基于優(yōu)先級及電力平衡的新能源中長期交易電量分解方法*

曹 敏， 賈蓉蓉， 白澤洋， 俞文瑾， 印 青， 劉 明

(1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048；2.西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710075)

0 引言

電力企業(yè)日益發(fā)展，市場化成為電力企業(yè)改革的重點(diǎn)方向[1]，為使電力企業(yè)運(yùn)行穩(wěn)定，現(xiàn)階段電力市場的新能源交易過程仍然由中長期交易占據(jù)主要地位[2].通常情況下，電力企業(yè)在年末時(shí)，依據(jù)負(fù)荷預(yù)測情況構(gòu)建下一年的發(fā)電規(guī)劃，然后再與各個(gè)電廠制定市場交易合約電量.最后電力企業(yè)再根據(jù)電廠每月負(fù)荷等情況將新能源電量消耗分解到月.交易過程中的優(yōu)先級是指發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中的順序排列[3-4]，依據(jù)排列狀態(tài)劃分交易的先后.同時(shí)，通過電力平衡約束可調(diào)節(jié)機(jī)組的出力，使電量分解更加全面.

由于電量分解是各省電力公司交易過程中的重要工作，且有效的電量分解方法可以使日后電力調(diào)度情況得到改善[5-6]，因此電量分解在電力企業(yè)運(yùn)行過程中具有很關(guān)鍵的作用，有較多學(xué)者對此進(jìn)行研究，例如周娜等[7]研究云南省汛期月度電量交易計(jì)劃分解方法，李道強(qiáng)等[8]研究電力市場環(huán)境下的差價(jià)合約電量分解方法，但在電量分解過程中，存在無法精確到日等問題，且分解后的越限電量仍然較高.因此，本文研究基于優(yōu)先級及電力平衡的新能源中長期交易電量分解方法，確保新能源年度交易電量能夠?qū)崿F(xiàn)精確分解.

1 新能源中長期交易電量分解方法

1.1 新能源發(fā)電長時(shí)間出力曲線構(gòu)建

由于風(fēng)力發(fā)電的輸出功率Pw和風(fēng)速v存在一定聯(lián)系，因此額定功率Pwr與0之間會(huì)出現(xiàn)輸出功率的波動(dòng)，具體關(guān)系由公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：切入風(fēng)速由vi描述；切出風(fēng)速由v0描述；額定風(fēng)速由vs描述.

根據(jù)安裝區(qū)域的光照強(qiáng)度，可以得出光伏發(fā)電的輸出功率Pv.若真實(shí)光照強(qiáng)度h低于所設(shè)定光照強(qiáng)度hr，則h的增加輸出功率也會(huì)增加，若h增加至hr，則Pv維持不變的設(shè)定輸出功率PVR，并通過公式(2)計(jì)算Pv的輸出功率：

(2)

采集某一時(shí)段中的每小時(shí)光照強(qiáng)度與風(fēng)速，并分別設(shè)為hi,t、vi,t，同時(shí)，i=1,2,…,L，其中L表示整個(gè)研究時(shí)期的日期，t的含義為24 h.通過公式(1)與公式(2)依次計(jì)算獲得第i日內(nèi)，風(fēng)電日出力時(shí)序信息PW(i)=(Pwi,1,Pwi,2,…,Pwi,24)以及光伏日出力時(shí)序信息PV(i)=(Pvi,1,Pvi,2,…,Pvi,24)，在此時(shí)，將兩者與當(dāng)日風(fēng)、光出力數(shù)據(jù)相結(jié)合，并表示為ψ(i)=[PW(i)PV(i)].在整個(gè)研究時(shí)期L內(nèi)風(fēng)電、光伏出力信息即可構(gòu)成一個(gè)L×48階矩陣.

