考慮風電消納的電力系統(tǒng)源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化方法

葛佳運

（中廣核新能源控股公司，吉林 長春 130000）

0 引 言

風力發(fā)電是當今時代發(fā)電的主要方式之一，符合建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的發(fā)展理念，得到了國家的大力支持。隨著風電的快速發(fā)展，在具體實施中存在諸多問題。對于大規(guī)模的風電輸出，常規(guī)電源的調(diào)節(jié)能力和電網(wǎng)傳統(tǒng)的調(diào)度運行方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實需要，面臨著一系列技術(shù)難題，如電網(wǎng)消納水平有限、外送通道狹窄、外送能力受阻等。因此，須積極尋找新的優(yōu)化方案來解決問題。研究發(fā)現(xiàn)，解決風電消納的有效途徑是形成源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模式，其中高載能負荷要參與電網(wǎng)調(diào)控。高載能負電荷具有可調(diào)節(jié)和可中斷特點，能夠消納風電，有效提高風電利用率。對于常規(guī)電源的壓力要求，運用高載能負電荷也可以適當降低要求。高載能負電荷非常穩(wěn)定，有利于風電反調(diào)峰特性的應(yīng)對。它的自動化程度是目前最高的技術(shù)水平，可以在管理方面節(jié)省資源。

目前，對于風電的研究主要集中于常規(guī)電源，把高載能負荷作為重要輔助手段，優(yōu)化調(diào)度電網(wǎng)，同時進入運行模式。通過分析源荷協(xié)調(diào)運行對風電消納的影響機理，建立源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化模型，以風電消納電量最大和系統(tǒng)運行成本最小為目標，采用多目標差分算法進行求解，根據(jù)結(jié)果選擇最優(yōu)方案，從而減少一定量的棄風，最大化效益。

1 源荷協(xié)調(diào)運行對風電消納的影響

1.1 風電出力的特征

現(xiàn)階段，生活生產(chǎn)的用電量需求日益增加，風電規(guī)模也在不斷擴大。風電發(fā)電量的大數(shù)據(jù)顯示，風電出力波動范圍在近幾年得到了大范圍擴增，甚至出現(xiàn)從接近零出力到額定出力之間變化的情況。這種大范圍的風電波動造成的負面影響十分明顯，可能會導致等效負荷日檢差異和不確定性增大。另外，風電的發(fā)電量也會因為季節(jié)和時差存在差別，出現(xiàn)明顯的反調(diào)峰特性。比如，凌晨三點鐘，風電發(fā)力普遍達到最大值；下午三點，風電發(fā)力最弱。因此，對于系統(tǒng)調(diào)節(jié)來說，這種大規(guī)模風電并網(wǎng)的運行模式，無疑增加了對系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的需求。

1.2 源荷運行特性

對于常規(guī)電源，它的水電機組自帶強大的調(diào)節(jié)功能，具有運行速度快的特點，但缺點也十分明顯。整個發(fā)電過程受到外界因素影響較大，如它的儲水量在降水較少的季節(jié)只能達到裝機容量的25%～30%。同樣，也會影響常規(guī)電源的火電機組。通常，它的調(diào)整容量為裝機容量的30%～50%，但在有關(guān)調(diào)節(jié)方面的速度較慢，無法及時調(diào)節(jié)。

高載能負荷在運行中具有兩個特性，一是可調(diào)節(jié)性，二是可中斷特性。這兩個特性對于消納風電電量較為適用。具體運行中，它可以對功率調(diào)節(jié)控制在0%～100%。因為它的運行可以采用多條線的串聯(lián)方式，所以同時進行的生產(chǎn)方式不會造成太大容量負擔，且能達到一個較好的響應(yīng)速度。

1.3 源荷協(xié)調(diào)運行對風電消納的影響

通過對常規(guī)電源和高載能負荷的運行分析可知，運行過程中，常規(guī)電源會有較差的調(diào)節(jié)能力而達不到調(diào)節(jié)需求，影響整個風電發(fā)力。特別是在風電出力出現(xiàn)較大波動時，常規(guī)電源通常滿足不了對風電出力波動和負荷的需求。此時，為了保證電力系統(tǒng)的供需平衡，進一步提高風電消納能力，減少棄風，可以通過投入或切除高載能負荷這一操作來實現(xiàn)。

采用傳統(tǒng)的調(diào)度方式，風電接入后系統(tǒng)等效負荷等于系統(tǒng)原有的有功負荷減去風電出力的負荷。這種情況下風電會超出一定的范圍，造成嚴重的負荷超載。此時，電網(wǎng)不能強制接受全部風電，否則將可能導致系統(tǒng)癱瘓。風電處于不正常發(fā)力狀態(tài)，還會造成一系列嚴重后果。因此，出于對電網(wǎng)運行的考慮，要保證一定的安全性和經(jīng)濟效益，電網(wǎng)最好放棄棄風，大大減小風電受限電量，以免對電網(wǎng)造成損害[1]。

所以，源荷協(xié)調(diào)運行模式是一種電網(wǎng)的保護運行模式。常規(guī)電源對電力調(diào)節(jié)支持不了運行時，可通過高載能負荷來消納受限風電，減小風電電量，提高電網(wǎng)對風電消納的能力。

