大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能模式平抑新能源功率預(yù)測(cè)誤差研究

樊國(guó)旗，劉桂龍，樊國(guó)偉，王志遠(yuǎn)，趙普志，衛(wèi) 瑞，印 欣，曾林俊

(1.國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017； 2.中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 200031；3.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011； 4.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200；5.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引 言

新能源可再生特點(diǎn)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]，但是新能源功率預(yù)測(cè)誤差對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力帶來(lái)巨大的壓力[2]，導(dǎo)致新能源功率預(yù)測(cè)誤差造成新能源限電。

目前主要通過(guò)電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)及電力市場(chǎng)建設(shè)來(lái)促進(jìn)新能源消納[3-6]。文獻(xiàn)[7-8]利用需求側(cè)響應(yīng)平衡新能源功率預(yù)測(cè)誤差，促進(jìn)新能源消納。文獻(xiàn)[9]通過(guò)電熱綜合系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度應(yīng)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)不確定性，減少棄風(fēng)。文獻(xiàn)[10]利用儲(chǔ)能減少風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差。文獻(xiàn)[11]首先利用高斯分布擬合風(fēng)電預(yù)測(cè)功率，然后利用源荷互動(dòng)促進(jìn)風(fēng)電消納。文獻(xiàn)[12]將風(fēng)電預(yù)測(cè)值和實(shí)際值聚類(lèi)成多目標(biāo)場(chǎng)景，然后利用風(fēng)電-水電聯(lián)合調(diào)度驗(yàn)證其優(yōu)良調(diào)峰能力和經(jīng)濟(jì)效果。

某地區(qū)含有大量自備電廠，通過(guò)大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能平抑新能源功率預(yù)測(cè)誤差，可促進(jìn)新能源消納。下面提出大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能平抑新能源功率預(yù)測(cè)誤差優(yōu)化調(diào)度方法，針對(duì)新能源預(yù)測(cè)功率誤差問(wèn)題，采取自備電廠虛擬平抑預(yù)測(cè)誤差，并對(duì)比不含虛擬儲(chǔ)能調(diào)度方法的系統(tǒng)成本及新能源限電情況，通過(guò)對(duì)某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行算例仿真，驗(yàn)證所提調(diào)度方法的可行性；并分析虛擬儲(chǔ)能參與比例、新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和新能源預(yù)測(cè)功率納入率等關(guān)鍵因素對(duì)新能源限電的影響。

1 新能源功率預(yù)測(cè)誤差及其平抑調(diào)度方法

1.1 新能源功率預(yù)測(cè)誤差分布

日前新能源預(yù)測(cè)功率基于輸入風(fēng)速、光照強(qiáng)度等擬合得到超短期新能源功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)誤差較大。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得到預(yù)測(cè)的置信度Apos。

(1)

式中：Pn，f為新能源預(yù)測(cè)功率；Pn為新能源實(shí)際功率。

置信度Apos為95%時(shí)，新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性如圖1所示。

圖1 置信度95%時(shí)新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性

由圖1可知95%置信度時(shí)新能源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別為0.236 7(Pn，fPn)。

1.2 新能源納入發(fā)電計(jì)劃方法

由于新能源比例不斷增高，因此需要將新能源納入發(fā)電計(jì)劃中。如果將新能源完全納入發(fā)電計(jì)劃，則可能因預(yù)測(cè)功率高于實(shí)際功率過(guò)大產(chǎn)生新能源限電，或者因預(yù)測(cè)功率低于實(shí)際功率過(guò)多導(dǎo)致失負(fù)荷。電網(wǎng)目標(biāo)為可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)境友好，其首要目標(biāo)為可靠和安全，其次為經(jīng)濟(jì)和高效。因此為了電網(wǎng)可靠安全，將新能源按照一定置信度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率納入發(fā)電計(jì)劃，盡量避免失負(fù)荷導(dǎo)致電網(wǎng)安全可靠問(wèn)題。

首先，按照95%置信度的新能源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率納入發(fā)電計(jì)劃；其次，將預(yù)測(cè)非自備負(fù)荷與納入新能源預(yù)測(cè)功率擬合，得到考慮新能源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的預(yù)測(cè)非自備等效負(fù)荷PL，g，e，n，由于負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高，因此用實(shí)際非自備負(fù)荷代替預(yù)測(cè)非自備負(fù)荷。