1.2 機(jī)組運(yùn)行計(jì)劃定制

依據(jù)上述構(gòu)建的新能源發(fā)電長時(shí)間出力曲線設(shè)計(jì)電力平衡約束以及目標(biāo)函數(shù).構(gòu)建t時(shí)段下陜西省級電網(wǎng)n的等效發(fā)電成本曲線目標(biāo)函數(shù)，如公式(3)所示：

(3)

式中：該電網(wǎng)n的發(fā)電機(jī)組數(shù)量由K(n)表示；第k臺(tái)發(fā)電機(jī)組的成本由ck表示；在時(shí)段t下機(jī)組k的最佳出力由Pk,t表示.

機(jī)組可調(diào)出力以及發(fā)電負(fù)荷平衡約束：

(4)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行計(jì)劃的求解，選取模擬退火算法.該算法在初始階段可通過可行解開始，然后不斷地制造新解，并對新解進(jìn)行判斷，直到求出最優(yōu)解.該算法的計(jì)算過程與Metroplis算法較為相似，且該算法需要嚴(yán)格控制參數(shù)變化的步長，才可以使算法實(shí)現(xiàn)熱平衡，達(dá)到更好的計(jì)算，因此該算法的計(jì)算形式與物理退火形式一致[9-10]，當(dāng)固體的溫度逐漸降低至某個(gè)設(shè)定的溫度，這個(gè)降溫過程即為模擬退火算法的整體過程.該算法可以利用Metroplis理論，設(shè)定轉(zhuǎn)移概率Pt的值為公式(5)：

(5)

通過該公式分析是否從現(xiàn)階段的解i轉(zhuǎn)移至新解j，該公式中，控制參數(shù)由t∈R+描述.通過以下過程求解該算法：其中，利用正態(tài)分布函數(shù)抽取解空間試樣得到解空間，通過隨機(jī)函數(shù)制造出新解，同時(shí)確定新解是否能夠被接受，具體計(jì)算過程如下：

(1)輸入初始可行解向量x0，并設(shè)xbest=x0，對目標(biāo)函數(shù)值F(xbest)進(jìn)行求解；

(2)給定起始溫度T(0)=T0，并設(shè)定迭代次數(shù)為i=1；

(3)利用最新解制造現(xiàn)階段最優(yōu)解xbest函數(shù)，得出新解xnew，對新的目標(biāo)函數(shù)值E(xnew)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算其增量E=E(xnew)-E(xbest).

(4)對最優(yōu)解向量進(jìn)行輸出，完成計(jì)算.

1.3 時(shí)序負(fù)荷曲線分解

當(dāng)確定機(jī)組運(yùn)行計(jì)劃后，開始分解時(shí)序負(fù)荷，分別分解為3層.其中，底層負(fù)荷為出力不可調(diào)機(jī)組出力總和，通過公式(6)計(jì)算：

(6)

公式(6)中，第i臺(tái)不可調(diào)機(jī)組的出力由Pi表示，該部分機(jī)組通過電源模塊確定數(shù)量，同時(shí)將底層負(fù)荷設(shè)為不可調(diào)水電以及核電的能量，且底層負(fù)荷的出力值不會(huì)發(fā)生變動(dòng)，均以滿出力發(fā)電.

通過公式(7)計(jì)算中間負(fù)荷：

(7)

公式(7)中，第i臺(tái)中間負(fù)荷機(jī)組的最大出力由Pimax描述，該機(jī)組中的運(yùn)行時(shí)間均大于一整天，且機(jī)組均具備出力調(diào)整功能，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，機(jī)組可以隨之調(diào)整出力.

若Pb

若PL(t)≥Pmmax，則該負(fù)荷為尖峰負(fù)荷，尖峰負(fù)荷由運(yùn)行過程中的剩余機(jī)組處理負(fù)荷，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間不大于一天時(shí)，需在一天之內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷，同時(shí)進(jìn)行啟停操作.

