汪 鑫
（國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司特高壓直流中心，四川 成都 610036）
1 綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度低碳調(diào)度優(yōu)化
1.1 源荷不確定性分析
隨著運(yùn)行時(shí)間的改變，風(fēng)能與負(fù)荷的預(yù)測偏差呈現(xiàn)逐步下降趨勢[1]。本文通過三角模糊數(shù)分析風(fēng)能與負(fù)荷的預(yù)測偏差帶來的不確定性問題。模糊變量計(jì)算公式為
式中：為日前風(fēng)能預(yù)測的模糊變量；為日前負(fù)荷預(yù)測的模糊變量；PWDA,t為日前時(shí)間點(diǎn)t風(fēng)能的預(yù)測結(jié)果；PLDA0,t為忽略電價(jià)響應(yīng)影響的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果；δ3DA為日前風(fēng)能預(yù)測誤差區(qū)間的上邊界系數(shù)；δ1DA為日前風(fēng)能預(yù)測誤差區(qū)間的下邊界系數(shù)；q3DA為日前負(fù)荷預(yù)測誤差區(qū)間上邊界系數(shù)；q1DA為日前負(fù)荷預(yù)測誤差區(qū)間的下邊界系數(shù)。
設(shè)為風(fēng)能日內(nèi)預(yù)測的模糊變量，為負(fù)荷日內(nèi)預(yù)測的模糊變量，為實(shí)時(shí)階段的風(fēng)電模糊變量，為實(shí)時(shí)階段的負(fù)荷模糊變量。采用與風(fēng)能、負(fù)荷日前預(yù)測的模糊變量同樣的方法來確定風(fēng)能、負(fù)荷日內(nèi)、實(shí)時(shí)預(yù)測的模糊變量，具體不再贅述。
當(dāng)綜合能源系統(tǒng)采用分時(shí)電價(jià)策略后，用戶會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)響應(yīng)。因此，引入響應(yīng)彈性中的預(yù)測誤差，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)不確定性的全面分析[2]。基于消費(fèi)者心理學(xué)模型，利用死區(qū)、線性區(qū)、飽和區(qū)反映不同時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移性，并充分分析負(fù)荷轉(zhuǎn)移率誤差區(qū)間[3]。
峰谷負(fù)荷轉(zhuǎn)移率可描述為
式中：Δppv為峰谷負(fù)荷的電價(jià)差；Δppv0為死區(qū)邊界的電價(jià)差；Δppv,max為飽和區(qū)電價(jià)差；κpv,max為的潛力極大值；αpv為在線性區(qū)發(fā)生改變的斜率；為誤差區(qū)間。
當(dāng)Δppv發(fā)生改變后，隨之變化，其曲線呈先上升后下降變化。
可描述為
式中：Δppv,max為峰谷負(fù)荷轉(zhuǎn)移率誤差的極大值 ；為峰谷轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的電價(jià)差值；αa為電價(jià)作為響應(yīng)誤差主要決定因素在前峰谷電價(jià)差波動(dòng)時(shí)的響應(yīng)誤差區(qū)間系數(shù)；αb為電價(jià)作為響應(yīng)誤差主要決定因素在后峰谷電價(jià)差波動(dòng)時(shí)的響應(yīng)誤差區(qū)間系數(shù)。
在全面分析負(fù)荷預(yù)測偏差和分時(shí)電價(jià)策略各時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移引發(fā)的不確定問題的基礎(chǔ)上，對(duì)日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制階段的各時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷進(jìn)行擬合分析[4]。其中日前各時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷的擬合可描述為
式中：PLDA0,t為日前時(shí)間點(diǎn)t下只衡量預(yù)測偏差時(shí)的負(fù)荷模糊變量；p為波峰時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷集合；f為平峰時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷集合；v為波谷時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷集合；、、為引入響應(yīng)誤差后各不同時(shí)間點(diǎn)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率；PLDA,pav為日前波峰時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果的負(fù)荷均值；PLDA,fav為平峰時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果的負(fù)荷均值。
此外，用表示日內(nèi)優(yōu)化階段的負(fù)荷擬合結(jié)果，用表示實(shí)時(shí)優(yōu)化階段的擬合結(jié)果，同日前各時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷的擬合描述類似，不再贅述。
1.2 低碳優(yōu)化調(diào)度模型
1.2.1 日前優(yōu)化調(diào)度模型
相隔1 h對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行一次日前優(yōu)化控制，調(diào)度周期為24 h，以便得到各機(jī)組未來一日的發(fā)電計(jì)劃。對(duì)風(fēng)力發(fā)電、負(fù)荷的預(yù)測誤差和分時(shí)電價(jià)策略引發(fā)的不確定性進(jìn)行綜合分析，將最小化日運(yùn)行費(fèi)用作為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其日前階段的優(yōu)化，可描述為
