清潔能源利用最大化的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

張新宇，卜京

(1.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094；2.國網(wǎng)山東省電力公司濱州市沾化區(qū)供電公司，山東 濱州 256800)

風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電無污染且取之不盡，是現(xiàn)階段發(fā)展技術(shù)最成熟的一種可再生能源發(fā)電方式，在電網(wǎng)中的占比不斷提高，發(fā)展前景廣闊。根據(jù)中國氣象局相關(guān)統(tǒng)計，我國風能資源分布廣泛，技術(shù)可開發(fā)量為7×108～12×108kW，開發(fā)潛力巨大[1]。然而單一的風電在發(fā)展中存在一系列問題，比如風電定價機制與發(fā)電方式不匹配，棄風現(xiàn)象嚴重，資源利用率低，風力發(fā)電企業(yè)效益得不到保證[2]；風電大規(guī)模接入電網(wǎng)，由于其間歇性、波動性和低可控度，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。如何改善風電并網(wǎng)特性，實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度是風能資源利用過程中亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度是以燃料成本為優(yōu)化目標的經(jīng)濟調(diào)度或考慮污染物影響的環(huán)保調(diào)度，然而隨著各種新能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，多類型電源協(xié)調(diào)共存已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[3]。另外水電和儲能技術(shù)不斷成熟，在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用也越來越重要。截至2017年，中國水電裝機容量占世界水電裝機容量的27%，排名第一[4]，已成為水電大國。儲能系統(tǒng)一定程度上解決了電能不能儲存的特性，可以彌補可再生能源的波動，為大規(guī)模風電并網(wǎng)和利用提供了重要支撐[5]。現(xiàn)階段新能源開發(fā)潛力巨大，但是儲能發(fā)展還不夠成熟，水電站受地理條件限制較大。多電源的優(yōu)化調(diào)度需要統(tǒng)籌各方利益，薛美娟等[6]結(jié)合最優(yōu)潮流理論建立了短期優(yōu)化調(diào)度模型；葛曉琳等[7]建立了包含風電、梯級水電站和常規(guī)火電的長期優(yōu)化調(diào)度模型；甘偉等[8]突破了含風電系統(tǒng)中單純考慮儲能或常規(guī)電源的局限性，構(gòu)建了含風火水儲氣的調(diào)度模型。但是上述文獻中目標函數(shù)僅涉及系統(tǒng)運行成本，有一定局限性。陳功貴等[9]將廢氣排放作為價格懲罰因子加入到燃料費用的目標函數(shù)中，雖然簡化了計算，但是不能完全體現(xiàn)清潔能源的意義。

考慮到目前電網(wǎng)中仍然主要是火電和水電機組，燃氣機組雖然調(diào)節(jié)能力更強，但成本較高，在電網(wǎng)中占比很低。為了更好地實現(xiàn)節(jié)能減排，利用其他資源的互補性平抑風電波動帶來的影響，本文以系統(tǒng)成本最小、污染排放最小和清潔能源利用率最大為目標，建立包含風電、火電、水電和儲能系統(tǒng)的多目標優(yōu)化調(diào)度模型，并通過遺傳算法驗證該模型的有效性。

1 各類型電源出力特性

1.1 火電出力特性

目前火電仍然是我國最主要的發(fā)電和調(diào)峰電源，布局靈活，網(wǎng)內(nèi)的火電機組主要是以燃煤機組為主，調(diào)節(jié)能力更強的燃氣機組目前占比還較小。除了要承擔調(diào)峰調(diào)頻的任務，有些火電機組在供暖期還要兼顧供熱，火電的多重職能使其難以發(fā)揮調(diào)峰作用。為了促進風電等可再生能源的消納，系統(tǒng)會允許部分火電機組處于深度調(diào)峰狀態(tài)，即低于最小出力水平的狀態(tài)，充分挖掘現(xiàn)有下調(diào)備用空間。但是火電機組響應慢，爬坡時間長，頻繁啟停及大范圍負荷波動會造成資源浪費，運行成本增加，機組壽命縮短，直接影響機組的安全運行。

