計(jì)及需求響應(yīng)的多區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)魯棒調(diào)度方法

饒堯, 程元

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢能效測評有限公司, 湖北, 武漢 430074;2.湖北瑞華科技工程管理有限公司, 湖北, 武漢 430074)

0 引言

自新能源開始在電力系統(tǒng)中占據(jù)一定地位,我國電力互聯(lián)能源系統(tǒng)開始有意識(shí)地調(diào)整結(jié)構(gòu),特別是在能源危機(jī)的壓力下,以風(fēng)力發(fā)電為主導(dǎo)的新能源在能源系統(tǒng)中所占的比重逐漸提高,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。但是風(fēng)力發(fā)電本身具備極大的不確定性,難以成為穩(wěn)定的能源,且電力客戶自身的電力需求也無法被十分準(zhǔn)確的預(yù)測,這樣雙重的不確定性對電力系統(tǒng)的調(diào)度造成了巨大的阻礙,導(dǎo)致調(diào)度成本極大。文獻(xiàn)[2]在尋求了不確定性影響的可靠性分析后,得到了一個(gè)能源系統(tǒng)精細(xì)化建模的方法,在區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)機(jī)會(huì)約束之內(nèi),將模型轉(zhuǎn)化為二階規(guī)劃算法,并經(jīng)過反復(fù)迭代求解,得到了一個(gè)較好的收斂特性與成本預(yù)測結(jié)果,該方法靈活性較強(qiáng),可移植性較好。文獻(xiàn)[3]加深了多區(qū)域電氣負(fù)荷的耦合程度,利用需求相應(yīng)的模型對節(jié)點(diǎn)間的電氣平衡做出了價(jià)格的分析,并對節(jié)點(diǎn)區(qū)域的消費(fèi)水平進(jìn)行了綜合性的估計(jì)。在使用不同的策略修訂博弈演化過程的同時(shí),推演用戶的需求響應(yīng),對調(diào)度總成本做出預(yù)測。文獻(xiàn)[4]在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中建立了一個(gè)線性化的網(wǎng)絡(luò)模型,針對調(diào)度魯棒優(yōu)化模型反復(fù)迭代,并提出了一個(gè)可以有效改善經(jīng)濟(jì)效益的區(qū)域熱網(wǎng)損耗算法。

以往研究方法對能源互補(bǔ)的協(xié)調(diào)性作出了優(yōu)化,有效地降低了單區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)調(diào)度成本,但是在多區(qū)域的協(xié)調(diào)規(guī)劃中,沒有作出有效的優(yōu)化。為提高能源的調(diào)度效率,降低調(diào)度成本,對多區(qū)域電氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的魯棒調(diào)度方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 計(jì)及需求響應(yīng)的多區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)魯棒調(diào)度方法設(shè)計(jì)

1.1 基于需求響應(yīng)計(jì)算決策最優(yōu)可行域

光伏或風(fēng)力等電力系統(tǒng)的新能源無法準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)電總量,此外,電網(wǎng)用戶的用電需求具有一定的不確定性,因此,這種綜合能源系統(tǒng)不僅給整個(gè)電力調(diào)度帶來了巨大的挑戰(zhàn),而且增加了電力調(diào)度的成本。為了減少電力調(diào)度成本,需要準(zhǔn)確評估風(fēng)電出力,以減小誤差,此時(shí)需要首先建立一個(gè)風(fēng)電不確定的集合,其組成結(jié)構(gòu)為

(1)

圖1 風(fēng)力發(fā)電可行域集合

如圖1所示,灰色區(qū)域?yàn)闂夛L(fēng)區(qū)域,通常為因風(fēng)力過大導(dǎo)致電力系統(tǒng)受到損失的部分,切負(fù)荷區(qū)域則為實(shí)際的風(fēng)力可接納區(qū)域,二者相交,形成風(fēng)力發(fā)電的可行域[5]。風(fēng)力發(fā)電的可行域內(nèi),通常可以表示系統(tǒng)運(yùn)行損失的負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn),在可行域外,則可以以分段序數(shù)為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)可接納能力的評估。

1.2 建立電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)調(diào)度模型

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

在基于電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的模型中,以經(jīng)濟(jì)性為核心目標(biāo),可以得到風(fēng)電機(jī)組在二次函數(shù)模型中的成本函數(shù)。

(2)

式中,fcb表示燃?xì)鈾C(jī)組與風(fēng)電機(jī)組在電-氣互聯(lián)能源模型中的成本,ai、bi、ci分別表示機(jī)組a、b、c的成本系數(shù),ki表示i個(gè)燃?xì)鈾C(jī)組中天然氣的輸出總和[6-7]。計(jì)算天然氣的存儲(chǔ)總量時(shí),需要分別計(jì)算氣耗成本與存儲(chǔ)成本:

(3)

