考慮多約束條件的海上風(fēng)電融合調(diào)度模型研究

閆 健，董宜煊，高立浩

(北京信息科技大學(xué) 科技處，北京 100192)

0 引言

風(fēng)電是可再生能源發(fā)電中技術(shù)最成熟、發(fā)展速度最快的發(fā)電方式。我國資源分布特點(diǎn)決定了海上風(fēng)電將逐步向大規(guī)模、集中化方向發(fā)展。海上風(fēng)電的快速發(fā)展，對風(fēng)電并網(wǎng)要求越來越高，導(dǎo)致單一目標(biāo)調(diào)度模式不能滿足目前海上風(fēng)電的快速發(fā)展，已經(jīng)成為海上風(fēng)電大規(guī)模、集中化并網(wǎng)的瓶頸，嚴(yán)重影響了海上風(fēng)電的并網(wǎng)效率。因此，開展多約束條件下融合調(diào)度模式研究，對海上電網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，提高海上風(fēng)電并網(wǎng)效率，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定供電至關(guān)重要。

近年來，中外專家學(xué)者在海上風(fēng)電融合調(diào)度模式方面進(jìn)行了大量研究。在基于成本管理的海上風(fēng)電調(diào)度模式研究方面，主要通過改進(jìn)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)，以經(jīng)濟(jì)成本作為優(yōu)化指標(biāo)，進(jìn)而節(jié)約調(diào)度成本。邰世文等[1]考慮電源、設(shè)備和過程等多約束條件，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，構(gòu)建了風(fēng)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型；王海軍等[2]以系統(tǒng)總成本最小化為目標(biāo)，建立了基于多模式、雙目標(biāo)的調(diào)度模型，通過最優(yōu)解集，為決策者提供效益最大化策略；Ma等[3]以燃料成本、碳排放和有功功率損耗為目標(biāo)，利用多目標(biāo)動(dòng)態(tài)最優(yōu)潮流方法，研究了考慮風(fēng)力發(fā)電和需求響應(yīng)的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境節(jié)能日前調(diào)度問題；OuYang等[4]提出了一種基于事件檢測框架的斜坡預(yù)測方法，通過增加約束條件確保構(gòu)建混合預(yù)測模型的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低調(diào)度成本。在考慮多約束條件的海上風(fēng)電融合調(diào)度模式方面，為了模擬風(fēng)電的真實(shí)情況，在構(gòu)建海上風(fēng)電調(diào)度模型時(shí)增加約束條件。Nadine等[5]提出把風(fēng)電成本因素按照權(quán)重進(jìn)行分類評估的調(diào)度方法，并增加影響成本因素的參數(shù)作為約束條件；何彥東等[6]針對不確定環(huán)境下多模式共用系統(tǒng)調(diào)度問題，建立發(fā)電、存儲(chǔ)和調(diào)度等多約束條件下的調(diào)度優(yōu)化模型來提高能量效率；Shan等[7]針對有功功率的驟變對電力系統(tǒng)的影響，提出利用中心電網(wǎng)切換的方法確保風(fēng)電調(diào)度的穩(wěn)定性；Lau等[8]利用集合卡爾曼濾波預(yù)測的方法對風(fēng)電輸出功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度；Bentouati等[9]利用增加等式約束條件的預(yù)測方法解決非線性優(yōu)化問題，凸顯了融合調(diào)度的優(yōu)越性。

海上風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度模式方面經(jīng)過多年的探索和研究，取得了顯著成效。但由于海上風(fēng)電并網(wǎng)呈現(xiàn)出規(guī)模化、集成化的態(tài)勢，風(fēng)電信號本身具有復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)特性，現(xiàn)有的調(diào)度研究還存在一些不足：為了保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，已有的研究多是通過增加備用容量來確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，往往忽略了電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性問題；在研究融合調(diào)度問題中，往往只考慮了電力系統(tǒng)本身的約束條件，而忽略了其他約束條件對電力系統(tǒng)的重要影響，致使融合調(diào)度模型的構(gòu)建還不能精準(zhǔn)地進(jìn)行風(fēng)電輸出功率調(diào)度，從而給企業(yè)增加了經(jīng)濟(jì)成本。

基于此，本文首先對海上風(fēng)電融合調(diào)度的研究和發(fā)展進(jìn)行了梳理，對海上風(fēng)電調(diào)度流程進(jìn)行了優(yōu)化；其次，從海上風(fēng)電調(diào)度經(jīng)濟(jì)性問題出發(fā)，考慮電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的4類主要成本，構(gòu)建考慮多約束條件的風(fēng)電場融合調(diào)度目標(biāo)函數(shù)；最后進(jìn)行實(shí)證分析。

1 海上風(fēng)電融合調(diào)度流程

常規(guī)調(diào)度流程是由調(diào)度工作人員根據(jù)電力系統(tǒng)中各類機(jī)組的運(yùn)行情況和風(fēng)電場輸出功率預(yù)測、負(fù)載需求預(yù)測，制定調(diào)度計(jì)劃，實(shí)施調(diào)度規(guī)劃。但由于海上風(fēng)電場中，風(fēng)自身具有復(fù)雜多變性，常規(guī)調(diào)度流程很難反映出海上風(fēng)電的復(fù)雜真實(shí)情況。因此，本文基于離散混合Petri網(wǎng)理論，通過增加約束條件，進(jìn)一步優(yōu)化海上風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度流程，以減少棄風(fēng)，提高風(fēng)電功率利用率，使發(fā)電成本達(dá)到最小化。優(yōu)化后的融合調(diào)度流程如圖1所示。

