楊金洲

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引 言

我國在2020年聯(lián)合國大會(huì)上明確指出要在2030年前達(dá)到碳排放峰值，即“碳達(dá)峰”，并努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。太陽能、風(fēng)能以及地?zé)崮艿瓤稍偕履茉从捎谄湮廴拘?、可持續(xù)等特點(diǎn)，正逐漸取代化石能源等一次能源的主體地位。然而風(fēng)光能源本身的波動(dòng)性與不確定性會(huì)在一定程度上威脅局部電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)度與操作靈活性提出了更高的要求。為了減少新能源機(jī)組并網(wǎng)后短時(shí)的電壓波動(dòng)，電力系統(tǒng)在頻率控制、電壓調(diào)節(jié)、備用容量以及無功補(bǔ)償?shù)确矫娴脑O(shè)備投資成本增加，此外可再生能源遠(yuǎn)距離輸電還會(huì)造成線損增加，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性被削弱。

為解決新能源并網(wǎng)消納和配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行之間的矛盾，提出了多能源電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的方法。同時(shí)考慮了配電網(wǎng)、環(huán)境以及負(fù)荷側(cè)三方效益，用主從博弈模型得出最優(yōu)解。用多胞體法量化了系統(tǒng)靈活性，建立起滿足靈活性需求空間分布約束的優(yōu)化滾動(dòng)調(diào)度模型求解。從宏觀角度考慮了政策扶持、技術(shù)進(jìn)步對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行成本的影響[1-3]。

1 新能源電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法分析

1.1 優(yōu)化調(diào)度的基本角度

1.2 多能源互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化的優(yōu)勢

多能源互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化的優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)。第一，能夠提高能源的發(fā)電效率。在資源豐富的非負(fù)荷中心建立水光風(fēng)儲(chǔ)互補(bǔ)電站，可以最大程度地外送電能。因?yàn)閮?chǔ)能可以減少電力波動(dòng)、削峰填谷，水力發(fā)電具有很高的靈活性，可作為備用機(jī)組，所以多能互補(bǔ)的發(fā)電形式可以彌補(bǔ)各個(gè)能源的不足、提高新能源的消納、創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。第二，促進(jìn)了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。新能源消納能力增強(qiáng)會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)清潔能源的發(fā)展。第三，加快了智能能源體系的建設(shè)。此外，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會(huì)推進(jìn)多能互補(bǔ)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

1.3 優(yōu)化方案

多能源互補(bǔ)電力系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用了物理層和信息層技術(shù)，將常規(guī)燃煤煤電、燃?xì)獍l(fā)電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等多種可再生能源與大電網(wǎng)整合在一起，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)、規(guī)劃、運(yùn)行、管理以及補(bǔ)充?？紤]到不同能源與復(fù)合的對(duì)應(yīng)關(guān)系。多能源電力系統(tǒng)的發(fā)電出力端如圖1所示。

圖1 多能源電力系統(tǒng)的發(fā)電出力端

2 多能源電力系統(tǒng)分析

2.1 出力端能源特性分析

2.1.1 燃?xì)獍l(fā)電站

郭林等人提出了一種綜合考慮儲(chǔ)熱和電鍋爐協(xié)同運(yùn)行的新能源消納潛力分析模型，主要利用了堆棧去噪自編碼器（Stacked Denoised Autoencoder，SDAE）深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的天然氣管道流量方程線性化方法，并基于此線性模型構(gòu)建了電-氣綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度先行優(yōu)化模型，最后構(gòu)建了完善的指標(biāo)體系來定量評(píng)估儲(chǔ)熱和電鍋爐對(duì)系統(tǒng)棄風(fēng)與棄光的改善作用[4]。該模型解決了電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)以及熱力網(wǎng)絡(luò)中潮流方程非線性化程度高的難點(diǎn)，并考慮了綜合能源系統(tǒng)對(duì)新能源消納的影響，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度有很大的借鑒意義。

2.1.2 光伏發(fā)電站

由一般硅光電池的電流、照度以及溫度關(guān)系可得：

式中：U為節(jié)電壓；I0為二極管反向飽和電流；Iph為與光照強(qiáng)度成正比的光生電流，且與負(fù)載等效電阻大小和電池的結(jié)構(gòu)與材料有關(guān)；n為理想系數(shù)為常數(shù)；q為電子電荷；kB為波爾茨曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

