面向提供系統(tǒng)靈活性的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行

李茜，茍璐旸，李樊，張安安，鄭雅迪，周熙朋

(1. 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；2. 國網(wǎng)樂山市沙灣供電單位，四川 樂山 614900)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電因其間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)難以完成實(shí)時(shí)高效調(diào)度，尤其是當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電并入電網(wǎng)后，對(duì)機(jī)組出力計(jì)劃的制定、實(shí)時(shí)調(diào)度以及備用容量的安排都將產(chǎn)生不利影響[1]。若不能合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式及并網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度策略，將延滯風(fēng)電消納導(dǎo)致系統(tǒng)棄風(fēng)，進(jìn)一步影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性乃至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定[2-3]。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量日益增加，社會(huì)對(duì)智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高，為了更好地利用風(fēng)能，解決風(fēng)電并網(wǎng)引起的問題成為越來越急迫的任務(wù)。

文獻(xiàn)[4]基于優(yōu)化備用容量的思路，提出了一種從用戶需求側(cè)與風(fēng)電不確定性雙重因素考慮的魯棒優(yōu)化模型。該模型把需求響應(yīng)看作一種靈活調(diào)控資源，通過提高預(yù)測(cè)精度誤差的方式促進(jìn)了風(fēng)電消納。文獻(xiàn)[5]根據(jù)風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提出了基于增量式相對(duì)熵的殘差分析方法，該方法使風(fēng)電機(jī)組出力預(yù)測(cè)誤差精度大幅提高。文獻(xiàn)[6]在兼顧運(yùn)行成本的同時(shí)，考慮系統(tǒng)靈活容量動(dòng)態(tài)缺額，構(gòu)建了基于高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[7]基于非零和博弈理論提出了一種多區(qū)域大規(guī)模風(fēng)電協(xié)調(diào)消納策略。該策略旨在通過區(qū)域內(nèi)利益再分配的方式提高風(fēng)電消納積極性。文獻(xiàn)[8]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法和極限學(xué)習(xí)機(jī)組合建立了短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[9]通過建立虛擬電廠實(shí)現(xiàn)需求側(cè)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，以達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度促進(jìn)風(fēng)電消納的目的。上述文獻(xiàn)大多從需求側(cè)負(fù)荷波動(dòng)來預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)出力，忽略了風(fēng)電本身也有靈活性，能夠“主動(dòng)”參與系統(tǒng)調(diào)度的可能；同時(shí)現(xiàn)有的風(fēng)電并網(wǎng)優(yōu)化策略大多對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整體出力進(jìn)行調(diào)度，忽略了以風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組出力作為優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行調(diào)度的可能性。

基于此，本文充分考慮負(fù)荷波動(dòng)和風(fēng)電波動(dòng)引起的風(fēng)電場(chǎng)站并網(wǎng)時(shí)的靈活性需求，并探討風(fēng)電作為靈活性資源的可能性，分別從負(fù)荷側(cè)和供給側(cè)分析運(yùn)行過程中的靈活性，建立靈活性模型。其次，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組出力特性建立風(fēng)電機(jī)組的特征矩陣，并對(duì)其進(jìn)行聚類分析，將具有相同或相似特征的機(jī)組劃分為同一類。再根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組分類結(jié)果，建立分類機(jī)組的等效虛擬電源運(yùn)行模型。將運(yùn)行類機(jī)組等效得到的虛擬電源處理為一個(gè)“負(fù)”負(fù)荷，被動(dòng)參與并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，將調(diào)度類機(jī)組等效得到的虛擬電源作為“主動(dòng)”電源，靈活參與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。最后，建立面向提供系統(tǒng)靈活性的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行模型，該模型在得到風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)出力計(jì)劃的同時(shí)，通過優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的出力計(jì)劃使風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的損耗最小。

1 系統(tǒng)靈活性分析

1.1 系統(tǒng)靈活性需求

一方面，電力系統(tǒng)靈活性需求主要來源于負(fù)荷波動(dòng)。另一方面，當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)，風(fēng)電的隨機(jī)性、波動(dòng)特性也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的靈活性需求。同時(shí)，風(fēng)電的靈活性需求會(huì)隨著風(fēng)電接入比例的增加而劇增，進(jìn)而成為影響系統(tǒng)靈活性的重要因素。

1.1.1 負(fù)荷波動(dòng)引起的靈活性需求

負(fù)荷的波動(dòng)性表現(xiàn)為負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差，負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差大小及分布影響著負(fù)荷靈活性需求。本文采用非參數(shù)核密度估計(jì)法對(duì)歷史負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行分時(shí)段統(tǒng)計(jì)，建立負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差時(shí)段概率分布模型。再結(jié)合負(fù)荷的日前預(yù)測(cè)曲線，得到滿足某置信度的負(fù)荷預(yù)測(cè)區(qū)間為

