含風電系統的電力系統調峰能力協調研究

0機組檢修規劃中的調峰能力協調問題大規模電網生產是電氣系統的發展趨勢。然而,與常規發電機組相比,風電出力具有波動性和反調峰性,這將使得大規模風電并網后系統的調峰問題更加突出。發電機組檢修規劃是電力系統規劃領域的一項重要工作,中長期的機組檢修計劃將直接影響電力系統短期運行調度過程中的機組組合情況。由于不同機組的調峰能力存在差別,如果中長期檢修計劃中不考慮系統的調峰能力協調問題,將導致在短期的運行調度過程中系統某些時期因調峰能力不足而強迫切機或切負荷,從而影響系統的供電可靠性;或者在負荷低谷而風電大發的時刻迫使水電、風電等可再生綠色能源大量棄水、棄風,影響系統運行的經濟性。由此可見,隨著風電規模地不斷增大,電力系統的調峰問題日益突出,在電力系統中長期機組檢修規劃中需要協調系統的調峰能力。目前,國內外學者在發電機組檢修規劃領域做了較多研究[3,4,5,6,7,8,9,10,11]。傳統發電機組檢修規劃問題一般以系統的經濟性和可靠性為優化目標,較少考慮系統的調峰問題。文獻首次提出了一種考慮調峰能力平衡的機組檢修規劃方法,以系統中火電機組的綜合調峰系數為優化目標協調檢修過程中的調峰能力平衡問題,并采用系統的年調峰能力供需比來判斷系統的電源構成能否滿足調峰需求。但是火電機組綜合調峰系數的計算較為復雜,且不能全面反映系統的調峰狀況。隨著風電地大規模發展,風電場獨特的出力特性對電力系統的規劃、運行工作提出新的要求,部分學者開始關注含風電場的發電機組檢修規劃問題。文獻[12-13]研究了機組檢修計劃中風電出力不確定性問題。文獻介紹了一種考慮風電接入系統的機組檢修計劃模型,以系統負荷低谷時段的棄風電量和總體檢修費用最小為目標安排機組檢修計劃,為短期的發電計劃預留足夠的調峰能力,但如何在中長期的檢修計劃中準確估算棄風電量是影響模型精度的關鍵因素。本文對含風電場電力系統發電機組檢修規劃中的調峰能力協調問題進行深入研究。對系統的調峰能力和調峰需求進行分析,并據此構造調峰壓力系數指標衡量電力系統的調峰狀況。采用扣除風電的凈負荷曲線構造含風電系統的調峰壓力系數指標,以衡量風電反調峰特性對電力系統調峰帶來的影響。通過比較發電機組的調峰能力與電力系統的綜合調峰能力,將發電機組區分為強、弱調峰機組。模型以檢修規劃方案的經濟性最優為目標,為考慮系統的調峰壓力協調問題,利用調峰壓力系數指標分別對強、弱調峰機組構造相應的懲罰函數,并加入機組檢修規劃目標函數中,在約束條件方面增加系統的最大調峰壓力約束。該模型除了考慮檢修規劃方案的經濟性和可靠性外,還能兼顧機組檢修規劃過程中的調峰能力協調問題。對所提模型進行算例驗證,算例結果表明上述模型的正確性和有效性。1電力系統的綱峰壓力和測量方法1.1調峰壓力系數psr電力系統的調峰壓力反映了系統的發電水平適應用電負荷周期性變化,并保持系統供電質量的困難程度。本文通過定義調峰壓力系數指標衡量系統調峰壓力,并據此研究中長期機組檢修規劃過程中系統調峰壓力平衡問題。電力系統調峰壓力的大小與系統的調峰需求和調峰能力直接相關。電力系統的調峰需求由系統的負荷特性決定。電力系統的調峰能力是發電機組根據負荷變化調整發電出力的能力,系統調峰機組的裝機容量及可用情況決定了系統的調峰能力。一般來說,系統的峰谷差越大,調峰機組的可用調峰容量越小,系統的調峰壓力就越大;反之,系統峰谷差越小,調峰機組的可用調峰容量越大,系統的調峰壓力就越小。