新能源電力系統(tǒng)分級(jí)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法

閻 欣

（煙臺(tái)仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

根據(jù)英國(guó)石油公司的數(shù)據(jù)，2020年，世界范圍內(nèi)的石油需求下降，而對(duì)可再生能源（例如風(fēng)力、太陽(yáng)能等）的需求快速增加[1]。2020年，全球風(fēng)力和太陽(yáng)能裝機(jī)量增加了約238 GW。其中，太陽(yáng)能裝機(jī)量、風(fēng)力裝機(jī)量分別增加了127 GW、111 GW?？稍偕茉丛黾訉?duì)降低碳排放起到了明顯的作用，2020年，全球一次能源消耗減少了4.5%，碳排放減少了6.3%[2]。隨著可再生能源發(fā)電容量不斷擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)量創(chuàng)下歷史新高，而中國(guó)的增幅則達(dá)到了2.1%，是世界上能源需求增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一[3]。2020年，全球可再生能源消費(fèi)增速為9.7%，其中太陽(yáng)能發(fā)電增速為1.3 EJ，創(chuàng)下了歷史新高。中國(guó)的可再生能源消費(fèi)比去年同期增加了1.0 EJ，屬于全球可再生能源增長(zhǎng)貢獻(xiàn)最大的國(guó)家之一[4]。其次為美國(guó)，增加了0.4 個(gè)能級(jí)，而歐洲則為0.7 個(gè)能級(jí)。

為了擴(kuò)大新能源的使用范圍，該文將以某新能源電力系統(tǒng)為例，從分級(jí)多目標(biāo)角度入手，設(shè)計(jì)一種全新的優(yōu)化調(diào)度方法，以優(yōu)化相關(guān)工作。

1 含太陽(yáng)能熱發(fā)電的新能源電力系統(tǒng)日前調(diào)度模型

為了方便后續(xù)對(duì)新能源電力系統(tǒng)分級(jí)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，需要構(gòu)建日前調(diào)度模型。模型中包括電力系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)、太陽(yáng)能熱發(fā)電模型、光伏發(fā)電模型、風(fēng)電模型以及電池儲(chǔ)能電站模型等[5]。日前調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示。

式中：cost為新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的總成本；costG t為t時(shí)刻火電機(jī)組類別下的發(fā)電成本；costtPV為t時(shí)刻光伏機(jī)組類別下的發(fā)電成本；costtGSP為t時(shí)刻熱電站類別下的發(fā)電成本；costtWD為t時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組類別下的發(fā)電成本。

直接結(jié)合數(shù)學(xué)理論可以得到其他類型的模型，該文主要構(gòu)建太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型[6]。太陽(yáng)能熱發(fā)電的成本函數(shù)可以通過(guò)發(fā)電功率的線性函數(shù)進(jìn)行描述，如公式（2）所示。

式中：kGSP為太陽(yáng)能發(fā)電的成本系數(shù)；PCSP t為太陽(yáng)能熱發(fā)電輸出的電功率。

發(fā)電系統(tǒng)模型如公式（3）所示。

式中：PSP t為t時(shí)刻集熱系統(tǒng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電提供的電功率；PTP t為t時(shí)刻儲(chǔ)熱系統(tǒng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電提供的電功率。

PtSP、PtTP的值如公式（4）、公式（5）所示。

式中：η1和η2為發(fā)電系統(tǒng)的2 個(gè)熱電轉(zhuǎn)換效率；qSP t為t時(shí)刻集熱系統(tǒng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電提供的功率；PTP t為t時(shí)刻儲(chǔ)熱系統(tǒng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電提供的功率。

為了確保上述模型成立，設(shè)置以下約束條件：首先，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)熱量進(jìn)行約束，設(shè)置閾值范圍，如公式（6）所示。其次，對(duì)發(fā)電功率容量進(jìn)行約束，設(shè)置閾值范圍，如公式（7）所示。最后，模型中所有的輸入和輸出值均大于或等于0。

