考慮風(fēng)能不確定性影響的新能源電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度

胡朝陽 燕敏飛

摘 要：新能源的發(fā)展與推廣對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境治理具有重要作用。作為主要的新能源之一，風(fēng)電的應(yīng)用極大地減少了化石燃料的消耗，從而有效保護(hù)了大氣環(huán)境。但是，風(fēng)力發(fā)電具有較大的不確定性，既降低了風(fēng)能的利用率，也對電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生了巨大影響。本文充分考慮風(fēng)能發(fā)電隨機(jī)性高與波動性大等特點(diǎn)，并根據(jù)這一情況對新能源電網(wǎng)調(diào)度問題的優(yōu)化進(jìn)行研究，以期為保障電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行及其運(yùn)行效率提供一些有價值的建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電能源;新能源電網(wǎng);電網(wǎng)調(diào)度

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0130-03

Optimal Dispatching of New Energy Power Grid with

Considering of Uncertainty Effect of Wind Power

HU Zhaoyang YAN Minfei

（Power China Henan Electric Power Survey & Design Institute Corporation Limited，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The development and promotion of new energy plays an important role in national economic development and environmental governance. As one of the main new energy sources， the application of wind power greatly reduces the consumption of fossil fuels， thus effectively protecting the atmospheric environment. However， wind power generation has great uncertainty， which not only reduces the utilization rate of wind energy， but also has a huge impact on the smooth operation of the grid system. This paper fully considered the characteristics of wind power generation， such as high randomness and high volatility， and studied the optimization of new energy grid scheduling according to this situation， in order to provide some valuable suggestions for ensuring the smooth operation and operation efficiency of the grid.

Keywords： wind power;new energy power grid;power network dispatching

社會發(fā)展對各種能源的需求量越來越大。隨著傳統(tǒng)能源不斷被消耗，傳統(tǒng)能源枯竭問題成為當(dāng)前人類社會面臨的較為嚴(yán)峻的問題。因此，開發(fā)并利用新型能源便成為當(dāng)前社會發(fā)展的一個主流方向。其中，風(fēng)力資源是當(dāng)前開發(fā)應(yīng)用最廣的可再生能源，主要用于替代火力進(jìn)行發(fā)電工作。但是，風(fēng)能發(fā)電的穩(wěn)定性較差，極易受到風(fēng)速變化的影響，從而導(dǎo)致風(fēng)電并入電網(wǎng)運(yùn)行的效果較差。為此，筆者對風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)度工作展開較為詳細(xì)的研究，并提出一些有效的電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化建議。

1 研究新能源電網(wǎng)優(yōu)化的意義

新能源電網(wǎng)是現(xiàn)代通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)合。與傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)相比，新能源電網(wǎng)運(yùn)行成本更加低廉，運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全[1]。分布式可再生能源參與到新能源電網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)一步促進(jìn)了新型可再生能源的發(fā)展。但是，分布式可再生能源依然存在較多問題。例如，風(fēng)力能源會受氣候條件的影響或干擾，風(fēng)速變化具有非常明顯的不確定性，在可預(yù)測和可控制方面也存在較多問題。此外，風(fēng)力發(fā)電的功率輸出不穩(wěn)定，容易造成電網(wǎng)并網(wǎng)難度大，能源浪費(fèi)情況較為嚴(yán)重。因此，新能源電網(wǎng)中含有風(fēng)電時，必須在電網(wǎng)調(diào)度決策中考慮風(fēng)電的各種不確定性，并優(yōu)化傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度方法，以確保新能源電網(wǎng)在調(diào)度過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效促進(jìn)風(fēng)電能源良好發(fā)展。

