蔡文亮,趙正暉,汪洋,王一帆,李斌,姬偉

(江蘇大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

煤、石油等一次能源的大規(guī)模使用,在推動(dòng)人類(lèi)加速發(fā)展的同時(shí),也造成了難以忽視的環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái),全球在新能源領(lǐng)域的探索表明,以風(fēng)、光為代表的可再生能源將成為未來(lái)人類(lèi)低碳發(fā)展的重要基石[1]。我國(guó)也致力于提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度,采取了更加有力的政策和措施,力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。預(yù)期到2030年我國(guó)風(fēng)電和光伏總?cè)萘繉⒊^(guò)1 200 GW[2]。當(dāng)前,可再生能源機(jī)組通過(guò)逆變器、變流器等電力電子裝置接入主網(wǎng),有功輸出和頻率響應(yīng)處于解耦狀態(tài)。雖然可引入虛擬慣性和下垂控制的方式提供頻率響應(yīng),但是風(fēng)電和光伏具有強(qiáng)波動(dòng)性和強(qiáng)隨機(jī)性,相比于傳統(tǒng)火力機(jī)組而言,難以提供相對(duì)穩(wěn)定的調(diào)頻能力。在可預(yù)計(jì)的未來(lái),更多傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組被新能源機(jī)組取代,系統(tǒng)慣性和調(diào)頻資源總量將降低,調(diào)頻總?cè)萘砍蕼p少趨勢(shì),在有功擾動(dòng)下,系統(tǒng)的頻率波動(dòng)將增加,給電力系統(tǒng)頻率安全帶來(lái)前所未有之挑戰(zhàn)[3]。

目前,對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)頻研究大多集中于慣性、一次調(diào)頻以及二次調(diào)頻的控制方面。除了傳統(tǒng)火力機(jī)組外,充分挖掘源-荷-儲(chǔ)不同環(huán)節(jié)的調(diào)頻能力是研究的熱點(diǎn)。新能源機(jī)組通過(guò)添加控制環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)類(lèi)似火力機(jī)組的慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻能力。負(fù)荷和儲(chǔ)能分別通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)和快速充放電實(shí)現(xiàn)調(diào)頻能力?？紤]調(diào)頻的優(yōu)化調(diào)度是保證現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要基礎(chǔ),也是檢驗(yàn)各類(lèi)資源調(diào)頻效果的重要手段。因此將從挖掘電力系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)的調(diào)頻能力入手,對(duì)風(fēng)電、光伏、負(fù)荷以及儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)頻的方式進(jìn)行梳理,分析各調(diào)頻資源的調(diào)度潛力,在此基礎(chǔ)上對(duì)考慮調(diào)頻備用資源的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行總結(jié),對(duì)比調(diào)度模型中不確定性的處理方法和求解策略,最后基于以上綜述和回顧,對(duì)各調(diào)頻資源參與系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行展望。

1 多種資源參與系統(tǒng)調(diào)頻的方式研究

可再生能源的快速發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)頻率安全提出了更高的發(fā)展要求,因此挖掘電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)頻資源迫在眉睫。在電源側(cè),為了加強(qiáng)新能源機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn),《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)導(dǎo)則》[4]中規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站應(yīng)具備一次調(diào)頻能力,能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)以滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求,為系統(tǒng)提供頻率支撐。在負(fù)荷側(cè),用戶的需求側(cè)管理也逐步發(fā)展為電力系統(tǒng)中重要的調(diào)頻資源。它通過(guò)引導(dǎo)用戶優(yōu)化用電方式,調(diào)動(dòng)負(fù)荷側(cè)的頻率響應(yīng)資源來(lái)滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求。需求側(cè)調(diào)頻資源包括負(fù)荷需求響應(yīng)和電動(dòng)汽車(chē)等。儲(chǔ)能作為電力系統(tǒng)中的多面手,不僅可以參與火力發(fā)電廠的調(diào)頻輔助服務(wù),減少火電廠考核損失增加補(bǔ)償盈利,部分區(qū)域也開(kāi)始嘗試參與新能源場(chǎng)站的調(diào)頻輔助服務(wù)。對(duì)于較為脆弱的地方電網(wǎng),負(fù)荷變化的沖擊可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動(dòng)較大,研究表明可以在以關(guān)停的火電機(jī)組處建設(shè)獨(dú)立的儲(chǔ)能電站主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)頻。目前,對(duì)于以上系統(tǒng)中主流的調(diào)頻資源,眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于其參與系統(tǒng)調(diào)頻的方式已經(jīng)展開(kāi)了較為廣泛的研究,本節(jié)將從控制方法的和調(diào)頻策略方面梳理不同資源參與系統(tǒng)調(diào)頻的前沿技術(shù)。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻方法的研究綜述

目前風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的方法主要有兩大類(lèi),如圖1所示,一類(lèi)是利用自身慣量參與系統(tǒng)調(diào)頻的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制[5-12],另一類(lèi)是預(yù)留有功備用參與調(diào)頻的有功備用控制[13-22]。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻方式