式中：Mp.t、Mq.t為t時(shí)段電力系統(tǒng)需求側(cè)的負(fù)荷概率預(yù)測(cè)區(qū)間Qf.t的上、下限值；Mf.t為t時(shí)段負(fù)荷的日前預(yù)測(cè)值；fmt.η、fnt.η為t時(shí)段滿足某置信度η的置信區(qū)間取值上、下限。

負(fù)荷的預(yù)測(cè)誤差會(huì)影響其靈活性需求。為應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)以保證運(yùn)行安全性，根據(jù)t時(shí)段負(fù)荷的概率預(yù)測(cè)區(qū)間，系統(tǒng)為其配置相應(yīng)的負(fù)荷上、下調(diào)靈活性容量為

式中：Fp.t、Fq.t為t時(shí)段負(fù)荷上調(diào)、下調(diào)靈活性需求。

1.1.2 風(fēng)電的靈活性需求

當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)需要額外配置運(yùn)行備用容量以應(yīng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)引起的風(fēng)險(xiǎn)[10]。而風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)誤差以及風(fēng)電功率波動(dòng)都會(huì)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)機(jī)組運(yùn)行備用容量配置造成不同程度的影響。因此，為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，風(fēng)電并網(wǎng)需求的上調(diào)、下調(diào)運(yùn)行備用容量可表示為

式中：Np.t、Nq.t為t時(shí)段風(fēng)電需求的上、下調(diào)運(yùn)行備用容量；Np.m.t、Nq.m.t為t時(shí)段系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差而需求的上、下調(diào)備用容量；Np.n.t、Nq.n.t為t時(shí)段系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電功率波動(dòng)而需求的上、下調(diào)備用容量。

由以上分析可知，風(fēng)電的靈活性需求可定義為

式中：Op.t、Oq.t為t時(shí)段風(fēng)電上調(diào)、下調(diào)靈活性需求；Rp.t、Rq.t為t時(shí)段風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)上、下調(diào)容量的靈活性需求系數(shù)；PN為風(fēng)電裝機(jī)容量。

1.2 系統(tǒng)靈活性資源

電力系統(tǒng)中能夠提供靈活性資源的有水電、火電等常規(guī)發(fā)電廠以及各種儲(chǔ)能，但在含大規(guī)模風(fēng)電的系統(tǒng)中還應(yīng)考慮風(fēng)電這類波動(dòng)性電源提供靈活性的可能性。

現(xiàn)有研究中，風(fēng)電均以“被動(dòng)”參與者身份參與并網(wǎng)運(yùn)行，即并網(wǎng)時(shí)電力系統(tǒng)只能采取一定措施（通過備用約束或通過備用約束轉(zhuǎn)換得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)約束）來應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力的不確定性[11]。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量與期望出力及其出力不確定性之間的變化關(guān)系，通過制定合理的風(fēng)電并網(wǎng)容量區(qū)間計(jì)劃和機(jī)組出力計(jì)劃，探討風(fēng)電在運(yùn)行決策中從“被動(dòng)”參與者向“主動(dòng)”參與者轉(zhuǎn)變的可能性，建立風(fēng)電場(chǎng)靈活性模型。即當(dāng)風(fēng)電受系統(tǒng)消納能力約束無法全部并網(wǎng)時(shí)，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)可通過“主動(dòng)”關(guān)停機(jī)組，選擇棄風(fēng)的方式以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的靈活性進(jìn)行建模分析，首先引入2個(gè)有關(guān)隨機(jī)變量的基本定理。

2 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化分類

2.1 機(jī)組靈活性分類

在風(fēng)電場(chǎng)中，機(jī)組出力與風(fēng)向和風(fēng)速變化息息相關(guān)，而風(fēng)速與風(fēng)向在季節(jié)、天氣等環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)均存在較大波動(dòng)，受其影響，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率有很強(qiáng)的隨機(jī)性[12-13]。相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法，非參數(shù)核密度估計(jì)法不需要對(duì)數(shù)據(jù)分布進(jìn)行先驗(yàn)假定，是一種適用于高隨機(jī)性數(shù)據(jù)樣本分布特征的分析方法[14]?？紤]到空間分布等多因素影響下風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速大小及風(fēng)向變化的靈活性，本文采用非參數(shù)核密度估計(jì)法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的風(fēng)速及出力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，得到機(jī)組在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)風(fēng)速及出力的概率分布模型。再選取各機(jī)組風(fēng)速及出力概率分布的期望與方差作為機(jī)組出力特性的表征值。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組特征矩陣可表示為