式中：qPBmin為太陽(yáng)能熱發(fā)電的最低輸入熱量功率；qPBmax為太陽(yáng)能熱發(fā)電的最高輸入熱量功率。

式中：pCSPmin為太陽(yáng)能熱發(fā)電的最低輸出電功率。pCSPmax為太陽(yáng)能熱發(fā)電的最高輸出電功率。

2 基于并網(wǎng)導(dǎo)則的新能源電力系統(tǒng)站場(chǎng)層優(yōu)化調(diào)度

在該文構(gòu)建的含太陽(yáng)能熱發(fā)電的新能源電力系統(tǒng)日前調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合并網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)新能源電力系統(tǒng)站場(chǎng)層進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。在確定新能源發(fā)電量的過(guò)程中，既要考慮電力的歷史限制，又要考慮電力的預(yù)測(cè)限制。在該基礎(chǔ)上，分析電力系統(tǒng)的歷史功率并結(jié)合并網(wǎng)導(dǎo)則的要求，以確定最小輸出功率的最大值[7]。在該基礎(chǔ)上，利用預(yù)測(cè)的電力合理地對(duì)當(dāng)前的電力進(jìn)行計(jì)算，防止電力系統(tǒng)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)因電力波動(dòng)過(guò)大而不能滿足電力系統(tǒng)導(dǎo)則的要求。在考慮前一時(shí)段并網(wǎng)約束需要結(jié)合并網(wǎng)導(dǎo)則計(jì)算得出能夠充分滿足在前一時(shí)段內(nèi)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)采樣得出處理范圍的要求，假設(shè)時(shí)間尺度為Tr，允許有功功率最大限制值為Dr，那么存在并網(wǎng)爬坡的約束，如公式（8）所示。

式中：P（i）為功率，i≥t-Tr或者i≤t；P（t）為t時(shí)刻電站的輸出。

公式（8）允許有功功率最大限定值Dr為在rmin 時(shí)間尺度內(nèi)并網(wǎng)導(dǎo)則要求的爬坡功率。電力系統(tǒng)的預(yù)測(cè)周期和并網(wǎng)指南的時(shí)間標(biāo)度可能不一致，為了滿足并網(wǎng)指南的需求，必須合理地對(duì)其進(jìn)行分解。假設(shè)新能源預(yù)測(cè)功率周期為Tf，并網(wǎng)導(dǎo)則的最小時(shí)間尺度為Tmin。在該基礎(chǔ)上，如果Tf的取值大于或等于Tmin，就需要對(duì)Tf進(jìn)行分解。在完成分解后，疊加時(shí)間段的并網(wǎng)導(dǎo)則，可以充分滿足最終并網(wǎng)的要求。在進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的過(guò)程中，檢測(cè)當(dāng)前時(shí)刻儲(chǔ)能能量的狀態(tài)并與預(yù)設(shè)參考值進(jìn)行對(duì)比，可以得出能夠?qū)崿F(xiàn)最快恢復(fù)儲(chǔ)能狀態(tài)的理想功率，如公式（9）所示。

式中：PSOC（t）為理想功率；EBmax為儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量容量；Tcon為新能源發(fā)電量與儲(chǔ)能器發(fā)電量最優(yōu)計(jì)算模塊的時(shí)間同步；SOC（t）為當(dāng)前時(shí)刻儲(chǔ)能能量狀態(tài)；SOCref為預(yù)設(shè)參考值。

在放電的過(guò)程中，設(shè)置PSOC（t）的取值為正數(shù)。根據(jù)上述研究，可以確定新能源電力系統(tǒng)的處理范圍，并進(jìn)一步結(jié)合調(diào)度目標(biāo)對(duì)其出力進(jìn)行合理調(diào)度。

3 基于雙層梯階的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度

針對(duì)系統(tǒng)級(jí)別的調(diào)度以最優(yōu)成本作為調(diào)度目標(biāo)，總成本中包括光熱發(fā)電成本、光伏成本以及風(fēng)電成本等。分別從日內(nèi)和日前2 個(gè)方面對(duì)新能源電力系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。針對(duì)日前的調(diào)度，優(yōu)化時(shí)考慮符合平衡、旋轉(zhuǎn)備用2 個(gè)系統(tǒng)約束，同時(shí)結(jié)合各個(gè)子系統(tǒng)調(diào)度約束，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)（具體內(nèi)容參照上述日前調(diào)度模型）。