1.1.1 利用慣量參與調(diào)頻的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制

轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制是指當(dāng)風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)到電網(wǎng)頻率偏差時(shí),提高有功控制的參考值,在此之后由于風(fēng)電機(jī)組的輸出電磁功率大于其輸入的機(jī)械功率,風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子開(kāi)始減速,并釋放出轉(zhuǎn)子動(dòng)能,以此來(lái)參與系統(tǒng)調(diào)頻。

在不同的文獻(xiàn)中,轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制方式通常被歸納為兩種,第一種是將系統(tǒng)頻率變化量與風(fēng)電有功出力相互耦合,風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻時(shí)模擬同步機(jī)組的慣性響應(yīng),將頻率變化率引入風(fēng)電機(jī)組的控制環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功出力和頻率的耦合,當(dāng)系統(tǒng)頻率下降,增大風(fēng)機(jī)的功率參考值,使轉(zhuǎn)子的動(dòng)能釋放增加有功輸出。該方法通常采用虛擬慣量控制(Virtual Inertial Control)[11]方式實(shí)現(xiàn)。第二種是將風(fēng)電機(jī)組有功功率和系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行耦合,建立二者之間的下垂特性。此種控制方法稱(chēng)為下垂控制(Droop Control)[12]又叫斜率控制或比例控制。

1.1.2 利用風(fēng)電減載備用參與調(diào)頻的控制方法

風(fēng)電減載備用參與調(diào)頻的方法是指風(fēng)電機(jī)組通過(guò)主動(dòng)控制使其偏離最大功率點(diǎn)運(yùn)行,跟蹤降載曲線使其具有上調(diào)和下調(diào)的出力空間,即實(shí)現(xiàn)了減載運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差時(shí),風(fēng)電機(jī)組可以根據(jù)調(diào)頻指令實(shí)時(shí)調(diào)整出力參與系統(tǒng)調(diào)頻,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于風(fēng)電機(jī)組捕獲的風(fēng)功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角都有關(guān),因此可以將風(fēng)電減載調(diào)頻的控制方式分為槳距角控制和超速減載控制。

圖2 風(fēng)電減載調(diào)頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)超速減載控制

如圖3所示,超速減載控制通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,使轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于最大功率曲線運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速,此時(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于非最大功率曲線的另一次優(yōu)點(diǎn),降低捕獲的風(fēng)功率,從而使機(jī)組保留一部分有功備用實(shí)現(xiàn)減載運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生有功擾動(dòng)時(shí),再降低轉(zhuǎn)速,增大風(fēng)電機(jī)組捕獲的風(fēng)功率,從而使其有功輸出增加參與調(diào)頻[14-15]。

圖3 超速減載控制策略

(2)槳距角控制

通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)葉片的槳距角,使槳距角大于風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的槳距角,進(jìn)而減小風(fēng)電機(jī)組捕獲的風(fēng)功率,使其運(yùn)行于減載狀態(tài)。當(dāng)遭受有功擾動(dòng)時(shí),減小其槳距角,增大風(fēng)電機(jī)組的有功出力參與調(diào)頻[13,23]。

(3)超速減載控制結(jié)合槳距角控制

超速減載和槳距角減載都各自有其優(yōu)缺點(diǎn),前者的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快,但缺點(diǎn)是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組處于高風(fēng)速的工況下,風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速已達(dá)上限,不具備減載備用的可能,因此其適用范圍只限于中、低風(fēng)速的工況[24]。而后者可以適用于各種風(fēng)速的工況,但是槳距角的變化涉及內(nèi)部機(jī)械部件動(dòng)作,因此有響應(yīng)速度慢、風(fēng)機(jī)部件易磨損的缺點(diǎn),增加了風(fēng)機(jī)的維護(hù)成本[25]。為了使風(fēng)電機(jī)組可以在全風(fēng)況下減載備用,并可維持較長(zhǎng)的時(shí)間,增加風(fēng)電的可調(diào)度性,有研究提出將兩種減載方式相結(jié)合的策略[21,26],其控制方式如圖4所示。

Vcr、Vw1、Vn分別為切入風(fēng)速,最優(yōu)轉(zhuǎn)速區(qū)臨界風(fēng)速和額定風(fēng)速。A點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)是在風(fēng)速為Vcr、Vw1、和Vn的最大功率運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)速為Vw時(shí),風(fēng)電機(jī)組在超速減載控制的作用下,其運(yùn)行點(diǎn)可以從B點(diǎn)向B′點(diǎn)移動(dòng),當(dāng)運(yùn)行達(dá)到B′點(diǎn)時(shí),由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已達(dá)到最大值無(wú)法繼續(xù)用超速減載控制減載,此時(shí)利用槳距角控制,可使得風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行點(diǎn)沿B′點(diǎn)向F點(diǎn)移動(dòng)。F點(diǎn)是轉(zhuǎn)速為ωmax,采用槳距角控制的最大調(diào)整量運(yùn)行點(diǎn)。因此,在任一風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組存在最大可減載率。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的減載率為Kopt%時(shí),風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于B0點(diǎn),則其調(diào)頻容量為:

