風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略研究

摘 要：為了提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性、減少棄風(fēng)電量，需要風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)間能夠進(jìn)行合理調(diào)度，因此，本文提出風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度策略。首先，結(jié)合風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性，構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型，并確定該模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。其次，改進(jìn)螢火蟲(chóng)算法并進(jìn)行求解，獲取優(yōu)化調(diào)度策略結(jié)果。最后，對(duì)該方法的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，風(fēng)電上網(wǎng)功率和調(diào)度曲線(xiàn)間的匹配程度顯著提升，兩者間的差異較小，輸出功率差值均＜20 kW，棄風(fēng)量＜68 MW·h，系統(tǒng)年收益顯著提升，最高為451.65萬(wàn)元，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；儲(chǔ)能系統(tǒng)；聯(lián)合運(yùn)行；優(yōu)化調(diào)度策略" " "中圖分類(lèi)號(hào)：TP 641" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度

1.1 風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性

在儲(chǔ)能電站與風(fēng)電系統(tǒng)的集成過(guò)程中，靈活接入儲(chǔ)能電站能夠使電網(wǎng)管理具有良好的調(diào)控能力，兩者結(jié)合后可以形成風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高度智能化的平臺(tái)控制模式，能夠顯著提升操作便捷性與靈活性[1]。該平臺(tái)控制模式的核心優(yōu)勢(shì)是其能夠根據(jù)電網(wǎng)的功率波動(dòng)情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的介入深度和響應(yīng)速度，從而有效平衡風(fēng)電的間歇性與電網(wǎng)穩(wěn)定性間的矛盾[2]。該智能化的調(diào)控策略不僅能夠優(yōu)化儲(chǔ)能資源的使用效率，而且能夠增強(qiáng)整個(gè)風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的支撐作用。風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)主要包括風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制中心等多個(gè)部分。控制中心能夠根據(jù)系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)電與儲(chǔ)能間的無(wú)縫銜接與高效協(xié)同，并且完成系統(tǒng)的自主調(diào)度[3]。在該模式下，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析電網(wǎng)的功率需求和風(fēng)電的出力狀況，精準(zhǔn)制定儲(chǔ)能電站的充、放電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行與風(fēng)電最大化利用。

在運(yùn)行過(guò)程中，該系統(tǒng)的控制中心與發(fā)電廠(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和輸電線(xiàn)路直接連接，能夠?qū)崟r(shí)獲取上述部分的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括發(fā)電成功率數(shù)據(jù)、并網(wǎng)功率以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)等。風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要滿(mǎn)足功率標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)的并網(wǎng)功率為Ps（t），如公式（1）所示。

式中：Pw（t）和Pe（t）分別為t時(shí)刻下風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的輸出功率和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率。

當(dāng)Pe（t）gt;0時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電；當(dāng)Pe（t）lt;0時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電。儲(chǔ)能系統(tǒng)是風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其儲(chǔ)能能量變化需要滿(mǎn)足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，如公式（2）所示。

式中：Ee（t+1）和Ee（t）分別為（t+1）時(shí)刻和t時(shí)刻下儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量；ΔT為采樣時(shí)間。

在實(shí)際運(yùn)行中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算公式（1）和公式（2）來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電策略。例如，當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)輸出功率大于當(dāng)前電網(wǎng)需求時(shí)，根據(jù)公式（1）可以得知儲(chǔ)能系統(tǒng)需要充電，以?xún)?chǔ)存多余的能量。反之，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率小于電網(wǎng)需求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將根據(jù)公式（2）進(jìn)行放電，以補(bǔ)充電網(wǎng)功率的不足。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整能夠保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

1.2.1 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)確定

基于上文分析的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行功率特性，構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型。該模型綜合考慮風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度的需求，從運(yùn)行成本、能源利用和調(diào)度效果3個(gè)方面考慮，設(shè)計(jì)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，分別為系統(tǒng)收益最大化maxfc、最大出力結(jié)果和調(diào)度匹配程度maxfs、最小輸出功率差值minfp、最小棄風(fēng)量minfo，4個(gè)目標(biāo)函數(shù)如公式（3）～公式（6）所示。

式中：c1為風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)電收益；c2為儲(chǔ)能參與輔助市場(chǎng)調(diào)頻服務(wù)收益；c3為儲(chǔ)能投資年等效值；c4為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)維成本；c5為儲(chǔ)能設(shè)備殘值年等效值；c6為風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)懲罰成本；T為調(diào)度周期；Pg（t）為調(diào)度曲線(xiàn)功率；Pa（t）為風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的總上網(wǎng)功率；ΔPe（t）和ΔPe（t-1）分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)在t和（t-1）時(shí)刻下的功率波動(dòng)；N為風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)目；n為風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)目；ξk為風(fēng)電場(chǎng)減載比例；ξk（t）為t時(shí)刻下的風(fēng)電場(chǎng)減載比例；Pw（t）為t時(shí)刻下風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的輸出功率；ΔPw（t）為風(fēng)電場(chǎng)在被動(dòng)情況下發(fā)生的棄風(fēng)功率；Δt為時(shí)間間隔。

