含高渗透率新能源发电的经济调度策略研究

夏天宇，赵会亮，李 辰

（青岛供电公司，山东 青岛 266002）

0 引言

火力发电消耗大量化石能源，排放大量粉尘、废气，造成空气污染，节能减排，刻不容缓［1-2］。近几年国内新能源发电并网容量不断增加，新能源有别于传统水力、火力发电形式，出力具有一定的随机性和间歇性，当新能源在电网中渗透率达到一定程度时，就会影响系统电能质量，严重时甚至会威胁电网安全稳定运行，这对现有电网调度模式提出重大挑战［3］。常规系统现有调度周期一般为 15 min，每15 min对电网进行一次优化，调整机组出力至最优运行点。在调度周期内，由AGC机组跟踪负荷波动，AGC机组按照5 s更新一次的区域控制偏差（ACE）进行调节［4］，由于AGC机组费用较高，系统中一般不会安排较多AGC机组容量，这使得AGC机组调节压力较大，特别在负荷高峰期，时常造成AGC机组调节容量不足的危急情况［5］。常规调度策略粗犷的认为在15 min内机组始终运行在经济最优点上，其实由于机组一次调频和AGC机组的调节，已经使得机组偏离最优运行点运行，只不过在主要以常规能源发电为主的电网中，这种偏差不明显，但随着新能源发电在系统中比例逐渐提高，情况明显不同。

为了应对新能源并网带来的机组偏离最优化运行点的问题，首先进行调度周期内偏离程度分析，然后细化调度时间级，动态确定调度周期，消纳新能源的波动性，提高系统运行经济性。最后给出算例分析，证明所提方法的可行性。

1 机组运行优化点偏离分析

电力系统一次调频是针对周期为几秒的小波动而调节的，一次调频是有差调节，在互联电网中会产生频率和联络线功率偏差；二次调频周期为0.5 min，定为发电调控级，可使频率和ACE返回目标值，实现无差调节；一、二次调频使机组偏离经济运行点，这就需要经济调度进行优化。图1给出现行调度控制时间级示意图，从图中可以看出一个调度级包括30个发电调控级，一、二次调频和经济调度无论在时间上还是在功能上都可以实现互补，共同维持电力系统频率稳定。

假设在上一调度级末、本调度级初，系统内发电机群体运行于最优点。由于负荷预测的误差和新能源发电出力波动，在本调度级15 min内，机组难免要进行一、二次调频，从而各机组输出功率中既有经济调度结果也有一、二次调频分量，此时发电机组处于非优化点运行，这极有可能使经济调度的目标落空［6］。下面在一个调度级（包含30个发电调控级）内给出数学描述。

图1 现行调度控制时间级示意图

第1个调控级第i台机组的发电功率

第2个发电调控级第i台机组的发电功率

第h个发电调控级第i台机组的发电功率

由式（3）可以看出，在任何发电调控级、任何发电机组的发电功率可以看作由两个部分构成，一部分是初始优化功率分量P°i，另一部分是一、二次调频

第h个发电调控级发电机组群体总发电功率可用式（4）计算

虽然经过30个发电调控级，各机组运行在非优化运行点上，但非优化运行点与优化运行点处机组群体的总发电功率是相同的，如果将运行在非优化点机组进行优化分配，将得到相同发电水平的优化运行点。设区域电网投运的火电机组有m台，以火电机组群体的煤耗为目标函数。第i台机组的综合煤耗函数可近似用二次函数表述为

第h个发电调控级火电机组群体非优化工作点的目标函数为

式中：荦hi＝P－P，它是第 h 个发电调控级第 i台机组非优化功率 Ph^i与优化功率 P的差距；2aiP＋bi＝λi，λi为优化点第i台机组的综合费用微增率；根据最优潮流与经典经济调度的相通性［7］，不论用何种方法寻优，在相同约束边界范围内，优化结果都是符合等微增率原则的，因此优化点各个机组的综合费用微增率都相等。即

相同发电功率的优化运行点的目标函数

考虑到：

式（9）减去式（10），可以得出

由此，第h个发电调控级非优化运行点与优化运行点在目标函数上的差距可以写成

由式（12）可知，在第h发电调控级，非优化点与优化点之间，发电机组群体煤耗综合费用差距关系式的几何性状是多维超抛物面。如图2所示，以m=2为例，其三维形状象一个碗，碗底中心高度最小，是极值点，即机组优化运行点的费用。极值点周边有一个圆形平坦区域，其中各处高度与极值点非常接近。