將U和I與光照強(qiáng)度、溫度的關(guān)系分別取常見值在Simulink中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2、圖3所示。可以看出，無論是在不同溫度下或者不同光照強(qiáng)度下，在電壓不太高的情況下電流都可以保持約為常值，發(fā)電出力能夠保持一定的相對(duì)線性度。

該項(xiàng)目使用的黑水角閥的閥套與閥芯采用機(jī)械緊固連接。由于黑水的高速?zèng)_擊或流量大范圍波動(dòng)，連接處易出現(xiàn)松動(dòng)，引起閥芯的震動(dòng)；而閥芯材質(zhì)為整體燒結(jié)硬質(zhì)合金，硬度高，脆性大，在該頻繁振動(dòng)的工況下容易出現(xiàn)閥芯震裂、震碎與閥套脫離現(xiàn)象，使閥門失去調(diào)節(jié)作用。

圖2 不同光照強(qiáng)度下光伏電池的U-I特性曲線（T=25 ℃）

圖3 不同溫度下光伏電池的U-I特性曲線（S=800 W/m2）

2.1.3 風(fēng)力發(fā)電站

風(fēng)力機(jī)輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，存在一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速。當(dāng)處于最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系是最佳葉尖速比。在風(fēng)速變化時(shí)可對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其維持在最佳葉尖速比處，實(shí)現(xiàn)線性化控制。

2.1.4 抽水蓄能電站

抽水蓄能電站的優(yōu)勢在于其可作發(fā)電、蓄能兩用，在用電低谷抽水蓄能，在用電高峰開閘放水發(fā)電，并且機(jī)組啟動(dòng)迅速，具有較高的靈活性。一方面彌補(bǔ)了常規(guī)發(fā)電機(jī)組啟停時(shí)間長的缺點(diǎn)，解決了新能源發(fā)電機(jī)組出力波動(dòng)大的問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另一方面民用抽水蓄能電站可以借阻塞盈余產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，缺點(diǎn)是對(duì)地理?xiàng)l件和場地要求較高，建設(shè)和維護(hù)成本巨大?？傮w而言，抽水蓄能電站循環(huán)壽命長、綜合運(yùn)行成本較低，能夠在較大程度上保持系統(tǒng)各機(jī)組出力的相對(duì)線性[5]。

2.1.5 儲(chǔ)能裝置

在風(fēng)光電滲透率超過50%的情況下（尤其是風(fēng)電），反映區(qū)域振蕩模態(tài)的特征根變?yōu)檎履茉措娏ο到y(tǒng)中需配置相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、改善電能質(zhì)量[6]?，F(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及化學(xué)儲(chǔ)能，其中電磁儲(chǔ)能包含超導(dǎo)儲(chǔ)能和電容儲(chǔ)能，特點(diǎn)是能量密度低、響應(yīng)速度快。化學(xué)儲(chǔ)能主要通過鉛酸電池、Na2S電池和液流電池等，儲(chǔ)能成本低，但壽命短、污染大，相比之下抽水蓄能電站雖然一次投資大，但可長期使用且對(duì)環(huán)境友好，可在地理?xiàng)l件允許情況下大規(guī)模建設(shè)，在負(fù)荷預(yù)測與負(fù)荷調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中具有重要地位。

2.2 能源互補(bǔ)效果分析

常規(guī)煤氣能源的靈活性恰好彌補(bǔ)了風(fēng)能和太陽能時(shí)間尺度上顯著的隨機(jī)性與間歇性，同時(shí)風(fēng)光之間又能在一定程度上彌補(bǔ)互相之間的發(fā)電不穩(wěn)定性。對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力進(jìn)行評(píng)估和規(guī)劃可以提高新能源并網(wǎng)消納率，從而提高電網(wǎng)環(huán)境效益。楊曉萍等人采用隨機(jī)模擬技術(shù)和改進(jìn)粒子群算法相結(jié)合的方法求解了基于隨機(jī)規(guī)劃的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)準(zhǔn)入極限，并考慮了不同季節(jié)對(duì)功率極限的影響。針對(duì)離散變量的約束優(yōu)化問題，粒子群算法過程簡單、易于理解，廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度問題的求解，但標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法早熟、收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)，故常采用調(diào)整學(xué)習(xí)因子和慣性權(quán)重的優(yōu)化粒子群算法來求解[7]。

3 多能源互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電機(jī)組組合優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 應(yīng)用于機(jī)組組合的混合整數(shù)線性規(guī)劃

