷負荷上、下限約束和各時段狀態連續性約束；式（15）為可轉移負荷一個時段的上、下限約束；式（16）為可轉移負荷轉移時間約束；式（17）為可轉移負荷守恒約束；式（18）為電量共享的上、下限約束；式（19）表示2 個鄉鎮級用電體之間在同一時段只能單向傳輸電量；式（20）表示鄉鎮聯合體和區域電網在同一時段只能單向輸送電量；式（21）表示區域電網與鄉鎮級用電體間輸電線路容量約束。

2.2 考慮水光互補的區域電網日前優化模型

2.2.1 目標函數

本文區域電網收益來源是向鄉鎮聯合體和主網售電，成本包括與鄉鎮聯合體、主網的交易成本和抽水蓄能抽水儲電總成本。本階段目標為區域電網在滿足自身負荷需求和購、售電波動約束的前提下實現經濟效益最大。

2.2.2 約束條件

約束條件如下：

式（29）為區域電網的電量平衡約束。式（30）為購、售電波動率約束。根據互補性指標可以判斷區域電網水光蓄互補出力變化率是否滿足向主網售電的要求［14］。式（32）為水光蓄互補約束，表示區域電網向主網售電時源側總出力曲線變化率不得超過限值。抽水蓄能機組的運行特性約束如附錄A 式（A8）—（A12）所示。

3 鄉鎮聯合體收益分配模型

多參與者合作模型效益分攤問題的求解方法有多種［15］，如最大最小費用MCRS（Minimum Cost Re?maining Saving）法等。每個參與鄉鎮聯合體的鄉鎮級用電體都希望自身分配的利益高，分攤的成本低，因此需保證鄉鎮聯合體中各鄉鎮級用電體能夠按照自身貢獻公平公正地分配收益和分攤成本。鄉鎮聯合體中各鄉鎮級用電體按集體統一決策決定其與其他用電體之間以及與區域電網之間的交換電量，這屬于合作博弈問題，當鄉鎮級用電體數量較多時，計算的場景數量和難度呈指數增加，因此采用MCRS法進行鄉鎮聯合體總效益在各鄉鎮級用電體間的分配。MCRS 法按照參與聯盟者愿意接受的最大收益和最小收益的差值的比例來分攤費用［13］。將全體鄉鎮級用電體的集合記為大聯盟N=｛1，2，…，n｝，其中n為鄉鎮級用電體總數。虛擬集合的費用為v(N)，v(i)和v(N{i})分別為鄉鎮級用電體i單獨運行時的費用和鄉鎮級用電體i沒有加入集合N時的總費用。將鄉鎮級用電體i的單獨優化效益和邊際收益分別作為其最低分配效益xi，min和最高分配效益xi，max，如式（33）和式（34）所示。

采用MCRS 法得到鄉鎮級用電體i的分配效益xi為：

4 求解算法

對本文模型求解的具體步驟如下。

1）采用場景分析法由原始光伏發電生成典型場景集。

式中：ε(t-1)為單位沖擊函數。令ω表示可中斷負荷持續中斷或不中斷時間，θ(ω，t)、η(ω，t)、θj，0、ηj，0如式（37）所示。

由此將偏遠鄉鎮和區域電網的日前優化問題轉化為混合整數線性規劃問題，本文根據上述模型進行編程并利用MATLAB 2015a 中CPLEX 商業軟件包進行仿真求解，以驗證模型的有效性。

5 算例分析

5.1 基礎數據

本文算例以四川某縣水光蓄聯合發電系統實際數據為基礎，為驗證模型的合理性和有效性，將該地區劃分為3 個鄉鎮級別的區域，以夏季某日用電情況為例，以Δt=1 h 為1 個時段，對全天共T=24 個時段進行優化調度。首先各鄉鎮級用電體對內部資源進行聚合共享，再由區域電網根據鄉鎮聯合體的優化調度結果制定下一步決策方案。參與聯盟的用戶均同意進行與鄰域的電量共享。算例中各參數如下。

