計及送受端新能源和負(fù)荷相關(guān)性高壓直流功率修正方法

黃 慧, 羅劍波, 常海軍, 李兆偉, 劉 今

(1. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 2. 智能電網(wǎng)保護(hù)與運行控制國家重點實驗室, 江蘇省南京市 211106; 3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇省南京市 210024)

0 引言

近年來,中國風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電快速發(fā)展,逐漸形成逆向分布、集中并網(wǎng)的電源格局,新能源的消納送出受到嚴(yán)重制約,迫切需要通過高壓直流跨區(qū)送出,以擴大新能源消納范圍,實現(xiàn)全國范圍資源優(yōu)化配置,在這樣的背景下大規(guī)模新能源經(jīng)高壓直流遠(yuǎn)距離輸電的模式在中國西北等新能源資源豐富地區(qū)得到了大力發(fā)展[1-2]。

新能源發(fā)電具有隨機性、間歇性、波動性的特點[3-7],同時受電網(wǎng)傳輸能力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束,大規(guī)模新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、調(diào)度運行、發(fā)電計劃的制定造成較大影響。新能源基地的發(fā)電水平與直流輸送功率存在強耦合關(guān)系,一方面為了提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行裕度,計及新能源發(fā)電的隨機波動特性,受制于直流輸電能力,往往導(dǎo)致新能源發(fā)電能力不能充分利用、棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重[8];另一方面,直流輸電功率計劃目前主要考慮系統(tǒng)約束及根據(jù)輸電量協(xié)議,較少考慮受端電網(wǎng)的負(fù)荷需求或協(xié)調(diào)考慮新能源出力波動和外送需求,經(jīng)常出現(xiàn)“直線”或“反調(diào)峰”輸送計劃[9-11],給受端電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻及運行方式安排也帶來了較大困難。目前國內(nèi)外已有研究考慮了風(fēng)速和負(fù)荷相關(guān)性,利用軼相關(guān)法模擬其相關(guān)性并驗證了相關(guān)性對系統(tǒng)可靠性的重要影響[12]。文獻(xiàn)[13]在考慮風(fēng)電不確定性基礎(chǔ)上,建立了交流聯(lián)絡(luò)線模型,靈活優(yōu)化不同區(qū)域間能量、備用計劃及跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線計劃,但未涉及直流聯(lián)絡(luò)線特性。文獻(xiàn)[14]提出了基于直流輸送風(fēng)電的功率調(diào)節(jié)模式,根據(jù)短期新能源功率預(yù)測結(jié)果增加直流調(diào)節(jié)段數(shù),調(diào)節(jié)直流輸電功率,采用互補運行方式實現(xiàn)直流輸電功率的多段式平穩(wěn)及風(fēng)電大規(guī)模送出。以此為基礎(chǔ),文獻(xiàn)[15]建立了直流計劃調(diào)整的混合整數(shù)線性約束模型,針對風(fēng)光火打捆直流跨區(qū)外送計劃缺乏應(yīng)對新能源出力波動的問題,在日前計劃中考慮新能源短期功率預(yù)測結(jié)果,提出了計及直流互動的新能源與常規(guī)能源協(xié)調(diào)優(yōu)化的日前發(fā)電計劃優(yōu)化方法,以促進(jìn)新能源消納。文獻(xiàn)[16]通過構(gòu)建基于外送風(fēng)光電力最大化消納的特高壓直流風(fēng)光火電力一體化調(diào)度計劃模型,研究采用配套火電和直流計劃參與調(diào)整提升風(fēng)光電力外送能力。但在制定直流輸電計劃時,如何同時考慮新能源發(fā)電的隨機性/間歇性及受端負(fù)荷需求方面,尚缺乏相關(guān)研究。

本文在考慮新能源短期功率預(yù)測基礎(chǔ)上,研究直流送端電網(wǎng)新能源發(fā)電和受端電網(wǎng)負(fù)荷間相關(guān)性,該相關(guān)性對電網(wǎng)調(diào)度運行控制有一定影響,從而提出一種計及送端新能源與受端負(fù)荷相關(guān)性的高壓直流功率修正方法,以促進(jìn)送端電網(wǎng)新能源消納,也為實現(xiàn)提高直流輸送利用率提供參考。

