新能源發(fā)電高壓配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的算法研究

摘 要：本文針對(duì)跨區(qū)電能交易提出一種基于直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本的優(yōu)化方法，旨在改進(jìn)跨區(qū)直流計(jì)劃和日前發(fā)電計(jì)劃，并以中國(guó)東北某省級(jí)電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析。研究結(jié)果表明，該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和供需平衡，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，有助于維持整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：跨區(qū)電能交易；直流計(jì)劃調(diào)整；優(yōu)化方法

中圖分類號(hào)：TM 73" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)能源轉(zhuǎn)型加速，新能源發(fā)展迎來(lái)了歷史性機(jī)遇。新能源具有清潔、低碳和可再生等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐[1]。作為一種清潔能源，利用新能源發(fā)電逐漸成為我國(guó)能源體系的重要組成部分，然而新能源卻具有分布不均、波動(dòng)性強(qiáng)以及不確定性大等特點(diǎn)，導(dǎo)致新能源供需不平衡，因此需要通過跨區(qū)電能交易，將新能源從富集地區(qū)輸送到需求地區(qū)，實(shí)現(xiàn)新能源利用的最大化[2]?？鐓^(qū)電能交易是指在不同電網(wǎng)間進(jìn)行的電力市場(chǎng)交易，可以提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和靈活性，促進(jìn)新能源的消納和發(fā)展[3]。然而，跨區(qū)電能交易也存在電力輸送的不確定性、電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜性以及市場(chǎng)機(jī)制的不完善性等風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行深入研究[4]。

因此，針對(duì)新能源發(fā)電高壓配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)問題，進(jìn)行科學(xué)、合理且有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。本文以中國(guó)東北某省級(jí)電網(wǎng)為例，針對(duì)跨區(qū)直流輸電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，建立了一種基于直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本的優(yōu)化方法，可以解決直流輸電計(jì)劃的優(yōu)化調(diào)整問題。

1 直流聯(lián)絡(luò)優(yōu)化模型建立

跨區(qū)電能交易的實(shí)施需要考慮不同地區(qū)的電網(wǎng)特性、電力市場(chǎng)規(guī)則和輸電線路容量等因素，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化跨區(qū)電能交易效果，需要對(duì)跨區(qū)直流計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，其變化如公式（1）所示。

p（d，t）=p0（d，t）+?p+（d，t）-?p-（d，t） （1）

式中：p（d，t）為t時(shí)段的預(yù)定輸送功率；p0（d，t）為優(yōu)化調(diào)整后t時(shí)段的預(yù)定輸送功率；?p+（d，t）和?p-（d，t）分別為t時(shí)段增加或者減少的輸送功率。

引入直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本因子λ和虛擬調(diào)整成本函數(shù)?C（d，t），精準(zhǔn)、高效地對(duì)直流計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整（如圖1所示）。

根據(jù)圖1計(jì)算直流計(jì)劃虛擬調(diào)整成本函數(shù)，分別如公式（2）、公式（3）所示。

（2）

（3）

式中：λ（d，s）為虛擬調(diào)整因子；?CD（d，t）為虛擬調(diào)整成本函數(shù)；p（d，s，t）為線路在t時(shí)段s段范圍內(nèi)的預(yù)定輸送功率；?p+（d，t）和?p-（d，t）分別為t時(shí)段增加或減少的輸送功率。

假設(shè)對(duì)某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)直流電輸出電力的調(diào)整量為Y，如公式（4）所示。

1≥Y（d，t）=Y +（d，t）+Y -（d，t） （4）

式中：Y +（d，t）為輸出電力優(yōu)化正增量；Y -（d，t）為輸出電力優(yōu)化負(fù)增量。

根據(jù)同一時(shí)間段內(nèi)的直流計(jì)劃不允許進(jìn)行反方向調(diào)整，則有公式（5）。

（5）

MAHER M J[5]指出輸出電力優(yōu)化正增量和輸出電力優(yōu)化負(fù)增量可在單位時(shí)間內(nèi)電能轉(zhuǎn)換成熱量的速率的變化大小的基礎(chǔ)上添加0、1二元變量T（d，t）來(lái)限制進(jìn)行表述，如公式（6）、公式（7）所示。

