葛佳運(yùn)

（中廣核新能源控股公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今時(shí)代發(fā)電的主要方式之一，符合建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展理念，得到了國(guó)家的大力支持。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，在具體實(shí)施中存在諸多問(wèn)題。對(duì)于大規(guī)模的風(fēng)電輸出，常規(guī)電源的調(diào)節(jié)能力和電網(wǎng)傳統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)需要，面臨著一系列技術(shù)難題，如電網(wǎng)消納水平有限、外送通道狹窄、外送能力受阻等。因此，須積極尋找新的優(yōu)化方案來(lái)解決問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，解決風(fēng)電消納的有效途徑是形成源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模式，其中高載能負(fù)荷要參與電網(wǎng)調(diào)控。高載能負(fù)電荷具有可調(diào)節(jié)和可中斷特點(diǎn)，能夠消納風(fēng)電，有效提高風(fēng)電利用率。對(duì)于常規(guī)電源的壓力要求，運(yùn)用高載能負(fù)電荷也可以適當(dāng)降低要求。高載能負(fù)電荷非常穩(wěn)定，有利于風(fēng)電反調(diào)峰特性的應(yīng)對(duì)。它的自動(dòng)化程度是目前最高的技術(shù)水平，可以在管理方面節(jié)省資源。

目前，對(duì)于風(fēng)電的研究主要集中于常規(guī)電源，把高載能負(fù)荷作為重要輔助手段，優(yōu)化調(diào)度電網(wǎng)，同時(shí)進(jìn)入運(yùn)行模式。通過(guò)分析源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)風(fēng)電消納的影響機(jī)理，建立源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型，以風(fēng)電消納電量最大和系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，采用多目標(biāo)差分算法進(jìn)行求解，根據(jù)結(jié)果選擇最優(yōu)方案，從而減少一定量的棄風(fēng)，最大化效益。

1 源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)風(fēng)電消納的影響

1.1 風(fēng)電出力的特征

現(xiàn)階段，生活生產(chǎn)的用電量需求日益增加，風(fēng)電規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。風(fēng)電發(fā)電量的大數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)電出力波動(dòng)范圍在近幾年得到了大范圍擴(kuò)增，甚至出現(xiàn)從接近零出力到額定出力之間變化的情況。這種大范圍的風(fēng)電波動(dòng)造成的負(fù)面影響十分明顯，可能會(huì)導(dǎo)致等效負(fù)荷日檢差異和不確定性增大。另外，風(fēng)電的發(fā)電量也會(huì)因?yàn)榧竟?jié)和時(shí)差存在差別，出現(xiàn)明顯的反調(diào)峰特性。比如，凌晨三點(diǎn)鐘，風(fēng)電發(fā)力普遍達(dá)到最大值；下午三點(diǎn)，風(fēng)電發(fā)力最弱。因此，對(duì)于系統(tǒng)調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，這種大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的運(yùn)行模式，無(wú)疑增加了對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的需求。

1.2 源荷運(yùn)行特性

對(duì)于常規(guī)電源，它的水電機(jī)組自帶強(qiáng)大的調(diào)節(jié)功能，具有運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，但缺點(diǎn)也十分明顯。整個(gè)發(fā)電過(guò)程受到外界因素影響較大，如它的儲(chǔ)水量在降水較少的季節(jié)只能達(dá)到裝機(jī)容量的25%～30%。同樣，也會(huì)影響常規(guī)電源的火電機(jī)組。通常，它的調(diào)整容量為裝機(jī)容量的30%～50%，但在有關(guān)調(diào)節(jié)方面的速度較慢，無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)。

高載能負(fù)荷在運(yùn)行中具有兩個(gè)特性，一是可調(diào)節(jié)性，二是可中斷特性。這兩個(gè)特性對(duì)于消納風(fēng)電電量較為適用。具體運(yùn)行中，它可以對(duì)功率調(diào)節(jié)控制在0%～100%。因?yàn)樗倪\(yùn)行可以采用多條線的串聯(lián)方式，所以同時(shí)進(jìn)行的生產(chǎn)方式不會(huì)造成太大容量負(fù)擔(dān)，且能達(dá)到一個(gè)較好的響應(yīng)速度。