(1)

(2)

Pde.opt=(1-Kopt%)*Pg.MPPT

(3)

減載運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具備雙向調(diào)頻的能力,且可維持較長(zhǎng)的時(shí)間。是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電參與調(diào)頻調(diào)度的有效途徑。然而長(zhǎng)期減載的風(fēng)電機(jī)組會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)成本帶來(lái)影響。文獻(xiàn)[27]對(duì)比了超速減載控制和槳距角控制對(duì)風(fēng)電場(chǎng)收入的影響;文獻(xiàn)[28]指出,100 MW的風(fēng)電場(chǎng)按照10%的裝機(jī)容量減載,在不限電區(qū)域每年虧損2 500萬(wàn)元。因此,在系統(tǒng)調(diào)度層面決策風(fēng)電場(chǎng)是否減載以及風(fēng)電場(chǎng)的減載容量需要深入研究。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)參與系統(tǒng)調(diào)頻的研究

研究表明光伏系統(tǒng)具備參與電網(wǎng)調(diào)頻的能力,其方式與風(fēng)電機(jī)組類(lèi)似,即需要預(yù)留一部分有功備用,使其能夠迅速的響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化,快速提供有功輸出。如圖5所示,現(xiàn)有研究通常將光伏參與調(diào)頻的方式分為兩類(lèi),第一種方法是光伏機(jī)組單獨(dú)參與系統(tǒng)調(diào)頻,其運(yùn)行于非最大功率點(diǎn),從而保持一定有功功率備用[29-31]。第二種方法是給光伏機(jī)組配置一定容量的儲(chǔ)能,光伏機(jī)組仍然運(yùn)行于最大功率點(diǎn),通過(guò)儲(chǔ)能快速釋放和吸收有功功率參與系統(tǒng)調(diào)頻[32-33]。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)參與調(diào)頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 光儲(chǔ)聯(lián)合參與調(diào)頻

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以進(jìn)行快速充放電,具有靈活性高,響應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)。因此為光伏機(jī)組配置儲(chǔ)能,可以有效平滑光伏的發(fā)電功率,同時(shí)參與系統(tǒng)調(diào)頻。文獻(xiàn)[34]利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力彌補(bǔ)光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的偏差從而達(dá)到平抑光伏出力波動(dòng)的目的。文獻(xiàn)[35]分析光伏出力波動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)調(diào)頻備用需求的影響,提出利用儲(chǔ)能的充放對(duì)于光伏波動(dòng)進(jìn)行有限平抑并建立容量?jī)?yōu)化模型,在控制電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的同時(shí)使光儲(chǔ)系統(tǒng)的等效收益最大。

1.2.2 利用光伏減載備用參與系統(tǒng)調(diào)頻

當(dāng)光伏機(jī)組運(yùn)行在最大功率跟蹤模式時(shí),無(wú)法提供可用的備用功率,在電網(wǎng)頻率下降時(shí)難以提供有功支撐,通過(guò)控制光伏機(jī)組的工作電壓使其使其工作在非最大功率點(diǎn),可以控制光伏機(jī)組的輸出功率在減載狀態(tài)。如圖6所示,A點(diǎn)為最大功率跟蹤點(diǎn),提升光伏機(jī)組的運(yùn)行電壓,使其在C點(diǎn)減載運(yùn)行,其備用容量為PMPPT和P減載的差值。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)有功擾動(dòng),頻率下降時(shí),將光伏機(jī)組運(yùn)行電壓降低至V′使其在B點(diǎn)工作,增大機(jī)組輸出功率,達(dá)到參與電網(wǎng)調(diào)頻的效果。

圖6 光伏減載控制策略

文獻(xiàn)[36]提出基于牛頓二次插值的光伏系統(tǒng)功率控制策略,通過(guò)二次曲線逼近光伏系統(tǒng)的功率-電壓特性曲線,迭代獲得光伏系統(tǒng)所需的終端電壓,通過(guò)電壓控制其輸出功率實(shí)現(xiàn)減載。文獻(xiàn)[37]將離線擬合和在線功率跟蹤相結(jié)合實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的變減載控制,根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化改變減載率。文獻(xiàn)[38]考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的備用容量,將減載控制器和備用功率相結(jié)合,提出了一種等比例減載控制光伏調(diào)頻的策略。

