基于儲能設(shè)備探討不同時段等微增率準則在機組負荷優(yōu)化分配中的應(yīng)用

蘇毅，杭乃善，康海云，成煜，韓靖華，黃瓏

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院，廣西南寧 530023）

國外對于儲能技術(shù)的應(yīng)用最早始于19世紀后期紐約市的直流供電系統(tǒng)，且隨著電力技術(shù)的發(fā)展，抽水蓄能電站被用來進行電網(wǎng)的調(diào)峰[1]。在美國，抽水蓄能機組容量約占總裝機容量的3%，而在日本則超過了10%[2]。近幾十年來，電能存儲技術(shù)的研究和發(fā)展一直備受各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視。儲能技術(shù)的快速發(fā)展促使儲能系統(tǒng)在整個電力系統(tǒng)中的多個方面方發(fā)揮著重要作用。系統(tǒng)引入儲能環(huán)節(jié)，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差、平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備降低供電成本，還可以促進可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段[3-7]。儲能技術(shù)的研究熱點主要集中于：1）快速高效低成本的儲能技術(shù)；2）儲能系統(tǒng)在輸配電系統(tǒng)中的研究；3）包含儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)運行分析計算理論和方法；4）市場化條件下利用儲能裝置實現(xiàn)能力管理的理論和方法[2-3]。

當前基于儲能技術(shù)在機組負荷優(yōu)化分配中的研究還較少。一般工程實際中常采用等微增率準則解決火力發(fā)電機組負荷分配的優(yōu)化問題。在實際運用中，不同時段系統(tǒng)的負荷率是變動的，針對不同時段的負荷再利用等微增率進行負荷分配會造成機組出力的頻繁變動和燃料消耗的增加，既不符合實際，也難以實現(xiàn)機組的綜合效益最佳。文獻[8]指出，等微增率準則在機組負荷分配應(yīng)用中具有明顯的局限性，可能導(dǎo)致總能耗不降反增，提出應(yīng)用等微增率準則必須要滿足前提條件，即在負荷分配區(qū)間內(nèi)所有發(fā)電機組的耗量微增率必須是單調(diào)遞增

國外對于儲能技術(shù)的應(yīng)用最早始于19世紀后期紐約市的直流供電系統(tǒng)，且隨著電力技術(shù)的發(fā)的。文獻[9-11]分析討論了等微增率算法應(yīng)用求解火電機組負荷分配時可能碰到的實際問題，提出了融入火電機組發(fā)電排序表的機組組合策略與等微增率準則相結(jié)合的算法。

考慮到機組經(jīng)濟調(diào)度的實質(zhì)是要實現(xiàn)發(fā)電側(cè)綜合效益最佳，即煤炭及水能資源得到充分利用，且電力系統(tǒng)設(shè)置備用容量的目的是為了保證電力系統(tǒng)可靠供電和良好的電能質(zhì)量，本文通過對同一時段和不同時段等微增率準則的分析，提出利用儲能設(shè)備平衡不同時段的微增率以達到火電機組的出力平穩(wěn)、機組最佳運行的目的，并基于PowerWorld用IEEE14節(jié)點的例子進行了證明。

1 同一時段內(nèi)等微增率準則原理

所謂火電機組負荷經(jīng)濟分配，指的是將總負荷PD合理地分配給M臺并聯(lián)運行的機組以使全廠總?cè)剂舷淖钚　，F(xiàn)以兩臺并聯(lián)運行的火電機組間負荷分配為例，從幾何層面上對同一時段等微增率原理做出解釋，如圖1所示。

圖1 簡化火電系統(tǒng)Fig.1 Simplified thermal power system

圖1 中，G1和G2為同一時段并聯(lián)運行的兩臺機組，PD為同一時段系統(tǒng)的總負荷，PL為網(wǎng)絡(luò)的有功損耗。在忽略網(wǎng)損的情況下，設(shè)該火電廠負擔的總負荷為PD。如圖2所示，將兩臺機組的耗量特性畫于一幅圖上。其中，F(xiàn)1（P1）、F2（P2）分別為機組1和機組2的耗量特性，P1、P2分別為機組1和機組2的有功輸出功率。將機組2的橫坐標取相反方向，令原點O2與O1間的距離為PD。