D（d，t）-D（d，t-1）≤A1T1（d，t） （6）

D（d，t-1）-D（d，t）≤A1T2（d，t） （7）

式中：A1、A2為使等式滿足條件的固定數(shù)值；T（d，t）為二元變量函數(shù)；D（d，t）為直流功率。

連接2個(gè)不同時(shí)間段的直流線路，其計(jì)劃變化頻率的限制應(yīng)該是與直流線路自身的運(yùn)行方式限制相匹配的，如公式（8）、公式（9）所示。

P（d，t）-P（d，t-1）≤BU+（d，t）C（t） （8）

P（d，t-1）-P（d，t）≤BU-（d，t）C（t） （9）

式中：BU為直流計(jì)劃最大或最小變化速率；C（t）為研究段時(shí)長(zhǎng)。

為了保證直流計(jì)劃優(yōu)化平穩(wěn)進(jìn)行，在最小間隔時(shí)間內(nèi)，直流計(jì)劃不進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，如公式（10）所示。

（10）

式中：NT為最小間隔時(shí)間內(nèi)的研究時(shí)段數(shù)量；E（d，t）為最小間隔時(shí)段內(nèi)優(yōu)化函數(shù)。

同樣根據(jù)MAHER M J研究，BU可用0、1布爾變量E（d，t）來(lái)表述在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)是否進(jìn)行優(yōu)化，可得公式（11）～公式（13）。

Y（d，t+1）-M（d，t）≤E+（d，t） （11）

Y（d，t）-M（d，t）≤E-（d，t） （12）

Y（d，t）-Y（d，t+1）≤1M（d，t） （13）

式中：M（d，t）為引入的變量函數(shù)。

為保證不同地區(qū)電力市場(chǎng)交易正常履行，優(yōu)化期間內(nèi)直流電的總輸出量必須符合市場(chǎng)交易合同規(guī)定的范圍，則有公式（14）。

（14）

式中：Q（d）為直流計(jì)劃優(yōu)化期間最大或最小交易電量；C（t）為研究段時(shí)長(zhǎng)。

在考慮了直流輸電過程中的損失（包括變壓器和線路損失）后，需要在接收端電網(wǎng)安全承受的上限和下限范圍內(nèi)對(duì)直流輸送功率進(jìn)行計(jì)算，如公式（15）所示。

pe-（d，t））≤D（d，t））（1-I（t））≤pe+（d，t）） （15）

式中：pe（d，t）為接受端電網(wǎng)能夠接受的最大或者最小電力；I（t）為t時(shí)段內(nèi)變壓器和線路損失的損失函數(shù)。

由于2個(gè)跨區(qū)端口的電網(wǎng)相互依存，它們之間的電力傳輸需要遵循各自電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)范和安全要求。同時(shí)考慮這些限制條件可以保證調(diào)整后的直流計(jì)劃既滿足供電端的要求，又不會(huì)對(duì)接收端的電網(wǎng)造成過載或不穩(wěn)定的影響。

本文在上述限制的基礎(chǔ)上，根據(jù)跨區(qū)電網(wǎng)的電力傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了2種不同的優(yōu)化方法，用于改進(jìn)編制供電端電網(wǎng)的跨區(qū)直流計(jì)劃和日前發(fā)電計(jì)劃，如圖2所示。

根據(jù)圖2所示，本文提出的雙階段優(yōu)化方法基于新能源功能預(yù)測(cè)、安全約束、電力符合以及機(jī)組約束、直流計(jì)劃調(diào)整約束等其他約束，對(duì)日前發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)考慮了多種影響因素，并分析了受電端口在安全條件下對(duì)直流電的最小接受能力曲線。如果受端電網(wǎng)直流電最低接納能力為所有時(shí)段直流電輸入的最小電量minF，如公式（16）所示。

（16）

同理最大電量maxF如公式（17）所示。

（17）

受端電網(wǎng)輸入和輸出電量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，如公式（18）所示。

（18）

式中：L（t）為輸入端電網(wǎng)在t時(shí)刻接收的凈功率。

根據(jù)SCUC算法可得可再生能源產(chǎn)能源極限產(chǎn)值，如公式（19）所示。

（19）

式中：C為發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)期間消耗的能源；Cst為發(fā)電機(jī)運(yùn)行或者停止所需要的成本；ΔCW為風(fēng)力或太陽(yáng)能等資源的變化造成電力過剩時(shí)的遺棄成本；W為可再生能源發(fā)電機(jī)的總數(shù)。