1.2 風電出力特性

風電機組的出力主要受風速的影響，而風速會在氣流影響下發(fā)生變化，空氣壓差越大，風速也就越大，并且一天內(nèi)不同時間、不同季節(jié)、不同年份之間風速的差異十分顯著，具有較強的波動性。風速的不規(guī)律波動，將直接導致風電出力可控性差、隨機性高。我國風能資源地理分布不平衡，季節(jié)性差異明顯，且與經(jīng)濟發(fā)展水平、負荷中心嚴重不匹配[10]，在經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低、負荷需求較小的北部地區(qū)，風能資源集中但難以就地消納，遠距離輸送能力不足，因此常出現(xiàn)“棄風限電”現(xiàn)象。

風速是量化風能資源特性的重要數(shù)據(jù)，也是研究風電場模型、為風電場運行提供決策支持的主要參數(shù)。雖然風速時刻在變化，但是在一定時間和地域范圍內(nèi)的風速還是遵循一定規(guī)律的。韋布爾分布是描述風速分布使用最廣泛、普遍認可的統(tǒng)計方程，其概率密度方程如下：

(1)

風電機組輸出功率P與風速的關(guān)系可表示如下：

(2)

式中，CP為風能轉(zhuǎn)換效率，A為葉片掃風面積，ρ為空氣密度，v為風速。

1.3 水力出力特性

水資源除了承擔發(fā)電任務，還要根據(jù)實際情況承擔航運、養(yǎng)殖、灌溉、防洪等任務。水電站工程投資大、建設周期長，并且受地理條件限制，無法建造太大容量，一旦建成后就不易再增加容量。

水力發(fā)電具有以下特點：受自然環(huán)境影響，水能資源分布分為豐水期和枯水期，枯水期時正常供電可能會受到影響，出力降低，在季節(jié)上能夠與風電形成互補；雖然長時間看水電出力受季節(jié)影響無法準確預測，但單日水文預測較為準確和規(guī)律，短期調(diào)度的發(fā)電量可以視為已知量[12]；水電機組啟停迅速，投運僅需要幾分鐘，操作靈活，且不造成能源浪費和污染排放，可以起到調(diào)峰、調(diào)頻、備用等作用。

水流推動水輪機轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，水流量與輸出功率之間的關(guān)系可以用式(3)表示。

PH(t)=9.81ηQH(t)h(t),

(3)

式中，η為水電站轉(zhuǎn)換效率，QH(t)表示t時刻的發(fā)電用水量，h(t)表示t時刻水電站的發(fā)電水頭高度。

1.4 儲能系統(tǒng)運行特性

儲能系統(tǒng)具有自動化程度高、調(diào)節(jié)靈活、對負荷響應快速等優(yōu)點，既可以將能量儲存起來參與系統(tǒng)調(diào)峰，又可以裝設在風電場平抑波動，通過改進控制策略參與系統(tǒng)一、二次調(diào)頻，相比傳統(tǒng)的調(diào)頻電源具有更高的效率，是減小負荷峰谷差、維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的有效途徑。當電網(wǎng)中負荷突變時，會引起系統(tǒng)頻率波動，若負荷需求大于電網(wǎng)輸出功率，系統(tǒng)頻率降低，儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)中輸出功率，反之則從電網(wǎng)中吸收功率，以維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)[13]。

2 調(diào)度模型構(gòu)建

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)充分利用各電源的特性，解決單電源發(fā)電的不足，充分發(fā)揮火電、水電機組和儲能系統(tǒng)的調(diào)峰能力，應對風電的隨機波動，保持出力的連續(xù)、穩(wěn)定和可靠，并且在一定程度上降低經(jīng)濟成本，取得良好的社會效益。

2.1 目標函數(shù)

目標函數(shù)可表示如下：

(4)

2.2 約束條件

(1)系統(tǒng)約束

在不考慮網(wǎng)損的情況下，各發(fā)電機組的功率之和應與系統(tǒng)負荷相等，即

(5)

式中，NS為儲能裝置數(shù)量，PSm(t)表示t時刻儲能出力，PL(t)表示t時刻系統(tǒng)負荷。

(2)出力約束

各機組出力的上下限約束如下式所示：

(6)