圖2中，F(xiàn)為機組1的耗量特性F1（P1）與機組2的耗量特性F2（P2）的數(shù)值疊加。在總功率為PD的條件下，橫軸上的每一點分別對應(yīng)著不同的負荷分配方案，且所有的方案都滿足P1+P2=PD，F(xiàn)=F1+F2。又火電廠總耗量的變化情況能夠由圖2的F曲線清晰體現(xiàn)，顯然由F曲線可知，F(xiàn)存在著極小值點同時也是最小值點。因而在該極小值點上，不但要滿足斜率為0，而且要滿足P1+P2=PD，F(xiàn)=F1（P1）+F2（P2）。因而

圖2 等微增率原理的幾何解釋Fig.2 The geometric interpretation of equal incremental principle

綜上所述，同一時段內(nèi)若兩臺并聯(lián)運行的火電機組的燃料消耗微增率相等，則兩機組總?cè)剂舷淖钚?。等微增率原理亦適用于同一時段多臺并聯(lián)運行的火電機組間負荷經(jīng)濟分配。但實際運行中，非故障和維護的機組是處在不斷運行狀態(tài)的，而不同時段系統(tǒng)的負荷率又是變動的，針對不同時段的負荷再利用同一時段等微增率進行負荷分配會造成機組出力的頻繁變動，燃料消耗的增加，既不符合實際，也難以實現(xiàn)機組的綜合效益最佳。

2 不同時段等微增率準則原理

考慮到機組經(jīng)濟調(diào)度的實質(zhì)與電力系統(tǒng)設(shè)置備用容量的目的及不同時段負荷率是變動的，本文提出利用儲能設(shè)備平衡不同時段的微增率以達到火電機組的出力平穩(wěn)、機組最佳運行的目的。

2.1 儲能設(shè)備在平衡等微增率中的應(yīng)用

儲能設(shè)備包括抽水蓄能電站和電池儲能元件等?？紤]到系統(tǒng)的備用容量約占裝機容量的10%且儲能設(shè)備所具備的反應(yīng)快、耗費少、運行成本低等特點，在滿足國民經(jīng)濟備用的情況下，從節(jié)能發(fā)電調(diào)度的基本原則——節(jié)約一次能源的角度出發(fā)，系統(tǒng)根據(jù)負荷率的變動情況對儲能設(shè)備進行自動地調(diào)整出力，利用其來平衡變動的負荷使得機組的出力基本保持平衡，從而實現(xiàn)機組的最佳運行目的。

2.2 不同時段等微增率準則的基本原理

現(xiàn)以不同時段、同一機組負荷分配為例，從幾何層面上對不同時段的等微增率原理做出解釋，如圖3所示。

圖3 不同時段同一機組的火電系統(tǒng)Fig.3 The same units thermal units power system of different periods

不同時段時，機組的總煤耗量F=F（Pt1）+F（Pt2）。設(shè)t1時段內(nèi)，系統(tǒng)的負荷為PD；t2時段內(nèi)，系統(tǒng)的負荷為PD+ΔP。由上節(jié)可知，同一時段內(nèi)機組利用等微增率進行負荷的優(yōu)化分配。若t1時段機組分配到的出力為P（t1），由于t2時段系統(tǒng)的負荷變?yōu)镻D+ΔP，所以分配到的負荷肯定不為P（t1），在這設(shè)為P（t2），且假設(shè)P（t1）

圖4 不同時段同一機組的微增率圖Fig.4 The slightly growth rate of the same units in different periods

從節(jié)能發(fā)電調(diào)度的基本原則出發(fā)，不同時段機組處在經(jīng)濟運行狀態(tài)時，也需要盡量確保機組各時段的耗量微增率相等。因而本文提出根據(jù)負荷率的變動情況，系統(tǒng)對儲能設(shè)備進行自動地調(diào)整出力，并利用其出力來平衡變動的負荷，使得機組的出力基本保持平衡，從而實現(xiàn)機組的最佳運行目的。這里以t1時刻為參考，利用儲能設(shè)備平衡t2時刻的能耗微增率λ2，使得λ1（P1′）=λ2（P2′）。如圖5所示。