1）鄉鎮級用電體和區域電網負荷參數。

本文算例中的日負荷數據取自該縣的實際數據，該縣各鄉鎮級用電體的日負荷曲線和可控負荷參數分別如附錄A 圖A1 和表A1 所示。區域電網內部負荷參考文獻［17］。

2）光伏參數。

本文首先通過分析歷史數據得到各場景下的光伏發電出力和概率，再通過式（10）得到光伏發電出力預測值，結果如附錄A 圖A2所示。鄉鎮聯合體某日光伏電站出力與負荷如附錄A圖A3所示。

3）抽水蓄能和梯級水電參數。

區域電網中的變速恒頻抽水蓄能機組蓄放電成本為0.008元／（kW·h），蓄電量上限為30 MW·h，初始容量為10 MW·h，其他參數如附錄A 表A1 所示。梯級水電的售電價格以及在不同來水期的具體參數見文獻［3］。

4）電價參數。

將全天24 h 的用電情況劃分成高峰時段、平時段和低谷時段，鄉鎮級用電體1和鄉鎮級用電體2采用工業電價，鄉鎮級用電體3 采用商業電價［14］。區域電網與主網執行的分時電價體系以及鄉鎮聯合體中可中斷負荷的中斷成本和可轉移負荷的成本見文獻［10］。各鄉鎮級用電體與區域電網的電價見文獻［18］。過網費成本為區域電網與主網購、售電電價的差值。

5.2 優化結果分析

為了驗證本文所提模型和方法的有效性，設置6個不同的對比場景如表1所示。

表1 仿真場景信息Table 1 Information of simulation scenarios

5.2.1 電量共享策略對優化結果的影響

各鄉鎮級用電體的負荷大小在不同時段存在明顯差異，因此可在該鄉鎮聯合體內實現剩余電量的有效共享。附錄A 圖A4為鄉鎮級用電體1在場景1下的功率平衡圖，可看出，對各可控元素的合理調用使得鄉鎮級用電體1 與外部區域電網的交易方式發生了很大變化：在00:00—03:00 和20:00—24:00 光伏發電出力不足，不能滿足鄉鎮級用電體1 的負荷需求，其通過調用可中斷負荷、可轉移負荷和梯級小水電，以及從其他鄉鎮級用電體獲得電量的方式來減少自身電量的缺額，減少從區域電網的購電量；在08:00和17:00—21:00 電價較高，鄉鎮級用電體1 向其他鄉鎮級用電體供電，可以減少鄉鎮聯合體的購電量以及增加向區域電網的售電量，從而提高經濟效益。

根據MCRS 法，效益分配結果見表2。由表可知：單獨交易時3 個鄉鎮級用電體費用總計1 460 萬元；經本文模型優化，各鄉鎮級用電體在單獨交易時的效益均低于在鄉鎮聯合體中參與電量共享時的交易效益。

表2 不同虛擬集合的效益Table 2 Benefit of different virtual sets

場景1 和場景3 下鄉鎮級用電體3 內可控負荷的調用情況如表3 所示。由表可知，電量共享的參與使可控負荷的調用次數明顯減少，由于可控負荷的調用成本較高，當鄉鎮級用電體電量出現缺口時首先從其他鄉鎮級用電體吸收功率，使資源在鄉鎮聯合體內部被充分消耗，其次再考慮調用可控負荷。各可控元素通過協同配合共同提高了鄉鎮聯合體的經濟性。

表3 場景1和場景3下鄉鎮級用電體3可控負荷的調用情況Table 3 Dispatching condition of controllable loads for Township Level Power Consumer 3 under Scenario 1 and Scenario 3

圖3 為場景1 下鄉鎮級用電體2 的電量交換情況。在07:00—08:00、10:00—14:00、15:00—17:00和20:00—21:00，由于光伏發電出力不足，鄉鎮聯合體中與鄉鎮級用電體2 相鄰的鄉鎮級用電體將剩余電量輸送到鄉鎮級用電體2，滿足其內部負荷需求。在其他光伏發電出力充足的時段，鄉鎮級用電體2在運營商的管控協調下將一部分電量貢獻給存在電量缺口的鄉鎮級用電體，將另一部分電量售給區域電網。