2 風(fēng)電的隨機(jī)性及其對電網(wǎng)運(yùn)行過程的影響

2.1 風(fēng)力發(fā)電的基本特性

風(fēng)力發(fā)電的原理較為簡單，即通過風(fēng)力吹動扇葉轉(zhuǎn)動，帶動異步電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而形成電磁感應(yīng)，產(chǎn)生電流。風(fēng)力發(fā)電的一大特點(diǎn)是在發(fā)電過程中沒有任何污染，對周圍生態(tài)環(huán)境幾乎無影響。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能會先進(jìn)行軟并網(wǎng)，然后進(jìn)入完整的電網(wǎng)系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電的電壓大小是由風(fēng)速大小決定的，但由于風(fēng)速不穩(wěn)定，所以單純依靠風(fēng)力發(fā)電所輸出的電壓是非常不穩(wěn)定的。因此，風(fēng)力發(fā)電必須通過控制風(fēng)速，使風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓變得平穩(wěn)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性對電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

當(dāng)前技術(shù)條件下，準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)力發(fā)電仍較為困難。同時，風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性、連續(xù)性較差等特性也給電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度工作造成了很大的麻煩。尤其是風(fēng)電調(diào)峰能力不足的問題，已經(jīng)成為阻礙風(fēng)能、光能等新能源普及的主要問題。如果電網(wǎng)系統(tǒng)中的風(fēng)電較多，則會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓時常波動，且可能會發(fā)生電壓越線或閃變等問題，從而影響電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。筆者將風(fēng)電隨機(jī)性對電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的影響總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

第一，大量的風(fēng)電并網(wǎng)后會攜帶沖擊電流，從而沖擊整個電網(wǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電壓下降，進(jìn)而造成電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

第二，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果只有少量風(fēng)電并入電網(wǎng)，電網(wǎng)自身可以自動調(diào)節(jié)電壓與頻率。但是，一旦并網(wǎng)風(fēng)電較多，電網(wǎng)自身則無法及時調(diào)節(jié)電壓與頻率的波動，致使電網(wǎng)系統(tǒng)電壓與頻率大幅下降，使電網(wǎng)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。

第三，風(fēng)電并網(wǎng)會造成電力能源頻率出現(xiàn)波動，以及電壓的突然變化與波動，并導(dǎo)致諧波污染，從而降低傳統(tǒng)電網(wǎng)電力能源的質(zhì)量。

第四，風(fēng)電并網(wǎng)還會影響原有的發(fā)電計劃與經(jīng)濟(jì)調(diào)度。傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)主要依靠火力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。在經(jīng)濟(jì)調(diào)度過程中，由于火力發(fā)電的穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)，以及可精確預(yù)測用戶的負(fù)荷，所以經(jīng)濟(jì)調(diào)度水平也相對較高。但是，風(fēng)電的穩(wěn)定性與可靠性較差，且不能進(jìn)行精確預(yù)測，因此，電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度水平較低。

第五，由于風(fēng)電的并網(wǎng)，電力系統(tǒng)需要增加一定的旋轉(zhuǎn)備用容量才能應(yīng)對各種不穩(wěn)定因素，保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這極大增加了電網(wǎng)的運(yùn)營成本，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降[2]。

3 模擬風(fēng)電的隨機(jī)性

通常，學(xué)者會應(yīng)用蒙特卡羅模擬法來模擬風(fēng)電的隨機(jī)性。蒙特卡羅模擬法就是在隨機(jī)抽樣與模擬的基礎(chǔ)上估計數(shù)學(xué)函數(shù)的方法，其核心思想是統(tǒng)計因隨機(jī)變量而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，然后根據(jù)所總結(jié)的統(tǒng)計規(guī)律，構(gòu)建一個概率模型，以反映隨機(jī)變量[3]。在模擬風(fēng)電隨機(jī)性時，首先要根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)估計確定其分布參數(shù)，并應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法，求取風(fēng)電隨機(jī)性模型的概率特征。然后，根據(jù)概率分布的規(guī)律進(jìn)行建模，生產(chǎn)分布樣本的隨機(jī)數(shù)，并抽取數(shù)量足夠的隨機(jī)數(shù)樣本。當(dāng)隨機(jī)數(shù)樣本足夠多時，再對每個風(fēng)電隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣。最后，對隨機(jī)樣本進(jìn)行相應(yīng)的仿真計算與模擬計算，對抽樣結(jié)果進(jìn)行分析，模擬出風(fēng)電的隨機(jī)性。