1.3 負(fù)荷資源參與系統(tǒng)調(diào)頻的研究

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展,通信和控制技術(shù)的提升為負(fù)荷側(cè)資源參與調(diào)頻備用提供了有利支撐。目前,需求側(cè)的負(fù)荷調(diào)頻資源日趨多樣化,負(fù)荷資源可以直接與電網(wǎng)互動(dòng),也可通過(guò)需求響應(yīng)的方式參與電網(wǎng)頻率響應(yīng)。根據(jù)負(fù)荷資源的特性不同,可將負(fù)荷調(diào)頻備用資源分為單純可調(diào)的被動(dòng)負(fù)荷和可以雙向互動(dòng)的主動(dòng)負(fù)荷[39]。

1.3.1 被動(dòng)負(fù)荷調(diào)頻特性

被動(dòng)負(fù)荷指事先與用戶簽訂協(xié)議或者是在用戶許可的條件下可以臨時(shí)退出或接入電網(wǎng)的負(fù)荷,可用于恢復(fù)源荷平衡和消除可再生能源波動(dòng)。可中斷負(fù)荷與直接控制負(fù)荷作為兩種有效的被動(dòng)負(fù)荷調(diào)頻資源,可在緊急頻率事件發(fā)生時(shí)分別按照約定,自動(dòng)切除或遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)部分負(fù)荷以參與系統(tǒng)一次調(diào)頻[40]。例如,電熱水器擁有可控性高、有功輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。是良好的負(fù)荷側(cè)調(diào)頻備用資源。可以對(duì)大量的電熱水器負(fù)荷經(jīng)過(guò)合理的聚合后,調(diào)整其工作狀態(tài),在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處以虛擬發(fā)電廠的形式參與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻[41-42]。文獻(xiàn)[43]建立了一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型,以此模型構(gòu)造機(jī)組最小一次調(diào)頻容量約束條件,在考慮此約束的前提下,合理分配各機(jī)組所需承擔(dān)的調(diào)頻容量,保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

1.3.2 主動(dòng)負(fù)荷調(diào)頻特性

主動(dòng)負(fù)荷是指具有儲(chǔ)能特性且可通過(guò)主動(dòng)控制充放電參與系統(tǒng)調(diào)頻的負(fù)荷,具有功率的雙向調(diào)節(jié)能力,是較為理想的負(fù)荷側(cè)調(diào)頻備用資源,例如電動(dòng)汽車(chē)(Electric Vehicle,EV)等移動(dòng)儲(chǔ)能裝置。文獻(xiàn)[44]提出EV可受電網(wǎng)的直接控制參與調(diào)頻,具有迅速響應(yīng)系統(tǒng)指令,提供調(diào)頻輔助服務(wù)的能力。文獻(xiàn)[45]考慮EV用戶充電行為的不確定性和用能需求,建立了EV聚合商充電功率及備用上報(bào)的優(yōu)化決策模型。文獻(xiàn)[46]在考慮電動(dòng)汽車(chē)用戶行為特性的基礎(chǔ)上,提出考慮用戶積極性的電動(dòng)汽車(chē)與機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻的兩階段隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)火電和電動(dòng)汽車(chē)調(diào)頻容量上的互補(bǔ)。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)調(diào)頻的研究

目前,在開(kāi)展的新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究中,也把儲(chǔ)能作為重要的技術(shù)路線。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能充放電策略的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的雙向調(diào)節(jié),維持系統(tǒng)有功平衡,使頻率處于安全范圍之內(nèi)。

1.4.1 儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)頻控制方式

儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)下垂控制進(jìn)行一次調(diào)頻響應(yīng),這種控制是利用儲(chǔ)能電站的一次調(diào)頻容量,模擬同步機(jī)組頻率響應(yīng)的出力方式[47-48]。如圖7所示當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)快速充放電維持系統(tǒng)的有功平衡[49]。

圖7 儲(chǔ)能下垂調(diào)頻控制策略

1.4.2 儲(chǔ)能預(yù)留備用參與系統(tǒng)調(diào)頻

考慮儲(chǔ)能參與調(diào)頻,其重點(diǎn)是留有充足的調(diào)頻備用并滿足調(diào)頻前后的充放電功率以及電量限制[50-52]。儲(chǔ)能的調(diào)頻功率見(jiàn)式(4),需要滿足正常運(yùn)行狀態(tài)下的充放電功率約束如式(5)、式(6)以及調(diào)頻后的電量約束如式(8):

ΔPE=Pdis,max-Pdis+Pch

(4)

Pdis.min≤Pdis≤Pdis.min

(5)

Pch.min≤Pch≤Pch.min

(6)

ΔE=Pdis,maxΔt

(7)

Emin≤E0-ΔE≤Emax

(8)

式中Pch、Pdis分別為儲(chǔ)能充放電功率;Δt表示儲(chǔ)能調(diào)頻持續(xù)時(shí)間;E0、Emin和Emax分別表示初始電量、電量最小值和電量最大值;ΔE為儲(chǔ)能放電的電量變化;Pdis.min、Pdis.max分別為儲(chǔ)能放電狀態(tài)時(shí)的最小和最大功率;Pch.min、Pch.max分別為儲(chǔ)能充電狀態(tài)時(shí)的最小和最大功率。