1.4 基于時(shí)序仿真的新能源中長期交易電量優(yōu)化分解模型

以促進(jìn)高比例新能源消納為目標(biāo)，計(jì)及交易優(yōu)先級，從新能源長時(shí)間出力曲線構(gòu)建、交易電量協(xié)調(diào)優(yōu)化分解和多場景模擬計(jì)算等方面，提出滿足新能源隨機(jī)波動(dòng)性的中長期交易電量協(xié)調(diào)優(yōu)化方案，即構(gòu)建基于時(shí)序仿真的新能源中長期交易電量優(yōu)化分解模型，通過機(jī)組尖峰負(fù)荷分解以及中間負(fù)荷機(jī)組負(fù)荷分解實(shí)現(xiàn)中長期交易電量優(yōu)化分解.

1.4.1 基于交易優(yōu)先級的機(jī)組分解排序在運(yùn)行發(fā)電機(jī)組過程中，不僅可依據(jù)能源進(jìn)行電量分解，還可根據(jù)能源的不同對機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)分解.由于當(dāng)前我國的電力系統(tǒng)中主要以火力發(fā)電為主要結(jié)構(gòu)，因此本文主要針對火電機(jī)組進(jìn)行分解排序.在火電機(jī)組運(yùn)行過程中，機(jī)組存在相應(yīng)的最小技術(shù)出力、煤耗率以及額定容量等技術(shù)特征[11]，因此在制定分解模型時(shí)，需依據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在分解之前，確定機(jī)組分解的交易優(yōu)先級[12-13]，將額定容量差絕對值在60 MW以內(nèi)的機(jī)組放置在同一類別中，以60 MW作為排序差裕度，當(dāng)差值大于60 MW，即再次構(gòu)建一個(gè)類別，并在該類別內(nèi)放置機(jī)組.依據(jù)該過程，對全部機(jī)組進(jìn)行劃分，使機(jī)組都能夠存在于不同區(qū)間的位置中，當(dāng)進(jìn)行后續(xù)分解時(shí)，根據(jù)排序順序?qū)崿F(xiàn)交易優(yōu)先級分解.

1.4.2 尖峰負(fù)荷機(jī)組負(fù)荷分解模型通過機(jī)組運(yùn)行計(jì)劃可知，尖峰負(fù)荷通常出現(xiàn)于調(diào)峰階段，但并非需要每天都進(jìn)行機(jī)組調(diào)峰的啟停，因此，通過公式(8)判斷系統(tǒng)調(diào)峰是否由負(fù)荷低谷制造：

(8)

上述公式中，第d天時(shí)的系統(tǒng)向下備用保存量由PDownReserve描述.若該公式成立，則無須計(jì)算調(diào)峰，且不會(huì)出現(xiàn)尖峰負(fù)荷機(jī)組，若不成立，則需要進(jìn)行調(diào)峰并啟停尖峰負(fù)荷機(jī)組.

若開啟系統(tǒng)調(diào)峰機(jī)組的方式與出力線性提升的過程一致，即機(jī)組出力增量在某個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)恒定不變，則依據(jù)爬坡率Ri可使得第i臺(tái)機(jī)組的出力進(jìn)行線性提升，直至出力情況達(dá)到最小出力.在此時(shí)，負(fù)荷的改變不會(huì)影響機(jī)組出力，所以需從負(fù)荷中去掉出力曲線.

當(dāng)負(fù)荷處于低谷狀態(tài)時(shí)，需關(guān)停尖峰負(fù)荷機(jī)組[14-15].當(dāng)負(fù)荷處于高峰活躍期時(shí)，需在負(fù)荷出現(xiàn)之前開啟該機(jī)組.在開啟時(shí)，需依據(jù)爬坡率逐漸增加機(jī)組出力，直至達(dá)到最小出力.

設(shè)當(dāng)日負(fù)荷最高值為PLmax，與之相應(yīng)的時(shí)刻由tmax表示，通過公式(9)計(jì)算開啟機(jī)組時(shí)間：

tstart=-1，

(9)

公式(9)中，第i臺(tái)機(jī)組的設(shè)定出力由Pimax描述.