1 直流送、受端電網(wǎng)新能源發(fā)電與負(fù)荷相關(guān)性分析

1.1 新能源發(fā)電與負(fù)荷相關(guān)性分析需求

本文以某直流送、受端電網(wǎng)為例,研究新能源發(fā)電與負(fù)荷的相關(guān)性。送端新能源包括風(fēng)電和光伏,基于2015年調(diào)度能量管理系統(tǒng)(EMS)中實測數(shù)據(jù),圖1為隨機抽取的某日送端電網(wǎng)的風(fēng)電和光伏發(fā)電數(shù)據(jù),與受端電網(wǎng)日負(fù)荷曲線相比,呈現(xiàn)較強的規(guī)律性。定性來看,風(fēng)電出力白天小夜間大,與受端負(fù)荷呈現(xiàn)“反調(diào)峰性”[17],加重了電網(wǎng)日常調(diào)峰壓力;光伏發(fā)電與負(fù)荷呈現(xiàn)“正調(diào)峰性”,二者疊加后,新能源整體與受端負(fù)荷呈正調(diào)峰趨勢,但某些時段仍存在相反趨勢,故送端新能源和受端負(fù)荷間相關(guān)性為開展直流輸電計劃修正方法研究提供了契機。

圖1 送端新能源與受端負(fù)荷日曲線Fig.1 Typical daily curves of sending end new energy and receiving end loads

目前,國內(nèi)日前有功調(diào)度計劃中直流送出計劃通常由跨區(qū)電量交易計劃及各安全約束來制定,結(jié)合經(jīng)驗確定直流傳輸功率計劃,直流外送模式多為分段運行方式,在每段內(nèi)輸送功率恒定[18-19]。如2015年,上述直流按照高峰時段3 600 MW電力計劃輸送受端電網(wǎng),如圖2所示,呈現(xiàn)出部分時間段“直線”輸送,未充分考慮送端新能源發(fā)電與受端負(fù)荷相關(guān)性,因此本文基于統(tǒng)計學(xué)方法研究二者相關(guān)性,在一定裕度空間內(nèi)修正直流有功功率,以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力,促進(jìn)新能源消納。

1.2 基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)r算法的送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性分析

皮爾遜相關(guān)系數(shù)法是一種準(zhǔn)確量度兩個變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計學(xué)方法[20-22]。計算公式為:

rxy=

(1)

式中:n為樣本量;x和y為2個變量。

圖2 直流系統(tǒng)現(xiàn)有輸出功率曲線Fig.2 Current power curve of high voltage direct current system

若r>0,表明兩個變量正相關(guān);若r<0,表明兩個變量負(fù)相關(guān)。r的絕對值越大，表明兩個變量的相關(guān)性越強。一般定義0.7≤|r|<1為高度線性相關(guān)。通過直流送、受端電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù),獲取某一時間段T內(nèi)不同采樣時刻t0,t1,…,tn的送端新能源發(fā)電預(yù)測有功出力Pw-s,t0,Pw-s,t1,…,Pw-s,tn,受端有功負(fù)荷Pl-r,t0,Pl-r,t1,…,Pl-r,tn,根據(jù)式(1)計算不同采樣時刻二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r,其中xti=Pw-s,ti,yti=Pl-r,ti。

2 基于相關(guān)系數(shù)法的直流輸電計劃修正方法

2.1 直流功率修正量計算

在計算直流送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性基礎(chǔ)上,基于根據(jù)跨區(qū)電能交易結(jié)果編制的初始輸電計劃,保證直流聯(lián)絡(luò)線日交易電量不變的前提下,計算直流功率可修正量。即

ΔP=min(|ΔPw-s,tn|,|ΔPl-r,tn|)

(2)

式中:ΔP為tn時刻直流有功修正量;ΔPw-s,tn為tn時刻送端電網(wǎng)新能源發(fā)電較當(dāng)前運行點t0有功功率變化量;ΔPl-r,tn為tn時刻受端電網(wǎng)負(fù)荷較當(dāng)前運行點t0有功功率變化量,該時段內(nèi)送端新能源與受端負(fù)荷有功功率變化量較小者定為直流有功功率修正量。

2.2 約束條件

直流輸電計劃的修正需考慮送、受端電網(wǎng)的運行約束條件,本文計算直流功率修正量主要考慮以下約束條件。

1)送、受端系統(tǒng)線路容量約束

-Pl,max≤Pl,t0+AlΔP≤Pl,maxl=1,2,…,Br

(3)

式中:Al為直流有功功率修正量ΔP與線路l的傳輸功率之間的轉(zhuǎn)移分布因子;Pl,t0為當(dāng)前運行點t0時刻線路l的初始功率;Pl,max為線路l的最大傳輸功率;Br為送、受端系統(tǒng)支路總數(shù)。

2)斷面穩(wěn)定限額約束

(4)