在任務(wù)層中按照常規(guī)機(jī)組和備用機(jī)組的發(fā)電次序明確調(diào)度目標(biāo)；在任務(wù)描述層中根據(jù)調(diào)度目標(biāo)制定調(diào)度計(jì)劃；在資源層中除了考慮常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行等約束外，充分考慮影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的其他主要約束，使所構(gòu)建的調(diào)度模型更能接近海上風(fēng)電的真實(shí)復(fù)雜情況，助力電力企業(yè)節(jié)約發(fā)電成本，實(shí)現(xiàn)融合調(diào)度。

2 模型構(gòu)建

2.1 構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)

以風(fēng)電運(yùn)行成本、發(fā)電成本、備用成本和棄風(fēng)懲罰成本最低為調(diào)度目標(biāo)，依據(jù)離散混合Petri網(wǎng)理論的各層功能，構(gòu)建融合調(diào)度目標(biāo)函數(shù)。

風(fēng)電運(yùn)行成本的目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

(1)

發(fā)電成本：

Cz(Pi,h)=kzPi,h

(2)

備用成本：

Cb(Pi,h)=kb(Pi,h-wact)

(3)

棄風(fēng)懲罰成本：

Cq(Pi,h)=kq(wact-Pi,h)

(4)

式中：h為時(shí)段，h=1,2,…,H；H為總時(shí)段數(shù)；i為發(fā)電機(jī)組序號，i=1,2,…,N；N為發(fā)電機(jī)組總數(shù)；Ii,h為發(fā)電機(jī)組i在h時(shí)段的狀態(tài)；Pi,h為發(fā)電機(jī)組i在h時(shí)段的風(fēng)電功率值；Fci(Pi,h,Ii,h)為機(jī)組i在t時(shí)段的運(yùn)行成本；wact為風(fēng)電實(shí)際輸出的有功功率。

因此，在考慮電力系統(tǒng)中風(fēng)電運(yùn)行成本、發(fā)電成本、備用成本和棄風(fēng)懲罰成本這4種主要成本的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(1)～(4)，所構(gòu)建的融合調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)為

(5)

2.2 約束條件

一般在構(gòu)建海上風(fēng)電調(diào)度模型時(shí)，大多考慮影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)平衡約束、機(jī)組運(yùn)行約束和電網(wǎng)安全約束。本文為了使調(diào)度模型更貼近系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在構(gòu)建調(diào)度模型中除了加入上述3種約束外，增加了旋轉(zhuǎn)備用約束、機(jī)組爬坡約束和支路潮流約束，這樣構(gòu)建的調(diào)度模型有助于真實(shí)表征海上風(fēng)電的實(shí)際復(fù)雜情況，更能有效降低電力企業(yè)的運(yùn)營成本。

系統(tǒng)平衡約束表示為

(6)

機(jī)組運(yùn)行約束：

Pi,min×Ii,h≤Pi,h≤Pi,max×Ii,h

(7)

電網(wǎng)安全約束：

(8)

旋轉(zhuǎn)備用約束：

(9)

機(jī)組爬坡約束：

(10)

支路潮流約束：

(11)

3 實(shí)證分析

為了驗(yàn)證所構(gòu)建融合調(diào)度模型的有效性，利用某海上風(fēng)電場2012年1～2月中，某日24 h的實(shí)測風(fēng)電功率曲線以及9組不同置信區(qū)間的海上風(fēng)電數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集[10]，代入式(5)得

(12)

將該目標(biāo)函數(shù)和約束條件通過構(gòu)建的融合調(diào)度模型進(jìn)行仿真，可以得到提前24 h時(shí)間序列的海上風(fēng)電功率預(yù)測曲線。實(shí)測風(fēng)電曲線、9組不同置信區(qū)間的風(fēng)電曲線以及預(yù)測風(fēng)電曲線的輸出功率變化情況如圖2所示[10]。

由圖2可見，不同置信區(qū)間下，Q90的輸出功率比其他曲線都大。

通過已構(gòu)建的融合調(diào)度模型，可以計(jì)算出不同置信區(qū)間的海上風(fēng)電輸出功率各成本情況，如表1所示。通過表1可以看出：Q90的運(yùn)行成本、發(fā)電成本和備用成本都比其他低，總發(fā)電量比其他高。可見在不同置信區(qū)間下，Q90具有較低的成本和較高的發(fā)電量，且輸出功率也最大。電力企業(yè)在科學(xué)規(guī)劃電力系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電調(diào)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮電力系統(tǒng)總體運(yùn)營成本和發(fā)電量，在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電輸出功率最大化。

4 結(jié)束語

本文通過分析海上風(fēng)電調(diào)度模式面臨的實(shí)際問題，提出基于離散混合Petri 網(wǎng)的海上風(fēng)電融合調(diào)度流程。在構(gòu)建海上風(fēng)電調(diào)度模型時(shí)，在考慮系統(tǒng)平衡約束、機(jī)組運(yùn)行約束和電網(wǎng)安全約束的基礎(chǔ)上，充分考慮了旋轉(zhuǎn)備用約束、機(jī)組爬坡約束和支路潮流約束，使所構(gòu)建融合調(diào)度模型更能反應(yīng)海上風(fēng)電的實(shí)際特點(diǎn)，并通過具體實(shí)例驗(yàn)證了所構(gòu)建模型的有效性和經(jīng)濟(jì)性。

表1 不同置信區(qū)間風(fēng)電輸出功率的各成本和總電量情況