式中,fhl與fcq分別表示天然氣的消耗成本與存儲(chǔ)成本,μj表示天然氣本身的輸出成本系數(shù),ρj,p表示天然氣輸出的密度系數(shù),Cn,k表示儲(chǔ)氣罐的存儲(chǔ)系數(shù),uk表示儲(chǔ)氣罐的消納集合[8]。在未消納的部分中,需要考慮風(fēng)力發(fā)電等的影響,建立棄風(fēng)懲罰的可再生限制,此時(shí)的懲罰成本為

(4)

式中,fcf表示在棄風(fēng)作用下,電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的整體懲罰成本,Cm,p與Cm,g分別表示風(fēng)電機(jī)組中的出力上限與下限,Uh表示棄風(fēng)作用下消納作用的成本系數(shù),Qi表示風(fēng)電機(jī)組的儲(chǔ)能集合[9-10]。因此,電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)調(diào)度模型的整體成本函數(shù)為風(fēng)電機(jī)組的電力調(diào)度成本、氣耗成本、存儲(chǔ)成本的和減去消納成本。

1.2.2 約束條件

約束條件分為風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)的約束以及天然氣網(wǎng)絡(luò)的約束,在風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)中,可以得到:

(5)

式中,Wmax,pj與Wmin,pj分別表示能源系統(tǒng)在風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)中出力的最大值與最小值,Wpj表示該風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)出力,Whp表示網(wǎng)絡(luò)損耗,Whp,max表示網(wǎng)損的最大值,uf與up分別表示某節(jié)點(diǎn)中電壓矩陣的虛部與實(shí)部向量,αg表示節(jié)點(diǎn)的平衡負(fù)荷[11-13]。天然氣網(wǎng)絡(luò)的約束條件:

(6)

式中,fki與fkj分別表示天然氣管道首端與尾端的存量回復(fù)值,Lmax,ij與Lmin,ij則表示天然氣流量在傳輸過程中的壓力最大值與最小值,Lij表示當(dāng)前的傳輸壓力,Smax,p與Smin,p分別表示儲(chǔ)氣罐容量的流出量最大值與最小值[14]。基于這2個(gè)約束條件,可以結(jié)合目標(biāo)函數(shù)獲得電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)調(diào)度模型。

1.3 設(shè)計(jì)多區(qū)域能源系統(tǒng)魯棒調(diào)度控制算法

在解決多區(qū)域能源系統(tǒng)的調(diào)度控制成本問題時(shí),需要對其進(jìn)行多角度的聯(lián)絡(luò)更新,并依據(jù)收斂判據(jù)判斷是否迭代結(jié)束,此時(shí)的算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程

如圖2所示,在優(yōu)化多區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的調(diào)度成本過程中,需要首先初始化電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)以及能量耦合線路的參數(shù),然后在外層穩(wěn)態(tài)模型中,求解收斂迭代初始值,以此達(dá)到內(nèi)層節(jié)點(diǎn)平衡優(yōu)化的目標(biāo)。此時(shí)的松弛變量需要通過更新的懲罰限制,平衡優(yōu)化過程為

(7)

式中,Gi表示懲罰變量的平衡判定依據(jù),當(dāng)Gi大于0時(shí),平衡優(yōu)化成功,當(dāng)Gi小于0時(shí),平衡判定失敗,Fz表示經(jīng)過收斂的外層罰凹凸因子,pi和pj分別表示風(fēng)電機(jī)組以及天然氣機(jī)組的收斂容許度。通過平衡判定后,需要設(shè)置耦合變量,并在變量達(dá)到最大值時(shí)計(jì)算收斂精度,此時(shí),即可得到多區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)調(diào)度成本的最優(yōu)解。

魯棒調(diào)度控制算法優(yōu)化過程的偽代碼如下:

1: Initialization phase:

2: Initialize the populationXof the balance optimization algorithm.

3: Initialize the parameters of the (i.e.,Gi,Fz,pi,pj, etc).

4: WHILE (The end condition is not met) do

5: Calculate the fitness function values.

6:Gi=Determine the best obtained solution according to the fitness values.

7: for (i=1,2,…,N) do

8: Update the mean value of the current solutionpi和pj.

9: Update theGi, Levy(Gi), etc.

10: ifGi≥0

3)*Githen

11: ifGi?0 then

12: ? Step 1: Expanded exploration

13: Update the current solution using Eq. (7).

14: if FitnessGi

16: if FitnessGi>Gi+1then

17: end if

18: end if

19: end if

20: else

21: end for

22: end while

23: return The best solution (Gibest ).

