考慮可再生能源不確定性和數(shù)據(jù)異構(gòu)的送端電網(wǎng)電源出力優(yōu)化控制模型

冷歐陽， 回 茜， 宋宇萍， 孫 鵬

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.沈陽工業(yè)大學(xué)， 遼寧 沈陽110870； 3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 營銷服務(wù)中心， 遼寧 沈陽 110004）

0 引言

在可再生能源發(fā)電容量快速增加的背景下，包含高比例可再生電源及多能源設(shè)施的電網(wǎng)，無論是電源規(guī)劃、調(diào)度策略、運(yùn)行優(yōu)化，還是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的優(yōu)化控制，對(duì)可再生能源比例不斷提高導(dǎo)致的電源出力在不同不確定性下的優(yōu)化控制，都是關(guān)系到電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵問題[1]～[3]。

目前，針對(duì)可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)后的功率控制問題，國內(nèi)外的科技人員開展了較多研究。 文獻(xiàn)[5]，[6]針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制，基于光伏出力備用優(yōu)化和逆變器修正下垂控制策略，提出考慮一次調(diào)頻頻率偏移和越界約束的光伏誤差調(diào)頻控制模型。 文獻(xiàn)[7]針對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)抑制問題，研究了基于超級(jí)電容和氫儲(chǔ)能的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略，并提出了基于指數(shù)平滑算法的風(fēng)電功率波動(dòng)抑制模型。 文獻(xiàn)[8]針對(duì)地區(qū)多風(fēng)電場(chǎng)功率協(xié)同平滑問題，研究了基于Copula函數(shù)和Pair-Copula 方法的、多地理尺度的風(fēng)速時(shí)空優(yōu)化模型，提出了考慮不同風(fēng)電場(chǎng)的容量配置優(yōu)化的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合出力平滑方法。 文獻(xiàn)[9]提出了交直流同質(zhì)化能量函數(shù)模型， 并根據(jù)能量函數(shù)判據(jù)，對(duì)交直流混聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 文獻(xiàn)[10]根據(jù)交直流互聯(lián)系統(tǒng)暫態(tài)過程的強(qiáng)非線性特性，建立了線性變參數(shù)模型， 并針對(duì)交直流互聯(lián)系統(tǒng)中風(fēng)電不確定性， 提出暫態(tài)穩(wěn)定線性變參數(shù)魯棒反饋控制方法?，F(xiàn)有文獻(xiàn)顯示，目前對(duì)于多電源的送端系統(tǒng)穩(wěn)定控制的研究較少， 且未考慮多種數(shù)據(jù)的異構(gòu)特性。

本文針對(duì)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的送端電網(wǎng)中的風(fēng)、光、水、火電源聯(lián)合出力調(diào)節(jié)過程中，風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的一次能源輸入數(shù)據(jù)的異構(gòu)特性及一次能源數(shù)據(jù)， 在兩次采樣間隔內(nèi)可能出現(xiàn)變化的不確定性， 研究了基于送端電網(wǎng)多能源輸入、 轉(zhuǎn)換和電能輸出的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ秃涂紤]一次能源輸入不確定性的數(shù)據(jù)交互模型。在此基礎(chǔ)上， 研究了基于送端電網(wǎng)多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制誤差約束的H2/H∞負(fù)荷波動(dòng)跟蹤模型， 并提出基于功率跟蹤性能指標(biāo)的送端電網(wǎng)總電源出力優(yōu)化控制算法。仿真分析結(jié)果表明，本文提出的基于可再生一次能源不確定性及數(shù)據(jù)異構(gòu)特性的電網(wǎng)功率控制方法，能夠在適應(yīng)多場(chǎng)景不確定性的前提下，保證較好的負(fù)荷功率波動(dòng)跟蹤性能指標(biāo)。

1 多能源異構(gòu)數(shù)據(jù)模型

在不同地理空間位置的風(fēng)、光、水、煤等一次能源輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過各自不同的物理傳感和處理后，構(gòu)成了一個(gè)如圖1 所示的描述送端電網(wǎng)電源出力的多種能源能量傳遞網(wǎng)絡(luò)。

圖1 送端電網(wǎng)多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Multi-energy data network of sending-end grid

對(duì)于具有N 個(gè)一次能源能量輸入的數(shù)據(jù)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，在第k 個(gè)采樣時(shí)刻，一次能源輸入數(shù)據(jù)為

一次能源的能量輸入經(jīng)過風(fēng)機(jī)、光伏、水輪機(jī)、 汽輪機(jī)等設(shè)備轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、 直流電動(dòng)勢(shì)能后，即可得到一次能源轉(zhuǎn)換輸出測(cè)量數(shù)據(jù)：