式中:N為送、受端系統(tǒng)總斷面數(shù);Nm為斷面m的組成線路數(shù);Pm,max為斷面m傳輸功率最大值;Pl,m,t0為當(dāng)前運行點t0時刻斷面m的組成線路l的初始功率;Al,m為直流有功修正量ΔP與斷面m的組成線路l的傳輸功率之間的轉(zhuǎn)移分布因子。

3)直流額定功率約束

(5)

4)直流聯(lián)絡(luò)線輸送電量約束

(6)

直流外送電量計劃主要由跨區(qū)電力市場交易確定,為保證交易的執(zhí)行,計劃周期內(nèi)直流總送出電量應(yīng)在市場交易合同約定范圍內(nèi)。其中,Qmin和Qmax分別為直流在調(diào)度周期內(nèi)的最小和最大輸送電量。

除上述約束外,直流功率調(diào)節(jié)速率約束、直流調(diào)制間隔約束、相鄰時段直流功率調(diào)整方向約束等約束,與初始直流輸電計劃約束相同[15],發(fā)電計劃中的其他約束,如常規(guī)發(fā)電機組可調(diào)出力約束、爬坡/滑坡率約束、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束等均要考慮,在多篇文獻(xiàn)中已有詳細(xì)闡述[23-24],此處不做詳細(xì)介紹。

2.3 計及直流送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性的直流輸電計劃修正方法

本文結(jié)合皮爾遜相關(guān)系數(shù)法,通過以下4個步驟,給出適應(yīng)送端新能源發(fā)電和受端負(fù)荷隨機變化的新能源跨區(qū)外送直流功率修正量,如圖3所示。

步驟1:通過直流送、受端電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)計算不同采樣時刻計及直流送端新能源和受端負(fù)荷的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r。

步驟2:根據(jù)相關(guān)系數(shù),篩選相關(guān)系數(shù)r超過門檻值ε(ε>0)的時間段T作為直流有功修正的候選時間段。針對相關(guān)系數(shù)r為負(fù)的情況,存在送端新能源出力增加而受端負(fù)荷減少和送端新能源出力減少而受端負(fù)荷增加這兩種情況,這兩種情況下若調(diào)整直流功率,會加重其中一端電網(wǎng)的電力不平衡,帶來不利影響,因此本文對相關(guān)系數(shù)為負(fù)時段的直流功率不進(jìn)行修正。

步驟3:判定直流有功功率修正候選時間段T內(nèi)直流有功功率修正的方向,分別計算時間段T內(nèi)直流送端新能源和受端負(fù)荷變化斜率ks和ka。即

(7)

(8)

式中:xt0和xtn分別為當(dāng)前運行點t0和時間段T中最大時間點tn時刻的直流送端電網(wǎng)新能源出力;yt0和ytn分別為當(dāng)前運行點t0和最大時間點tn時刻的直流受端電網(wǎng)負(fù)荷有功功率。

若kska>0且ks>0,ka>0,則直流功率的修正方向為提升直流有功功率;若kska>0且ks<0,ka<0,則直流功率的修正方向為回降直流有功功率。

步驟4:根據(jù)式(2)計算時間段T內(nèi)直流有功功率修正量,分別按式(3)至式(6)考慮直流送、受端電網(wǎng)約束,得出時間段T內(nèi)直流有功功率修正量ΔP。

圖3 計及送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)性的直流輸電計劃修正方法流程圖Fig.3 Flow chart of a correction method for high voltage direct current transmission plan considering correlation between new energy in sending end and loads in receiving end

3 算例分析

以某直流的日前計劃算例為例進(jìn)行分析,應(yīng)用上述方法和步驟研究該直流輸電計劃修正方法的有效性。

3.1 皮爾遜相關(guān)系數(shù)r計算實例

對送、受端電網(wǎng)開展2015年365天的日96時段調(diào)度數(shù)據(jù)跟蹤,每個時段15 min,隨機抽取某典型日直流送端新能源和受端電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)計算每小時時間尺度直流送、受端電網(wǎng)新能源和負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)r,如表1所示。

表1 送端新能源與受端負(fù)荷某典型日皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficient of new energy in sending end and loads in receiving end in a typical day

由表1數(shù)據(jù)得,一天中凌晨02:00—03:45、上午06:00—10:45、下午14:00—16:45多個時間段,送端新能源與受端負(fù)荷間呈現(xiàn)高度線性正相關(guān)性,為直流的靈活調(diào)度提供了依據(jù),選取上述時間段作為直流有功功率修正的候選時間段。

