李星雨，邱曉燕，史光耀 (四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

0 引 言

隨著化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境污染的加劇，對于可再生能源的開發(fā)和需求日益強烈。但是由于風電并網(wǎng)容量日益增大，單純考慮供應側(cè)以滿足電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟、高效運行越來越困難。需求側(cè)響應(Demand Response，DR)是電網(wǎng)通過激勵型電價和對用戶負荷的控制，以此改變用戶原有的消費模式，通過需求側(cè)響應引導用戶用電行為與可再生能源出力更貼近，因此考慮需求側(cè)響應不僅可以提高可再生能源的接納能力和利用效率，同時在節(jié)約發(fā)電成本，提高電能質(zhì)量，滿足需求側(cè)用戶主動參與電網(wǎng)運行方面有著良好的作用。

作為發(fā)電主力，傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組所造成環(huán)境污染和破壞不容忽視。文獻[1]在微電網(wǎng)優(yōu)化配置中考慮了環(huán)境成本，證明清潔能源具有更好的經(jīng)濟效益和發(fā)展前景；文獻[2]建立了環(huán)境成本和風電并網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度模型；文獻[3]在電網(wǎng)規(guī)劃中，綜合考慮了發(fā)電的環(huán)境成本和需求側(cè)管理(demand side management，DSM)項目，達到減少系統(tǒng)裝機容量以及能源消耗的目的。

風電是一種清潔資源，具有廣闊的發(fā)展前景。但由于風電不穩(wěn)定的發(fā)電特性，使得大規(guī)模風電并網(wǎng)對于電力系統(tǒng)的運行調(diào)度造成很大的沖擊。需求側(cè)響應在大規(guī)模風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，對于提高風電消納，緩和風電波動作用明顯。文獻[4]分析了主動配電網(wǎng)中儲能和柔性負荷對于提高風電消納、降低網(wǎng)損的作用，構(gòu)建了以可再生能源利用率最大、網(wǎng)絡損耗最小和用戶滿意度最高為目標的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型；文獻[5]考慮了實施可中斷負荷時，由于用戶消費行為和客觀條件等因素造成的響應不確定性對于系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響；文獻[6]綜合考慮了源荷協(xié)調(diào)的作用，以風電消納電量最大和系統(tǒng)運行成本最小為目標，建立源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化模型；文獻[7]在微網(wǎng)資源規(guī)劃模型中引入了需求側(cè)響應，對比不同控制策略，需求比例下需求響應對微網(wǎng)經(jīng)濟規(guī)劃的影響；文獻[8]在光儲并網(wǎng)型微電網(wǎng)中，分析了需求側(cè)響應對微電網(wǎng)經(jīng)濟效益和儲能配置的影響。

現(xiàn)有的研究取得了一定的成果，但是在考慮需求響應時很少考慮到環(huán)境成本。本文綜合考慮大規(guī)模風電并網(wǎng)情況下的需求響應和環(huán)境成本，從整個電網(wǎng)運行周期的經(jīng)濟性出發(fā)，考慮大規(guī)模風電并網(wǎng)對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響以及當前某些地區(qū)嚴重的棄風現(xiàn)狀，通過建立需求側(cè)響應模型并求解，以此分析需求側(cè)響應和環(huán)境成本對于電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的影響，并提高可再生能源的接納能力。

1 風電、需求響應及環(huán)境成本數(shù)學模型

1.1 風電輸出功率模型

功率輸出功率模型采用風電出力預測和風電預測偏差之和的模式。其功率輸出為：

PWT=ΔPWT+PWT.f

(1)

式中PWT為風電在t時段的輸出功率；ΔPWT為風電預測偏差值；PWT.f為風電在t時段的預測出力。

風電的預測偏差服從正態(tài)分布：

(2)

式中WWT為風電裝機容量。

1.2 需求側(cè)響應模型

本文建立如下所示的可轉(zhuǎn)移負荷模型如下[10]。

(3)

式中NSL為可轉(zhuǎn)移負荷種類數(shù)；NSLn為運行時間超過一個時段的課轉(zhuǎn)移負荷種類數(shù)；hm為可轉(zhuǎn)移負荷持續(xù)供電時間最大值；Ii(t) 為t時段的第i類負荷轉(zhuǎn)入量；Oi(t) 為t時段的第i類負荷轉(zhuǎn)出量；Pi.k為第l時段第i類可轉(zhuǎn)移負荷的功率；其中，0≤k≤NSL。

1.3 環(huán)境成本模型

發(fā)電廠的環(huán)境成本由環(huán)境投入成本和環(huán)境損失成本兩部分組成，其數(shù)學模型為：

C=Ci+Cl

(4)