(2)

PL，g，e，n=PL，g-Pn，n

(3)

式中，PL，g為非自備負(fù)荷。

由于自備企業(yè)負(fù)荷由自備電廠機(jī)組供電，因此需要獨(dú)立考慮。自備負(fù)荷和非自備負(fù)荷組成系統(tǒng)負(fù)荷為

PL=PL，g+PL，z

(4)

式中，PL，z為自備負(fù)荷。

1.3 考慮虛擬儲(chǔ)能平抑新能源誤差調(diào)度方法

自備企業(yè)通過(guò)調(diào)整自備電廠機(jī)組出力參與大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能，平抑新能源預(yù)測(cè)功率誤差。當(dāng)新能源預(yù)測(cè)功率大于實(shí)際功率時(shí)，首先減少火電機(jī)組出力，當(dāng)仍不能滿足要求時(shí)，降低自備電廠機(jī)組出力；如果仍然不能滿足要求，則將該部分新能源采取限電處理。當(dāng)新能源預(yù)測(cè)功率小于實(shí)際功率時(shí)，首先增加火電機(jī)組出力；當(dāng)仍不能滿足要求時(shí)，增加自備電廠機(jī)組出力，此時(shí)如果仍然不能滿足要求，則對(duì)該部分負(fù)荷采取失負(fù)荷處理。

2 調(diào)度計(jì)劃

2.1 目標(biāo)函數(shù)

調(diào)度目標(biāo)：新能源限電量最小。

(5)

式中，Pn，a為新能源限電功率。

新能源限電及虛擬儲(chǔ)能調(diào)用總成本Ce為

Ce=Cn，a+Cx

(6)

式中：Cn，a為新能源限電成本；Cx為虛擬儲(chǔ)能調(diào)用成本。

系統(tǒng)總成本Cs為

Cs=Ce+Cf(z)

(7)

式中，Cf為火電(自備)機(jī)組運(yùn)行成本。

參與虛擬儲(chǔ)能自備電廠同為火電機(jī)組，因此火電(自備)機(jī)組運(yùn)行成本統(tǒng)一表示為

(8)

式中：T1為火電(自備)機(jī)組運(yùn)行總時(shí)間；N1為火電(自備)機(jī)組數(shù)量；Pf(z)，i為第i臺(tái)火電(自備)機(jī)組的功率大??；ai、bi、ci分別為火電發(fā)電二次、一次和常數(shù)成本系數(shù)。

新能源限電成本為

(9)

式中：cn，a為新能源限電單位限電成本；T2為新能源限電時(shí)間。

虛擬儲(chǔ)能調(diào)用成本為

(10)

式中：Px為虛擬儲(chǔ)能調(diào)用功率；cx為虛擬儲(chǔ)能調(diào)用單位成本；T3為虛擬儲(chǔ)能調(diào)用時(shí)間。

2.2 約束條件

1)系統(tǒng)功率平衡約束

日前功率平衡約束為：

(11)

(12)

日內(nèi)功率平衡約束為：

PF+Px+Pn=PL，g-Pn，a

(13)

(14)

2)火電機(jī)組約束

火電(自備)機(jī)組出力Pf(z)，i約束為

(15)

爬坡約束為

(16)

3)虛擬儲(chǔ)能調(diào)用約束

(17)

3 算例分析

3.1 地區(qū)情況

某地區(qū)新能源短期預(yù)測(cè)功率、新能源實(shí)際功率、非自備負(fù)荷和自備負(fù)荷如圖2所示，設(shè)虛擬儲(chǔ)能調(diào)用成本為50元/MWh，新能源限電成本為500元/MWh。

火電(自備)機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 負(fù)荷和新能源曲線

表1 火電(自備)機(jī)組參數(shù)

3.2 效益評(píng)估

兩種調(diào)度方法均以新能源限電量最小為原則，由于是混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，這里采用lingo12進(jìn)行計(jì)算，日前計(jì)劃主要考慮電網(wǎng)安全。最大負(fù)荷與開(kāi)機(jī)數(shù)量如表2所示。

