張新宇，卜京

(1.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.國網(wǎng)山東省電力公司濱州市沾化區(qū)供電公司，山東 濱州 256800)

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電無污染且取之不盡，是現(xiàn)階段發(fā)展技術(shù)最成熟的一種可再生能源發(fā)電方式，在電網(wǎng)中的占比不斷提高，發(fā)展前景廣闊。根據(jù)中國氣象局相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國風(fēng)能資源分布廣泛，技術(shù)可開發(fā)量為7×108～12×108kW，開發(fā)潛力巨大[1]。然而單一的風(fēng)電在發(fā)展中存在一系列問題，比如風(fēng)電定價(jià)機(jī)制與發(fā)電方式不匹配，棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，資源利用率低，風(fēng)力發(fā)電企業(yè)效益得不到保證[2]；風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，由于其間歇性、波動(dòng)性和低可控度，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如何改善風(fēng)電并網(wǎng)特性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度是風(fēng)能資源利用過程中亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度是以燃料成本為優(yōu)化目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度或考慮污染物影響的環(huán)保調(diào)度，然而隨著各種新能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，多類型電源協(xié)調(diào)共存已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。另外水電和儲(chǔ)能技術(shù)不斷成熟，在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用也越來越重要。截至2017年，中國水電裝機(jī)容量占世界水電裝機(jī)容量的27%，排名第一[4]，已成為水電大國。儲(chǔ)能系統(tǒng)一定程度上解決了電能不能儲(chǔ)存的特性，可以彌補(bǔ)可再生能源的波動(dòng)，為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)和利用提供了重要支撐[5]?，F(xiàn)階段新能源開發(fā)潛力巨大，但是儲(chǔ)能發(fā)展還不夠成熟，水電站受地理?xiàng)l件限制較大。多電源的優(yōu)化調(diào)度需要統(tǒng)籌各方利益，薛美娟等[6]結(jié)合最優(yōu)潮流理論建立了短期優(yōu)化調(diào)度模型；葛曉琳等[7]建立了包含風(fēng)電、梯級(jí)水電站和常規(guī)火電的長期優(yōu)化調(diào)度模型；甘偉等[8]突破了含風(fēng)電系統(tǒng)中單純考慮儲(chǔ)能或常規(guī)電源的局限性，構(gòu)建了含風(fēng)火水儲(chǔ)氣的調(diào)度模型。但是上述文獻(xiàn)中目標(biāo)函數(shù)僅涉及系統(tǒng)運(yùn)行成本，有一定局限性。陳功貴等[9]將廢氣排放作為價(jià)格懲罰因子加入到燃料費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)中，雖然簡化了計(jì)算，但是不能完全體現(xiàn)清潔能源的意義。

考慮到目前電網(wǎng)中仍然主要是火電和水電機(jī)組，燃?xì)鈾C(jī)組雖然調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，但成本較高，在電網(wǎng)中占比很低。為了更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，利用其他資源的互補(bǔ)性平抑風(fēng)電波動(dòng)帶來的影響，本文以系統(tǒng)成本最小、污染排放最小和清潔能源利用率最大為目標(biāo)，建立包含風(fēng)電、火電、水電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并通過遺傳算法驗(yàn)證該模型的有效性。

1 各類型電源出力特性

1.1 火電出力特性

目前火電仍然是我國最主要的發(fā)電和調(diào)峰電源，布局靈活，網(wǎng)內(nèi)的火電機(jī)組主要是以燃煤機(jī)組為主，調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)的燃?xì)鈾C(jī)組目前占比還較小。除了要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的任務(wù)，有些火電機(jī)組在供暖期還要兼顧供熱，火電的多重職能使其難以發(fā)揮調(diào)峰作用。為了促進(jìn)風(fēng)電等可再生能源的消納，系統(tǒng)會(huì)允許部分火電機(jī)組處于深度調(diào)峰狀態(tài)，即低于最小出力水平的狀態(tài)，充分挖掘現(xiàn)有下調(diào)備用空間。但是火電機(jī)組響應(yīng)慢，爬坡時(shí)間長，頻繁啟停及大范圍負(fù)荷波動(dòng)會(huì)造成資源浪費(fèi)，運(yùn)行成本增加，機(jī)組壽命縮短，直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.2 風(fēng)電出力特性