1.3 源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)風(fēng)電消納的影響

通過(guò)對(duì)常規(guī)電源和高載能負(fù)荷的運(yùn)行分析可知，運(yùn)行過(guò)程中，常規(guī)電源會(huì)有較差的調(diào)節(jié)能力而達(dá)不到調(diào)節(jié)需求，影響整個(gè)風(fēng)電發(fā)力。特別是在風(fēng)電出力出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，常規(guī)電源通常滿足不了對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)和負(fù)荷的需求。此時(shí)，為了保證電力系統(tǒng)的供需平衡，進(jìn)一步提高風(fēng)電消納能力，減少棄風(fēng)，可以通過(guò)投入或切除高載能負(fù)荷這一操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用傳統(tǒng)的調(diào)度方式，風(fēng)電接入后系統(tǒng)等效負(fù)荷等于系統(tǒng)原有的有功負(fù)荷減去風(fēng)電出力的負(fù)荷。這種情況下風(fēng)電會(huì)超出一定的范圍，造成嚴(yán)重的負(fù)荷超載。此時(shí)，電網(wǎng)不能強(qiáng)制接受全部風(fēng)電，否則將可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。風(fēng)電處于不正常發(fā)力狀態(tài)，還會(huì)造成一系列嚴(yán)重后果。因此，出于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的考慮，要保證一定的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，電網(wǎng)最好放棄棄風(fēng)，大大減小風(fēng)電受限電量，以免對(duì)電網(wǎng)造成損害[1]。

所以，源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行模式是一種電網(wǎng)的保護(hù)運(yùn)行模式。常規(guī)電源對(duì)電力調(diào)節(jié)支持不了運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)高載能負(fù)荷來(lái)消納受限風(fēng)電，減小風(fēng)電電量，提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電消納的能力。

2 考慮風(fēng)電消納的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化方案最重要的是對(duì)運(yùn)行成本的節(jié)約。源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行模式的機(jī)理是在風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)能夠有調(diào)節(jié)能力，從而更好地消納更多風(fēng)電。但是，這種方式相比于單一的常規(guī)電源模式和源荷運(yùn)行模式，會(huì)極大地增加運(yùn)行成本。因此，這種運(yùn)行方式大面積實(shí)施的關(guān)鍵是降低成本。風(fēng)電消納電量是指在源荷調(diào)節(jié)能力下電網(wǎng)調(diào)度的風(fēng)電有功電量。為保證有功電量的最大，要根據(jù)一定的調(diào)度時(shí)段數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)個(gè)數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

最基礎(chǔ)的運(yùn)行成本是常規(guī)電源的成本，這是風(fēng)電項(xiàng)目的必要條件。此外，還有針對(duì)源荷協(xié)調(diào)的模型進(jìn)行高載能負(fù)荷的投切成本。對(duì)于這兩個(gè)成本，主要是控制好常規(guī)發(fā)電的臺(tái)數(shù)和在運(yùn)行中載能負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，適時(shí)停機(jī)和開(kāi)機(jī)，以減少成本投入。

2.2 約束條件

源荷協(xié)調(diào)的相關(guān)約束條件有三個(gè)，分別是系統(tǒng)功率平衡約束、常規(guī)電源運(yùn)行約束和高載能負(fù)荷投切約束。

系統(tǒng)功率平衡約束條件指的是一種誤差。風(fēng)電的隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電預(yù)測(cè)出現(xiàn)一定誤差，誤差會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了避免這種誤差，特別是大規(guī)模風(fēng)電出力造成的波動(dòng)，在具體的實(shí)施過(guò)程中可以通過(guò)增加正、負(fù)備用容量來(lái)應(yīng)對(duì)。風(fēng)電出力的約束條件是指在一定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行有功預(yù)測(cè)出力要小于額定的最大值。另外，針對(duì)常規(guī)電源運(yùn)行約束條件，輸出功率不能隨意設(shè)定，而要在指定額度內(nèi)設(shè)定。要對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)最小運(yùn)行時(shí)間和最小停機(jī)時(shí)間有一個(gè)明確規(guī)定。對(duì)于爬坡速度，要控制上升出力限制和下降出力限制的范圍。針對(duì)源荷協(xié)調(diào)項(xiàng)目特有的高載能負(fù)荷投切約束條件，主要是針對(duì)投切次數(shù)和投切時(shí)間的約束。投切過(guò)程中，次數(shù)一定要控制在投切最大次數(shù)內(nèi)，而投切時(shí)間則要大于最小連續(xù)投入時(shí)間和最小連續(xù)中斷時(shí)間。

