考慮頻率穩(wěn)定約束的電-氫互補(bǔ)多樓宇協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度

范 宏, 王蘭坤, 邢夢(mèng)晴, 田書(shū)欣, 于偉南

(1. 上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,上海 200090;2. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院,呼和浩特 010020)

為實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo),需要加快建設(shè)多元化、低碳化的清潔能源供給體系,大力推廣可再生能源發(fā)電[1].綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System,IES)集成多種可再生能源、負(fù)荷、氫儲(chǔ)能以及其他智能元件于一體,可協(xié)調(diào)可再生能源發(fā)電、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與消費(fèi)[2],氫作為一種清潔無(wú)污染的優(yōu)質(zhì)二次能源,能夠和電互補(bǔ),可以進(jìn)一步提高可再生能源占比,降低碳排放量[3].然而,隨著可再生能源的滲透率逐漸增加,系統(tǒng)慣量水平逐漸降低,系統(tǒng)發(fā)生有功擾動(dòng)時(shí)的頻率調(diào)節(jié)能力逐漸減弱[4-5].而氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在1～2 s內(nèi)對(duì)系統(tǒng)頻率的快速響應(yīng)能力,能大大改善系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特征,因此含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的電-氫互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)在系統(tǒng)頻率響應(yīng)上具有很大的挖掘潛力[6-7].

含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的智慧樓宇[8-9]是典型的電-氫互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng),它具有靈活調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)調(diào)度能力,通過(guò)智慧樓宇集群的集中管理和調(diào)度可提高系統(tǒng)靈活運(yùn)行能力,增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性[10-11].文獻(xiàn)[12]中在電解水制氫中加入儲(chǔ)氫罐構(gòu)建氫儲(chǔ)能系統(tǒng),以提高系統(tǒng)的能源利用率與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.文獻(xiàn)[13]中構(gòu)建了完整的電氫能源系統(tǒng),并從經(jīng)濟(jì)性等不同角度詳細(xì)闡述了對(duì)電氫能源系統(tǒng)的展望.文獻(xiàn)[14]中基于液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)構(gòu)建了樓宇中的氫儲(chǔ)能系統(tǒng),并采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)智慧園區(qū)內(nèi)的多樓宇的協(xié)調(diào)調(diào)度.上述文獻(xiàn)都基于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)IES實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度,但是都僅考慮了系統(tǒng)的成本優(yōu)化問(wèn)題,并未將系統(tǒng)的安全運(yùn)行考慮其中.

為保障電-氫互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,需要提高系統(tǒng)的慣量支撐,充分挖掘系統(tǒng)中可再生能源的調(diào)頻潛力[15-16].文獻(xiàn)[17]中闡述了如何利用虛擬慣性控制使得可再生能源和負(fù)荷像常規(guī)機(jī)組一樣共同參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié).文獻(xiàn)[18]中分析了系統(tǒng)的慣量需求,并提出了考慮頻率變化率(Rate of Change of Frequency,RoCoF)及頻率最低點(diǎn)約束的系統(tǒng)最小慣量評(píng)估新方法.文獻(xiàn)[19]中提出了一種由氫電解槽提供頻率控制服務(wù)的模型,采用虛擬同步機(jī)控制令氫電解槽提供虛擬慣性響應(yīng).文獻(xiàn)[20]中研究了氫燃料電池堆的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,并對(duì)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真分析.以上工作僅針對(duì)系統(tǒng)慣量評(píng)估以及氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性,并未將其考慮到系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中.文獻(xiàn)[21-22]中基于交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)構(gòu)建了多主體的綜合能源系統(tǒng)分布式優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[23]中提出了一種基于頻率感知約束的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法,通過(guò)預(yù)留足夠的備用容量確保系統(tǒng)能夠過(guò)渡到孤島狀態(tài).文獻(xiàn)[24]中在孤島微電網(wǎng)調(diào)度模型中增加了極值頻率約束,使擾動(dòng)后最大頻率偏差被限制在規(guī)定范圍內(nèi).文獻(xiàn)[25]中提出了一種包含多類型虛擬同步機(jī)的微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定約束優(yōu)化調(diào)度模型,確保系統(tǒng)在不同有功擾動(dòng)下的頻率穩(wěn)定性.以上調(diào)度模型和方法都并未考慮包含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的IES在調(diào)度時(shí)系統(tǒng)的慣量支撐與頻率控制備用需求.