分別計算上述時間段每小時時間尺度下送、受端電網(wǎng)新能源和負(fù)荷變化斜率ks和ka,從而確定直流功率修正方向,如表2所示?？傻脮r間段02:00—03:45和14:00—16:45為直流功率回降階段,06:00—10:45為直流功率提升階段,其余時間段因送、受端電網(wǎng)新能源與負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)性或相關(guān)性不大,則仍保持原有日前有功調(diào)度計劃運行。

表2 直流有功修正方向Table 2 Adjustment direction of high voltage direct current power flow

3.2 候選時間段直流功率修正量

忽略送、受端系統(tǒng)線路容量約束和斷面穩(wěn)定限額約束,以下研究上述候選時間段直流功率可修正量?；?015年能量管理系統(tǒng)(EMS)中實測數(shù)據(jù),首先根據(jù)式(2)計算06:00—10:45直流功率增加量,具體見表3。

表3 直流功率增加量Table 3 Increment value of high voltage direct current power

再根據(jù)式(2)計算02:00—03:45和14:00—16:45直流功率減少量,具體如表4。

表4 直流功率減少量Table 4 Decrement value of high voltage direct

3.3 直流輸電計劃修正結(jié)果

在保證修正前后直流聯(lián)絡(luò)線交換電量不變的情況下,通過計算得出該典型日直流有功功率可修正時間段及可修正量,修正前后的直流輸電計劃如圖4所示。

圖4 修正前后直流輸出功率曲線Fig.4 Original and adjusted output power curves of direct current

其中,06:00—10:45時間段修正后直流輸送功率較原有直流功率有所提高,與目前采用的經(jīng)驗調(diào)度方法相比,采用本文提出的直流輸電計劃修正方法,考慮送端新能源與受端電網(wǎng)負(fù)荷相關(guān)性后,某些時間段直流輸送功率可以得到提高,同時滿足了送端新能源的消納和受端負(fù)荷的供電需求;另外,在某些時段(如算例中02:00—03:45，14:00—16:45)送端新能源和受端負(fù)荷均下降,在約束范圍內(nèi)可適當(dāng)減少直流聯(lián)絡(luò)線功率,此直流功率回降并非受限于電網(wǎng)約束引起的,不會額外增加棄風(fēng)棄光量,這部分電力會被新能源自身出力的減少而平衡,并且此情況下回降直流功率有利于解決受端電網(wǎng)的調(diào)峰問題,并使得送端電網(wǎng)常規(guī)機組出力平緩,避免了常規(guī)機組出力的大幅波動,減輕了送端電網(wǎng)出力壓力,提高了送端電網(wǎng)的整體效益,通過充分利用跨區(qū)直流送電通道,利用送端新能源出力特性及受端電網(wǎng)負(fù)荷特性,挖掘了送、受端電網(wǎng)之間電源結(jié)構(gòu)的互補效益,發(fā)揮了網(wǎng)間負(fù)荷特性的錯峰效益[20]。

4 結(jié)語

為提高新能源消納送出能力和直流輸送效率,本文通過考慮新能源風(fēng)、光的實際出力特性和受端電網(wǎng)負(fù)荷相關(guān)性,提出了一種計及二者相關(guān)性的高壓直流功率修正方法。

根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)法計算送端新能源和受端負(fù)荷相關(guān)系數(shù),以直流聯(lián)絡(luò)線日交易電量不變?yōu)榍疤?篩選出直流有功功率可修正候選時間段,并確定直流可調(diào)方向,建立了直流功率修正模型,考慮送、受端系統(tǒng)線路容量約束、斷面安全約束及直流額定功率約束,并結(jié)合實際直流輸電工程,通過分析直流送、受端電網(wǎng)2015年調(diào)度實測數(shù)據(jù),驗證了該方法的可行性,本文提出的方法和計算步驟同樣適用于通過特高壓直流輸電工程實現(xiàn)大型能源基地大規(guī)模電力外送的計算和研究,對促進(jìn)新能源消納和跨區(qū)資源協(xié)調(diào)優(yōu)化有積極意義,計算結(jié)果可供運行調(diào)度人員決策參考。由于本文未充分考慮安全約束機組組合、安全約束經(jīng)濟調(diào)度及直流系統(tǒng)運行特性約束等約束條件,后續(xù)將對基于上述約束的直流輸電計劃修正模型展開進(jìn)一步研究[11,25]。

感謝國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目“特高壓輸電條件下大受端電網(wǎng)源網(wǎng)快速協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)及安全性研究”對本篇文章的資助與支持。