風電并網有利于提高電力系統(tǒng)運行的環(huán)保效益,節(jié)省常規(guī)機組的發(fā)電成本,但在風電呈“反調峰”特性時,要全額消納風電需增加常規(guī)機組啟停和下調備用,使火電機組出力嚴重偏離經濟運行區(qū),從而影響系統(tǒng)運行經濟性。因此,有必要制定合理的日前發(fā)電計劃模式,權衡風電的效益和全額消納風電的成本,以保證電網的綜合效益。在風電場配置適當容量的儲能系統(tǒng),以風儲聯(lián)合發(fā)電站替代傳統(tǒng)風電場并網運行,有助于改善風電出力的可調度性和可靠性,提高風電消納能力和系統(tǒng)運行經濟性。

本文將系統(tǒng)運行經濟性、風電消納能力以及風電調度公平性作為優(yōu)化目標納入風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的日前發(fā)電計劃優(yōu)化,基于不同的風電調度優(yōu)先級設計了3種不同的有功調度模式。同時,基于分層序列法提出了不同模式的兩階段優(yōu)化模型及快速求解算法。

2風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有功調度模式

將系統(tǒng)運行經濟性(機組運行成本f1、機組啟動成本f2、機組關停成本f3)、風電消納能力(棄風電量f4)以及風電調度公平性(風電場出力均勻性f5)作為優(yōu)化目標納入日前發(fā)電計劃。根據對不同目標的偏好和風電調度優(yōu)先級,設計了3種風儲聯(lián)合調度模式。

日前發(fā)電計劃模式

Day-aheadgenerationschedulingplanmodes

(1)模式Ⅰ:風電最大出力模式

風電最大出力模式優(yōu)先通過儲能系統(tǒng)和常規(guī)機組的優(yōu)化協(xié)調,使得風電消納能力最大,只有在系統(tǒng)調節(jié)能力不足時才考慮棄風。

(2)模式Ⅱ:經濟運行模式

經濟運行模式以系運行經濟性為首要目標。只有當機組啟停代價較小才會全額消納風電,而當常規(guī)機組啟停代價過高時,系統(tǒng)將進行棄風以保證系統(tǒng)整體的經濟性。與模式I相比,模式Ⅱ下風電的調度優(yōu)先級有所降低,在優(yōu)化模型中忽略風電的發(fā)電成本以保證風電調度優(yōu)先級。

(3)模式Ⅲ:運行成本控制模式

為權衡系統(tǒng)運行經濟性和風電消納能力之間的關系,提出了運行成本控制模式。該模式下,系統(tǒng)在預先設定的可接收的運行成本下優(yōu)先調度風電,全額消納風電的成本超過運行成本上限時,才進行棄風。風電調度的優(yōu)先級介于模式Ⅰ和模式Ⅱ之間。

3兩階段優(yōu)化模型

風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前發(fā)電計劃優(yōu)化為多目標決策問題,如下式表示。

式中,x為日前發(fā)電計劃決策變量,X為通用模型所有約束條件確定的可行域。

權重系數法是實現多目標決策的常用方法,但權重系數的選取較為困難。所設計的3種不同日前模式下風電調度優(yōu)先級以及決策者對優(yōu)化目標f1~f5的偏好均不同。本文基于分層序列法提出兩階段優(yōu)化模型:第1階段優(yōu)化為系統(tǒng)級優(yōu)化調度,根據決策者對風電消納能力和運行經濟性的不同偏好制定初始發(fā)電計劃;第2階段優(yōu)化為出力分配優(yōu)化,根據經濟調度在不同的常規(guī)機組之間分配啟停計劃、發(fā)電計劃和備用計劃,根據電力系統(tǒng)“三公”調度的原則,在不同的風儲聯(lián)合發(fā)電站之間分配棄風功率和充放電功率。

以風電出力最大模式為例,兩階段優(yōu)化模型的數學意義為:第1階段優(yōu)化在可行域全集尋找滿足風電出力最大的可行域子集,第2階段的優(yōu)化在此子集中進行優(yōu)化計算。第1階段優(yōu)化既縮小了第2階段優(yōu)化的可行域,也限定了再次尋優(yōu)的方向。兩階段優(yōu)化得到的最優(yōu)解是原優(yōu)化問題的一個有效解。排序越靠前的優(yōu)化目標由于可行域越大決策結果也越滿意,排序越靠后的目標其決策結果越不滿意。

經濟運行模式兩階段優(yōu)化模型的工程意義:第1階段通過風電場和常規(guī)機組的協(xié)調確定系統(tǒng)的最低運行成本,第2階段在該運行成本之下合理分配風儲聯(lián)合發(fā)電站的棄風功率和儲能充放電功率。

運行成本控制模式兩階段優(yōu)化模型的工程意義:第1階段在可接受的運行成本下確定系統(tǒng)的風電消納能力,第2階段在最大的風電消納能力和可接受的運行成本之下分配常規(guī)機組和風電場的發(fā)電計劃。

成本控制系數的影響

Impactsofoperationcostcontrolparameter

上述兩階段優(yōu)化模型為大規(guī)?；旌险麛狄?guī)劃模型,分支定界法是求解此類問題的常用方法。該算法首先基于整型變量的取值對解空間進行劃分(“分枝”),核心思想是對解空間進行隱式枚舉以求取全局最優(yōu)解。計算規(guī)模隨整數變量的增加呈指數型增長,在數學上屬于NP(NondeterministicPolynomial)問題,極端情況下,分支定界法可能等價于完全枚舉法。在日前發(fā)電計劃優(yōu)化中根據電力系統(tǒng)運行特點減少0-1變量數量,有助于大幅提高求解效率。

4結語

在系統(tǒng)消納風電的代價較大時,風電最大出力模式的經濟性較差,而經濟運行模式的風能利用率較低,利用本文提出的運行成本控制模式,可以實現在可接受的運行成本范圍內平衡系統(tǒng)運行經濟性和風電消納能力之間的關系;通過儲能系統(tǒng)儲能“削峰”,減少開機方式,增加低谷時段消納風電的空間,在低谷時段可提供額外的下調備用,消納過剩風電,從兩個層面提高風電消納能力和系統(tǒng)運行經濟性。

主要作者介紹

黃楊,博士,工程師,2014年畢業(yè)于清華大學,現就職于國網四川省電力公司成都供電公司,研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、大容量儲能技術等。

胡偉,清華大學電機系副教授,博士生導師,主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、大數據在電力系統(tǒng)的研究與應用、含多類型電源的機網協(xié)調優(yōu)化控制、新能源發(fā)電與多類型儲能優(yōu)化控制。多次參與973、863、自然科學基金、國家科技支撐計劃等國家級科研項目;在國內外期刊發(fā)表學術論文60多篇,榮獲教育部科技進步一等獎,國家電力科學三等獎、廣東省科技進步獎三等獎和湖北省科技進步三等獎等榮譽。

陳立,博士,高級工程師,主要研究方向包括:電網調度運行與調度自動化技術、電力系統(tǒng)繼電保護技術、智能電網等。