基于以上分析,提出了一種考慮頻率穩(wěn)定約束電-氫互補(bǔ)多樓宇協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法.首先,根據(jù)包含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的IES運(yùn)行機(jī)理,構(gòu)建了模塊化的智慧樓宇單體模型,針對(duì)海島供能體系特點(diǎn)搭建了IES的整體架構(gòu).其次,針對(duì)有功擾動(dòng)下系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題,構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)和光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量模型、系統(tǒng)的慣性需求模型和頻率控制備用模型.在此基礎(chǔ)上,以系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小為目標(biāo),建立了考慮頻率穩(wěn)定約束的電-氫互補(bǔ)智慧樓宇協(xié)調(diào)調(diào)度模型,通過(guò)麥考密克松弛法將模型線性化處理,對(duì)各機(jī)組的出力和備用以及負(fù)荷的削減進(jìn)行優(yōu)化.最后通過(guò)仿真驗(yàn)證,驗(yàn)證了在該優(yōu)化調(diào)度方法下系統(tǒng)能夠同時(shí)保證系統(tǒng)頻率安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

1 電-氫互補(bǔ)的智慧樓宇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及頻率響應(yīng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了保證系統(tǒng)在不同模式切換過(guò)程中平滑過(guò)渡、提高綜合能源系統(tǒng)在不同模式下的靈活運(yùn)行能力以及保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的能力,建立了以智慧樓宇為模塊化單元的海島電-氫綜合能源系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖中:f為系統(tǒng)頻率;f0為系統(tǒng)初始時(shí)刻的頻率;Δf為系統(tǒng)的頻率偏差;t為時(shí)間;H為機(jī)組的虛擬慣性時(shí)間常數(shù);δ為機(jī)組的等效調(diào)差系數(shù);ΔPIS為機(jī)組的慣性響應(yīng)功率;ΔPFR為機(jī)組的一次調(diào)頻功率;ΔP∑為系統(tǒng)總的功率支撐;AC為交流輸出;DC為直流輸出;PCC為系統(tǒng)與配電網(wǎng)的公共連接點(diǎn).系統(tǒng)內(nèi)包含風(fēng)力機(jī),且每棟樓宇配備光伏面板和柴油機(jī)組以及氫儲(chǔ)能系統(tǒng),風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制,在系統(tǒng)有功擾動(dòng)下,配合柴油發(fā)電機(jī)組,向系統(tǒng)提供慣量支撐,并且可以對(duì)樓宇內(nèi)一部分柔性負(fù)荷進(jìn)行削減,增強(qiáng)系統(tǒng)在負(fù)荷波動(dòng)、聯(lián)絡(luò)線中斷等情況下系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性.在IES中,樓宇之間通過(guò)一條母線連接,進(jìn)行電力交互.此外,每棟樓宇都配有單獨(dú)的測(cè)量裝置和控制器,通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理器進(jìn)行交互,以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷以及聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制.

圖1 電-氫互補(bǔ)的智慧樓宇結(jié)構(gòu)及IES示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrical-hydrogen complementary smart building structure and IES

1.2 智慧樓宇的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)

正常狀態(tài)時(shí),IES與電網(wǎng)相連,當(dāng)聯(lián)絡(luò)線中斷時(shí),不平衡功率會(huì)使得系統(tǒng)頻率下降,發(fā)電機(jī)組根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化調(diào)整輸出,使得系統(tǒng)的頻率逐漸恢復(fù)到額定水平.系統(tǒng)的頻率響應(yīng)過(guò)程分為3個(gè)階段,分別為慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻,如圖2所示.圖中:ferr為一次調(diào)頻后系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定值;fndr為系統(tǒng)的頻率最低值;RCF為系統(tǒng)的頻率變化率.t0—t1時(shí)段為慣性響應(yīng)過(guò)程,有功功率擾動(dòng)后,系統(tǒng)的RCF依賴于系統(tǒng)的慣量水平,由于孤島使得系統(tǒng)慣量水平較低,此時(shí)系統(tǒng)的頻率將會(huì)大幅下降,頻率變化率最大.t1—t2時(shí)段為一次調(diào)頻過(guò)程,此時(shí)調(diào)速器動(dòng)作,調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力,系統(tǒng)的頻率恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)水平ferr.t2—t3時(shí)段為二次調(diào)頻過(guò)程,系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制改變機(jī)組出力,將系統(tǒng)頻率慢速恢復(fù)到額定水平.本文考慮風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)綜合能源系統(tǒng)的頻率支撐作用,采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)到頻率變化時(shí),根據(jù)頻率變化率調(diào)整出力,為系統(tǒng)提供短暫的慣量支撐;同時(shí)根據(jù)頻率偏差,為系統(tǒng)提供一次調(diào)頻功率,減小不平衡功率維持頻率穩(wěn)定.