4 含有風(fēng)電的電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

4.1 優(yōu)化調(diào)度模型的關(guān)鍵技術(shù)

電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)是在保障電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全的前提下，將發(fā)電機(jī)組的成本費(fèi)用、污染影響和電網(wǎng)傳輸消耗降到最低。在研究含風(fēng)電的新能源電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化的過程中，需要在模擬風(fēng)電隨機(jī)性的基礎(chǔ)上建立新能源電網(wǎng)模型，這樣才能使含風(fēng)電新能源電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究與實際運(yùn)行情況相符合[4]。

為了確保含風(fēng)電新能源電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型與實際運(yùn)行情況相符，在建立優(yōu)化模型時，必須重點(diǎn)考慮如下幾點(diǎn)關(guān)鍵性技術(shù)問題，以提高優(yōu)化調(diào)度模型的可用性與實用性。

第一，處理風(fēng)電的不確定性是優(yōu)化調(diào)度的首要問題，這就要求能以風(fēng)速和風(fēng)能功率預(yù)測為基礎(chǔ)，建立一個能真實反映出風(fēng)電隨機(jī)性的數(shù)學(xué)模型，從而研究并調(diào)解電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰能力與風(fēng)電特性之間存在的矛盾。

第二，協(xié)調(diào)好電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)險與成本。風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大是新能源發(fā)展的必然趨勢，但同時，風(fēng)電的不確定性也必然會增加電網(wǎng)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險。目前，降低風(fēng)險的主要方法是不斷提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本。因此，為了實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的進(jìn)一步優(yōu)化，要協(xié)調(diào)好電網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險與成本之間的關(guān)系。

第三，確定旋轉(zhuǎn)備用容量的具體需求。風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)增大了電網(wǎng)系統(tǒng)的不確定性，使電網(wǎng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量需求增多。因此，優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度的一大關(guān)鍵便是確定旋轉(zhuǎn)備用容量的具體需求。通常情況下，會采取加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)備用容量的措施使電網(wǎng)系統(tǒng)的功率保持平衡，使電力輸出的質(zhì)量保持穩(wěn)定。但是，在加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)備用容量的同時，也應(yīng)考慮因此而增加的電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營成本。

4.2 了解電網(wǎng)系統(tǒng)的最小發(fā)電成本

電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化的最終目的是以最低的發(fā)電成本來滿足客戶的用電需求，因此，在對新能源電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化研究前，必須了解新能源電網(wǎng)的最低發(fā)電成本。

含風(fēng)電的新能源電網(wǎng)發(fā)電成本主要包括傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本和風(fēng)機(jī)發(fā)電成本，以及風(fēng)功率估計偏差導(dǎo)致的運(yùn)行成本。其中，風(fēng)機(jī)的發(fā)電不使用燃料，因此沒有燃料消耗費(fèi)用，但風(fēng)機(jī)的維護(hù)與人工成本必須考慮到風(fēng)機(jī)發(fā)電總成本中。

4.3 新能源電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化的約束條件

含風(fēng)電的新能源電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化的約束條件主要有以下幾個。①電網(wǎng)功率的平衡。在電網(wǎng)調(diào)度的時間段內(nèi)，電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電總量與耗電總量要保持平衡。②傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組的輸出功率。③電網(wǎng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量。④風(fēng)功率的預(yù)測值。⑤風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)測偏差的上限值與下限值。⑥火力發(fā)電機(jī)組的爬坡約束。

4.4 魯棒優(yōu)化模型原理與應(yīng)用

魯棒優(yōu)化在處理隨機(jī)變量方面具有較大優(yōu)勢。該理論的原理是通過集合的形式表現(xiàn)出隨機(jī)變量的各種取值范圍。因此，應(yīng)用魯棒優(yōu)化可以在取值集合中選擇任意值來表示不確定的變量。