式中，PGi.max、PGi.min、PHl.max和PHl.min分別為火電機組、水電機組出力的限值；CWj為風電場總裝機容量；PSm(t)為儲能在t時刻充放電功率，PSm.charge和PSm.discharge分別表示額定充、放電功率。

(3)爬坡約束

機組的爬坡速率約束如下式所示：

(7)

式中，rGui、rGdi、rHul、rHdl、rSum、rSdm分別為火電機組、水電機組和儲能系統(tǒng)爬坡速率限值。

(4)備用約束

系統(tǒng)需要為風電預留出一定的備用容量，備用約束可表示為

(8)

式中，UW(t)、DW(t)分別為風電場在t時刻的正、負備用需求，UG(t)為火電機組備用需求。

(5)水電相關(guān)約束

水調(diào)分配的發(fā)電用水量滿足下式關(guān)系。

(9)

式中，Ql.min和Ql.max分別表示水庫l分配用水量的最小值和最大值。

(6)儲能相關(guān)約束

儲能參與調(diào)節(jié)峰谷差時，應在電網(wǎng)負荷降低而發(fā)生棄風或棄水時充電，在電網(wǎng)負荷升高時選擇放電或既不充電也不放電，儲能充放電約束如下：

(10)

式中，Ym.charge(t)和Ym.discharge(t)分別表示儲能裝置充放電狀態(tài)，當Ym.charge(t)=1，Ym.discharge(t)=0時，儲能充電；當Ym.charge(t)=0，Ym.discharge(t)=1時，儲能放電。

3 算例分析

算例采用改進的39節(jié)點系統(tǒng)在Matlab軟件仿真環(huán)境下對構(gòu)建的調(diào)度模型進行仿真分析，用遺傳算法求解。在系統(tǒng)中接入裝機容量分別為200 MW的水電站、198 MW和96 MW的風電場和20 MW的鈉硫電池儲能電站，形成含水火風儲的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以驗證調(diào)度模型的可靠性以及各能源之間的互補性。其中火電機組的相關(guān)參數(shù)參考文獻[14]中相關(guān)數(shù)據(jù)，從0:00開始將調(diào)度周期分為24個時段，時間間隔為1 h。設置遺傳算法的初始種群規(guī)模為50，迭代100次，交叉概率為0.95，變異概率為0.05，隨機抽樣1000次，達到最大迭代次數(shù)時停止迭代。

輸入求解問題所需的約束條件中各項數(shù)據(jù)、各機組的相關(guān)參數(shù)以及遺傳算法的各個參數(shù)，創(chuàng)建符合條件的初始數(shù)據(jù)作為初始種群并編碼，然后把目標函數(shù)作為適應度函數(shù)，計算種群中每個個體的適應值，并用蒙特卡洛模擬技術(shù)驗證是否符合約束條件。重復上述步驟直到達到終止條件后解碼輸出最優(yōu)解，即各時段各機組的平均功率。

圖1為冬季(12月)某一天各時段的負荷值和兩個風電場預測出力總和，可以看出風電明顯的反調(diào)峰特性。冬季屬于非汛期，具有較豐富的分配水量，水電可以不滿發(fā)。冬季某日各機組在各時段出力情況與系統(tǒng)負荷功率平衡圖見圖2。從圖2中可以看出，火電機組出力較平穩(wěn)，峰谷差為305.5 MW，當負荷水平處于低谷時，水電可以及時調(diào)整自身出力到較低水平，而此時風電場出力較高；當負荷增大時，水電又迅速升高出力。證明水電發(fā)揮了很好的調(diào)節(jié)作用，使風電盡可能多地上網(wǎng)，充分利用風能資源，保證了火電機組平穩(wěn)運行，沒有頻繁地大幅度調(diào)節(jié)出力，減輕了火電機組的調(diào)峰壓力。該算例中系統(tǒng)運行總成本為3 507.87萬元，比全部用火電機組供電減少成本184.4萬元，污染排放量為265.78 t，比全部用火電機組供電減少排放量52.75 t。

圖1 冬季某日系統(tǒng)負荷與風電機組預測出力情況Fig.1 System load and the predicted wind turbine output on a winter day