針對(duì)日內(nèi)調(diào)度的優(yōu)化主要依靠實(shí)時(shí)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在雙層梯階優(yōu)化系統(tǒng)中引入成本約束條件。其中，太陽(yáng)能熱發(fā)電日內(nèi)調(diào)度在t時(shí)段的成本函數(shù)如公式（10）所示。

根據(jù)公式（10）可以完成對(duì)新能源電力系統(tǒng)的日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度工作。

4 算例分析

4.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)導(dǎo)則與電站實(shí)時(shí)反饋調(diào)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門提出的最新文件對(duì)含太陽(yáng)能熱發(fā)電的電力系統(tǒng)的有功功率變化限值進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖1所示），相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 含太陽(yáng)能熱發(fā)電的電力系統(tǒng)有功功率變化限值要求

圖1 含太陽(yáng)能熱發(fā)電的電力系統(tǒng)有功功率變化限值要求

根據(jù)上述內(nèi)容分析光伏電站有功功率變化限值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 光伏電站有功功率變化限值要求分析

根據(jù)《并網(wǎng)指南》中提出的相關(guān)規(guī)定，含太陽(yáng)能熱發(fā)電的電力系統(tǒng)并網(wǎng)變化量限制在很大程度上取決于裝機(jī)容量。然而，光伏發(fā)電的變化量限制要求比較復(fù)雜，除了與裝機(jī)容量、運(yùn)行時(shí)間等因素有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，還與電網(wǎng)的額定電壓等級(jí)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)電站實(shí)時(shí)反饋調(diào)度結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 新能源電力系統(tǒng)電站實(shí)時(shí)反饋調(diào)度結(jié)構(gòu)

通過(guò)實(shí)時(shí)反饋新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，可以緩解并網(wǎng)的波動(dòng)問(wèn)題、減少控制功率越限行為的發(fā)生次數(shù)，確保新能源電力系統(tǒng)的調(diào)度達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

4.2 優(yōu)化調(diào)度成效分析

在完成上述研究工作后，根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，從雙層遞階入手，在考慮太陽(yáng)能熱發(fā)電中電源對(duì)其發(fā)電行為的影響后，將新能源電力系統(tǒng)中的負(fù)荷平衡作為約束條件，建立雙層遞階模型，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙層遞階模型結(jié)構(gòu)示意圖

在該基礎(chǔ)上，考慮發(fā)電過(guò)程中的新能源電力系統(tǒng)日前調(diào)度存在偏差，因此，需要在完成日前調(diào)度計(jì)劃后，從計(jì)劃日（當(dāng)日）開(kāi)始，將15 min 作為1 個(gè)修正單元，不斷對(duì)誤差進(jìn)行修正，日前調(diào)度誤差修正示意圖如圖4所示。

圖4 新能源電力系統(tǒng)日前調(diào)度誤差修正示意圖

在確保新能源電力系統(tǒng)日前調(diào)度誤差修正工作具有足夠的規(guī)范性后，對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，分析調(diào)度前、調(diào)度后電力系統(tǒng)的發(fā)電情況可知，調(diào)度后，新能源電力系統(tǒng)基本可以排除太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程中潛在的隨機(jī)性，從而提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性、可靠性。在該基礎(chǔ)上分析優(yōu)化調(diào)度后電力系統(tǒng)的發(fā)電成本發(fā)現(xiàn)，根據(jù)該文提出的方法進(jìn)行系統(tǒng)分級(jí)、多目標(biāo)調(diào)度，可以在一定程度上降低發(fā)電成本，為電力企業(yè)在市場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造更高的收益。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析全球能源統(tǒng)計(jì)資料可以發(fā)現(xiàn)，各國(guó)對(duì)以原油為主的一次能源需求呈明顯下降的趨勢(shì)，而以太陽(yáng)能、風(fēng)力為代表的可再生能源發(fā)展速度很快，潛力很大。中國(guó)是目前全球最大的能源生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家，隨著“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建高比重的可再生能源系統(tǒng)是“十四五”時(shí)期發(fā)展的必然選擇，構(gòu)建“風(fēng)、水、火、儲(chǔ)”多能互補(bǔ)的新能源基地將是“十四五”時(shí)期新能源發(fā)展的必然選擇。為了落實(shí)該工作，該文通過(guò)研究明確了開(kāi)發(fā)新能源系統(tǒng)的必要性，可以為電力新能源行業(yè)的發(fā)展積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。