在開啟調(diào)峰機(jī)組時(shí)，設(shè)P(t)=Ri為出力增量，并通過公式(10)計(jì)算：

Pi(t+tstart)=P(t)×t，

(10)

公式(10)中，t≤Pimin/P(t).

(11)

公式(11)中，n表示全部調(diào)峰機(jī)組數(shù)量.

每個(gè)調(diào)峰機(jī)組均具備最小出力負(fù)荷時(shí)，在停止調(diào)峰之前，計(jì)算其出力方式與中間負(fù)荷機(jī)組一致.

停止調(diào)峰的過程是線性降低出力的過程，就是固定時(shí)間下，分解掉爬坡率小的負(fù)荷.當(dāng)爬坡率下降至0時(shí)，機(jī)組停止出力.當(dāng)負(fù)荷處于中間負(fù)荷之下，且未高于中間負(fù)荷最大值的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是停止調(diào)峰的時(shí)間，然后向后延伸1.5 h的時(shí)間裕度，使各個(gè)尖峰機(jī)組在出力前具備一定的修正時(shí)間.

設(shè)P(t)=Ri，其中，

tstop=twaist+1.5,

(12)

Pi(t+tstop)=Pi(tstop)-P(t)×t,

(13)

上述公式中，t≤Pi(tstop)×P(t).

(14)

通過上述公式，可以獲得每個(gè)時(shí)間下，各臺(tái)尖峰負(fù)荷機(jī)組的詳細(xì)出力信息.

1.4.3 中間負(fù)荷機(jī)組負(fù)荷分解模型依據(jù)負(fù)荷曲線的分解情況，向中間負(fù)荷位置放置可調(diào)節(jié)尖峰負(fù)荷機(jī)組以及全部中間負(fù)荷機(jī)組.依據(jù)時(shí)序分析原理，若各臺(tái)機(jī)組出力時(shí)間序列通過Pi(t)描述，同時(shí)設(shè)定調(diào)整后的負(fù)荷時(shí)間序列由PL(t)描述.依據(jù)上述計(jì)算過程，當(dāng)前中間負(fù)荷機(jī)組的處理時(shí)序曲線還未進(jìn)行全面優(yōu)化，因此，利用線性規(guī)劃方法，優(yōu)化中間負(fù)荷分解曲線，降低整體發(fā)電成本.設(shè)機(jī)組出力曲線為96點(diǎn)形式，在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，設(shè)xij為各臺(tái)機(jī)組的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)出力，其中，時(shí)刻點(diǎn)記號為j，機(jī)組編碼為i.并設(shè)定i=1,2,3,…,N，其中全部機(jī)組數(shù)量由N表示；j=1,2,3,…,96，即每15 min取一點(diǎn)，計(jì)算24 h內(nèi)的每個(gè)點(diǎn).經(jīng)以上過程構(gòu)建中間負(fù)荷分解模型.設(shè)目標(biāo)函數(shù)為：

(15)

公式(15)中，V表示每天中機(jī)組全部發(fā)電煤耗；各機(jī)組平均煤耗率由aij描述.

同時(shí)分別約束系統(tǒng)的功率平衡與爬坡率，如公式(16)、公式(17)所示：

(16)

(17)

在此時(shí)，依據(jù)機(jī)組交易優(yōu)先級，約束每臺(tái)機(jī)組的發(fā)電曲線，如公式(18)所示：

(18)

上述約束中，第j類機(jī)組出力差值由Vthj描述，優(yōu)先級為第j段內(nèi)的全部機(jī)組數(shù)量由nj描述.

通過以上步驟設(shè)計(jì)每日機(jī)組電量分解模型，由于該模型屬于線性模型，所以依據(jù)線性規(guī)劃方法，利用單純形法求解該模型.同時(shí)，通過該分解模型，可以獲取每臺(tái)機(jī)組的出力時(shí)序，可依據(jù)該時(shí)序曲線完成機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化.