式中：H1為購電費(fèi)用；H2為天然氣購用費(fèi)用；H3為棄風(fēng)費(fèi)用；H4為碳排放費(fèi)用；Be(t)為時(shí)間點(diǎn)t分時(shí)購電單價(jià)；Pcha(t)為功率；Bg(t)為分時(shí)購氣單價(jià)；Vcha(t)為分時(shí)功率；Fng為天然氣熱值；T為總優(yōu)化調(diào)度時(shí)間；Nw為風(fēng)電場景數(shù)量；ρw為棄風(fēng)費(fèi)用系數(shù)；Pycwt為風(fēng)電出力預(yù)測值；Pwt為實(shí)際輸出功率；Re為每單位碳排放的購買/售賣價(jià)；Ni為化石燃料發(fā)動(dòng)機(jī)總數(shù)；μi為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)單位功率下的碳排放大小；ϑi為單位有功功率下的碳排放量。
綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行需遵循各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行限制條件和爬坡限制條件，同時(shí)要符合負(fù)荷平衡限制[5-6]。約束公式為
式中：Ppv(t)為時(shí)間點(diǎn)t光伏機(jī)組的有功功率；Pwt(t)為實(shí)際輸出功率；Pmt(t)為微型燃?xì)廨啓C(jī)電功率輸出值；Pcha(t)為功率；Pedis(t)為輸出功率；Pech(t)為蓄電池在進(jìn)行電能儲(chǔ)備時(shí)的功率；Pp2g(t)為p2g 設(shè)備輸入的電功率；Peb(t)為電熱鍋爐耗電功率；Le(t)為電熱鍋爐提供熱能供應(yīng)時(shí)需要的電負(fù)荷；Vcha(t)為分時(shí)功率；Fp2g(t)為p2g 設(shè)備有功功率輸出值；Pgbis(t)為儲(chǔ)氣罐的放氣功率；Pgch(t)為儲(chǔ)氣罐的充氣功率；Vgas(t)為天然氣耗用功率；Lg(t)為電熱鍋爐提供熱能供應(yīng)時(shí)需要的氣負(fù)荷；Qmt(t)為微型燃?xì)廨啓C(jī)有功熱功率；Qeb(t)為電熱鍋爐提供熱能供應(yīng)時(shí)的熱輸出功率；Qhdis(t)為熱輸出功率；Qhch(t)為儲(chǔ)熱罐的充熱功率；Lh(t)為電熱鍋爐提供熱能供應(yīng)時(shí)需要的熱負(fù)荷。
風(fēng)能出力和負(fù)荷預(yù)測存在偏差，會(huì)對(duì)綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響。本文通過模糊變量對(duì)風(fēng)能的計(jì)劃功率和不同時(shí)間點(diǎn)的擬合負(fù)荷進(jìn)行描述，因此綜合能源系統(tǒng)需滿足有功、備用限制條件，描述為
式中：Cr{·}為置信度函數(shù)；θDA為日前功率需符合的置信度條件；πDA為備用限制需符合的置信度條件；γDA為日前旋轉(zhuǎn)備用因子；為慢機(jī)i相隔1min 的爬坡速度極大值；為快機(jī)i相隔1 min 的爬坡速度極大值；PWCur,t為時(shí)間點(diǎn)t的棄風(fēng)容量；PRGi,t為慢機(jī)i的輸出功率；uRGi,t為慢機(jī)i的調(diào)度狀態(tài)；PFGi,t為快機(jī)i的輸出功率；uFGi,t為快機(jī)i的調(diào)度狀態(tài)；PILj,t為中斷負(fù)荷j的參與容量[7]。
1.2.2 日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型
相隔15 min 對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行一次日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度，通過循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)全部時(shí)段的日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度控制。
日內(nèi)優(yōu)化各階段目標(biāo)函數(shù)可描述為
式中：t0為日內(nèi)調(diào)度控制的開始時(shí)間；Δt為執(zhí)行周期；d為執(zhí)行的周期總數(shù)；H5為機(jī)組啟停狀態(tài)改變產(chǎn)生的懲罰費(fèi)用；Ii(t)為時(shí)間點(diǎn)t機(jī)組i的啟停狀態(tài)，取值為(0,1)；pi(t)為處于Ii(t)的懲罰成本；Py'cwt為日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度階段風(fēng)電功率預(yù)測值；Pw't為實(shí)際調(diào)度值。
1.2.3 低碳調(diào)度求解
綜合能源系統(tǒng)在購電、購氣時(shí)的功率限制描述為
根據(jù)日前優(yōu)化調(diào)度方案，設(shè)定各儲(chǔ)能設(shè)備在24 h 內(nèi)的容量不發(fā)生改變，描述為
式中：Soc(24)、Voc(24)、QH(24)分別為24 點(diǎn)時(shí)不同儲(chǔ)能設(shè)備的容量；Socf、Vocf、QHf分別為Soc(24)、Voc(24)、QH(24)對(duì)應(yīng)的容量初值。
綜合能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化階段是在時(shí)間點(diǎn)t實(shí)現(xiàn)后一時(shí)間點(diǎn)各機(jī)組日內(nèi)調(diào)度輸出功率的修正，低碳調(diào)度優(yōu)化求解結(jié)果為
式中：為風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)功率預(yù)測值；為風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)調(diào)度值。
