基于用電調(diào)度的電力系統(tǒng)的研究

基于用電調(diào)度的電力系統(tǒng)的研究

0風(fēng)電機(jī)組同常規(guī)機(jī)組聯(lián)合調(diào)度策略從2009年開始，中國的電網(wǎng)能力和能力持續(xù)了四年，網(wǎng)絡(luò)能力達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1590千瓦，安裝功率超過2600萬噸。預(yù)計(jì)2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將突破1.5億kW,年均增速20%左右。未來,中國風(fēng)電將呈現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展態(tài)勢。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將影響電力實(shí)時(shí)平衡進(jìn)而威脅電網(wǎng)安全。為保障系統(tǒng)安全,需要在調(diào)度計(jì)劃安排上預(yù)留足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量。然而與調(diào)峰電源豐富的發(fā)達(dá)國家的電源結(jié)構(gòu)明顯不同,中國電源結(jié)構(gòu)以火電為主,大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將面臨著發(fā)電側(cè)備用資源缺乏,導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰容量嚴(yán)重不足問題。因此,迫切需要調(diào)動更廣泛的備用資源參與含風(fēng)電系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行管理。目前,針對促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)消納的調(diào)度策略主要包括提高風(fēng)電功率預(yù)測精度、與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)配合2個方面。前者通過先進(jìn)的時(shí)間序列、支持向量機(jī)等預(yù)測方法,提高風(fēng)電功率預(yù)測精度。當(dāng)風(fēng)電功率無法準(zhǔn)確預(yù)測時(shí),電網(wǎng)必須按比較保守的方案為風(fēng)電留出足夠的備用容量以平衡風(fēng)電功率的波動,為此,提出了風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)度的技術(shù)策略。例如:安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應(yīng)風(fēng)電場出力的隨機(jī)波動,維持電力系統(tǒng)功率平衡與穩(wěn)定的策略;含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略;基于電氣剖分原理的風(fēng)電系統(tǒng)有功調(diào)度與控制的二層結(jié)構(gòu)調(diào)控策略。世界各國接納大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的成功實(shí)踐之一是通過實(shí)施高效的電力市場機(jī)制。電力市場機(jī)制調(diào)動更廣泛的備用資源,為新能源并網(wǎng)提供更多調(diào)峰、備用等輔助服務(wù),是促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電更為靈活、經(jīng)濟(jì)的調(diào)度方式。國內(nèi)也已有用電資源參與系統(tǒng)調(diào)度方式的研究,例如提出可中斷負(fù)荷參與備用市場和阻塞管理等。本文在目前已有研究的基礎(chǔ)上,針對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的新問題,研究一種融入用電調(diào)度(包括可中斷負(fù)荷,還融入了用電激勵、電價(jià)響應(yīng)以及自主投標(biāo)參與市場競價(jià)等)的發(fā)用電一體化調(diào)度模式。1用電調(diào)度的特征發(fā)用電一體化調(diào)度模式是在傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式中融入用電調(diào)度,將用電需求視為一種可調(diào)度的虛擬發(fā)電資源。