式中：Pi.e、Pi.v為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)第i臺(tái)機(jī)組出力概率分布的期望、方差；vi.e、vi.v為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)第i臺(tái)機(jī)組風(fēng)速概率分布的期望、方差。

區(qū)別于常規(guī)電站，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組裝機(jī)數(shù)量大，在風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度過程中，風(fēng)機(jī)數(shù)以及時(shí)間雙重維數(shù)會(huì)給求解尋優(yōu)帶來巨大挑戰(zhàn)[15-16]，致使尋優(yōu)時(shí)間延長(zhǎng)且易陷入局部最優(yōu)的困境。模糊c均值聚類（FCM）算法是一種分類數(shù)c給定前提下，通過求取分類矩陣和聚類中心矩陣，使樣本內(nèi)每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)所有類中心的隸屬度最小，以確定樣本空間X最佳分類方案的方法[17-18]。風(fēng)電場(chǎng)中不同機(jī)組的出力特性不同[19]，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的特征矩陣，利用FCM算法將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組進(jìn)行分類，并根據(jù)不同類機(jī)組的特征，將其劃分為常規(guī)運(yùn)行機(jī)組和靈活調(diào)度機(jī)組，達(dá)到人工降維、提高并網(wǎng)可控性的目的。

某風(fēng)電場(chǎng)含有30臺(tái)1.5 MW機(jī)組，將該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組分成3類。第1類機(jī)組功率、風(fēng)速的期望值較小，方差較大，即該類機(jī)組出力低，穩(wěn)定性較差；第2類機(jī)組功率、風(fēng)速的期望與方差相對(duì)居中；第3類機(jī)組功率、風(fēng)速的期望值較大，方差較小，即該類機(jī)組出力高，穩(wěn)定性強(qiáng)[20-21]。將1、2類機(jī)組定義為靈活調(diào)度類機(jī)組，在風(fēng)電并網(wǎng)過程中，通過對(duì)靈活調(diào)度類機(jī)組的啟停及風(fēng)機(jī)出力進(jìn)行調(diào)整，來滿足電力系統(tǒng)并網(wǎng)過程中電網(wǎng)下達(dá)給風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度指令。在調(diào)度類機(jī)組內(nèi)部，由于第2類機(jī)組穩(wěn)定性以及出力特性相較于第1類機(jī)組略占優(yōu)勢(shì)，第2類機(jī)組將優(yōu)先響應(yīng)并網(wǎng)調(diào)度指令，同類機(jī)組的優(yōu)先調(diào)度順序按功率期望值從大到小進(jìn)行排序。將第3類機(jī)組定義為運(yùn)行類機(jī)組，在風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度過程中將按預(yù)測(cè)值出力且持續(xù)參與系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 分類機(jī)組虛擬等效

同類機(jī)組具有相似的出力特性，因此可將每類機(jī)組等效為一個(gè)虛擬電源，以虛擬電源的特性表示該類機(jī)組，進(jìn)而建立該風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行模型。調(diào)度類機(jī)組等效得到的虛擬電源具有靈活性，可主動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)度。而運(yùn)行類機(jī)組在并網(wǎng)調(diào)度過程中處于運(yùn)行狀態(tài)，該類機(jī)組等效得到的虛擬電源可作為一個(gè)“負(fù)”負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)度。

3 系統(tǒng)靈活性優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.2 約束條件

面向提供系統(tǒng)靈活性的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行模型約束條件包括風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的出力平衡約束以及系統(tǒng)備用機(jī)組上、下調(diào)容量約束[9]。除此之外，還考慮了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組爬坡約束、機(jī)組啟停時(shí)間以及次數(shù)等機(jī)組出力性能約束條件。

4 算例分析

以含30臺(tái)1.5 MW機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)作為并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。由于該風(fēng)電場(chǎng)的容量較小，采用修訂后的IEEE 6節(jié)點(diǎn)作為算例對(duì)所提優(yōu)化調(diào)度模型的正確性以及有效性進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，修正后IEEE 6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的參數(shù)取值如表1所示。

表1 IEEE 6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)組數(shù)據(jù)Table 1 IEEE 6 node system unit data

4.1 IEEE 6節(jié)點(diǎn)算例數(shù)據(jù)

受多重因素影響，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組出力情況有明顯的反調(diào)峰特性，即當(dāng)需求側(cè)負(fù)荷處于高峰用電時(shí)段時(shí)風(fēng)機(jī)功率小，當(dāng)需求側(cè)負(fù)荷處于低谷用電時(shí)段時(shí)風(fēng)機(jī)功率大。為全面分析風(fēng)電出力對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，分別對(duì)負(fù)荷低谷時(shí)段04:00—07:00及負(fù)荷高峰時(shí)段20:00—23:00進(jìn)行分析。負(fù)荷低谷、高峰時(shí)段的需求及虛擬電源預(yù)測(cè)功率如表2、表3所示。