圖5 不同時段同一機組的經(jīng)平衡后的微增率圖Fig.5 The slightly growth rate after balanceing of the same units in different periods

由微增率表達式知，耗量微增率函數(shù)為關(guān)于功率的一次函數(shù)。又因為是同一機組，所以耗量特性系數(shù)相同。若有常數(shù)，因而不同時刻等微增率穩(wěn)定了機組的出力。

又P（t1）

2.3 建立尋找參考時段的數(shù)學(xué)模型

建模思路：在滿足不同時段等微增率與儲能設(shè)備出力的上下限時，尋找微增率最小、儲能設(shè)備盡可能多出力的時段。

式中，F(xiàn)為總煤耗量；F1（n）為n時段機組1的煤耗量；F2（n）為n時段機組2的煤耗量；P1（n）為n時段機組1的出力；P2（n）為n時段機組2的出力；PD（n）為n時段系統(tǒng)的負荷；P（n）為n時段儲能設(shè)備出力；λ1（n）為n時段機組1的微增率；λ2（n）為n時段機組2的微增率；λ1、λ2為參考時段機組1、2的微增率。

3 IEEE14節(jié)點仿真實例分析

3.1 創(chuàng)建仿真算例

本文利用IEEE14節(jié)點來模擬某市的簡化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6中，節(jié)點1、節(jié)點2為火電機組1和2；節(jié)點3為風(fēng)電機組（風(fēng)電容量達系統(tǒng)負荷20%）；節(jié)點8為儲能設(shè)備（抽水蓄能電站、儲能電池）；節(jié)點9為無功補償設(shè)備。

基于PowerWorld，根據(jù)式（4）算出參考時段，利用節(jié)點8（儲能設(shè)備）平衡不同時段的微增率，最后通過IEEE14節(jié)點的例子作出證明——不同時段發(fā)電機組也應(yīng)按照等微增率準則運行，以達到火電機組的出力平穩(wěn)、機組運行最佳的目的。仿真算例中的負荷分配方式設(shè)為兩種，方式1為只滿足同一時段的等微增率、不滿足不同時段的等微增率；方式2為既滿足同一時段的等微增率、又滿足不同時刻的等微增率。

圖6 IEEE14節(jié)點單線圖Fig.6 IEEE14 nodes line diagram

由于實際生活中負荷率是變動的，因而在設(shè)計仿真算例的時候，每種方式都必須包含24時段的24個PowerWorld數(shù)據(jù)界面。而系統(tǒng)的負荷曲線擬采用該市6月份某天較為典型的日負荷曲線，如圖7所示。本文在仿真的過程中斷開節(jié)點3風(fēng)電機組與系統(tǒng)的相連，因而可以不考慮風(fēng)電的影響。除此之外，系統(tǒng)還要滿足儲能設(shè)備的儲能大于或者等于發(fā)出的電能。

圖7 某市日負荷曲線圖Fig.7 The daily load curve of a city

一般來說，儲能設(shè)備的工作狀態(tài)只有3種：不工作、儲能、發(fā)電。本文在處理儲能設(shè)備的工作狀態(tài)時設(shè)：參考時刻，儲能設(shè)備P=0處于不工作狀態(tài)；在負荷低谷期（即某時刻的負荷小于參考時段負荷），儲能設(shè)備P<0處于儲能狀態(tài)；在負荷高峰期（即某時刻的負荷大于參考時段負荷），儲能設(shè)備P>0處于發(fā)電狀態(tài)。

考慮到真實的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和IEEE14節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是帶阻抗的，且不同時刻流過各支路的功率也不一樣，根據(jù)式（5）的網(wǎng)損計算公式知，不同時刻的有功網(wǎng)損不同。