圖2 系統(tǒng)頻率響應(yīng)過(guò)程Fig.2 System frequency response process

在滿足系統(tǒng)功率平衡與備用需求的同時(shí)充分考慮頻率穩(wěn)定約束,對(duì)風(fēng)力機(jī)、智慧樓宇內(nèi)的光伏、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)以及柴油機(jī)組的出力和系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的功率需求進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化.僅對(duì)慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻過(guò)程進(jìn)行分析,不考慮二次調(diào)頻過(guò)程,系統(tǒng)模型如下.

2 電-氫互補(bǔ)的智慧樓宇模型

2.1 風(fēng)力機(jī)模型

傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)不能對(duì)電網(wǎng)頻率起到支撐作用,可以采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù),使其具有與同步發(fā)電機(jī)相似的頻率調(diào)節(jié)能力來(lái)為系統(tǒng)提供慣性支撐.風(fēng)力機(jī)的慣性支撐包括慣性響應(yīng)功率和一次調(diào)頻功率,慣性響應(yīng)功率表示為

(1)

當(dāng)頻率變化超過(guò)調(diào)頻死區(qū)后,開(kāi)始一次調(diào)頻,此時(shí)風(fēng)力機(jī)的一次調(diào)頻功率,表示為

(2)

2.2 光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型

光伏面板不同于風(fēng)力機(jī),沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件,無(wú)法參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)且出力具有隨機(jī)性,而氫儲(chǔ)能系統(tǒng)包括制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫罐和燃料電池,具有的功率雙向調(diào)節(jié)功能,能夠削弱可再生能源出力的隨機(jī)性,平抑可再生能源功率的波動(dòng)性.樓宇中光伏面板搭配氫儲(chǔ)能系統(tǒng),可以在系統(tǒng)發(fā)生功率擾動(dòng)時(shí),快速提供功率支撐,提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力.

樓宇i氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷載狀態(tài)表示為

(3)

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的支撐功率表示為

(4)

(5)

2.3 系統(tǒng)慣性需求模型

系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制,可以配合柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)提供慣性支撐,保證系統(tǒng)在功率擾動(dòng)時(shí)能夠保持頻率穩(wěn)定.系統(tǒng)的整體慣性需求表征為

(6)

系統(tǒng)的整體慣量水平Hine包括風(fēng)力機(jī)、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量和柴油發(fā)電機(jī)組的慣量,具體表征為

Hine=

(7)

2.4 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用模型

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生有功擾動(dòng)時(shí),足夠的系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用能夠有效抑制頻率變化.傳統(tǒng)的備用模型只考慮同步機(jī)組的備用容量,而在本文的綜合能源系統(tǒng)中,備用容量由風(fēng)力機(jī)、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)組共同提供.系統(tǒng)的總備用容量表示如下:

(8)

(9)

(10)

3 多智慧樓宇協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型

本文綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)力機(jī)和光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量支撐,構(gòu)建考慮頻率穩(wěn)定約束的電-氫互補(bǔ)多樓宇協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型.在并網(wǎng)模式下,模型主要確保系統(tǒng)在最優(yōu)運(yùn)行時(shí)具有足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量,確保系統(tǒng)避免頻率崩潰,能夠在有功擾動(dòng)時(shí)平滑的切換到孤島模式;在孤島模式下,模型需要對(duì)發(fā)電機(jī)組、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力以及負(fù)荷的切除進(jìn)行調(diào)度,保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性.