電力系統的調峰壓力大小取決于系統調峰需求與調峰能力的平衡狀況。當系統的調峰能力與調峰需求平衡時,系統剛好能夠滿足調峰需求;當系統的調峰能力不能滿足系統的調峰需求時,系統的調峰壓力就會加大。因此,調峰壓力系數可定義為系統調峰需求與系統可用發電容量的平均調峰能力的比值,表示為式中:Lmax、Lmin分別為系統的最大、最小負荷;Psr為系統的旋轉備用容量需求;Pie、Pi,min分別為機組i的額定出力和最小技術出力;NG為可用機組數。當系統調峰能力能夠滿足其調峰需求時,uf062uf0a31,uf062越小,表明系統的調峰壓力越小;當系統調峰能力不能滿足其調峰需求時,uf062>1,uf062越大,表示系統的調峰壓力越大。機組的調峰能力可以通過其最大和最小出力表示,如果將機組i的最小技術出力率表示為則其調峰能力可表示為1-uf06ci。調峰能力大于系統調峰能力的機組為強調峰機組,強調峰機組安排檢修后,系統調峰壓力將增大,即uf062增大;調峰能力小于系統調峰能力或無調峰能力的機組為弱調峰機組,弱調峰機組安排檢修后,系統調峰壓力將減小,即uf062減小。為了保證整個系統運行的經濟性與可靠性,強調峰機組宜安排在調峰壓力較小的時段檢修,而弱調峰機組宜安排在調峰壓力較大的時段檢修。1.2凈負荷曲線的定義風電出力具有波動性和反調峰性,風電接入電網后,系統必須擁有足夠的調峰能力,以維持電能質量和系統的正常運行。通常,風電的反調峰特性會進一步增大系統的峰谷差,從而使系統調峰壓力增加。為了衡量風電接入對系統調峰的影響,本文借鑒文獻電力系統中長期隨機生產模擬中對風電的處理方式,將風電出力當作負的負荷處理,采用扣除風電后的凈負荷曲線來定義含風電系統的調峰壓力系數。凈負荷曲線的形成方法如下:式中:Lequ(n,t)、L(n,t)和Pw(n,t)和分別為檢修時段n的典型日內t時刻的凈負荷、原始負荷和風電出力,n=1,2(43),NT(t=1,2(43)24);NT為檢修規劃時段數。風電接入系統后,調峰壓力系數可表述為式中:Lequ.max、Lequ.min分別為最大、最小凈負荷。由于目前風電預測技術還不成熟,在電力系統中長期規劃工作中如何選取風電出力場景是需要進一步研究的問題。隨著風電預測技術以及風電出力場景選取理論地不斷成熟,中長期規劃相關理論和技術的有效性和適應性將得到相應地提高。本文的重點在于提出一種機組檢修規劃過程中協調系統調峰壓力的方法,對風電出力場景的選取暫時不做過多地探討。2數學模型2.1檢修費用及調峰壓力懲罰除了必需的檢修人力、物力支出,機組檢修還將對系統的運行成本產生影響,系統中某臺機組檢修停運后,一方面需改變冷備用機組的狀態或者旋轉機組的出力水平以滿足負荷需要,由此可能導致部分運行成本不同的機組發電量變化,從而使整個系統的發電成本也隨之變化。此外,中長期的機組檢修計劃將對系統短期運行中的調峰能力產生影響,如果檢修計劃未能預留足夠的調峰能力,將導致系統運行過程中出現機組頻繁啟停調峰或大量棄水、棄風等情況的發生,影響系統運行的經濟性和可靠性。為了協調檢修規劃過程中系統的調峰壓力,本文在檢修規劃目標函數中引入調峰壓力懲罰費用部分。綜上,機組檢修規劃目標函數可描述為式中:FGC(n)為系統n時段的發電成本;FMC(n)為系統n時段的檢修費用;FPC(i,n)為機組i在n時段檢修時的調峰壓力懲罰費用。1)發電成本。發電成本主要考慮燃料費用,表達式如下式中:Ci為機組i的燃料單耗;Ki為機組i的燃料單價;Pi,n為機組i在時段n的出力(檢修機組出力為0);T為一個檢修時段的小時數。