本文為避免不同的有功網(wǎng)損帶來的影響，采取忽略參考時段的阻抗值不計，并根據(jù)同一時段等微增率準則算出初次的功率分配值。以此作為初值代入到PowerWorld中，進行根的迭代并找到使得煤耗最小的解。最后根據(jù)不同時刻的等微增率準則，其他時刻需通過調(diào)整儲能設(shè)備的出力來維持機組的出力平衡，進而實現(xiàn)機組的經(jīng)濟運行。

3.2 仿真結(jié)果

本文機組的煤耗量特性參照了陳絎的《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》中5-2的例子，把機組1、2的煤耗量特性設(shè)置成：

設(shè)置完成后，根據(jù)式（4）可算出本文的參考時段即日平均負荷所對應(yīng)的時段。再分別在對應(yīng)的24個PowerWorld數(shù)據(jù)界面輸入該市的24個時段的負荷值，并進行系統(tǒng)的仿真，獲得方式1下機組1和2在24時段的煤耗量F1與方式2下機組1和2在24時段的煤耗量F2的比較，如表1所示。

表1 兩種方式24個時段煤耗量的比較Tab.1 The comparison of the 24-hour coal consumption in the two ways

由表1知，方式2的一天的總煤耗要比方式1的經(jīng)濟，而且經(jīng)濟的比例K為

并且由表1可知，分別以0時段到8時段為參考時段的煤耗量是要比計算出的參考時段的煤耗量要低的。若選擇它們中的任意一個時段為參考時段時，系統(tǒng)24小時的總煤耗是要比選擇參考時段的要經(jīng)濟，但這時會出現(xiàn)儲能設(shè)備的儲能都是小于發(fā)出的電能，這與實際不符。如圖8所示，在0下方的面積為設(shè)備的所儲能量，上方為設(shè)備的發(fā)出電能。0到8時段為參考時段時，由圖中可以明顯看到發(fā)電是要比儲能面積大，與實際不符。選擇其他時段時，煤耗量都要比參考時段的要高，因而說明了參考時段模型建立與選擇的重要性與正確性。

圖8 分別以0到8時段為參考時儲能設(shè)備出力曲線Fig.8 Power curve of the energy storage device with 0～8 H for the reference respectively

機組1、2在方式1和2下的出力曲線如圖9所示。由圖知，在方式2下，機組1、2的出力平穩(wěn)，這對于機組的綜合效益是最佳的。

圖9 機組1、2在方式1和2下的出力曲線Fig.9 The output curve of unit i and unit 2 in way 1 and way 2

儲能設(shè)備在方式1、2下的出力曲線如圖10所示。

圖10 儲能設(shè)備在方式1和2下的出力曲線Fig.10 The output curve of energy storage devices in way 1 and way 2

圖10 中，在縱坐標取值0下方的面積為設(shè)備的儲能，在0上方的面積為設(shè)備的發(fā)出的電能。由圖可以算的，24個時段的能量和為-47.66，即儲能設(shè)備還儲有部分的能量，滿足24時段儲能大于等于發(fā)出的電能。

根據(jù)機組的效率公式η=P/F，可繪出方式1、2下的機組的效率曲線，如圖11所示。

圖11 機組1、2在方式1和2下的效率曲線Fig.11 The efficiency curve of units 1 and in way 1 and way 2

由圖11知，機組運行時，機組的出力不同，運行效率也不同。機組的最高效率點一般在額定功率附近。如果不改變參加運行的機組數(shù)目，當系統(tǒng)總負荷較高時，各機組的運行效率將較高；而當系統(tǒng)總負荷減少時，各機組運行點將降低，效率當然也會降低。

4 結(jié)論

本文介紹了同一時間段內(nèi)火電機組按照等微增率準則進行負荷優(yōu)化分配的原理，提出了利用儲能設(shè)備平衡不同時段的微增率以達到火電機組的出力平穩(wěn)，機組運行最佳，進而實現(xiàn)發(fā)電側(cè)綜合效益最佳的目的。并基于PowerWorld通過IEEE14節(jié)點的例子對不同時段等微增率準則的經(jīng)濟性作出了證明。需要說明的是，不同參考時段的選擇及負荷預(yù)測的準確性對實際結(jié)果的誤差還存在較大的影響。

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