圖3 場景1下鄉鎮級用電體2的電量交換情況Fig.3 Power exchange condition of Township Level Power Consumer 2 under Scenario 1

5.2.2 不同來水期梯級水電對內部優化結果的影響

為充分對比不同季節的來水對水光互補系統運行收益的影響，對場景1 豐水期、場景4 平水期和場景5 枯水期下鄉鎮聯合體內部水光互補系統優化出力進行仿真分析，結果如表4所示。

表4 光伏發電利用率和效益Table 4 Photovoltaic generation utilization and benefits

由于水電出力能力受到水資源的限制，豐水期、平水期、枯水期各個時間點的水光互補電量呈逐漸下降的趨勢，豐水期的效益是最高的。在豐水期，梯級水電來水充足，鄉鎮級用電體在滿足自身負荷和可控元素所需后將剩余電量售給區域電網，相比于不考慮梯級水電，效益得到明顯提高；在平水期，梯級水電來水量減少，梯級水電的調節能力在一定程度上減弱，但仍能與光伏發電互補出力來提高光伏發電利用率；在枯水期，梯級水電的調節能力進一步減弱，對光伏發電利用率的提高程度有所下降，效益較豐水期降低，梯級水電的發電比例隨著梯級水電水量的減少而降低。

5.2.3 區域電網經濟優化結果分析

鄉鎮聯合體水光互補出力具有較大的波動性，電源質量較差，不能滿足主網的購、售電波動約束。區域電網需調用抽水蓄能平滑水光出力波動，因此在得到鄉鎮聯合體內部優化結果的基礎上，進行梯級水光蓄互補運行電力系統仿真計算。

水光蓄聯合發電系統與主網交換功率的仿真結果如圖4 所示，其中交換功率為正值時表示從主網購電，為負值時表示向主網售電。在00:00—07:00、09:00—10:00 和18:00—24:00，區域電網從鄉鎮聯合體購買的剩余電量遠不及負荷需求，且這些時段的市場電價不高，此時缺額電量需從主網購買。在其余時段，市場電價高，抽水蓄能放水發電與購買的剩余電量互補后用以滿足內部負荷需求，在有多余電能時區域電網向主網售電，從而獲取相應收益。

圖4 電量交互情況Fig.4 Power exchanging condition

對于水光蓄互補特性，本文分別從水光蓄互補和水光互補的角度對互補發電時的波動率進行分析，如表5 所示。水光蓄互補時波動率低于水光互補時的波動率，這說明梯級水電、光伏發電和抽水蓄能三者聯合發電功率輸出的互補性優于水光互補功率輸出的互補性。梯級水光蓄聯合發電增加了區域電網的效益，平緩了區域電網與主網之間的購、售電波動。

表5 不同運行方式下的結果比較Table 5 Comparison of results between different operation modes

6 結論

本文針對光能豐富和輸電困難的偏遠地區，考慮清潔能源出力的季節性和波動性，提出基于電量共享的梯級水光蓄聯合發電系統的經濟調度策略。通過對某縣的實際算例分析得出以下結論。

1）參與電量共享的鄉鎮聯合體可以有效整合各鄉鎮級用電體的資源，以集中優化的方式實現外部電網與本地資源的合理交易。

2）梯級水電出力、光伏發電出力和抽水蓄能三者合成功率輸出的互補性高于水光功率輸出的互補性，梯級水光蓄聯合發電可以有效平抑光伏發電的波動性。調用抽水蓄能與水光出力互補可以削弱區域電網與主網進行電量交易時的功率波動。

3）在效益分配階段，按參與共享的鄉鎮級用電體的貢獻函數進行利益最優分配，可充分調動各成員參與聯盟進行電量共享的積極性。

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