圖2 冬季某日各機組各時段出力情況與系統(tǒng)負荷Fig.2 Output of each unit at different time periods and the system load on a winter day

圖2中風電實際出力與圖1中風電預測出力對比可以發(fā)現(xiàn)，在凌晨2:00—5:00時實際出力下降，即發(fā)生了棄風，總棄風量為105.4 MW，其余時間規(guī)劃出力與預測出力基本持平，說明多目標優(yōu)化調(diào)度將棄風限制在了較低水平。系統(tǒng)負荷較低時段發(fā)生棄風，儲能充電，當風電能夠全額入網(wǎng)時再對電網(wǎng)輸出功率，雖然發(fā)揮了減小棄風的作用，但是由于儲能成本高，功率有限，調(diào)峰收益低，只能起到很小的作用。但是隨著儲能技術(shù)的不斷成熟和電力行業(yè)對儲能需求的逐漸增大，儲能成本會逐漸降低，大功率、大容量的儲能技術(shù)研究已經(jīng)取得一定進展，對推動能源轉(zhuǎn)型、提高清潔能源優(yōu)化配置具有重要意義。

圖3為夏季(8月)某一天各時段的負荷值和兩個風電場預測出力總和，可以看出風電出力較冬季小，波動也比冬季平緩，但仍有明顯的反調(diào)峰特性。對比圖1與圖3可以發(fā)現(xiàn)冬季最低負荷更低，可能原因是夏季空調(diào)等制冷負荷升高，用電量大，而冬季采用集中供暖的方式取暖，不需要額外用電，用電需求比夏季低。考慮到環(huán)保及節(jié)能的需求，近幾年全國開始大力推行“煤改電”補貼政策，正逐步以電取暖替代農(nóng)村燃煤取暖，用電負荷逐漸呈現(xiàn)出夏、冬兩季“雙高”的趨勢。

圖3 夏季某日系統(tǒng)負荷與風電機組預測出力情況Fig.3 System load and the predicted wind turbine output on a summer day

夏季處于汛期，水資源過剩，水電廠必須滿發(fā)，因此水電沒有調(diào)節(jié)能力[15]。夏季各機組在各時段的出力情況與負荷功率平衡圖見圖4。該算例中棄風量、棄水量均為0，清潔能源利用率高。從圖4中可以看出，火電出力波動幅度明顯增大，峰谷差增大到624.4 MW，說明在水電無法發(fā)揮調(diào)節(jié)能力時，火電必須頻繁調(diào)節(jié)自身出力，才能及時彌補風電隨機波動的影響。該算例下系統(tǒng)運行成本為3 491.2萬元，比全部用火電機組供電減少成本217.17萬元，污染排放量為260.91 t，比全部用火電機組供電減少排放量87.64 t。其中，火電機組運行成本較算例1減少了約84.4萬元，是由于水電滿發(fā)降低了火電出力的壓力。而水電機組和風電機組運行成本增加，由于水電出力調(diào)整快，價格較低，因此可以盡可能提高水電發(fā)電量，與風電實現(xiàn)互補，降低系統(tǒng)運行成本。

圖4 夏季各機組各時段出力情況與系統(tǒng)負荷Fig.4 Output of each unit at different time periods and the system load on a summer day

4 結(jié)論

針對風能的隨機性造成的風電出力的不確定性，兼顧系統(tǒng)總成本最小、污染排放最小和清潔能源利用最大化，建立了多目標的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，算例仿真結(jié)果表明：

(1)本文的調(diào)度策略優(yōu)先調(diào)度清潔能源發(fā)電，充分發(fā)揮水電和儲能的調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)了水電和風電之間的互補作用，緩解了火電調(diào)峰的壓力，保證火電機組的運行效率和安全性。

(2)大容量、大功率的儲能電站可以有效減小棄風、削峰填谷，提高清潔能源利用率，推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。

(3)多類型電源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性、靈活性、環(huán)保性和清潔能源利用率，對于降低系統(tǒng)成本、減少煤炭消耗和污染排放以及提高可再生能源消納能力具有重要意義。