根據(jù)循環(huán)情況出現(xiàn)的頻率可求出算法的時(shí)間復(fù)雜度,從最內(nèi)層循環(huán)開始確定變量取值范圍,確定變量每次取值的時(shí)間復(fù)雜度,記為f(n);循環(huán)相加f(n);重復(fù)加法即可計(jì)算出嵌套循環(huán)的時(shí)間復(fù)雜度。

2 算例分析

2.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

文中設(shè)計(jì)了一種計(jì)及需求響應(yīng)的多區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)魯棒性調(diào)度方法,在實(shí)驗(yàn)中與現(xiàn)有的“基于機(jī)會(huì)約束目標(biāo)規(guī)劃的調(diào)度優(yōu)化模型”“基于演化博弈的區(qū)域調(diào)度模型”以及“考慮網(wǎng)絡(luò)約束和源荷不確定性的調(diào)度方法”進(jìn)行比較,測試本文方法的有效性與優(yōu)越性。在仿真過程中,首先需要建立電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)

在圖3的能源系統(tǒng)中,節(jié)點(diǎn)G1、G2、G3分別表示燃?xì)廨啓C(jī),節(jié)點(diǎn)G4和節(jié)點(diǎn)G5則表示火電機(jī)組,節(jié)點(diǎn)Z表示電轉(zhuǎn)氣裝置,節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)6分別表示天然氣系統(tǒng)中的6個(gè)供氣源。電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)A、B、C分別連接天然氣系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)1、2、3,電力系統(tǒng)之間共有7條連接線路,天然氣系統(tǒng)間則有5條連接線路。設(shè)圖3中的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)為區(qū)域A,聯(lián)合四個(gè)區(qū)域的電-氣能源系統(tǒng),分別設(shè)為區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C、區(qū)域D,得到多區(qū)域能源系統(tǒng)調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 多區(qū)域能源系統(tǒng)調(diào)度模型

如圖4所示,在兩個(gè)區(qū)域間分別設(shè)置兩條線路,分別為電力聯(lián)絡(luò)線以及聯(lián)絡(luò)管道,圖3的A區(qū)域內(nèi)也有相應(yīng)的連接線路。

2.2 考慮需求響應(yīng)的調(diào)度負(fù)荷仿真

綜合圖3與圖4中的系統(tǒng)模型,根據(jù)往年歷史數(shù)據(jù),可以得到4個(gè)區(qū)域內(nèi)電負(fù)荷、氣負(fù)荷以及風(fēng)力發(fā)電的預(yù)測功率如圖5所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電、氣負(fù)荷、電負(fù)荷預(yù)測值

如圖5所示,風(fēng)力發(fā)電的標(biāo)幺值峰值為0.76,氣負(fù)荷的峰值為0.6,電負(fù)荷標(biāo)幺值的最大值為0.71。為方便管理,分別依據(jù)預(yù)測功率得到需求響應(yīng)下,兩區(qū)域、三區(qū)域、四區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的出力情況,如圖6所示。

(a) 兩區(qū)域

在區(qū)域A與區(qū)域B的兩區(qū)域聯(lián)合能源系統(tǒng)調(diào)度中,5個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理情況如圖6(a)所示,在5:00以前,系統(tǒng)的總出力均小于200 MW;在5:00～16:00,系統(tǒng)出力呈先增加或減少的趨勢,其峰值為320 MW;在17:00～23:00,系統(tǒng)出力驟然增加,然后逐漸減小至210 MW。在區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C的三區(qū)域聯(lián)合能源系統(tǒng)效度中,0:00～3:00的系統(tǒng)出力小于600 MW,從4:00～13:00整體呈上升趨勢,至13:00時(shí)到達(dá)頂峰950 MW,之后急速下降,至18:00以后,略微上升后有緩慢下降。在四個(gè)區(qū)域的聯(lián)合能源系統(tǒng)調(diào)度中,功率變化坡度增加,其中的峰值為12:00時(shí)的2340 MW。由此可見,無論能源系統(tǒng)的區(qū)域面積,7:00～13:00與16:00～21:00均為出力的上升期,其他時(shí)間系統(tǒng)出力的低谷期。

2.3 不同調(diào)度方法成本比較

比較4種不同的調(diào)度方法,計(jì)算氣在兩區(qū)域、三區(qū)域、四區(qū)域中的調(diào)度成本,得到調(diào)度成本的比較結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法調(diào)度成本 單位:萬元

如表1所示,文中使用的調(diào)度方法在不同區(qū)域數(shù)量下均小于機(jī)會(huì)約束目標(biāo)規(guī)劃方法、演化博弈方法以及網(wǎng)絡(luò)約束與源荷不確定性方法。這是因?yàn)楸疚姆椒ɑ谛枨箜憫?yīng)計(jì)算決策最優(yōu)可行域,建立電氣互聯(lián)能源系統(tǒng)調(diào)度模型,設(shè)計(jì)多區(qū)域能源系統(tǒng)魯棒調(diào)度控制算法,進(jìn)行內(nèi)層節(jié)點(diǎn)平衡優(yōu)化,從而對能源互補(bǔ)的協(xié)調(diào)性作出了優(yōu)化,有效地降低了多區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的調(diào)度成本。

3 總結(jié)

文中設(shè)計(jì)了一種結(jié)合需求響應(yīng)的多區(qū)域電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)魯棒調(diào)度方法,在滿足多區(qū)域電-氣網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立的調(diào)度前提下,通過計(jì)算不同機(jī)組的系統(tǒng)出力,獲取調(diào)度成本,并與其他方法進(jìn)行比較,得到該方法成本為幾種比較方法中的最小值。在該調(diào)度方法下,可以有效地降低調(diào)度成本,輔助能源網(wǎng)絡(luò)獲取自身效益的最大值。