式中C為環(huán)境總成本；Ci為環(huán)境污染預防成本；Cl為環(huán)境污染損失成本。

環(huán)境污染預防成本是指電廠從事環(huán)境保護活動而支付的成本，由環(huán)保設備投資和運行、維護費用組成。設備投資采用年等值成本的計算方式，其年等值成本為：

(5)

式中V為設備初始投資費用；i為設備投資利率；n為設備使用年限。

則環(huán)境污染預防成本為：

(6)

式中Q為環(huán)保設備的年運行、維修費用；Y為機組年發(fā)電量。

環(huán)境污染損失成本是電廠排放發(fā)電殘余污染物所造成的環(huán)境污染，可以分為電廠排放污染物所需繳納的污染費用以及排放污染物對環(huán)境造成的污染損失。

(7)

式中pi為第i中污染物的環(huán)境價值標準；qi為第i種污染物的政府收費標準；Ei為第i種污染物的排放量風力發(fā)電是利用風力帶動風機轉(zhuǎn)動發(fā)電，污染排放量為零。對于傳統(tǒng)火力發(fā)電，根據(jù)目前的發(fā)電現(xiàn)狀可以得到其污染排放標量如表1所示[11]。

表1 火力發(fā)電污染物排放

2 目標函數(shù)及約束條件

2.1 目標函數(shù)

目標函數(shù)為一個完整調(diào)度周期的運行成本最低：

(8)

2.2 約束條件

(1)系統(tǒng)運行功率平衡約束。

PWT(t)+Pg(t)-Pload(t)=0

(9)

式中PWT(t)為風電場有功出力；Pg(t)為常規(guī)發(fā)電機組有功出力；Pload(t)為負荷有功功率。

(2)機組爬坡約束[13]。

(10)

(3)可轉(zhuǎn)移負荷量約束。

SLload≤SLmax

(11)

式中SLload為當前時段的負荷轉(zhuǎn)移量；SLmax為當前時段的可轉(zhuǎn)移負荷總量。

(4)風電出力約束條件。

(12)

3 改進粒子群優(yōu)化算法

3.1 標準粒子群算法

粒子群算法是一種進化算法，具有實現(xiàn)容易、精度高、收斂快等優(yōu)點，初始化為一群隨機粒子，迭代時每個粒子通過跟蹤個體最優(yōu)解和集群最優(yōu)解來搜尋最優(yōu)解。但是粒子群算法具有容易陷入局部最優(yōu)的缺點。粒子速度和位置的更新方式如下：

(13)

3.2 慣性權(quán)重改進策略

在粒子群算法的所有參數(shù)中，慣性權(quán)重作為其中非常重要的參數(shù)，對于算法的全局和局部搜索能力、收斂速度以及算法的精度都有一定的影響。在算法初期，應該增大算法的搜索空間以加強全局搜索，因此可以增大慣性權(quán)重；而在后期，應當加強算法的局部搜索能力以加快收斂速度、提高收斂精度，故可以適當減小慣性權(quán)重。

為此研究人員提出了很多慣性權(quán)重改進措施，例如：線性遞減權(quán)重、隨機慣性權(quán)重、非線性遞減權(quán)重和動態(tài)變化權(quán)重等，其中線性遞減權(quán)重應用最普遍。線性遞減權(quán)重粒子群優(yōu)化算法被廣泛應用于工程問題優(yōu)化，在計算前期有較大的權(quán)重值，增強全局搜索能力，隨著搜索的進行，權(quán)重值越來越小，從而提高局部搜索能力，該算法雖然提高了收斂速度，但卻不容易跳出局部極值。

本文提出一種新的慣性權(quán)重改進策略，當粒子陷入早熟時，增大算法的慣性權(quán)重以跳出局部最優(yōu)，當粒子比較分散時，適當減小慣性權(quán)重以進行局部的精確搜索。因此可以得到慣性權(quán)重系數(shù)公式為：

(14)

(15)

式中fAvg為種群目前的平均適應度；f為歸一化定標因子，起限制δ2大小的作用。

根據(jù)上述改進策略可以得到改進后的粒子群優(yōu)化算法流程圖如圖2所示。

圖2 改進后的粒子群算法流程圖

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

算例采用PJM5-bus系統(tǒng)，并在節(jié)點1處接入風電場。該配電網(wǎng)包含五個常規(guī)發(fā)電機組和一個風力發(fā)電廠。負荷位于節(jié)點2,3,4處，其符合比例為3:3:4，配電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)如圖3所示。模型運用粒子群優(yōu)化算法進行求解。