2 實(shí)驗(yàn)分析

將本文電量分解方法應(yīng)用至陜西省級電網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證本文方法的有效性.利用本文方法可實(shí)現(xiàn)新能源年度交易電量分解到月，同時(shí)能夠分解月度電量計(jì)算到日，對10個(gè)機(jī)組中負(fù)荷的某年交易電量進(jìn)行分解，分解結(jié)果如表1所示.

表1 不同機(jī)組電量分解后的交易電量Tab.1 Trading power of different units after power decomposition

根據(jù)表1可知，利用本文方法，可對實(shí)驗(yàn)的10個(gè)機(jī)組某年交易電量進(jìn)行精確的分解，從分解到月之后仍然能夠精確分解到日交易電量，因此，本文方法具有較好的交易電量分解能力.

對不同機(jī)組應(yīng)用本文電量分解方法，當(dāng)同時(shí)進(jìn)行3次分解后，越限電量也會(huì)隨之發(fā)生改變，通過圖1表示越限電量變化情況.

圖1 越限電量隨分解次數(shù)的變化情況Fig.1 Change of over-limit electric quantity with decomposition times

根據(jù)圖1可知，由于機(jī)組的不同，對電量分解后的越限電量也有所不同其中，全部機(jī)組第1次分解后的越限電量均在700～900 MW·h之間而第2次分解時(shí)，全部機(jī)組的越限電量均有所下降經(jīng)第3次分解后，所有機(jī)組的越限電量均不超過500 MW·h說明本文電流分解方法能夠有效降低越限電量.

由于置信水平可以反映投資者對電量交易風(fēng)險(xiǎn)評判的能力，因此置信水平可對中長期交易造成一定的影響當(dāng)置信水平越大，系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)就越低，但會(huì)導(dǎo)致交易過程中分解電量能力下降，使交易完成進(jìn)度方差增大，按照不同置信水平分析對電量分解的影響，分析初次分解與最終分解時(shí)的交易完成進(jìn)度方差，分析結(jié)果如圖2所示.

圖2 交易完成進(jìn)度方差分析Fig.2 Variance analysis of transaction completion progress

根據(jù)圖2可知，隨著置信水平的增加，初始分解與最終分解的交易進(jìn)度完成方差均有所上升，而初始分解的方差值明顯高于最終分解后的方差值，同時(shí)，最終分解后的交易進(jìn)度完成方差最高僅達(dá)到2.4，而初次分解后的方差值最高也保持在5.0以下，說明應(yīng)用本文方法進(jìn)行電量分解后的交易進(jìn)度完成方差明顯較低.

應(yīng)用本文方法分析機(jī)組1、機(jī)組2、機(jī)組3，3個(gè)機(jī)組電量分解后每個(gè)月份的平均負(fù)荷率，分析結(jié)果如圖3所示.

根據(jù)圖3可知，經(jīng)本文方法電量分解后在不同月份下每個(gè)機(jī)組的平均負(fù)荷率均較為清晰其中各機(jī)組在1月、6月、7月的平均負(fù)荷率相對較高，而其他幾個(gè)月份略低，由此可見本文方法能夠有效獲取電量分解后的平均負(fù)荷率.

圖3 每月機(jī)組平均負(fù)荷率Fig.3 Average unit load rate per month

3 結(jié)論

本文研究基于優(yōu)先級及電力平衡的新能源中長期交易電量分解方法，針對不同優(yōu)先級的機(jī)組進(jìn)行排序，并根據(jù)電力平衡約束，依次對新能源中長期交易電量進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)電量分解過程，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法性能經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，該方法可精確分解電量到月與日，且分解后交易進(jìn)度完成方差與越限電量均較低，分解效果十分優(yōu)越.在未來階段可按照當(dāng)下研究繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多種交易電量的有效分解.