3.1 目標(biāo)函數(shù)

(11)

柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行成本主要為燃料成本,表示為

(12)

式中;σG為柴油發(fā)電機(jī)的成本系數(shù).

碳排放成本主要是由柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電和配電購(gòu)電產(chǎn)生的,表示如下:

(13)

備用成本主要包括柴油發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)備用成本和風(fēng)力機(jī)的備用成本,表示為

(14)

式中:σG,R為柴油發(fā)電機(jī)備用成本系數(shù);σW,R為風(fēng)力機(jī)的棄風(fēng)懲罰成本系數(shù).

設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本主要包括風(fēng)力機(jī)、光伏和柴油發(fā)電機(jī)組的維護(hù)成本,表示為

(15)

式中:αW、αPV、αG分別為風(fēng)力機(jī)、光伏、柴油發(fā)電機(jī)組的維護(hù)費(fèi)用.

樓宇的購(gòu)電成本包括向其他樓宇購(gòu)電成本以及向電網(wǎng)購(gòu)電成本,表示為

(16)

切負(fù)荷懲罰成本表示為

(17)

樓宇間售電收益表示為

(18)

3.2 約束條件

3.2.1設(shè)備運(yùn)行約束 綜合能源系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行約束如下.

(1) 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行約束.

(19)

(2) 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行約束.

(20)

(3) 柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行約束.

(21)

3.2.2機(jī)組功率調(diào)整量約束 為實(shí)現(xiàn)調(diào)頻資源間的協(xié)同配合,維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定,需要對(duì)各調(diào)頻機(jī)組出力采用離散化處理,每隔固定步長(zhǎng)Δn對(duì)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)頻機(jī)組的支撐功率進(jìn)行更新,調(diào)度時(shí)段t內(nèi)各調(diào)頻機(jī)組在故障后第n個(gè)步長(zhǎng)時(shí)的功率調(diào)整量表示為

(22)

(23)

3.2.3頻率穩(wěn)定約束RCF與Δf是衡量系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo).系統(tǒng)的頻率變化率約束,表示為

(24)

綜合能源系統(tǒng)的頻率偏差表征為

(25)

頻率偏差Δft,n約束表示為[23]

-Δfmax≤Δft,n≤Δfmax

(26)

3.2.4系統(tǒng)運(yùn)行備用約束 為了保障綜合能源系統(tǒng)一次調(diào)頻具有足夠的備用容量,需要構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行備用約束,考慮系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電和負(fù)荷的預(yù)測(cè)誤差以及故障時(shí)的功率擾動(dòng)量,系統(tǒng)的備用約束表征為

(27)

3.2.5并網(wǎng)模式下的約束條件 并網(wǎng)模式下,綜合能源系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與電網(wǎng)相連,可從電網(wǎng)直接購(gòu)買電量.因此,需要系統(tǒng)功率平衡和聯(lián)絡(luò)線功率傳輸進(jìn)行約束,系統(tǒng)的功率平衡約束表征為

(28)

功率傳輸約束包括樓宇與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線傳輸約束、樓宇與樓宇的功率交互約束,表征為

(29)

本文模型僅從配電網(wǎng)購(gòu)電,不向配電網(wǎng)售電.

3.2.6孤島模式下的約束條件 孤島模式下,綜合能源系統(tǒng)失去了外部電網(wǎng)的支撐,極易遭受功率擾動(dòng)的影響,系統(tǒng)需要發(fā)電機(jī)組的慣性支撐外,還需要留有一定的切負(fù)荷裕度.因此,孤島模式下的功率平衡約束與并網(wǎng)模式下的功率平衡約束存在差異,表征為

(30)

孤島模式下聯(lián)絡(luò)線功率傳輸約束僅包括樓宇與樓宇間的功率交互約束.