當(dāng)機(jī)械能、 直流電動(dòng)勢(shì)能再進(jìn)一步經(jīng)過發(fā)電機(jī)、變流器轉(zhuǎn)換為電能后，得到電能輸出測(cè)量數(shù)據(jù)：

設(shè)一次能源輸入、能源轉(zhuǎn)換和電能輸出數(shù)據(jù)在同一時(shí)間尺度下采樣，采樣周期均為T。

2 考慮不確定性的異構(gòu)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型

式（1）～（3）給出了描述任意時(shí)刻能源轉(zhuǎn)換過程的數(shù)據(jù)，由發(fā)電系統(tǒng)一次能源輸入到電能出力的有向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可表示為

式中：ν={1，2，…，N}為一次能源、能源轉(zhuǎn)換、電能輸出等各類數(shù)據(jù)采集傳感器所采集數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)集；E?ν×ν 為數(shù)據(jù)連接節(jié)點(diǎn)的邊集合；（i，j）∈E 為節(jié)點(diǎn)i 和節(jié)點(diǎn)j 間具有能量交互關(guān)系的邊集合；（i，j）∈ν，W=[wij]∈RN×N為節(jié)點(diǎn)能量交互強(qiáng)度矩陣，且wij取大于或等于0 的值，即wij≥0?（i，j）∈E，否則，wij=0。

在圖1 中， 假設(shè)在可再生能源的一次能源輸入、能源轉(zhuǎn)換輸出環(huán)節(jié)中，在下一次采樣之前，本次采樣值與實(shí)際系統(tǒng)中的相關(guān)物理狀態(tài)間均存在不確定性，即在下一次采樣開始前，本次采樣測(cè)得的能源輸入值可能以某一不確定性特征出現(xiàn)變化。若在一個(gè)多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，可能存在上述不確定性特征的一次能源輸入與能源轉(zhuǎn)換輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為M，則在兩個(gè)采樣時(shí)間間隔內(nèi)，將產(chǎn)生M 個(gè)采樣值的不確定性變化。 由于多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在空間上分布的廣泛性和一次能源的異構(gòu)性， 對(duì)應(yīng)于第k 個(gè)采樣時(shí)刻， 每個(gè)具有不確定性的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的不確定性都不盡相同，即：

則可再生能源相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不確定性集合為

考慮可再生能源數(shù)據(jù)的異構(gòu)特性及其不確定性后，送端電網(wǎng)系統(tǒng)總的負(fù)荷需求變化時(shí)，對(duì)其電源出力進(jìn)行調(diào)整， 須考慮在可再生能源不確定性下電源出力控制的魯棒性。

3 可再生能源不確定性控制模型

電網(wǎng)中可再生一次能源輸入導(dǎo)致的發(fā)電出力不確定性和負(fù)荷波動(dòng)不確定性， 都將影響電網(wǎng)保持功率平衡的性能。本文將考慮風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸入的送端電網(wǎng)電源出力不確定性系統(tǒng)，描述為一個(gè)帶有負(fù)荷與電源功率不平衡擾動(dòng)的離散系統(tǒng)組成的一個(gè)具有N 個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)：

式中：x（k）∈Rm為送端電網(wǎng)多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)；ω（k）∈Rq為多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的負(fù)荷與電源間功率不平衡造成的擾動(dòng)，且ω（k）∈[0，∞]，即功率不平衡擾動(dòng)有界；z（k）∈Rg為送端電網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的總電能出力；yi（k）∈Rn為第i 個(gè)電源節(jié)點(diǎn)出力的不確定性輸出；A，B，L 和Ci（i∈ν）為系數(shù)矩陣。

在圖1 中， 若第i 個(gè)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)一次能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一次能源輸入在第k 時(shí)刻的數(shù)據(jù)為

則第i 個(gè)可再生能源節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出為

同理， 第i 個(gè)可再生能源節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電能輸出為

式中：

對(duì)于第i 個(gè)可再生能源節(jié)點(diǎn)， 有如下電能出力穩(wěn)定性控制器：

定義第i 個(gè)可再生能源節(jié)點(diǎn)電能出力控制誤差為

可得第i 個(gè)可再生能源節(jié)點(diǎn)出力誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)：

式中：

包含N 個(gè)電源節(jié)點(diǎn)的送端電網(wǎng)總的電能出力誤差動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)模型為