在構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型過(guò)程中，應(yīng)用公式（3）～公式（6）所示的目標(biāo)函數(shù)，需要以下2個(gè)步驟。1） 收集歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電記錄以及電網(wǎng)的負(fù)載需求。2） 利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)中的各項(xiàng)參數(shù)，例如系統(tǒng)收益、成本和棄風(fēng)量。

為使系統(tǒng)收益最大化并使棄風(fēng)量最小化，采用優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以找到最佳的調(diào)度策略。例如，調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電計(jì)劃可以減少棄風(fēng)量，并參與輔助市場(chǎng)調(diào)頻服務(wù)，以增加系統(tǒng)收益。

1.2.2 約束條件

確定風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)后，結(jié)合實(shí)際調(diào)度情況和需求，設(shè)定相應(yīng)的約束條件。

1.2.2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電約束條件

風(fēng)能是一種間歇性能源，其輸出功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，設(shè)定合理的充、放電約束，可以使儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電富余情況下充電，儲(chǔ)存多余的風(fēng)電，從而減少清潔能源的浪費(fèi)[4]，并且有助于緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)靈活性。該約束條件分別如公式（7）、公式（8）所示。

式中：Sc（t）為剩余電量；Smax為剩余電量上限；Smin為剩余電量下限；和分別為充、放電狀態(tài)標(biāo)識(shí)；為充電功率；κ為自放電率；S（t-1）為時(shí)刻（t-1）下的剩余電量；χ（t）為充過(guò)放能力；和分別為額定充電和放電功率；和分別為充、放電效率。

公式（7）、公式（8）能夠保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量在安全范圍內(nèi)波動(dòng)，防止過(guò)充和過(guò)放，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余電量，并根據(jù)約束條件調(diào)整其充、放電狀態(tài)。

1.2.2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率約束條件

在風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中，為避免過(guò)充現(xiàn)象的發(fā)生，需要對(duì)充電功率進(jìn)行限制，以避免大功率充電可能帶來(lái)的電網(wǎng)波動(dòng)和儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，有助于平抑風(fēng)電出力的波動(dòng)性，提高整個(gè)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該約束條件如公式（9）所示。

式中：Pq（t）為其他發(fā)電機(jī)出力；Pl（t）為負(fù)荷。

公式（9）限制了儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率，以避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。在實(shí)際操作中，比較其他發(fā)電機(jī)出力和負(fù)荷，可以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率不超過(guò)預(yù)設(shè)的限制。

1.2.2.3 風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)約束條件

設(shè)定風(fēng)電上網(wǎng)的上、下限值，并結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，能夠盡可能多地消納風(fēng)電，減少由風(fēng)電出力波動(dòng)導(dǎo)致的棄風(fēng)現(xiàn)象，進(jìn)而提高風(fēng)電利用率。設(shè)為風(fēng)電實(shí)際出力，該約束條件如公式（10）所示。

式中：Pr（t）為風(fēng)電場(chǎng)t時(shí)段的上網(wǎng)功率；Prmax為Pr（t）的最大值。

公式（10）設(shè)定了風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)功率的上、下限，并結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，能夠最大限度地消納風(fēng)電，減少棄風(fēng)現(xiàn)象。

1.2.2.4 安全約束條件

限制網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路上的傳輸功率不超過(guò)其最大值，并設(shè)定負(fù)載率約束，以保護(hù)線(xiàn)路不受過(guò)載影響，防止由線(xiàn)路過(guò)熱或損壞導(dǎo)致的停電事故。安全約束條件如公式（11）所示。

式中：Pm（t）為線(xiàn)路傳輸功率；Pmmax為線(xiàn)路傳輸功率上限；Pmmin為線(xiàn)路傳輸功率下限。

公式（11）能夠保護(hù)電網(wǎng)線(xiàn)路不受過(guò)載影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線(xiàn)路傳輸功率可以保證線(xiàn)路傳輸功率不超過(guò)最大值，使電網(wǎng)安全運(yùn)行。

1.3 目標(biāo)函數(shù)求解

在確定好風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)和約束條件后，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)求解。為保證求解效果，使調(diào)度策略滿(mǎn)足多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，本文采用改進(jìn)的螢火蟲(chóng)算法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)求解。該算法是在傳統(tǒng)螢火蟲(chóng)算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合均方根傳遞理念，將學(xué)習(xí)速率引入算法中，以此調(diào)整算法的收斂速度，并對(duì)移動(dòng)記憶進(jìn)行一次指數(shù)平滑，提升算法的自適應(yīng)能力，保證其能更平穩(wěn)地完成最優(yōu)解搜索。

在改進(jìn)螢火蟲(chóng)算法求解過(guò)程中，每個(gè)螢火中均對(duì)應(yīng)1個(gè)候選解，即每個(gè)螢火蟲(chóng)代表1個(gè)可能的調(diào)度方案，求解步驟如下所示。