直流計(jì)劃優(yōu)化虛擬費(fèi)用和發(fā)電費(fèi)用間的關(guān)系如公式（20）所示。

C（i，t）lt;?CD（d，t）lt;?CW（w，t） （20）

2 算例分析

本文以中國(guó)東北某省級(jí)電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，綜合考慮受端電網(wǎng)安全等約束條件后的受端電網(wǎng)的直流安全接納范圍如圖3所示。根據(jù)圖3可知，受端電網(wǎng)全天可吸納的直流輸送功率高達(dá)4000MW，足以滿足大部分電力需求，但白天高峰時(shí)段的電力需求旺盛，需要至少3000MW的直流注入才能滿足負(fù)荷需求。凌晨時(shí)段，系統(tǒng)具備充分的調(diào)節(jié)余地，直流注入功率的變化不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)平衡，系統(tǒng)有足夠的空間進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于不考慮調(diào)峰，因此導(dǎo)致電網(wǎng)早晚備用不足，需要限制風(fēng)電出力。如果電網(wǎng)的備用容量不足，將無(wú)法滿足電力需求，可能會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷。因此，為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要考慮調(diào)峰問題，增加電網(wǎng)的備用容量，以便在高峰期間滿足負(fù)荷需求。說(shuō)明需要在電網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中充分考慮電力需求的變化和如何有效調(diào)節(jié)電力供應(yīng)，以滿足這些需求。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電出力的限制，避免電網(wǎng)早晚備用不足情況的發(fā)生。風(fēng)電是一種可再生能源，具有環(huán)保、清潔等優(yōu)點(diǎn)，但其出力受風(fēng)速等自然條件的影響，存在一定的不穩(wěn)定性，需要對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行有效控制，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要充分考慮和平衡各種因素，包括電力需求的變化、電源的穩(wěn)定性以及備用容量的充足程度等。

本文采用日前發(fā)電計(jì)劃協(xié)調(diào)優(yōu)化方法對(duì)送端電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前、后的直流送出計(jì)劃如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，通過本文的優(yōu)化調(diào)整，送端電網(wǎng)日前計(jì)劃接受可再生能源發(fā)電量從302600MW·h增至308100MW·h。優(yōu)化后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提高，有利于更好地消納新能源，表明優(yōu)化方案可有效增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性和適應(yīng)能力，并有效整合和利用可再生能源。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)的靈活性和適應(yīng)能力，可以考慮增加電網(wǎng)的備用容量，以便在高峰期間滿足負(fù)荷需求。

3 結(jié)論

為了滿足跨區(qū)域電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和供需平衡，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，本文以中國(guó)東北某省級(jí)電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，針對(duì)跨區(qū)直流輸電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到以下4個(gè)結(jié)論。1）本文建立了跨區(qū)電能交易模型，并評(píng)估了跨區(qū)電能交易對(duì)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，跨區(qū)電能交易可以有效平衡區(qū)域間的電力供需差異，提高新能源的消納水平，降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本，增加電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和靈活性。2）本文考慮了直流計(jì)劃調(diào)整對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響，將直流計(jì)劃調(diào)整虛擬成本作為直流計(jì)劃優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，建立直流計(jì)劃調(diào)整優(yōu)化模型，求解了最優(yōu)直流計(jì)劃調(diào)整量，并通過案例驗(yàn)證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。3）本文考慮了直流計(jì)劃優(yōu)化的多種限制條件，包括直流換流器的運(yùn)行特性、直流計(jì)劃的變化頻率和幅度、直流計(jì)劃的交易約束、直流輸送功率的容量限制以及受端電網(wǎng)的接納能力等，保證了直流計(jì)劃優(yōu)化的可行性和安全性。4）本文設(shè)計(jì)了2種不同的優(yōu)化方法，分別為階段1和階段2，用于改進(jìn)編制供電端電網(wǎng)的跨區(qū)直流計(jì)劃和日前發(fā)電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能發(fā)電和新能源消納的目標(biāo)。

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