系統(tǒng)負(fù)荷切除約束表征為

(31)

3.3 約束條件線性化

本文模型中存在非線性部分的約束為式(24)系統(tǒng)頻率變化率約束.根據(jù)式(6)和式(7),系統(tǒng)的頻率變化率可以表征為

(32)

4 算法求解

ADMM算法是一種被廣泛應(yīng)用于解決大型優(yōu)化問(wèn)題的算法,將問(wèn)題分解為子問(wèn)題進(jìn)行分布式交替求,解能夠通過(guò)交互少量信息實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)目標(biāo).隨著人工智能及數(shù)據(jù)挖掘行業(yè)的不斷發(fā)展,目前ADMM方法已在電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行中獲得了諸多應(yīng)用.上文建立的優(yōu)化調(diào)度模型根據(jù)ADMM算法的基礎(chǔ)理論[28],構(gòu)造建立目標(biāo)函數(shù)的增廣拉格朗日函數(shù):

(33)

因此,可以將原問(wèn)題分解為

(34)

xi和zi交替迭代,以原始?xì)埐顁k和對(duì)偶?xì)埐顂k作為收斂判據(jù),當(dāng)滿足收斂精度時(shí),可輸出系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組最優(yōu)出力.

(35)

(36)

式中:εpri和εdual分別為原始?xì)埐詈蛯?duì)偶?xì)埐畹氖諗烤?

求解流程圖如圖3所示.

圖3 基于ADMM算法的優(yōu)化調(diào)度求解流程Fig.3 Optimal scheduling solution flow based on ADMM algorithm

5 算例分析

為驗(yàn)證所提優(yōu)化調(diào)度方法在包含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的IES中的經(jīng)濟(jì)性和適用性,對(duì)上海某裝設(shè)了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的IES示范工程進(jìn)行仿真,IES中包含兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)W1～W2以及3棟智慧樓宇,3棟樓宇內(nèi)分別裝設(shè)光伏面板PV1～PV3、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)HS1～HS3以及柴油發(fā)電機(jī)G1～G3.系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)分別如表1、表2所示,系統(tǒng)的運(yùn)行成本系數(shù)以及碳排放成本系數(shù)如表3所示.系統(tǒng)以24 h 為調(diào)度周期,共劃分24個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段為1 h,圖4所示為調(diào)度周期內(nèi)各樓宇的光伏出力和系統(tǒng)總負(fù)荷.仿真基于MATLAB R2019a環(huán)境下編程并調(diào)用CPLEX求解器完成.

表1 發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of generator set

表2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab.2 Key parameters of system

表3 系統(tǒng)運(yùn)行成本Tab.3 System operating cost

圖4 系統(tǒng)總負(fù)荷需求和各樓宇光伏出力Fig.4 Total system load demand and photovoltaic output of each building

5.1 頻率穩(wěn)定約束的有效性分析

在電-氫IES優(yōu)化調(diào)度時(shí)同時(shí)考慮系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定,增加頻率穩(wěn)定約束,用RCF和Δf表征系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性.為了簡(jiǎn)化求解,在處理頻率穩(wěn)定約束時(shí)采用了線性化的方法,在時(shí)域仿真軟件中搭建等效模型模擬系統(tǒng)頻率響應(yīng)過(guò)程,驗(yàn)證求得的頻率穩(wěn)定約束的有效性.在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi),分別在并網(wǎng)模式和孤島模式下選取3個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)比基于相同參數(shù)下由仿真系統(tǒng)和本文計(jì)算模型所得的RCF和Δf,對(duì)比結(jié)果如表4所示.

表4 RCF和Δf結(jié)果對(duì)比Tab.4 Results contrast of RCF and Δf

從表4的對(duì)比中可以看出,采用本文模型和采用時(shí)域仿真模型得到的RCF和Δf基本相近,Δf的最大偏差為0.06 Hz,RCF的最大偏差為0.02 Hz/s,均在可接受范圍內(nèi).

5.2 調(diào)度結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提調(diào)度方法的有效性,模擬了3種不同場(chǎng)景下IES在并網(wǎng)模式和孤島模式下的調(diào)度情況并進(jìn)行對(duì)比分析.

場(chǎng)景1,系統(tǒng)采用相同的優(yōu)化調(diào)度方法且考慮頻率穩(wěn)定約束,但不考慮光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)頻率的支撐作用.

場(chǎng)景2,系統(tǒng)采用相同的優(yōu)化調(diào)度方法且考慮頻率穩(wěn)定約束,但不考慮氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)頻率的支撐作用,僅由風(fēng)力機(jī)和柴油機(jī)組承擔(dān)調(diào)頻任務(wù).