式中： ξ（k）=coliN{ξi（k）}， e（k）=coliN{ei（k）}，

在具有N 個(gè)電源節(jié)點(diǎn)的送端電網(wǎng)中，電網(wǎng)總的電能出力穩(wěn)定性控制問題可描述為如下的H2/H∞問題。

①在電網(wǎng)功率平衡擾動(dòng)ω（k）=0 的情況下，送端電網(wǎng)總電源出力在某一不確定性下的出力波動(dòng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是隨機(jī)穩(wěn)定的。 對(duì)任意初始狀態(tài)x（0）存在：

②在送端電網(wǎng)無電源出力變化指令的初始條件下， 總電源出力誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)滿足H2/H∞性能γ（γ>0），即：

4 仿真算例

以某風(fēng)、光、水、火打捆外送電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和IEEE-3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)模型為基礎(chǔ)， 建立包含兩個(gè)可再生能源等值電源和一個(gè)常規(guī)水火機(jī)組等值電源， 考慮可再生能源發(fā)電異構(gòu)數(shù)據(jù)不確定性的送端電網(wǎng)電源出力動(dòng)態(tài)控制仿真模型。 考慮兩個(gè)可再生能源電源的送端IEEE-3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)模型如圖2 所示。

圖2 具有兩個(gè)可再生能源異構(gòu)數(shù)據(jù)的送端電網(wǎng)模型Fig.2 Model of the sending-end grid with two different renewable energy source

在圖2 的送端電網(wǎng)中， 設(shè)兩個(gè)可再生能源節(jié)點(diǎn)的一次能源輸入不同，能源轉(zhuǎn)換機(jī)理不同，兩節(jié)點(diǎn)能源轉(zhuǎn)換過程的相關(guān)性不為零， 即兩節(jié)點(diǎn)間的電能出力有相互影響， 設(shè)計(jì)如圖1 所示的送端電網(wǎng)電源出力H2/H∞控制系統(tǒng)。

送端電網(wǎng)電源出力控制系統(tǒng)參數(shù)：

當(dāng)不給定送端電網(wǎng)電源出力跟隨負(fù)荷變化能力控制指標(biāo)γ 時(shí)， 在不同可再生一次能源不確定性下，可得γ 值的對(duì)比結(jié)果，如表1 所示。由表1 可知， 本文建立的送端電網(wǎng)出力H2/H∞最優(yōu)擾動(dòng)控制模型， 隨著可再生一次能源不確定性的波動(dòng)變化， 仍具有較強(qiáng)的跟隨負(fù)荷波動(dòng)的能力。

表1 送端電網(wǎng)電源跟隨負(fù)荷性能指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of the performance dynamic following of the sending-end power source

為分析可再生一次能源不確定性對(duì)送端系統(tǒng)功率平衡穩(wěn)定性的影響， 設(shè)送端系統(tǒng)電源出力初始條件為

可再生一次能源不確定性和能源轉(zhuǎn)換效率分別為dk=0.03，βk=0.93，負(fù)荷功率擾動(dòng)為

對(duì)上述邊界條件下的送端電網(wǎng)電源出力控制特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可知，送端電網(wǎng)的功率控制性能與不考慮可再生一次能源不確定性的控制算法相比，具有較好的響應(yīng)速度和超調(diào)抑制性能。

圖3 算法功率跟蹤性能比較Fig.3 Comparison of the proposed algorithm

5 結(jié)論

本文針對(duì)大規(guī)?？稍偕茉磁c傳統(tǒng)水火電源打捆的送端電網(wǎng)，在考慮可再生一次能源輸入不確定性及可再生一次能源數(shù)據(jù)異構(gòu)特性的基礎(chǔ)上， 研究建立了基于多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)H2/H∞動(dòng)態(tài)誤差控制的送端負(fù)荷功率跟蹤控制模型，實(shí)現(xiàn)了較好的送端電網(wǎng)總電源出力優(yōu)化控制。

考慮多種類一次能源輸入場(chǎng)景下，送端電網(wǎng)能源輸入、轉(zhuǎn)換、輸出數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存在較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)異構(gòu)特性和數(shù)據(jù)采樣間隔內(nèi)能源輸入及轉(zhuǎn)換的不確定性，建立了考慮數(shù)據(jù)異構(gòu)及不確定性的數(shù)據(jù)交互及多能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型。

針對(duì)可再生一次能源不確定性及送端負(fù)荷擾動(dòng)作用下的總電源出力優(yōu)化控制問題，研究了多能源數(shù)據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分布式H2/H∞誤差及功率跟蹤性能指標(biāo)控制方法。

在某實(shí)際送端電力系統(tǒng)的大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)一次能源異構(gòu)數(shù)據(jù)及不確定性， 建立了送端電網(wǎng)出力優(yōu)化控制仿真模型。 仿真分析結(jié)果表明，本文提出算法的控制效果和精度能夠滿足實(shí)際工程需要。