風(fēng)電機(jī)組的出力主要受風(fēng)速的影響，而風(fēng)速會(huì)在氣流影響下發(fā)生變化，空氣壓差越大，風(fēng)速也就越大，并且一天內(nèi)不同時(shí)間、不同季節(jié)、不同年份之間風(fēng)速的差異十分顯著，具有較強(qiáng)的波動(dòng)性。風(fēng)速的不規(guī)律波動(dòng)，將直接導(dǎo)致風(fēng)電出力可控性差、隨機(jī)性高。我國風(fēng)能資源地理分布不平衡，季節(jié)性差異明顯，且與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、負(fù)荷中心嚴(yán)重不匹配[10]，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低、負(fù)荷需求較小的北部地區(qū)，風(fēng)能資源集中但難以就地消納，遠(yuǎn)距離輸送能力不足，因此常出現(xiàn)“棄風(fēng)限電”現(xiàn)象。

風(fēng)速是量化風(fēng)能資源特性的重要數(shù)據(jù)，也是研究風(fēng)電場(chǎng)模型、為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行提供決策支持的主要參數(shù)。雖然風(fēng)速時(shí)刻在變化，但是在一定時(shí)間和地域范圍內(nèi)的風(fēng)速還是遵循一定規(guī)律的。韋布爾分布是描述風(fēng)速分布使用最廣泛、普遍認(rèn)可的統(tǒng)計(jì)方程，其概率密度方程如下：

(1)

風(fēng)電機(jī)組輸出功率P與風(fēng)速的關(guān)系可表示如下：

(2)

式中，CP為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，A為葉片掃風(fēng)面積，ρ為空氣密度，v為風(fēng)速。

1.3 水力出力特性

水資源除了承擔(dān)發(fā)電任務(wù)，還要根據(jù)實(shí)際情況承擔(dān)航運(yùn)、養(yǎng)殖、灌溉、防洪等任務(wù)。水電站工程投資大、建設(shè)周期長，并且受地理?xiàng)l件限制，無法建造太大容量，一旦建成后就不易再增加容量。

水力發(fā)電具有以下特點(diǎn)：受自然環(huán)境影響，水能資源分布分為豐水期和枯水期，枯水期時(shí)正常供電可能會(huì)受到影響，出力降低，在季節(jié)上能夠與風(fēng)電形成互補(bǔ)；雖然長時(shí)間看水電出力受季節(jié)影響無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但單日水文預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確和規(guī)律，短期調(diào)度的發(fā)電量可以視為已知量[12]；水電機(jī)組啟停迅速，投運(yùn)僅需要幾分鐘，操作靈活，且不造成能源浪費(fèi)和污染排放，可以起到調(diào)峰、調(diào)頻、備用等作用。

水流推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，水流量與輸出功率之間的關(guān)系可以用式(3)表示。

PH(t)=9.81ηQH(t)h(t),

(3)

式中，η為水電站轉(zhuǎn)換效率，QH(t)表示t時(shí)刻的發(fā)電用水量，h(t)表示t時(shí)刻水電站的發(fā)電水頭高度。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、調(diào)節(jié)靈活、對(duì)負(fù)荷響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，既可以將能量儲(chǔ)存起來參與系統(tǒng)調(diào)峰，又可以裝設(shè)在風(fēng)電場(chǎng)平抑波動(dòng)，通過改進(jìn)控制策略參與系統(tǒng)一、二次調(diào)頻，相比傳統(tǒng)的調(diào)頻電源具有更高的效率，是減小負(fù)荷峰谷差、維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的有效途徑。當(dāng)電網(wǎng)中負(fù)荷突變時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)頻率波動(dòng)，若負(fù)荷需求大于電網(wǎng)輸出功率，系統(tǒng)頻率降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)中輸出功率，反之則從電網(wǎng)中吸收功率，以維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)[13]。

2 調(diào)度模型構(gòu)建

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)充分利用各電源的特性，解決單電源發(fā)電的不足，充分發(fā)揮火電、水電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)峰能力，應(yīng)對(duì)風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)，保持出力的連續(xù)、穩(wěn)定和可靠，并且在一定程度上降低經(jīng)濟(jì)成本，取得良好的社會(huì)效益。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)可表示如下：

(4)

2.2 約束條件

(1)系統(tǒng)約束

在不考慮網(wǎng)損的情況下，各發(fā)電機(jī)組的功率之和應(yīng)與系統(tǒng)負(fù)荷相等，即

(5)

式中，NS為儲(chǔ)能裝置數(shù)量，PSm(t)表示t時(shí)刻儲(chǔ)能出力，PL(t)表示t時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷。

(2)出力約束

各機(jī)組出力的上下限約束如下式所示：

(6)