2.3 源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型

在多目標(biāo)模型的建立過(guò)程中包含多個(gè)條件，同時(shí)包含多種條件下的最優(yōu)情況。通常來(lái)說(shuō)，不可能保證每一個(gè)的條件都達(dá)到最優(yōu)。針對(duì)多目標(biāo)函數(shù)來(lái)說(shuō)，最優(yōu)解其實(shí)是一個(gè)選擇，是在其他條件并不能進(jìn)一步優(yōu)化更不可能惡化的條件下選擇最優(yōu)的一組解。

3 模型求解

3.1 多目標(biāo)差分進(jìn)化算法

這種模型求解能夠處理連續(xù)和離散變量共存的優(yōu)化問(wèn)題，操作簡(jiǎn)單，較為實(shí)用，且可以在全局尋找最優(yōu)方案。這種方法定義為一種隨機(jī)的并行直接全局搜索算法，目前已廣泛應(yīng)用于單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題和多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的求解。在源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型中，它對(duì)最后結(jié)果存在非整數(shù)的情況進(jìn)行求整運(yùn)算，可以較好地處理連續(xù)和離散變量共存的優(yōu)化問(wèn)題。

3.2 最優(yōu)折衷解的選取

在電網(wǎng)的實(shí)際操作中，最終目的是選擇一個(gè)合適的解決方案，需要結(jié)果中的最優(yōu)折衷解，即對(duì)于風(fēng)電消納有較好的效果，也是經(jīng)濟(jì)效益最好的方案。這個(gè)選擇可以通過(guò)對(duì)滿意度的比較來(lái)獲得，即對(duì)每一個(gè)函數(shù)進(jìn)行滿意度解析，從最滿意到完全不滿意，找出最滿意的解，即最后結(jié)果。

4 算例分析

算例分析是指驗(yàn)證提出的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化方法的可行性和有效性。根據(jù)上文分析可以看出，最優(yōu)折衷解是對(duì)系統(tǒng)的整體考慮結(jié)果，可以直觀、清晰地反映系統(tǒng)的情況。通過(guò)分析最優(yōu)折衷解，可避免決策過(guò)程中的一些主觀判斷，實(shí)現(xiàn)人員的合理安排。

最終的源荷協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化模型可行性可以從三個(gè)方面來(lái)探究。首先，源荷運(yùn)行情況。在常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力不足時(shí)，為滿足系統(tǒng)功率平衡和負(fù)荷供電需求，部分高載能負(fù)荷從電網(wǎng)切除，可以保證常規(guī)電源的穩(wěn)定運(yùn)行。其次，風(fēng)電消納情況。傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型電網(wǎng)消納的風(fēng)電電量較小，無(wú)法滿足輸出需求，且受限電量也會(huì)增加，而采用此模型風(fēng)電電量增加，受限電量減少，提高了風(fēng)電消納水平，減少了棄風(fēng)量。最后，整個(gè)系統(tǒng)的投入。源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化模型用較少的高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)成本換取了更少的常規(guī)電源發(fā)電成本和更高的風(fēng)電消納水平[2]。

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的諸多問(wèn)題，如大規(guī)模風(fēng)電消納困難、常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力不足等問(wèn)題，需要一個(gè)更優(yōu)化的方案給予解決。源荷協(xié)調(diào)能夠有效提高風(fēng)電消納水平，減少棄風(fēng)，是一種較好的選擇。所以，將高載能負(fù)荷作為調(diào)節(jié)手段與常規(guī)電源共同參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，是將來(lái)相關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。