系統(tǒng)負荷預測曲線和風電場的預測出力曲線如圖4所示，系統(tǒng)最高負荷1 420 MW，發(fā)生在16時，最低符合790 MW，發(fā)生在5時。系統(tǒng)的棄風懲罰成本為50 $/MW·h，負荷高峰時間段的可轉(zhuǎn)移負荷量為150 MW，其參數(shù)如表3所示。各負荷節(jié)點的可轉(zhuǎn)移負荷量和轉(zhuǎn)移負荷的容量如表2所示，轉(zhuǎn)移負荷的響應成本如圖4所示。

圖3 PJM5-bus 系統(tǒng)

圖4 負荷預測曲線和風電出力曲線

負荷節(jié)點節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點4轉(zhuǎn)移負荷量/MW454560容量成本($/MW)101010

表3 轉(zhuǎn)移負荷響應成本

4.2 仿真結(jié)果

4.2.1 不考慮需求響應

在沒有需求側(cè)響應參與時，由于風電波動性較大，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，會出現(xiàn)一定程度的棄風現(xiàn)象。經(jīng)計算得出需求側(cè)不參與優(yōu)化調(diào)度的成本如表4所示。

表4 優(yōu)化前系統(tǒng)運行各項成本

由表4可以看出，在沒有需求側(cè)響應參與的情況下，系統(tǒng)存在相當大的棄風成本，其棄風率16.81%，風電沒有得到充分的利用，風電的滲透率為25.72%。發(fā)電的環(huán)境成本占總成本的12.05%，整個系統(tǒng)的運行會造成較大的環(huán)境污染。

4.2.2 考慮需求響應

在考慮需求側(cè)響應的情況下，經(jīng)計算得到系統(tǒng)的各項成本如表5所示。

表5 優(yōu)化后系統(tǒng)運行各項成本

由表5可以看出，在考慮需求響應后系統(tǒng)的棄風懲罰成本為零，棄風率為0%，風電滲透率為30.91%，環(huán)境成本占總成本的11.89%。

4.2.3 結(jié)果分析

通過對比需求響應是否參與系統(tǒng)運行可以得到如表6所示的仿真結(jié)果。

表6 優(yōu)化后系統(tǒng)運行各項成本

可以看出，考慮需求響應后系統(tǒng)總成本下降5.788%。融入需求側(cè)響應后，系統(tǒng)的棄風率為0%，說明系統(tǒng)可以完全消納風電場出力，風電滲透率為30.91%。優(yōu)化前后環(huán)境成本下降6.99%，環(huán)境成本占總成本的11.89%，環(huán)境成本占有總成本比例依舊很大，這是因為在當前的電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)仍然占據(jù)主要地位，整個系統(tǒng)的環(huán)境成本依然居高不下。隨著風、光電等清潔能源發(fā)電技術(shù)的成熟以及人們對環(huán)保重視程度的增強，清潔能源將比傳統(tǒng)能源更具有競爭優(yōu)勢?？紤]需求側(cè)響應前后的負荷曲線如圖5所示。

由圖5可知，考慮需求側(cè)響應后，負荷曲線峰谷差有了明顯的降低，負荷曲線更加平緩，這是因為在夜間負荷低峰時段風電場出力較高，風電難以完全消納，通過負荷轉(zhuǎn)移增加此時段負荷，這也間接起到了“削峰填谷”的效果。

圖5 優(yōu)化前后負荷曲線

5 結(jié)束語

在大規(guī)模風電并網(wǎng)的背景下，本文建立了考慮需求側(cè)響應和環(huán)境成本的配電網(wǎng)優(yōu)化配置模型，針對風電波動性的特點，通過需求響應來達到消納風電，平抑負荷波動的作用，并將環(huán)境成本作為經(jīng)濟運行中重要的一個環(huán)節(jié)，以此實現(xiàn)對環(huán)境污染最小的目的。通過粒子群優(yōu)化算法求解證明計及環(huán)境成本和需求響應可以有效降低棄風率和提高經(jīng)濟效益。

已有的研究雖然充分考慮到需求響應對于電網(wǎng)優(yōu)化運行的作用，但并沒有把環(huán)境成本作為系統(tǒng)模型中一個重要的因素去分析其作用。本文也存在一些研究上的不足：首先，由于儲能裝置的成本過高，容量限制較大，沒有考慮儲能裝置在大規(guī)模風電并網(wǎng)中的作用；其次，當前的光伏發(fā)電依然停留在小容量、分布式并網(wǎng)階段，風光互補優(yōu)勢沒有得到體現(xiàn)。在今后的研究中，可以將此作為研究的重點加以考慮。