式中，PGi.max、PGi.min、PHl.max和PHl.min分別為火電機(jī)組、水電機(jī)組出力的限值；CWj為風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量；PSm(t)為儲(chǔ)能在t時(shí)刻充放電功率，PSm.charge和PSm.discharge分別表示額定充、放電功率。

(3)爬坡約束

機(jī)組的爬坡速率約束如下式所示：

(7)

式中，rGui、rGdi、rHul、rHdl、rSum、rSdm分別為火電機(jī)組、水電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)爬坡速率限值。

(4)備用約束

系統(tǒng)需要為風(fēng)電預(yù)留出一定的備用容量，備用約束可表示為

(8)

式中，UW(t)、DW(t)分別為風(fēng)電場(chǎng)在t時(shí)刻的正、負(fù)備用需求，UG(t)為火電機(jī)組備用需求。

(5)水電相關(guān)約束

水調(diào)分配的發(fā)電用水量滿足下式關(guān)系。

(9)

式中，Ql.min和Ql.max分別表示水庫l分配用水量的最小值和最大值。

(6)儲(chǔ)能相關(guān)約束

儲(chǔ)能參與調(diào)節(jié)峰谷差時(shí)，應(yīng)在電網(wǎng)負(fù)荷降低而發(fā)生棄風(fēng)或棄水時(shí)充電，在電網(wǎng)負(fù)荷升高時(shí)選擇放電或既不充電也不放電，儲(chǔ)能充放電約束如下：

(10)

式中，Ym.charge(t)和Ym.discharge(t)分別表示儲(chǔ)能裝置充放電狀態(tài)，當(dāng)Ym.charge(t)=1，Ym.discharge(t)=0時(shí)，儲(chǔ)能充電；當(dāng)Ym.charge(t)=0，Ym.discharge(t)=1時(shí)，儲(chǔ)能放電。

3 算例分析

算例采用改進(jìn)的39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在Matlab軟件仿真環(huán)境下對(duì)構(gòu)建的調(diào)度模型進(jìn)行仿真分析，用遺傳算法求解。在系統(tǒng)中接入裝機(jī)容量分別為200 MW的水電站、198 MW和96 MW的風(fēng)電場(chǎng)和20 MW的鈉硫電池儲(chǔ)能電站，形成含水火風(fēng)儲(chǔ)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以驗(yàn)證調(diào)度模型的可靠性以及各能源之間的互補(bǔ)性。其中火電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]中相關(guān)數(shù)據(jù)，從0:00開始將調(diào)度周期分為24個(gè)時(shí)段，時(shí)間間隔為1 h。設(shè)置遺傳算法的初始種群規(guī)模為50，迭代100次，交叉概率為0.95，變異概率為0.05，隨機(jī)抽樣1000次，達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)停止迭代。

輸入求解問題所需的約束條件中各項(xiàng)數(shù)據(jù)、各機(jī)組的相關(guān)參數(shù)以及遺傳算法的各個(gè)參數(shù)，創(chuàng)建符合條件的初始數(shù)據(jù)作為初始種群并編碼，然后把目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算種群中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)值，并用蒙特卡洛模擬技術(shù)驗(yàn)證是否符合約束條件。重復(fù)上述步驟直到達(dá)到終止條件后解碼輸出最優(yōu)解，即各時(shí)段各機(jī)組的平均功率。

圖1為冬季(12月)某一天各時(shí)段的負(fù)荷值和兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)出力總和，可以看出風(fēng)電明顯的反調(diào)峰特性。冬季屬于非汛期，具有較豐富的分配水量，水電可以不滿發(fā)。冬季某日各機(jī)組在各時(shí)段出力情況與系統(tǒng)負(fù)荷功率平衡圖見圖2。從圖2中可以看出，火電機(jī)組出力較平穩(wěn)，峰谷差為305.5 MW，當(dāng)負(fù)荷水平處于低谷時(shí)，水電可以及時(shí)調(diào)整自身出力到較低水平，而此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)出力較高；當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，水電又迅速升高出力。證明水電發(fā)揮了很好的調(diào)節(jié)作用，使風(fēng)電盡可能多地上網(wǎng)，充分利用風(fēng)能資源，保證了火電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，沒有頻繁地大幅度調(diào)節(jié)出力，減輕了火電機(jī)組的調(diào)峰壓力。該算例中系統(tǒng)運(yùn)行總成本為3 507.87萬元，比全部用火電機(jī)組供電減少成本184.4萬元，污染排放量為265.78 t，比全部用火電機(jī)組供電減少排放量52.75 t。

圖1 冬季某日系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電機(jī)組預(yù)測(cè)出力情況Fig.1 System load and the predicted wind turbine output on a winter day