由于風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍有限,轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制無(wú)法提供充足的調(diào)頻備用,難以滿足高比例新能源電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求。因此保留有功備用是風(fēng)電場(chǎng)提供一次調(diào)頻的主要方式。然而風(fēng)電和光伏的出力具有波動(dòng)性和不可控性,其調(diào)頻容量與風(fēng)速和光照密切相關(guān),因此風(fēng)電和光伏參與系統(tǒng)調(diào)頻仍有局限性。儲(chǔ)能可以增大電網(wǎng)備用容量,通過(guò)對(duì)輸出功率的快速增減校正電網(wǎng)供需平衡,其極快的響應(yīng)速度使得頻率控制更加精確,需要更少的調(diào)頻容量。但是由于安裝成本高,投資回報(bào)率低,使得儲(chǔ)能難以在大范圍推廣應(yīng)用?？芍袛嘭?fù)荷和直接負(fù)荷控制可以做到快速、精準(zhǔn)的功率控制,但是只能提供向上的調(diào)頻容量,不能進(jìn)行雙向調(diào)頻,因此比較理想的調(diào)頻負(fù)荷是具有儲(chǔ)能性質(zhì),響應(yīng)速度快,具有向上和向下調(diào)節(jié)的可控負(fù)荷。各類(lèi)資源參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整不僅需要合理的控制方法,也需要電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)依據(jù)實(shí)際需求科學(xué)的安排調(diào)頻資源的運(yùn)行方案。

2 考慮風(fēng)光荷儲(chǔ)參與調(diào)頻備用的調(diào)度優(yōu)化

系統(tǒng)的調(diào)頻資源對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行承擔(dān)重要作用,尤其隨著新能源的滲透率的不斷升高,系統(tǒng)運(yùn)行中的不確定性增加,傳統(tǒng)根據(jù)最大發(fā)電負(fù)荷安排火電機(jī)組的備用計(jì)劃,往往面臨備用容量不足,調(diào)頻困難的問(wèn)題。在此情境下,越來(lái)越多的研究從調(diào)頻資源提供調(diào)頻備用的角度出發(fā),探索如何合理安排調(diào)頻備用資源,減少在線火電發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行壓力。

2.1 考慮單一資源參與系統(tǒng)調(diào)頻的備用調(diào)度

文獻(xiàn)[53]提出了一種考慮風(fēng)電場(chǎng)減載備用的雙層模型,上層模型是預(yù)調(diào)度階段以系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)制定備用計(jì)劃,下層模型是實(shí)時(shí)階段以系統(tǒng)計(jì)劃偏差量最小為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的減載率和火電機(jī)組的出力以達(dá)到降低總成本的目的。文獻(xiàn)[54]在文獻(xiàn)[53]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出利用魯棒優(yōu)化的方法刻畫(huà)風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性,建立考慮風(fēng)電降載的系統(tǒng)備用調(diào)度模型。文獻(xiàn)[26]從電網(wǎng)的有功不平衡量角度出發(fā),將風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差和負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差刻畫(huà)為電網(wǎng)的調(diào)頻需求,針對(duì)風(fēng)電出力的不確定性,采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃建立不同時(shí)間尺度下考慮風(fēng)電減載調(diào)頻的調(diào)度模型,并采用粒子群算法結(jié)合隨即模擬技術(shù)進(jìn)行求解,得到在一定時(shí)間尺度內(nèi)的風(fēng)電減載率和機(jī)組出力。文獻(xiàn)[55]針對(duì)如何平衡風(fēng)電機(jī)組的減載率和火電機(jī)組的運(yùn)行成本的問(wèn)題,提出考慮最小風(fēng)電減載率和最小火電機(jī)組運(yùn)行成本的多目標(biāo)機(jī)組組合模型,并采用模糊隸屬度函數(shù)法,得到最優(yōu)折中解。文獻(xiàn)[56]提出了一種隨機(jī)機(jī)組組合模型,通過(guò)場(chǎng)景法描述風(fēng)電出力,并在此基礎(chǔ)上分析了不確定情景下的風(fēng)電減載容量。該方法的局限性在于需要確定所有場(chǎng)景下的減載容量,并且沒(méi)有考慮風(fēng)電場(chǎng)的再調(diào)度過(guò)程。文獻(xiàn)[57]考慮風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的尾流效應(yīng)和風(fēng)電場(chǎng)提供備用的方式,分析并網(wǎng)容量與風(fēng)電場(chǎng)出力不確定性的關(guān)系,一是建立可變風(fēng)電不確定集合,并基于風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式建立了風(fēng)電備用模型;二是建立考慮網(wǎng)絡(luò)約束的風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行魯棒優(yōu)化模型,并通過(guò)列約束生成算法(C&CG)算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[58-59]將風(fēng)電減載備用引入兩階段經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,但沒(méi)有考慮風(fēng)電的不確定性。