日內(nèi)、實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度約束與日前優(yōu)化調(diào)度相同，只對(duì)執(zhí)行周期和調(diào)度運(yùn)行間隔時(shí)間進(jìn)行調(diào)整即可。
2 實(shí)驗(yàn)分析
以某一綜合能源系統(tǒng)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)采用分時(shí)電價(jià)策略，發(fā)電機(jī)容量為1 000 MW，發(fā)電量為5 000 萬kW·h，碳排放因子為0.5 t CO2/（MW·h），碳排放費(fèi)用為100 元/t。天然氣購用單價(jià)為3.22元/m3，分別從日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)3 個(gè)時(shí)間尺度對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。
為了驗(yàn)證綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度效果，設(shè)置3不同模式，對(duì)比分析不同模式下綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度費(fèi)用，結(jié)果如表1 所示。其中：模式1 在日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)時(shí)間尺度中，風(fēng)電預(yù)測偏差下降幅度分別為25%、12%、4%；模式2 在日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)時(shí)間尺度中，風(fēng)電預(yù)測偏差下降幅度分別為15%、8%、4%；模式3 在日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)時(shí)間尺度中，風(fēng)電預(yù)測偏差下降幅度分別為5%、4%、4%。
表1 不同模式的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度費(fèi)用對(duì)比分析 單位：元
由表1 可知，當(dāng)風(fēng)電預(yù)測精度不斷提升時(shí)，綜合能源系統(tǒng)總調(diào)度成本隨之減少，并可有效降低碳排放量。這是因?yàn)闇?zhǔn)確預(yù)測風(fēng)電輸出功率，可有效減小系統(tǒng)出力誤差區(qū)間，從而大大降低了不確定性因素對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)電預(yù)測的不確定性對(duì)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度具有直接影響，通過提高預(yù)測準(zhǔn)確度能夠達(dá)到優(yōu)化調(diào)度成本的目標(biāo)，但達(dá)到模式3 的預(yù)測條件后，繼續(xù)追求準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度難度較大，優(yōu)化效果不再明顯。
設(shè)定表1 中模式1 的條件為優(yōu)化各階段風(fēng)電預(yù)測偏差，在優(yōu)化調(diào)度的各階段設(shè)定不同的負(fù)荷預(yù)測誤差條件，對(duì)比分析不同條件下的系統(tǒng)調(diào)度費(fèi)用。當(dāng)用戶響應(yīng)與負(fù)荷預(yù)測間的誤差為正值時(shí)，可有效提升風(fēng)電利用率，并有效減小峰時(shí)段機(jī)組出力的邊際成本，達(dá)到綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本降低的目標(biāo)。當(dāng)誤差為負(fù)時(shí)，則具有相反的優(yōu)化效果。
將所提方法應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)的多時(shí)間尺度低碳調(diào)度優(yōu)化，通過系統(tǒng)電、氣、熱負(fù)荷的優(yōu)化控制結(jié)果分析所提方法的調(diào)度性能。結(jié)果顯示：為實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)最低運(yùn)行成本目標(biāo)，在電價(jià)低谷期將風(fēng)力機(jī)組出力、電網(wǎng)購電作為主要方式；當(dāng)電價(jià)處于高峰時(shí)段時(shí)，不再向電網(wǎng)購電來節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行成本，啟動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備配合微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力機(jī)組出力，以滿足系統(tǒng)的用電需求。
3 結(jié) 論
以某一綜合能源系統(tǒng)作為研究對(duì)象，將所提方法應(yīng)用于系統(tǒng)的多時(shí)間尺度低碳優(yōu)化調(diào)度，分析方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)電、負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測，可降低綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度成本，并降低碳排放量。通過偏差預(yù)控機(jī)制降低源荷不確定性對(duì)系統(tǒng)不穩(wěn)定的影響，可實(shí)現(xiàn)電、氣、熱負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度，且預(yù)測結(jié)果與實(shí)際調(diào)度結(jié)果偏差不大。