2)檢修費用。檢修費用的計算公式如下:式中:CiM為機組i的單位檢修成本;x(i,n)為機組i在時段n的檢修狀態,若檢修為1,反之為0。3)調峰壓力懲罰費用。調峰壓力懲罰是一種調峰壓力平衡的手段。強調峰機組在調峰壓力較大的時段安排檢修,將進一步加重該時段的調峰壓力,導致該時段系統切機、切負荷或風電棄風的概率加大,這不利于系統經濟、可靠運行。該模型對這類情況在經濟方面進行懲罰,以促使強調峰機組避開調峰壓力較大的時段檢修。弱調峰機組在調峰壓力較小的時段安排檢修后,將進一步降低該時段的調峰壓力,在降低系統切機、切負荷或風電棄風概率方面實際意義不大,相當于浪費系統提高經濟性的空間。該模型對這類情況進行懲罰,以促使弱調峰機組的檢修規劃時段向調峰壓力較大的時段移動,降低相應時段的調峰壓力。根據上述分析,調峰壓力懲罰公式如下:式中:FqPC(i,n)、FrPC(i,n)分別為強、弱調峰機組i在n時段檢修時的調峰壓力懲罰費用;KTq、KTr分別為強、弱調峰機組的調峰壓力懲罰系數,可根據機組頻繁啟停調峰及棄風、棄水造成的經濟及環保方面的損失權衡選取;可根據系統的調峰壓力狀況確定;iuf06c為機組i的最小技術出力率;ix為機組i的調峰能力標志,若機組i的調峰能力大于系統調峰能力,其值為1,反之為0。式(8)為強調峰機組的懲罰公式,強調峰機組的可調出力部分較大,對系統的調峰問題影響明顯。式(8)采用指數罰函數的方式,根據機組檢修規劃時段系統的調峰壓力和機組調峰能力進行經濟性懲罰,待檢修機組的調峰能力越強、可調容量越大,對應檢修時段系統的調峰壓力越大,相應的經濟性懲罰就越多。式(9)為弱調峰機組的懲罰公式,弱調峰機組的最小技術出力部分較大,對系統的調峰問題影響較明顯。式(9)同樣采用指數罰函數的方式進行經濟性懲罰,待檢修機組的最小技術出力率和最小技術出力越大,對應檢修時段系統的調峰壓力越小,相應的經濟性懲罰就越多。2.2檢修約束和調峰壓力機組檢修規劃中必須滿足以下約束條件:1)可靠性約束,即式中:R(n)為系統n時段的備用容量;Rmin為系統的最小備用容量需求,其值可以根據實際情況確定。2)檢修連續性約束。機組必須在一個連續的周期內完成檢修,不能間斷。3)檢修資源約束,即式中:Dreq(i)為機組i需要的檢修資源;Dcon為系統能夠提供的檢修資源,這里的檢修資源約束包括檢修人力、設備等廣義約束。4)調峰壓力約束,即式中uf062max為檢修時段最大調峰壓力,具體范圍可以根據系統的實際情況確定。為了防止特殊情況下檢修安排后某些時段系統的調峰壓力過大,對系統各時段的最大調峰壓力進行限制,保證系統檢修時段的調峰壓力保持在合理的水平。3運行參數設定及約束由式(4)—(13)可以看出,考慮調峰壓力平衡的機組檢修規劃模型是一個多約束條件的非線性優化問題。遺傳算法具有廣泛的適應性和良好的魯棒性,采用遺傳算法對模型進行求解。染色體采用十進制編碼,算法流程如下:1)產生初始種群,令g表示遺傳算法迭代次數,在種群產生過程中考慮檢修資源約束和檢修連續性約束。2)針對每個個體,確定各時段的備用容量,判斷是否滿足可靠性約束,如果滿足,則進行生產模擬,確定各時段各機組的出力情況;如果不滿足,則根據式(14)確定適應度函數值,即式中:f為目標函數值;a為與目標函數同一量級的實數;b為比f大至少一個數量級的實數。