現(xiàn)有的研究通常建立兩階段模型確定風(fēng)電減載率,第一階段通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)信息或者工況最差的典型場(chǎng)景,確定機(jī)組的開(kāi)停機(jī)狀況以及較為保守的減載量并將結(jié)果帶入第二階段。在第二階段通過(guò)尺度更短的預(yù)測(cè)信息或者日內(nèi)場(chǎng)景對(duì)第一階段的風(fēng)電減載量進(jìn)行修正,平抑新能源的有功不平衡量,確保系統(tǒng)頻率安全。

在系統(tǒng)層面,現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)光伏減載率的確定采用了與風(fēng)電減載率類(lèi)似的方法,文獻(xiàn)[60]建立了以同步機(jī)組發(fā)電備用計(jì)劃和光伏減載量為決策變量的日前日內(nèi)兩階段光伏發(fā)電調(diào)度模型,以此研究尺度內(nèi)的光伏減載量。除了考慮光伏的不確定性,還有研究考慮了系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng),文獻(xiàn)[61]構(gòu)建了考慮光伏調(diào)頻的頻率響應(yīng)模型,推導(dǎo)出光伏調(diào)頻容量約束和動(dòng)態(tài)頻率約束并加入傳統(tǒng)機(jī)組組合模型中,并采用Benders法對(duì)所提模型進(jìn)行求解,相比于光伏未參與調(diào)頻的模型可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本。

儲(chǔ)能電站在作為調(diào)頻備用時(shí),需特別注意與火電機(jī)組調(diào)頻進(jìn)行協(xié)調(diào),在滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求的同時(shí),優(yōu)先發(fā)揮火電機(jī)組的調(diào)頻作用,盡量避免儲(chǔ)能頻繁充電放電,對(duì)儲(chǔ)能壽命造成影響。文獻(xiàn)[62]針對(duì)含有電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻聯(lián)合調(diào)度的問(wèn)題,制定了聯(lián)合調(diào)度中儲(chǔ)能的控制策略,建立了儲(chǔ)能與同步機(jī)組共同參與調(diào)峰調(diào)頻的聯(lián)合優(yōu)化模型最終實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與機(jī)組的協(xié)同優(yōu)化處理空間的分配。文獻(xiàn)[63]針對(duì)跨區(qū)優(yōu)化調(diào)度中未考慮調(diào)頻需求的問(wèn)題,在構(gòu)建跨區(qū)安全經(jīng)濟(jì)的魯棒優(yōu)化調(diào)度中加入滿足慣量支撐和調(diào)頻需求的儲(chǔ)能,使得調(diào)頻需求與供給達(dá)到平衡。

2.2 考慮多種資源參與調(diào)頻的系統(tǒng)備用調(diào)度

以上研究在系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行中僅考慮了單一電源側(cè)調(diào)頻備用或儲(chǔ)能調(diào)頻備用。也有學(xué)者對(duì)多種調(diào)頻備用資源進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的問(wèn)題展開(kāi)探究。

文獻(xiàn)[64]針對(duì)風(fēng)電和負(fù)荷備用資源聯(lián)合優(yōu)化的問(wèn)題,提出了一種日前、日內(nèi)兩階段魯棒優(yōu)化模型。首先根據(jù)各資源的備用方式進(jìn)行建模,其次采用魯棒優(yōu)化方法刻畫(huà)風(fēng)電機(jī)組的不確定性,建立兩階段機(jī)組組合與備用優(yōu)化模型,保障系統(tǒng)在最?lèi)毫舆\(yùn)行工況下安全可靠運(yùn)行,考慮風(fēng)電減載和需求側(cè)可中斷負(fù)荷同時(shí)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,建立了穩(wěn)態(tài)暫態(tài)聯(lián)合優(yōu)化的日前調(diào)度模型,暫態(tài)仿真中確保系統(tǒng)的頻率安全,風(fēng)電機(jī)組通過(guò)減載運(yùn)行方式與常規(guī)機(jī)組聯(lián)合參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,同時(shí)負(fù)荷側(cè)的可中斷負(fù)荷也作為調(diào)頻備用的一部分。提出了一種穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)聯(lián)合的實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)度模型,在多種高風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)場(chǎng)景下進(jìn)行暫態(tài)仿真確保系統(tǒng)運(yùn)行的頻率安全。