表2 火電(自備)機(jī)組開(kāi)機(jī)數(shù)量

日前調(diào)度無(wú)虛擬儲(chǔ)能參與新能源消納和新能源消納空間如圖3所示；日前調(diào)度虛擬儲(chǔ)能參與新能源消納和新能源消納空間如4所示。

圖3 無(wú)虛擬儲(chǔ)能日前新能源消納

圖4 含虛擬儲(chǔ)能日前新能源消納

無(wú)虛擬儲(chǔ)能日前新能源限電33 613.4 MWh，新能源限電率19%；調(diào)用虛擬儲(chǔ)能電量與新能源限電量相同。

日內(nèi)調(diào)度無(wú)虛擬儲(chǔ)能參與新能源消納空間和新能源限電如圖5所示。

圖5 無(wú)虛擬儲(chǔ)能日內(nèi)新能源消納

日內(nèi)調(diào)度虛擬儲(chǔ)能參與新能源消納和新能源消納空間如6所示。

圖6 含虛擬儲(chǔ)能日內(nèi)新能源消納

無(wú)虛擬儲(chǔ)能日內(nèi)新能源限電81 807.3 MWh，新能源限電率35%；調(diào)用虛擬儲(chǔ)能電量與新能源限電量相同。

不同調(diào)度方法下成本對(duì)比如表3所示。

表3 調(diào)度成本對(duì)比

由表3可知，日前調(diào)度采用大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能模式，成本可減少2 146.9萬(wàn)元；日內(nèi)調(diào)度采用大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能模式，成本可減少5 036.3萬(wàn)元。

3.3 關(guān)鍵影響因素的靈敏度分析

1)虛擬儲(chǔ)能參與比例影響

虛擬儲(chǔ)能參與比例與新能源限電率關(guān)系如圖7所示。

圖7 虛擬儲(chǔ)能參與比例與新能源限電率關(guān)系

由圖7可知，虛擬儲(chǔ)能參與比例為0時(shí)，新能源限電率為34.9%；虛擬儲(chǔ)能參與比例為80%時(shí)，新能源限電率為0。該新能源出力狀況下，虛擬儲(chǔ)能參與調(diào)度可實(shí)現(xiàn)全部消納新能源。

2)新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率影響

新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率與滿足無(wú)新能源限電時(shí)虛擬儲(chǔ)能參與比例關(guān)系如圖8所示。

圖8 新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率與虛擬儲(chǔ)能參與比例關(guān)系

當(dāng)新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%時(shí)，虛擬儲(chǔ)能參與比例為33.9%時(shí)不發(fā)生新能源限電。當(dāng)新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為0時(shí)，所需虛擬儲(chǔ)能參與比例需達(dá)到104.5%，新能源才不會(huì)被限電，即當(dāng)虛擬儲(chǔ)能全部參與比例為100%時(shí)，仍會(huì)有102.3 MWh新能源被限，限電率為0.04%。

3)新能源預(yù)測(cè)功率納入率影響

新能源功率預(yù)測(cè)功率納入率與滿足無(wú)新能源限電時(shí)虛擬儲(chǔ)能參與比例關(guān)系如圖9所示。

圖9 新能源預(yù)測(cè)功率納入率與虛擬儲(chǔ)能參與比例關(guān)系

當(dāng)新能源預(yù)測(cè)功率納入率為100%時(shí)，虛擬儲(chǔ)能參與比例為49.3%時(shí)不發(fā)生新能源限電。當(dāng)新能源預(yù)測(cè)功率納入率為0時(shí)，所需虛擬儲(chǔ)能參與比例需為104%才不會(huì)發(fā)生新能源限電，即當(dāng)虛擬儲(chǔ)能參與比例為100%時(shí)，仍會(huì)有409.1 MWh新能源被限，此時(shí)新能源限電率為0.1%。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率不高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足，進(jìn)而導(dǎo)致新能源限電；大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能可以平抑新能源功率預(yù)測(cè)誤差，減少新能源限電。

2)大規(guī)模虛擬儲(chǔ)能參與比例提高可減少新能源限電率，因此需要提高虛擬儲(chǔ)能參與比例，促進(jìn)新能源消納。

3)新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率越高、新能源預(yù)測(cè)功率納入率越高，所需參與的虛擬儲(chǔ)能越低；因此需要提高新能源功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，間接提高新能源預(yù)測(cè)功率納入率。