用戶通過可中斷合同、電價(jià)響應(yīng)等方式融入發(fā)電計(jì)劃,形成發(fā)電計(jì)劃和用電計(jì)劃的一體化調(diào)度模式,實(shí)現(xiàn)發(fā)用電資源的整體優(yōu)化。用電調(diào)度具有以下顯著特點(diǎn):一是響應(yīng)快,當(dāng)系統(tǒng)調(diào)峰容量不足、調(diào)峰電源短時(shí)間內(nèi)無法投入時(shí),通過實(shí)施可中斷負(fù)荷等用戶調(diào)度措施能夠起到快速備用作用;二是經(jīng)濟(jì)性高,融入用電調(diào)度進(jìn)行削峰填谷,能夠緩解電廠擴(kuò)建與調(diào)峰電源增加的投資壓力;三是體現(xiàn)不同用戶用電意愿,不同類型用戶供電可靠性和用電特性不同,通過用電調(diào)度能夠依據(jù)各類用戶意愿改變用電方式,科學(xué)決策發(fā)用電資源配置。僅通過發(fā)電側(cè)優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)電力平衡已難以滿足日益增長的風(fēng)電并網(wǎng)需求。為此,需要實(shí)施含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)用電一體化調(diào)度模式,科學(xué)決策需求側(cè)資源參與電力系統(tǒng)平衡,為解決風(fēng)電并網(wǎng)提供一條可行的新途徑。本文以用電激勵和融入可中斷負(fù)荷2種方式建立含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)用電一體化調(diào)度模型。2用電激勵模型本文將可中斷負(fù)荷視為一種可調(diào)度的資源融入發(fā)電調(diào)度中。電網(wǎng)公司中斷用戶供電需要補(bǔ)償其相應(yīng)的損失,由于不同用戶的用電意愿、用電方式和停電損失不同,故不同用戶可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償價(jià)格不同。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,考慮在高峰負(fù)荷時(shí)段以發(fā)電成本、備用成本和電網(wǎng)購買可中斷負(fù)荷總費(fèi)用最小為目標(biāo)制訂發(fā)電計(jì)劃。在風(fēng)電大發(fā)的低谷時(shí)段,由于系統(tǒng)深度調(diào)峰容量不足,往往需要棄風(fēng),如果實(shí)施用電需求激勵,在低谷時(shí)段通過電價(jià)等手段激勵用戶增加用電需求,可充分利用風(fēng)能資源。因此,考慮在低谷負(fù)荷時(shí)段將用電激勵融入目標(biāo)函數(shù)制訂發(fā)電計(jì)劃。模型的目標(biāo)函數(shù)為:minF=Τ∑t=1{ρjΡΙj,t+βjDj,t+Ι∑i=1Ui,t[fi(Ρi,t)+(1-Ui,t-1)CSi+g(Ri,t,up,Ri,t,down)]}(1)minF=∑t=1T{ρjPIj,t+βjDj,t+∑i=1IUi,t[fi(Pi,t)+(1?Ui,t?1)CSi+g(Ri,t,up,Ri,t,down)]}(1)式中:t為時(shí)段號,t=1,2,…,T;T為時(shí)段數(shù);ρj為電網(wǎng)公司向可中斷用戶j中斷供電的補(bǔ)償價(jià)格,可通過用戶問卷調(diào)查等方式得到,并在不同時(shí)段選取不同的數(shù)值;PIj,t為用戶j在時(shí)段t被中斷的負(fù)荷;βj為用戶j增加用電的激勵價(jià)格,可根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電邊際成本確定,并在不同時(shí)段選取不同的數(shù)值;Dj,t為用戶j在時(shí)段t增加的負(fù)荷;i為機(jī)組號;I為機(jī)組總數(shù);Ui,t為機(jī)組i在時(shí)段t的運(yùn)行狀態(tài),Ui,t=1表示機(jī)組運(yùn)行,Ui,t=0表示機(jī)組停機(jī);Pi,t為機(jī)組i在時(shí)段t的有功出力;fi(Pi,t)為機(jī)組i的發(fā)電成本函數(shù);CSi為機(jī)組i的啟動成本,為停機(jī)時(shí)間的函數(shù);g(Ri,t,up,Ri,t,down)為機(jī)組i的備用成本函數(shù),Ri,t,up和Ri,t,down分別為機(jī)組i在時(shí)段t的正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量。