1.3.1 初始化

設(shè)定初始學(xué)習(xí)率為ω0，并為每個(gè)螢火蟲(chóng)分配1個(gè)隨機(jī)位置（這些位置基于歷史數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的參數(shù)），代表1個(gè)初始調(diào)度方案。

1.3.2 迭代求解

在每次迭代中，使用公式（12）來(lái)計(jì)算任意2個(gè)螢火蟲(chóng)間的移動(dòng)距離，它代表2個(gè)調(diào)度方案間的差異。公式中的吸引力A0由公式（13）確定，它基于螢火蟲(chóng)間的距離和各自的亮度。任意2個(gè)可能的xi和xj在（τ+1）次迭代下的移動(dòng)距離diτ+1如公式（12）所示，螢火蟲(chóng)移動(dòng)記憶的一次平滑指數(shù)μiτ+1如公式（13）所示。

式中：A0為吸引力，基于螢火蟲(chóng)間的距離和各自的亮度；?為滿(mǎn)足高斯分布的矢量；d2ij為調(diào)度方案xi和xj間的距離；xjτ、xiτ分別為第t次迭代中螢火蟲(chóng)i和j的位置向量；ε為步長(zhǎng)因子；μiτ+1為螢火蟲(chóng)移動(dòng)記憶的一次平滑指數(shù)；wτ為τ次迭代過(guò)程中的平滑參數(shù)；μiτ為在第τ次迭代中螢火蟲(chóng)i的移動(dòng)記憶。

1.3.3 更新位置調(diào)度方案

根據(jù)公式（14）更新每個(gè)螢火蟲(chóng)的位置，即調(diào)整調(diào)度方案。步長(zhǎng)因子和吸引系數(shù)決定了螢火蟲(chóng)移動(dòng)的速度和方向，移動(dòng)記憶的一次指數(shù)平滑xiτ+1有效保證了算法的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力，xiτ+1如公式（14）所示。

1.3.4 動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)率

在迭代過(guò)程中，根據(jù)種群的平均適應(yīng)度和最優(yōu)解的變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)率。該步驟能夠保證算法能夠快速收斂到最優(yōu)解和求解過(guò)程的準(zhǔn)確性。

1.3.5 停止條件

持續(xù)進(jìn)行迭代，直到達(dá)到預(yù)定的迭代次數(shù)或其他停止條件，例如當(dāng)最優(yōu)解的變化小于某個(gè)閾值時(shí)。

1.3.6 輸出最優(yōu)解

迭代結(jié)束后，找到亮度最高的螢火蟲(chóng)，它代表了最優(yōu)調(diào)度方案。評(píng)估該方案對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，并輸出最優(yōu)調(diào)度方案。

2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法在風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度中地應(yīng)用效果，本文以改進(jìn)的IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。該系統(tǒng)中共計(jì)接入4座風(fēng)電場(chǎng)和1個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

改進(jìn)的IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括4座風(fēng)電場(chǎng)和1個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)由320臺(tái)機(jī)組組成，總額定容量為475 MW。

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有400 MW·h的容量，最大充、放電功率為50 MW，充、放電效率為95%。該系統(tǒng)采用改進(jìn)的IEEE30節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化調(diào)度策略的有效性。系統(tǒng)中的各部分相互連接和協(xié)作，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用充、放電來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)電輸出，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)電最大化利用。

為驗(yàn)證本文方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度的效果，本文測(cè)試了調(diào)度曲線(xiàn)和風(fēng)電上網(wǎng)功率間的匹配程度，調(diào)度前、后的匹配結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度前，風(fēng)電上網(wǎng)功率和調(diào)度曲線(xiàn)間的匹配程度較低，兩者間的差異較大。應(yīng)用本文方法進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化后，風(fēng)電上網(wǎng)功率和調(diào)度曲線(xiàn)間的匹配程度顯著提升，兩者間的差異較小。因此，本文方法具有較好的優(yōu)化調(diào)度效果。

為進(jìn)一步測(cè)試本文方法的優(yōu)化調(diào)度效果，本文以輸出功率差值、棄風(fēng)量為例，測(cè)試優(yōu)化調(diào)度前、后在不同運(yùn)行時(shí)序下的輸出功率差值、棄風(fēng)量，見(jiàn)表1。

由表1可知，應(yīng)用本文方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度后，風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能輸出功率差值、棄風(fēng)量均顯著降低，其中輸出功率差值均＜20 kW，棄風(fēng)量＜68 MW·h。該結(jié)果顯著優(yōu)于優(yōu)化調(diào)度前的結(jié)果。因此，本文方法能夠滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度的需求。

3 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度是提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性、優(yōu)化電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、提高調(diào)峰能力、減少棄風(fēng)電量以及促進(jìn)可再生能源消納/節(jié)能減排的有效途徑。因此，本文結(jié)合風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方案，并對(duì)方案的應(yīng)用效果進(jìn)行相關(guān)分析，確定所提策略能夠滿(mǎn)足調(diào)度需求，并能提高系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平。

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