2 考慮風電消納的源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化目標

優(yōu)化方案最重要的是對運行成本的節(jié)約。源荷協(xié)調(diào)運行模式的機理是在風電系統(tǒng)內(nèi)能夠有調(diào)節(jié)能力，從而更好地消納更多風電。但是，這種方式相比于單一的常規(guī)電源模式和源荷運行模式，會極大地增加運行成本。因此，這種運行方式大面積實施的關(guān)鍵是降低成本。風電消納電量是指在源荷調(diào)節(jié)能力下電網(wǎng)調(diào)度的風電有功電量。為保證有功電量的最大，要根據(jù)一定的調(diào)度時段數(shù)和風電場個數(shù)進行調(diào)節(jié)。

最基礎(chǔ)的運行成本是常規(guī)電源的成本，這是風電項目的必要條件。此外，還有針對源荷協(xié)調(diào)的模型進行高載能負荷的投切成本。對于這兩個成本，主要是控制好常規(guī)發(fā)電的臺數(shù)和在運行中載能負荷的運行狀態(tài)，適時停機和開機，以減少成本投入。

2.2 約束條件

源荷協(xié)調(diào)的相關(guān)約束條件有三個，分別是系統(tǒng)功率平衡約束、常規(guī)電源運行約束和高載能負荷投切約束。

系統(tǒng)功率平衡約束條件指的是一種誤差。風電的隨機性導致風電預(yù)測出現(xiàn)一定誤差，誤差會影響系統(tǒng)的正常運行。為了避免這種誤差，特別是大規(guī)模風電出力造成的波動，在具體的實施過程中可以通過增加正、負備用容量來應(yīng)對。風電出力的約束條件是指在一定時間段內(nèi)進行有功預(yù)測出力要小于額定的最大值。另外，針對常規(guī)電源運行約束條件，輸出功率不能隨意設(shè)定，而要在指定額度內(nèi)設(shè)定。要對常規(guī)發(fā)電機在運行過程中對最小運行時間和最小停機時間有一個明確規(guī)定。對于爬坡速度，要控制上升出力限制和下降出力限制的范圍。針對源荷協(xié)調(diào)項目特有的高載能負荷投切約束條件，主要是針對投切次數(shù)和投切時間的約束。投切過程中，次數(shù)一定要控制在投切最大次數(shù)內(nèi)，而投切時間則要大于最小連續(xù)投入時間和最小連續(xù)中斷時間。

2.3 源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化模型

在多目標模型的建立過程中包含多個條件，同時包含多種條件下的最優(yōu)情況。通常來說，不可能保證每一個的條件都達到最優(yōu)。針對多目標函數(shù)來說，最優(yōu)解其實是一個選擇，是在其他條件并不能進一步優(yōu)化更不可能惡化的條件下選擇最優(yōu)的一組解。

3 模型求解

3.1 多目標差分進化算法

這種模型求解能夠處理連續(xù)和離散變量共存的優(yōu)化問題，操作簡單，較為實用，且可以在全局尋找最優(yōu)方案。這種方法定義為一種隨機的并行直接全局搜索算法，目前已廣泛應(yīng)用于單目標優(yōu)化問題和多目標優(yōu)化問題的求解。在源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化模型中，它對最后結(jié)果存在非整數(shù)的情況進行求整運算，可以較好地處理連續(xù)和離散變量共存的優(yōu)化問題。

3.2 最優(yōu)折衷解的選取

在電網(wǎng)的實際操作中，最終目的是選擇一個合適的解決方案，需要結(jié)果中的最優(yōu)折衷解，即對于風電消納有較好的效果，也是經(jīng)濟效益最好的方案。這個選擇可以通過對滿意度的比較來獲得，即對每一個函數(shù)進行滿意度解析，從最滿意到完全不滿意，找出最滿意的解，即最后結(jié)果。

4 算例分析

算例分析是指驗證提出的源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化方法的可行性和有效性。根據(jù)上文分析可以看出，最優(yōu)折衷解是對系統(tǒng)的整體考慮結(jié)果，可以直觀、清晰地反映系統(tǒng)的情況。通過分析最優(yōu)折衷解，可避免決策過程中的一些主觀判斷，實現(xiàn)人員的合理安排。

最終的源荷協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化模型可行性可以從三個方面來探究。首先，源荷運行情況。在常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力不足時，為滿足系統(tǒng)功率平衡和負荷供電需求，部分高載能負荷從電網(wǎng)切除，可以保證常規(guī)電源的穩(wěn)定運行。其次，風電消納情況。傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型電網(wǎng)消納的風電電量較小，無法滿足輸出需求，且受限電量也會增加，而采用此模型風電電量增加，受限電量減少，提高了風電消納水平，減少了棄風量。最后，整個系統(tǒng)的投入。源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化模型用較少的高載能負荷調(diào)節(jié)成本換取了更少的常規(guī)電源發(fā)電成本和更高的風電消納水平[2]。

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段，針對風力發(fā)電的諸多問題，如大規(guī)模風電消納困難、常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力不足等問題，需要一個更優(yōu)化的方案給予解決。源荷協(xié)調(diào)能夠有效提高風電消納水平，減少棄風，是一種較好的選擇。所以，將高載能負荷作為調(diào)節(jié)手段與常規(guī)電源共同參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，是將來相關(guān)風電系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。