表2 負(fù)荷及虛擬電源在負(fù)荷低谷時(shí)段的預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Forecast value of load and virtual power supply during low load period

表3 負(fù)荷及虛擬電源在負(fù)荷高峰時(shí)段的預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Forecast value of load and virtual power supply during peak load period

在算例中，虛擬電源1、2、3的額定容量分別為10.5 MW、16.5 MW、18 MW。網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗以及事故運(yùn)行備用容量均取預(yù)測(cè)負(fù)荷容量的5%，負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差對(duì)備用容量需求取預(yù)測(cè)負(fù)荷容量的2%，風(fēng)電場(chǎng)有功損耗取風(fēng)電裝機(jī)容量的1%，并網(wǎng)風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)上調(diào)、下調(diào)靈活性需求由式（12）（13）求得，其中風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差及風(fēng)電功率波動(dòng)的置信度α均取90%，棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)取cw=10，其余數(shù)據(jù)根據(jù)靈活性需求調(diào)度模型求得。

4.2 算例仿真分析

常規(guī)機(jī)組在需求側(cè)負(fù)荷低谷、高峰時(shí)段的出力分別如圖1、圖2所示，圖例P1、P2、P3表示常規(guī)機(jī)組1、2、3的功率。虛擬電源1、2在負(fù)荷低谷時(shí)段及高峰時(shí)段的出力如表4、表5所示。

圖1 負(fù)荷低谷時(shí)段機(jī)組出力Fig. 1 Unit output value during low load period

圖2 負(fù)荷高峰時(shí)段機(jī)組出力Fig. 2 Unit output value during peak load period

表4 負(fù)荷低谷時(shí)段虛擬電源1、2的出力Table 4 The output of virtual power supply 1 and 2 during low load period

表5 負(fù)荷高峰時(shí)段虛擬電源1、2的出力Table 5 The output of virtual power supply 1 and 2 during peak load period

由表5可以看出，該風(fēng)電場(chǎng)在負(fù)荷高峰22:00時(shí)段時(shí)，虛擬電源1進(jìn)行了棄風(fēng)操作，原因在于時(shí)段22:00系統(tǒng)提供的上調(diào)靈活性容量不滿足需求，雖然可以通過加開機(jī)組G2來滿足需求，但啟停新機(jī)組帶來的經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)高于棄風(fēng)懲罰的費(fèi)用，因此在該時(shí)段通過棄風(fēng)來滿足系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。選擇虛擬電源1棄風(fēng)是因?yàn)樘摂M電源1較虛擬電源2的機(jī)組出力期望值小、波動(dòng)大，在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化調(diào)度時(shí)優(yōu)先關(guān)停虛擬電源1的機(jī)組。

根據(jù)機(jī)組分類情況可知，虛擬電源3為運(yùn)行類機(jī)組，該電源出力穩(wěn)定，可控性高。在風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度過程中，當(dāng)負(fù)荷處于低谷、高峰時(shí)段時(shí)都持續(xù)參與系統(tǒng)運(yùn)行且按照預(yù)測(cè)值進(jìn)行出力。由表4可以看出，當(dāng)負(fù)荷處于低谷時(shí)段時(shí)，由于充分考慮了系統(tǒng)供給側(cè)以及負(fù)荷側(cè)兩端的靈活性資源及靈活性需求，并合理設(shè)置了備用容量，靈活調(diào)度類機(jī)組等效得到的虛擬電源1、2都在按照預(yù)測(cè)值進(jìn)行出力，同時(shí)滿足了系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)盡可能消納風(fēng)電和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的雙重需求。

5 結(jié)論

（1）本文建立了風(fēng)電靈活性模型，論證了風(fēng)電作為靈活性資源的可行性。

（2）根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的出力特性，對(duì)其進(jìn)行靈活性分類，并建立了各類機(jī)組的等效虛擬電源運(yùn)行模型。

（3）在各類等效虛擬電源運(yùn)行模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向提供系統(tǒng)靈活性的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行模型。該模型在得到風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)出力計(jì)劃的同時(shí)，通過優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的出力計(jì)劃使風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的損耗最小。

（4）本文算例中僅考慮了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行和負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過控制風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的出力曲線來貼近負(fù)荷需求曲線，但在電力系統(tǒng)實(shí)際調(diào)度中，會(huì)有更多的靈活資源參與，如水電、火電、儲(chǔ)能等，后續(xù)工作中將計(jì)劃引入儲(chǔ)能等靈活性資源做進(jìn)一步分析探討。