圖2 冬季某日各機(jī)組各時(shí)段出力情況與系統(tǒng)負(fù)荷Fig.2 Output of each unit at different time periods and the system load on a winter day

圖2中風(fēng)電實(shí)際出力與圖1中風(fēng)電預(yù)測(cè)出力對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在凌晨2:00—5:00時(shí)實(shí)際出力下降，即發(fā)生了棄風(fēng)，總棄風(fēng)量為105.4 MW，其余時(shí)間規(guī)劃出力與預(yù)測(cè)出力基本持平，說明多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度將棄風(fēng)限制在了較低水平。系統(tǒng)負(fù)荷較低時(shí)段發(fā)生棄風(fēng)，儲(chǔ)能充電，當(dāng)風(fēng)電能夠全額入網(wǎng)時(shí)再對(duì)電網(wǎng)輸出功率，雖然發(fā)揮了減小棄風(fēng)的作用，但是由于儲(chǔ)能成本高，功率有限，調(diào)峰收益低，只能起到很小的作用。但是隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷成熟和電力行業(yè)對(duì)儲(chǔ)能需求的逐漸增大，儲(chǔ)能成本會(huì)逐漸降低，大功率、大容量的儲(chǔ)能技術(shù)研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，對(duì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、提高清潔能源優(yōu)化配置具有重要意義。

圖3為夏季(8月)某一天各時(shí)段的負(fù)荷值和兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)出力總和，可以看出風(fēng)電出力較冬季小，波動(dòng)也比冬季平緩，但仍有明顯的反調(diào)峰特性。對(duì)比圖1與圖3可以發(fā)現(xiàn)冬季最低負(fù)荷更低，可能原因是夏季空調(diào)等制冷負(fù)荷升高，用電量大，而冬季采用集中供暖的方式取暖，不需要額外用電，用電需求比夏季低?？紤]到環(huán)保及節(jié)能的需求，近幾年全國開始大力推行“煤改電”補(bǔ)貼政策，正逐步以電取暖替代農(nóng)村燃煤取暖，用電負(fù)荷逐漸呈現(xiàn)出夏、冬兩季“雙高”的趨勢(shì)。

圖3 夏季某日系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電機(jī)組預(yù)測(cè)出力情況Fig.3 System load and the predicted wind turbine output on a summer day

夏季處于汛期，水資源過剩，水電廠必須滿發(fā)，因此水電沒有調(diào)節(jié)能力[15]。夏季各機(jī)組在各時(shí)段的出力情況與負(fù)荷功率平衡圖見圖4。該算例中棄風(fēng)量、棄水量均為0，清潔能源利用率高。從圖4中可以看出，火電出力波動(dòng)幅度明顯增大，峰谷差增大到624.4 MW，說明在水電無法發(fā)揮調(diào)節(jié)能力時(shí)，火電必須頻繁調(diào)節(jié)自身出力，才能及時(shí)彌補(bǔ)風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)的影響。該算例下系統(tǒng)運(yùn)行成本為3 491.2萬元，比全部用火電機(jī)組供電減少成本217.17萬元，污染排放量為260.91 t，比全部用火電機(jī)組供電減少排放量87.64 t。其中，火電機(jī)組運(yùn)行成本較算例1減少了約84.4萬元，是由于水電滿發(fā)降低了火電出力的壓力。而水電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行成本增加，由于水電出力調(diào)整快，價(jià)格較低，因此可以盡可能提高水電發(fā)電量，與風(fēng)電實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

圖4 夏季各機(jī)組各時(shí)段出力情況與系統(tǒng)負(fù)荷Fig.4 Output of each unit at different time periods and the system load on a summer day

4 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)能的隨機(jī)性造成的風(fēng)電出力的不確定性，兼顧系統(tǒng)總成本最小、污染排放最小和清潔能源利用最大化，建立了多目標(biāo)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，算例仿真結(jié)果表明：

(1)本文的調(diào)度策略優(yōu)先調(diào)度清潔能源發(fā)電，充分發(fā)揮水電和儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)了水電和風(fēng)電之間的互補(bǔ)作用，緩解了火電調(diào)峰的壓力，保證火電機(jī)組的運(yùn)行效率和安全性。

(2)大容量、大功率的儲(chǔ)能電站可以有效減小棄風(fēng)、削峰填谷，提高清潔能源利用率，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

(3)多類型電源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、靈活性、環(huán)保性和清潔能源利用率，對(duì)于降低系統(tǒng)成本、減少煤炭消耗和污染排放以及提高可再生能源消納能力具有重要意義。