3)根據式(3)確定每個個體檢修規劃后系統各時段的調峰壓力,判斷是否滿足調峰壓力約束(式(13)),如果不滿足,則根據式(14)確定適應度函數值,反之進行下一步操作。4)根據各時段各機組的出力情況由式(5)(6)確定每個個體對應的系統發電成本及檢修費用。根據式(3)確定檢修規劃前系統各時段的調峰壓力。根據式(7)—(10)確定每個個體對應的調峰壓力懲罰費用。5)根據式(4)計算各個個體的目標函數,并根據式(14)確定遺傳算法中的適應度函數。6)通過選擇、交叉、變異及保留操作產生遺傳算法下一代,并考慮檢修資源約束和檢修連續性約束,令g=g+1。7)若g>G,其中G為遺傳算法計算代數,轉至步驟8);否則,轉至步驟2)。8)輸出最優個體,分析優化結果。4計算與分析4.1機組負荷曲線為了驗證本文所提出的模型和方法,以8臺機組的發電系統在12個時段的檢修計劃為例,進行仿真計算和結果分析。算例中的風電出力曲線部分選取自美國國家可再生能源實驗室(DOE/NREL/ALLIANCE)發布的全年24h時序風電出力曲線。為了便于說明,機組檢修時間均為1個周,機組參數如表1所示。除風電外全網總裝機容量為1150MW,風電場裝機容量約占系統總裝機容量的13%左右。時序負荷曲線部分選取自IEEERTS96測試系統,系統最大負荷為1100MW。系統的旋轉備用需求取8%。風電接入之后,保持系統的旋轉備用容量需求及其他機組裝機情況不變。對典型日逐小時安排機組出力并計算發電成本,忽略機組的啟停時間約束。4.2調峰壓力較大型表2為不含風電系統和含風電系統各時段的調峰壓力。由表2可見,無風電接入的系統其各時段的調峰壓力系數在0.88~0.93左右,且各個時段的調峰壓力相差不大;由于風電裝機占總裝機的13%左右,風電接入之后,在系統裝機結構保持不變的情況下,系統部分時段的調峰壓力普遍加大,且各時段的調峰壓力相差較大。其中調峰壓力系數最小為0.82,最大達1.13。由此可見,一定規模風電并網之后,系統的調峰問題比較突出,檢修規劃過程中應該考慮調峰壓力平衡問題。4.3調峰壓力系數指標的有效性分析調峰壓力系數指標能否準確反映系統的調峰壓力狀況是檢修規劃模型有效與否的關鍵。低谷時段的棄風量在典型日總棄風電量中占很大比重,本文以系統典型日最小凈負荷時段的棄風電量來分析調峰壓力系數指標的有效性。根據系統典型日最大凈負荷確定開機組合,由所開機組的最小技術出力與典型日最小凈負荷之差確定最小凈負荷時段的棄風電量,分析結果如表3所示。由表3可見,各時段的調峰壓力系數指標越大,該時段典型日最小凈負荷時段的棄風電量也相應越大,這表明所提出的調峰壓力系數指標能夠比較準確地衡量系統的調峰壓力狀況。4.4調峰壓力平衡方案風電場接入系統后的檢修規劃結果見表4。由表4的數據可見,風電接入系統后,考慮調峰壓力平衡和不考慮調峰壓力平衡時的機組檢修規劃結果有較大差別。系統調峰能力為0.52,機組1—4為強調峰機組,機組5—8為弱調峰機組。不考慮調峰壓力平衡時,3號強調峰機組安排在調峰壓力最大的第7時段檢修,安排檢修后第7時段的調峰壓力將進一步加大,不利于系統的經濟、可靠運行;5號、7號和8號機組為弱調峰機組,其檢修時段的調峰壓力較小,安排其在第5、6、10這3個時段檢修后,系統的調峰壓力將進一步減小,對提高系統運行經濟性的實際意義不大。考慮調峰壓力平衡后,3號強調峰機組的檢修時段向調峰壓力較小的第4時段移動;5號、7號和8號等弱調峰機組的檢修時段分別向調峰壓力較大的第6、11、9這3個時段移動,檢修安排后,調峰壓力較