3正旋轉(zhuǎn)備用和負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束條件建模與傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模型相比,本文將可中斷負(fù)荷和用電激勵負(fù)荷視為2種備用資源分別融入到正旋轉(zhuǎn)備用和負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束條件中建模。同時(shí),增加了可中斷負(fù)荷和用電激勵負(fù)荷的限值約束。12啟動變量限制Ui,t={0機(jī)組停機(jī)1機(jī)組運(yùn)行(2)22平衡功率限制Ι∑i=1Ui,tΡi,t+ΡW,t=ΡL,t(3)式中:PW,t和PL,t分別為風(fēng)電場在時(shí)段t的風(fēng)電預(yù)測功率和系統(tǒng)負(fù)荷。32主機(jī)的功率限制Ui,tΡi,min≤Ρi,t≤Ui,tΡi,max(4)式中:Pi,min和Pi,max分別為機(jī)組i輸出有功功率下限值和上限值。4機(jī)組i在時(shí)段t-1-t-1,t-1,t-1形式(Ui,t-1-Ui,t)(Τi,t-1-Τˉi,on)≥0(5)(Ui,t-Ui,t-1)(-Τi,t-1-Τˉi,off)≥0(6)式中:Ti,t-1為機(jī)組i在時(shí)段t-1的總持續(xù)時(shí)間;Τˉi,on和Τˉi,off分別為機(jī)組i的最小運(yùn)行時(shí)間和最小停運(yùn)時(shí)間。5機(jī)組的升、降出力Ui,tΡi,t-Ui,t-1Ρi,t-1≤Ρi,up(7)Ui,t-1Ρi,t-1-Ui,tΡi,t≤Ρi,down(8)式中:Pi,up和Pi,down分別為機(jī)組i的升、降出力。6系統(tǒng)的正旋轉(zhuǎn)備用需求和應(yīng)對風(fēng)電功率缺失的正旋轉(zhuǎn)備用需求系統(tǒng)的比較Ι∑i=1Ui,tRi,t,up+J∑j=1ΡΙj,t≥Rup,t+Rwind,up,t(9)Ι∑i=1Ui,tRi,t,up≥Rup,t+Rwind,up,t(10)Ui,tΡi,t+Ui,tRi,t,up≤Ui,tΡi,max(11)Ui,tRi,min≤Ri,t,up≤Ui,tRi,max(12)式中:Rup,t和Rwind,up,t分別為系統(tǒng)在時(shí)段t的正旋轉(zhuǎn)備用需求和應(yīng)對風(fēng)電功率缺失的正旋轉(zhuǎn)備用需求;Ri,min和Ri,max分別為機(jī)組i預(yù)留的最小旋轉(zhuǎn)備用和最大旋轉(zhuǎn)備用。7系統(tǒng)的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用需求需求Ι∑i=1Ui,tRi,t,down+J∑j=1Dj,t≥Rdown,t+Rwind,down,t(13)Ui,tΡi,t-Ui,tRi,t,down≥Ui,tΡi,min(14)Ui,tRi,min≤Ri,t,down≤Ui,tRi,max(15)式中:Rdown,t和Rwind,down,t分別為系統(tǒng)在時(shí)段t的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用需求和應(yīng)對風(fēng)電功率缺失的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用需求。8節(jié)點(diǎn)j注入功率-Ρk,max≤n∑j=1Sj,kΡj,net≤Ρk,max(16)式中:Pk,max為線路k的最大輸送功率;Sj,k為節(jié)點(diǎn)j注入功率對線路k潮流的靈敏度;Pj,net為節(jié)點(diǎn)j的凈注入功率;n為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。9用戶j,t,學(xué)ΡΙj,t,min≤ΡΙj,t≤ΡΙj,t,max(17)式中:PIj,t,min和PIj,t,max分別為用戶j在時(shí)段t的可中斷負(fù)荷下限值和上限值。10用戶用電激勵負(fù)荷上限值Dj,t,min≤Dj,t≤Dj,t,max(18)式中:Dj,t,min和Dj,t,max分別為用戶j在時(shí)段t的用電激勵負(fù)荷下限值和上限值。4負(fù)荷預(yù)測及分析上述模型實(shí)質(zhì)上是復(fù)雜多約束的機(jī)組組合模型,本文采用啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃算法求解,并以10機(jī)系統(tǒng)和1個風(fēng)電場的數(shù)據(jù)為算例進(jìn)行模擬分析?