图2 非优化点与优化点差距示意图（ai较大时）

图3 非优化点与优化点差距示意图（ai较小时）

当ai较小时，如图3所示，抛物面形状变得像一个盘子，极值点周边的圆形平坦区域变得明显宽阔，即在极值点附近很大邻域内非优化点与优化点处机组费用差距不大。

将3维空间得到的抛物面极值点邻域的重要性质推展到m+1维空间，可以作出如下结论：当各发电机组的系数ai数值很小时，多维超抛物面极值点周边存在一个与目标函数极值点差距很小而范围十分宽阔的区域。将差距函数求导

即随着|荦hi|的增加，非优化点与优化点的差距Φ将加速增加，使经济性能加速下降。 故本文将经济调度周期分为三段，每段时间为5 min，如果在任何一段负荷或新能源发电出力发生大容量扰动，过大（本文取发电机容量的2%），此时各机组运行点偏离优化点较大，这时应发送优化调度指令，重新对机组进行优化分配，使机组重新运行在优化点上。如果在整个经济调度周期直很小，但由这种小偏差所造成的与优化点费用之间的差距经过长时间的积累也是相当可观的，此时应无条件地发送优化调度指令使机组调整至优化运行点。 利用这种策略，系统就能根据负荷或新能源发电出力的波动情况灵活地发送经济调度指令，使系统具有更优良的经济性能。

2 算例分析

本文所研究的系统有7种类型发电机组，分别记为A至G机组，各类发电机组总和为39台，每台发电机组参数包括：机组数量，AGC机组数量，机组出力上、下限（MW），能耗费用函数的参数Power_a、Power_b、Power_c（元/MW），具体参数列于表 1中；频率、ACE，主要线路参数、新能源发电量等数据（每5 s更新一次）取自某省电网。

跟踪 2012 年 10 月 15 日 17∶00—22∶00 时段，常规调度模式应进行20次经济调度，本文方法进行29次经济调度，多出的9次经济调度主要是负荷或新能源发电出力波动较大的20∶25—21∶55负荷高峰时段。由于这9次经济调度使偏离最优经济运行点的机组回归优化点，从而释放出AGC机组容量，使机组调频备用充足，从而获得更好的频率、ACE、CPS（控制性能标准）等指标。

表1 各发电机组煤耗参数

图4 频率对比

图5 ACE分布对比

图6 CPS1指标对比

图4～图6分别从频率、ACE、CPS1指标等方面对本文方法和常规调度方法的电网控制水平进行比较。从频率控制方面看，本文方法得到的频率波动更小，频率控制更稳定；从区域控制偏差分布的角度来看，本文方法得到的电网区域控制偏差总体小于常规调度方法，其中本文方法所得ACE用频率分布直方图方法统计，常规调度方法用核密度估计法统计；从CPS（控制性能标准）指标角度来看，本文方法得到的CPS1指标总体优于常规调度方法，但个别时刻CPS1指标也会劣于常规调度方法，但这种情况还是很少的，处于可以接受范围内。综合多方面比较可以看出，应用本文提出的方法，确实提高电网的控制性能水平。

3 结语

深入分析含高渗透率新能源发电的电网经济调度与一、二次调频时间跨度大，不能很好适应新能源并网要求的问题，给出非优化运行点与优化运行点差距的形象表述，动态确定经济调度周期，将现有经济调度方法由粗犷向精细化迈进一步，从而释放部分AGC机组调节容量，减轻AGC调节压力，提高一、二调频的品质。利用电网真实数据进行分析，从电网频率、ACE、CPS等方面进行比较，说明方法的可行性。利用所提出动态经济调度策略应对高渗透律新能源并网带来的系统波动，只需多付出几次经济调度的成本，就可以收获降低AGC机组的调节负担，提高系统控制性能，提高系统经济性等种种好处，利于新能源发电的并网，利于节能减排。

［1］ 夏天宇，柳进.含高渗透率间歇性发电的在线备用调度协调控制［C］.中国高等学校电力系统第 27 届学术年会，2011，35（1）.

［2］ 陈宁，于继来.基于电气剖分信息的风电系统有功调度与控制［J］.中国电机工程学报，2008，28（16）：51-58.

［3］ 柳进，潘毅.攀峰过程中协调优化调度的研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（2），36-40.

［4］ 李雪峰，李卫东，刘乐.AGC容量需求研究［J］.电力自动化设备，2009，29（6）：40-47.

［5］ 刘娆，林伟，李卫东，等.互联电力系统运行控制性能评价标准的探讨［J］.电力系统自动化，2005，29（8）：87-91.

［6］ 刘乐，刘娆，李卫东.互联电网中区域调频责任及其分配方式［J］.电力系统自动化，2008，32（16）：20-23.

［7］ 王宪荣，柳焯.最优潮流与经典经济调度的相通性［J］.中国电机工程学报，1993，13（3）：8-13.