2.3 不確定因素

長(zhǎng)期以來(lái),風(fēng)電和光伏等可再生能源被認(rèn)為是電力系統(tǒng)中不確定性因素的主要來(lái)源。在考慮調(diào)頻備用資源分配的問(wèn)題中,均會(huì)涉及新能源出力、負(fù)荷預(yù)測(cè)功率、機(jī)組的狀態(tài)等不確定因素。針對(duì)不確定因素,相關(guān)文獻(xiàn)通常采用隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化[54]和區(qū)間優(yōu)化三種方法處理。隨機(jī)優(yōu)化有多場(chǎng)景和機(jī)會(huì)約束規(guī)劃兩種模型。場(chǎng)景法模型簡(jiǎn)單,通過(guò)典型場(chǎng)景將不確定性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為確定性問(wèn)題進(jìn)行求解,缺點(diǎn)是需要將海量場(chǎng)景進(jìn)行削減,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),場(chǎng)景典型性要求高。機(jī)會(huì)約束規(guī)劃是允許部分約束條件在一定置信度水平下越限,缺點(diǎn)是置信度設(shè)置較為主觀。魯棒優(yōu)化[54]是通過(guò)不確定集合描述不確定因素,按照最差場(chǎng)景下的優(yōu)化方案,缺點(diǎn)是求解結(jié)果較為保守。區(qū)間優(yōu)化描述不確定性時(shí),除了預(yù)測(cè)場(chǎng)景外,還要添加由變量取值區(qū)間上下限逐一組合的極端場(chǎng)景,保守性強(qiáng)且計(jì)算規(guī)模大。

2.4 求解方法

在考慮調(diào)頻資源的電力系統(tǒng)優(yōu)化的模型中,其變量通常包含了用于決策的整數(shù)變量和用于控制的連續(xù)變量,是一個(gè)典型的混合整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于模型的求解分成智能算法和數(shù)學(xué)優(yōu)化方法兩種。

由于智能算法對(duì)于模型中非線性的復(fù)雜約束具有很好地適應(yīng)性,因此可以廣泛應(yīng)用于任意優(yōu)化模型中?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)通常將原問(wèn)題分解為日前決策和日內(nèi)運(yùn)行模擬兩階段模型進(jìn)行求解。因此智能算法可以對(duì)兩階段模型進(jìn)行分層求解,對(duì)第一階段模型中的決策變量進(jìn)行迭代尋優(yōu),并將其最優(yōu)決策變量傳遞至第二階段的模型中,第二階段的模型以第一階段的決策變量為基礎(chǔ)仍采用智能算法進(jìn)行迭代尋優(yōu)以求解其余變量或修正第一階段模型中的決策。文獻(xiàn)[26]采用基于隨機(jī)模擬的粒子群算法求解考慮風(fēng)電減載的頻率優(yōu)化模型,將第一階段所求解的長(zhǎng)時(shí)間尺度下開(kāi)機(jī)機(jī)組組合傳遞至第二階段短時(shí)間尺度下的模型中,第二階段短時(shí)間尺度下所求解的風(fēng)電最優(yōu)減載率修正了第一階段長(zhǎng)時(shí)間尺度模型下的風(fēng)電減載率。文獻(xiàn)[63]采用飛蛾撲火算法對(duì)第一階段機(jī)組組合模型進(jìn)行求解,并將優(yōu)化后的火電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)傳遞至第二階段模型中,第二階段采用自適應(yīng)蝴蝶算法解決考慮儲(chǔ)能調(diào)頻的輔助服務(wù)優(yōu)化問(wèn)題。智能算法對(duì)于復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題具有極強(qiáng)的適用性,其缺點(diǎn)是在處理大規(guī)模問(wèn)題時(shí),計(jì)算速度較為緩慢且無(wú)法得到全局最優(yōu)解,容易陷入局部最優(yōu)。

數(shù)學(xué)優(yōu)化方法[41]通常需要將模型和約束進(jìn)行處理,使其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性?xún)?yōu)化問(wèn)題。非線性約束通常采用大M法、分段線性化以及邊界法進(jìn)行處理,其優(yōu)點(diǎn)是使用范圍廣,可以構(gòu)造任意的變量關(guān)系式,但存在局部保守型不足的缺點(diǎn)。數(shù)學(xué)優(yōu)化算法通常將原問(wèn)題分解為上層決策與下層運(yùn)行模擬的雙層模型,并通過(guò)Benders分解法[62]或列與約束生成(Column-and-constraint Generation,C&CG)算法[57,64]進(jìn)行迭代求解。該類(lèi)問(wèn)題通常采用CPLEX、GUROBI、MOSEK等求解器直接求解。相比于智能算法,數(shù)學(xué)優(yōu)化算法具有較高的求解精度,且可嚴(yán)格保證全局最優(yōu)性。

3 展望

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于各類(lèi)資源參與調(diào)頻的方法研究不斷深入并取得了一定成果,但是各類(lèi)調(diào)頻資源參與系統(tǒng)頻率調(diào)整,不僅需要合理的控制方法,也需要電網(wǎng)調(diào)度依據(jù)運(yùn)行實(shí)際需求科學(xué)評(píng)估各資源參與頻率調(diào)整的策略,以制定科學(xué)的運(yùn)行方案,因此依然存在較多問(wèn)題亟待研究:

(1)風(fēng)電和光伏機(jī)組以減載運(yùn)行的方式為系統(tǒng)預(yù)留調(diào)頻有功備用。長(zhǎng)期減載運(yùn)行的風(fēng)電和光伏機(jī)組會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的利益造成不容小覷的影響。在廠網(wǎng)分離的大環(huán)境下,在確保系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的同時(shí),也要顧及新能源場(chǎng)站的利益,因此以系統(tǒng)的角度安排新能源的減載計(jì)劃可能與實(shí)際情況存在出入。博弈論為分析各主體利益關(guān)系提供了新的調(diào)度思想,通過(guò)博弈論建立考慮多種資源調(diào)頻服務(wù)的優(yōu)化調(diào)度模型,在滿足系調(diào)頻需求的基礎(chǔ)上,平衡不同調(diào)頻資源主體之間的利益關(guān)系,分析各主體利益訴求以及可能達(dá)到的均衡點(diǎn),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)最大化各調(diào)頻資源的利益,激勵(lì)多類(lèi)資源積極參與調(diào)頻服務(wù);

(2)負(fù)荷側(cè)調(diào)頻具有響應(yīng)速度快,可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),其主要通過(guò)改變負(fù)荷的功率進(jìn)行系統(tǒng)的頻率響應(yīng),現(xiàn)有研究大部分局限于負(fù)荷響應(yīng)策略,少有考慮與傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻能力結(jié)合運(yùn)用到調(diào)度研究中以此確定合理的負(fù)荷預(yù)留容量與機(jī)組調(diào)頻備用容量;

(3)儲(chǔ)能可以在電力系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)提供容量支撐,但受成本的限制,在系統(tǒng)中配置的容量仍然有限。因此,研究低成本大容量的儲(chǔ)能是未來(lái)新型電力系統(tǒng)下儲(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)的基礎(chǔ)。在技術(shù)層面上,儲(chǔ)能的調(diào)頻備用能力在發(fā)電計(jì)劃和自身電量約束的影響下,呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)特征,在充放電策略中儲(chǔ)能如何合理劃分其自身出力空間和調(diào)頻備用容量空間是需要解決的問(wèn)題。在效益層面上,考慮儲(chǔ)能成本的容量配置,對(duì)儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)頻的效益及定價(jià)補(bǔ)償方法也是未來(lái)的研究方向;

(4)現(xiàn)有的“三公”電力調(diào)度機(jī)制不再適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型下電力系統(tǒng)需要,優(yōu)化日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行的潛力還沒(méi)有被充分挖掘,風(fēng)、光伏的不確定性因素對(duì)系統(tǒng)頻率的影響,極大增加了日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃調(diào)整的頻次和工作量。因此完善電力市場(chǎng)機(jī)制,優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行,對(duì)調(diào)頻能力強(qiáng)的機(jī)組賦予優(yōu)勢(shì),激發(fā)潛在調(diào)頻資源是要進(jìn)一步展開(kāi)的工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代新型電力系統(tǒng)中,隨著新能源發(fā)電機(jī)組逐步取代火電機(jī)組,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中僅依靠火電機(jī)組提供調(diào)頻備用的策略會(huì)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此,新能源機(jī)組、儲(chǔ)能以及負(fù)荷側(cè)調(diào)頻資源將成為滿足未來(lái)電網(wǎng)調(diào)頻備用需求的重要組成部分。

文中對(duì)新型電力系統(tǒng)下的多種潛在調(diào)頻資源進(jìn)行深入分析,從源-荷-儲(chǔ)不同環(huán)節(jié)梳理風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、負(fù)荷資源以及儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)頻的方式。從各類(lèi)調(diào)頻資源本身的層面來(lái)看,由于風(fēng)電與光伏機(jī)組的出力具有不確定性,新能源機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中主要采用更為可靠的減載備用的方式參與系統(tǒng)的調(diào)頻;儲(chǔ)能系統(tǒng)主要通過(guò)下垂控制參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻,具有極快的頻率響應(yīng)速度和可以滿足小幅度高頻率的調(diào)頻需求,在現(xiàn)有的使用場(chǎng)景中可以與火電機(jī)組聯(lián)合,彌補(bǔ)火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),調(diào)頻速率低的特點(diǎn);被動(dòng)負(fù)荷雖然可以做到及時(shí)、快速的功率調(diào)節(jié),但由于只能提供向上的調(diào)頻容量,因此具有儲(chǔ)能性質(zhì)、可控性強(qiáng)的主動(dòng)負(fù)荷在未來(lái)更加具有調(diào)頻潛力。從系統(tǒng)層面看,考慮調(diào)頻備用需求的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,就是在一定周期內(nèi)制定電力運(yùn)行計(jì)劃,安排合理的調(diào)頻資源,以滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求。通過(guò)對(duì)機(jī)組的啟停操作,調(diào)頻資源的決策,調(diào)頻備用的合理安排,優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)頻性能。