場(chǎng)景3,可再生能源發(fā)電系統(tǒng)不允許調(diào)度,不考慮頻率穩(wěn)定約束,僅由柴油機(jī)組承擔(dān)調(diào)頻任務(wù).

5.2.1并網(wǎng)模式下 場(chǎng)景1在并網(wǎng)模式下的調(diào)度結(jié)果和樓宇間功率交互情況分別如圖5、圖6所示.

圖5 并網(wǎng)模式下場(chǎng)景1優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.5 Optimization scheduling results of scenario 1 in grid-connected mode

圖6 并網(wǎng)模式下場(chǎng)景1樓宇交互功率Fig.6 Interactive power of buildings of Scenario 1 in grid-connected mode

由圖5和圖6可以看出,在23:00—次日6:00時(shí)段,由于負(fù)荷需求較低,風(fēng)力機(jī)出力較高,此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷需求主要由風(fēng)力機(jī)進(jìn)行滿足,樓宇間無(wú)功率交互;在7:00—20:00時(shí)段,負(fù)荷需求增加,風(fēng)力機(jī)功率逐漸減小,樓宇內(nèi)的光伏面板輸出功率逐漸增加,樓宇間通過(guò)功率交互彌補(bǔ)功率缺額,剩余電量缺額從配電網(wǎng)購(gòu)入補(bǔ)足,此時(shí)聯(lián)絡(luò)線處于滿額運(yùn)行狀態(tài);在21:00—23:00時(shí)段,負(fù)荷需求升高,由于風(fēng)力機(jī)和光伏面板的輸出功率減少,此時(shí)需從配電網(wǎng)購(gòu)入電量,聯(lián)絡(luò)線仍處于滿額運(yùn)行狀態(tài).并網(wǎng)模式下,由于風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐,場(chǎng)景1的系統(tǒng)總運(yùn)行成本 2 232.62 元低于場(chǎng)景2的系統(tǒng)總運(yùn)行成本 2 345.325 元,雖然高于場(chǎng)景3的系統(tǒng)總運(yùn)行成本 2 153.316 元,但是由于考慮了頻率穩(wěn)定約束,提高了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性.

當(dāng)系統(tǒng)在預(yù)想故障時(shí),系統(tǒng)的頻率指標(biāo)RCF和Δf在調(diào)度時(shí)段內(nèi)的變化情況如圖7所示.

圖7 并網(wǎng)模式下系統(tǒng)頻率指標(biāo)的變化Fig.7 Change of system frequency index in grid-connected mode

由圖7可以看出,在發(fā)生聯(lián)絡(luò)線中斷故障時(shí),由于場(chǎng)景1和2均有發(fā)電機(jī)組配合柴油機(jī)組對(duì)頻率進(jìn)行支撐,因此RCF和Δf均在安全限值之內(nèi),有效抑制了頻率快速跌落情況.場(chǎng)景1與場(chǎng)景2相比,由于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與到系統(tǒng)的慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻階段,為系統(tǒng)提供額外的慣量支撐,所以,RCF和Δf均比場(chǎng)景2的變化幅度小,可以在更嚴(yán)重的有功擾動(dòng)下維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定.由于場(chǎng)景3中的調(diào)頻機(jī)組功率有限,所以RCF和Δf均越限,若不對(duì)場(chǎng)景3及時(shí)進(jìn)行控制,會(huì)引發(fā)頻率崩潰等惡性事件.

5.2.2孤島模式下 場(chǎng)景1在孤島模式下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果和樓宇間功率交互情況分別如圖8、圖9所示.

圖8 孤島模式下場(chǎng)景1優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.8 Optimization scheduling results of Scenario 1 in island mode

結(jié)合圖8和圖9可以看出,孤島模式下場(chǎng)景1系統(tǒng)在孤島模式下由于失去了外部電網(wǎng)的支撐,樓宇的電量缺額主要由樓宇間交互功率和樓宇內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)足,此時(shí)系統(tǒng)的總運(yùn)行成本 2 658.478 元低于場(chǎng)景2的總運(yùn)行成本 2 686.184 元,與場(chǎng)景3的總運(yùn)行成本 2 594.384 元接近.雖然孤島模式下系統(tǒng)的總運(yùn)行成本相差不大,但是場(chǎng)景1中考慮了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量支撐,分擔(dān)了系統(tǒng)的調(diào)頻壓力,增強(qiáng)了系統(tǒng)抵抗有功擾動(dòng)的能力.