以上的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法只適用于小微電網(wǎng)，為了應(yīng)用于機(jī)組數(shù)量較多的電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度可將其擴(kuò)展并分段線性化處理，提出一種專門應(yīng)用于多能源互補(bǔ)安全約束機(jī)組組合（Security-Constrained Unit Commitment，SCUC）的混合整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

基于混合整數(shù)線性規(guī)劃的多時(shí)段電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的機(jī)組優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：i為機(jī)組索引；b為分段索引；t為時(shí)段索引；I為機(jī)組總臺(tái)數(shù)；B為分段數(shù)；T為時(shí)段數(shù)；Ci,0,t為機(jī)組i第t時(shí)段最小出力的成本；Pi,b,t為機(jī)組i第b段第t時(shí)段的輸出功率，為待優(yōu)化的變量；Ci,b,t表示機(jī)組i第b段第t時(shí)段的邊際成本；Si表示機(jī)組i啟動(dòng)成本。ui,t表示機(jī)組i第t時(shí)段運(yùn)行狀態(tài)，為待優(yōu)化的{0,1}二進(jìn)制變量；yi,t表示機(jī)組i第t時(shí)段啟動(dòng)狀態(tài)，也為待優(yōu)化的{0,1}二進(jìn)制變量。

3.1.2 約束條件

（1）機(jī)組出力約束條件為：

式中：Pi,t表示機(jī)組i第t時(shí)段輸出功率，為待優(yōu)化變量；Pmin,i,t表示機(jī)組i第t時(shí)段最小輸出功率；Dt表示第t時(shí)段負(fù)荷；Pmax,i,b,t表示機(jī)組i第b段第t時(shí)段的功率上限。

（2）機(jī)組爬坡約束條件與熱備用約束條件為：

式中：Pup,t與Pdown,t分別表示機(jī)組i第t時(shí)段的上、下爬坡率；Pmax,i,t表示機(jī)組i第t時(shí)段的最大輸出功率；Ht為系統(tǒng)熱備用要求。此時(shí)應(yīng)注意，風(fēng)光發(fā)電出力相對(duì)于燃?xì)獍l(fā)電出力幾乎不可調(diào)。

（3）機(jī)組狀態(tài)約束條件為：

式中：Zi,t表示機(jī)組i第t時(shí)段停機(jī)狀態(tài)變量，為待優(yōu)化的{0,1}二進(jìn)制變量。

（4）運(yùn)行與停運(yùn)約束條件為：

式中：Ton,i表示機(jī)組i最小運(yùn)行時(shí)間；Toff,i表示機(jī)組i最小停運(yùn)時(shí)間。

（5）潮流約束條件為：

式中：θn,t表示節(jié)點(diǎn)n第t時(shí)段相角，為待優(yōu)化變量；Pmax,nm,t表示線路nm第t時(shí)段潮流上限。

3.2 多能源互補(bǔ)電力系統(tǒng)機(jī)組組合經(jīng)濟(jì)調(diào)度的評(píng)價(jià)

基于協(xié)調(diào)煤、氣、風(fēng)、光分段線性出力的多能源互補(bǔ)經(jīng)濟(jì)調(diào)度可以在滿足系統(tǒng)中各種功能需求的同時(shí)，提升能源的利用效率，是未來能源結(jié)構(gòu)改革的主要方向。但綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度必須考慮各個(gè)能源的調(diào)度特性和地區(qū)差異，在運(yùn)算方法上也要解決潮流方程非線性化程度高的問題，秉持安全、經(jīng)濟(jì)以及可持續(xù)的原則，對(duì)調(diào)度模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

4 結(jié) 論

新能源發(fā)電未來會(huì)進(jìn)一步與傳統(tǒng)煤、氣能源發(fā)電有機(jī)結(jié)合且在多能源電力系統(tǒng)中的占比穩(wěn)步上升，直至使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。每種能源自身的特性決定了它們相互之間相輔相成、缺一不可的關(guān)系，但如何把握多能源的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和改進(jìn)新能源發(fā)電性能是當(dāng)下亟待解決的問題。未來應(yīng)更注重新能源消納潛力的發(fā)掘，只有從根本上提高新能源消納潛力，才能在系統(tǒng)中發(fā)揮新能源發(fā)電的優(yōu)勢，促進(jìn)多能源系統(tǒng)的長期發(fā)展。