魯棒優(yōu)化模型是在隨機(jī)變量取得對系統(tǒng)影響最壞的值時尋優(yōu)。雖然無法通過魯棒優(yōu)化模型找到系統(tǒng)優(yōu)化的最優(yōu)解，但魯棒優(yōu)化取得的解對參數(shù)的各種變化都是可行的。

魯棒優(yōu)化解決不確定性的新能源電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化問題需要建立不確定的魯棒優(yōu)化模型，然后根據(jù)模型變量確定各個不確定性參數(shù)、各種控制變量、代表最低成本的函數(shù)及各種約束，從而確定變量的具體位數(shù)和不確定因素導(dǎo)致的變化范圍。最后，根據(jù)所得信息進(jìn)行理論推導(dǎo)，并轉(zhuǎn)化模型中代表最低成本的函數(shù)、各種變量和約束條件，從而得到魯棒優(yōu)化模型。

常用的魯棒優(yōu)化模型主要有魯棒線性規(guī)劃模型、魯棒二次規(guī)劃模型、盒式魯棒優(yōu)化模型。

但是，魯棒優(yōu)化模型在處理電網(wǎng)調(diào)度問題時，會導(dǎo)致無限約束問題出現(xiàn)，從而難以得到最優(yōu)解。因此，還需要利用對偶定理轉(zhuǎn)變魯棒優(yōu)化模型，將其將原有的問題變?yōu)榫€性約束的規(guī)劃問題。

4.5 遺傳算法

遺傳算法屬于隨機(jī)搜索的算法。這種算法可以通過隨機(jī)技術(shù)，對生物個體對象，搜索被編碼的參數(shù)空間。遺傳算法包含編碼、適應(yīng)度函數(shù)的生成、交叉變異和選擇，最終通過對個體的逐代選擇，找到問題最優(yōu)解。目前，很多研究人員將遺傳算法與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，并在大數(shù)據(jù)計算方面得到廣泛應(yīng)用。

可以利用遺傳算法對魯棒優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

首先，在模型中輸入具體的風(fēng)功率預(yù)測區(qū)間、客戶的用電負(fù)荷及其他各項具體參數(shù)。然后對模型中的決策變量編碼，并初步確定種群規(guī)模、交叉和變異的概率及迭代的最大次數(shù)。

其次，計算出遺傳個體的適應(yīng)度，從中選出最佳的個體，計算該種群的平均適應(yīng)度及收斂程度的指標(biāo)，同時不斷更新交叉、變異的概率。

最后，進(jìn)行選擇運(yùn)算、交叉運(yùn)算及變異運(yùn)算，判斷結(jié)果是否滿足收斂條件或者達(dá)到迭代的最大次數(shù)。如果滿足條件或達(dá)到迭代的最大次數(shù)，便輸出最優(yōu)的結(jié)果，否則繼續(xù)循環(huán)計算適應(yīng)度等數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

風(fēng)能的不確定性是影響風(fēng)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)的最主要問題。在開發(fā)利用再生能源已經(jīng)成為時代趨勢的當(dāng)下，研究并解決風(fēng)能不確定性對新能源電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度的影響，是處理風(fēng)電并網(wǎng)問題的主要策略。因此，筆者根據(jù)魯棒優(yōu)化原理建立了相應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化模型，與傳統(tǒng)優(yōu)化模型相比，魯棒優(yōu)化模型充分考慮了風(fēng)能的各種極端不確定性。因此，利用魯棒優(yōu)化模型解決含風(fēng)電新能源的調(diào)度優(yōu)化問題，能確保風(fēng)能不確定性對電網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響降到最低。與傳統(tǒng)的隨機(jī)優(yōu)化相比，魯棒優(yōu)化能提高系統(tǒng)調(diào)度的風(fēng)功率，從而大幅減少系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，對保障高新能源電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

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