在系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性方面,預(yù)設(shè)樓宇2中的柴油發(fā)電機(jī)G2因故退出運(yùn)行,系統(tǒng)的頻率指標(biāo)RCF和Δf在調(diào)度時(shí)段內(nèi)的變化情況如圖10所示.

圖10 孤島模式下系統(tǒng)頻率指標(biāo)的變化Fig.10 Change of system frequency index in island mode

由圖10可以看出,在預(yù)設(shè)故障下,場(chǎng)景1由于風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量加入,緩解了柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)頻壓力,為系統(tǒng)提供了充足的備用容量,所以RCF和Δf均在安全限值內(nèi),并且留有足夠多的波動(dòng)空間.場(chǎng)景2的RCF和Δf相較于場(chǎng)景1的變化幅度更大,更加臨近于安全限值.場(chǎng)景3的頻率指標(biāo)與并網(wǎng)模式下的相同,由于只有柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻,所以RCF和Δf均在安全限值之外,系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅.

不同模式下各場(chǎng)景的碳排放成本如表5所示.在并網(wǎng)模式下,由于場(chǎng)景3始終選擇滿額從外部電網(wǎng)購(gòu)電,所以碳排放成本最高,場(chǎng)景1對(duì)比于場(chǎng)景2,由于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻任務(wù)進(jìn)行了分擔(dān),所以,碳排放成本較低.在孤島模式下,由于停止從外部購(gòu)電后,場(chǎng)景3中柴油發(fā)單機(jī)的調(diào)頻壓力最大,所以碳排放成本最高,由于場(chǎng)景1充分利用系統(tǒng)中的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量和旋轉(zhuǎn)備用,所以場(chǎng)景1的碳排放成本低于場(chǎng)景2的碳排放成本,擁有較高的環(huán)保性.

表5 不同模式下各場(chǎng)景的碳排放成本Tab.5 Carbon emission cost of different scenarios in different modes

綜合以上分析可知,本文所提的優(yōu)化調(diào)度方法擁有較好的經(jīng)濟(jì)性.在此基礎(chǔ)上,考慮頻率穩(wěn)定性約束,可以充分挖掘系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)頻潛力,降低系統(tǒng)頻率越限的風(fēng)險(xiǎn),提高系統(tǒng)抵抗有功擾動(dòng)的能力,同時(shí)考慮氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的慣量支撐,可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性,并且能夠降低系統(tǒng)的碳排放成本,提高系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性.

6 結(jié)論

為充分利用IES中的可再生能源發(fā)電以及其調(diào)頻潛力,提出了一種考慮頻率穩(wěn)定約束的電-氫互補(bǔ)多樓宇協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法,主要總結(jié)如下:

(1) 由于綜合能源系統(tǒng)缺少慣性支撐,本文根據(jù)風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻過(guò)程,構(gòu)建系統(tǒng)慣性需求和旋轉(zhuǎn)備用模型,并將頻率指標(biāo)RCF和Δf作為頻率穩(wěn)定約束,算例表明所提方法能夠在有功擾動(dòng)時(shí)有效地保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定.

(2) 綜合考慮系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)調(diào)度,建立包含頻率穩(wěn)定約束在內(nèi)的多樓宇協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型,給出不同運(yùn)行模式下系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)和各樓宇出力的優(yōu)化調(diào)度方案,保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的同時(shí)能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

(3) 充分挖掘系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)力機(jī)和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻潛力,減少外部購(gòu)電和柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻壓力,在提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的同時(shí),減少碳排放量,提高系統(tǒng)的環(huán)保性.

本文的研究成果為IES維持頻率穩(wěn)定和優(yōu)化運(yùn)行提供了思路和方法,后續(xù)將考慮在IES中更多樓宇的配合參與以及在多IES互聯(lián)結(jié)構(gòu)下考慮頻率穩(wěn)定性的優(yōu)化調(diào)度.