；痣姍C(jī)組單機(jī)容量、發(fā)電成本和備用成本參數(shù)見表1。系統(tǒng)日前24時(shí)段負(fù)荷預(yù)測曲線如圖1所示。假定系統(tǒng)中風(fēng)電場共有180臺風(fēng)電機(jī)組,每臺風(fēng)電機(jī)組最大出力為2.5MW,總出力為450MW。日前24時(shí)段風(fēng)電功率的預(yù)測曲線如圖2所示。如圖1和圖2所示,風(fēng)電功率曲線和日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)反調(diào)峰特性。在負(fù)荷低谷時(shí)段,風(fēng)電大發(fā);而在負(fù)荷高峰時(shí)段,風(fēng)電則剛好相反。假設(shè)系統(tǒng)日負(fù)荷的低谷時(shí)段為時(shí)段1~8和時(shí)段23,24,其余時(shí)段為高峰時(shí)段。采用如下2種調(diào)度方式進(jìn)行模擬分析。4.1電預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用針對所建模型,暫不考慮融入用電調(diào)度計(jì)劃,進(jìn)行含風(fēng)電系統(tǒng)日前調(diào)度計(jì)劃模擬分析?？紤]風(fēng)電反調(diào)峰特性,低谷時(shí)段風(fēng)電多發(fā)的可能性較大,而在高峰時(shí)段風(fēng)電功率缺失的可能性較大,故火電預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用的策略是:在低谷時(shí)段預(yù)留最大的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量,正旋轉(zhuǎn)備用取為最大機(jī)組容量的20%;高峰時(shí)段則剛好相反。為簡化分析暫不考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束。方式1優(yōu)化結(jié)果顯示,在風(fēng)電場最大出力為450MW情況下,考慮風(fēng)電場最大可能的多發(fā)功率情景,在某些低谷時(shí)段則潛在棄風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)。如圖3所示,時(shí)段1,2,23,24的棄風(fēng)量分別為98MW,52MW,44MW,69MW,全時(shí)段內(nèi)累計(jì)棄風(fēng)量為263MW,這是由火電可能預(yù)留的最大負(fù)旋轉(zhuǎn)備用不足造成的。機(jī)組優(yōu)化結(jié)果見附錄A表A1,低谷和高峰時(shí)段的購電費(fèi)用見表2。4.2基于可中斷負(fù)荷的用電響應(yīng)特性假設(shè)存在3類大用戶,在低谷時(shí)段可以通過激勵電價(jià)增加用電需求,而在高峰時(shí)段則通過可中斷負(fù)荷方式削減用電需求,3類用戶基本信息見表3。針對所建模型進(jìn)行融入用電激勵和融入可中斷負(fù)荷模擬分析,并比對分析。機(jī)組組合優(yōu)化結(jié)果見附錄A表A2。1參與用電激勵計(jì)劃的效果融入用電調(diào)度計(jì)劃后,在系統(tǒng)低谷時(shí)段引入了用電激勵,增加了用電需求,使得系統(tǒng)在每個時(shí)段可能的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用需求都能夠滿足,圖4與圖3對比可知,低谷時(shí)段用戶a參與了用電激勵計(jì)劃(用戶b和用戶c沒有參與用電激勵計(jì)劃)。這增加了低谷時(shí)段的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量,從而減少了時(shí)段1,2,23,24潛在棄風(fēng),提高了風(fēng)能利用效率。2用電調(diào)度購電費(fèi)用在系統(tǒng)高峰時(shí)段,引入可中斷負(fù)荷的用電調(diào)度方式可以優(yōu)化資源配置。融入可中斷負(fù)荷方式后,成本較高的機(jī)組7,8,9減少了在時(shí)段9,13~15,19內(nèi)的開機(jī)組合,因而降低了高峰時(shí)段系統(tǒng)運(yùn)行的成本,但是由于增加了用電調(diào)度環(huán)節(jié),還需要綜合比較增加用電調(diào)度的購電費(fèi)用,其計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知,由于優(yōu)化了發(fā)用電資源,系統(tǒng)總體的運(yùn)行費(fèi)用降低,主要體現(xiàn)在高峰時(shí)段