考虑风电消纳的电力系统源荷协调多目标优化方法

葛佳运

（中广核新能源控股公司，吉林 长春 130000）

0 引 言

风力发电是当今时代发电的主要方式之一，符合建设环境友好型、资源节约型社会的发展理念，得到了国家的大力支持。随着风电的快速发展，在具体实施中存在诸多问题。对于大规模的风电输出，常规电源的调节能力和电网传统的调度运行方式已经不能满足现实需要，面临着一系列技术难题，如电网消纳水平有限、外送通道狭窄、外送能力受阻等。因此，须积极寻找新的优化方案来解决问题。研究发现，解决风电消纳的有效途径是形成源荷协调优化运行模式，其中高载能负荷要参与电网调控。高载能负电荷具有可调节和可中断特点，能够消纳风电，有效提高风电利用率。对于常规电源的压力要求，运用高载能负电荷也可以适当降低要求。高载能负电荷非常稳定，有利于风电反调峰特性的应对。它的自动化程度是目前最高的技术水平，可以在管理方面节省资源。

目前，对于风电的研究主要集中于常规电源，把高载能负荷作为重要辅助手段，优化调度电网，同时进入运行模式。通过分析源荷协调运行对风电消纳的影响机理，建立源荷协调多目标优化模型，以风电消纳电量最大和系统运行成本最小为目标，采用多目标差分算法进行求解，根据结果选择最优方案，从而减少一定量的弃风，最大化效益。

1 源荷协调运行对风电消纳的影响

1.1 风电出力的特征

现阶段，生活生产的用电量需求日益增加，风电规模也在不断扩大。风电发电量的大数据显示，风电出力波动范围在近几年得到了大范围扩增，甚至出现从接近零出力到额定出力之间变化的情况。这种大范围的风电波动造成的负面影响十分明显，可能会导致等效负荷日检差异和不确定性增大。另外，风电的发电量也会因为季节和时差存在差别，出现明显的反调峰特性。比如，凌晨三点钟，风电发力普遍达到最大值；下午三点，风电发力最弱。因此，对于系统调节来说，这种大规模风电并网的运行模式，无疑增加了对系统调节能力的需求。

1.2 源荷运行特性

对于常规电源，它的水电机组自带强大的调节功能，具有运行速度快的特点，但缺点也十分明显。整个发电过程受到外界因素影响较大，如它的储水量在降水较少的季节只能达到装机容量的25%～30%。同样，也会影响常规电源的火电机组。通常，它的调整容量为装机容量的30%～50%，但在有关调节方面的速度较慢，无法及时调节。

高载能负荷在运行中具有两个特性，一是可调节性，二是可中断特性。这两个特性对于消纳风电电量较为适用。具体运行中，它可以对功率调节控制在0%～100%。因为它的运行可以采用多条线的串联方式，所以同时进行的生产方式不会造成太大容量负担，且能达到一个较好的响应速度。

1.3 源荷协调运行对风电消纳的影响

通过对常规电源和高载能负荷的运行分析可知，运行过程中，常规电源会有较差的调节能力而达不到调节需求，影响整个风电发力。特别是在风电出力出现较大波动时，常规电源通常满足不了对风电出力波动和负荷的需求。此时，为了保证电力系统的供需平衡，进一步提高风电消纳能力，减少弃风，可以通过投入或切除高载能负荷这一操作来实现。

采用传统的调度方式，风电接入后系统等效负荷等于系统原有的有功负荷减去风电出力的负荷。这种情况下风电会超出一定的范围，造成严重的负荷超载。此时，电网不能强制接受全部风电，否则将可能导致系统瘫痪。风电处于不正常发力状态，还会造成一系列严重后果。因此，出于对电网运行的考虑，要保证一定的安全性和经济效益，电网最好放弃弃风，大大减小风电受限电量，以免对电网造成损害[1]。

所以，源荷协调运行模式是一种电网的保护运行模式。常规电源对电力调节支持不了运行时，可通过高载能负荷来消纳受限风电，减小风电电量，提高电网对风电消纳的能力。

2 考虑风电消纳的源荷协调多目标优化模型

2.1 优化目标

优化方案最重要的是对运行成本的节约。源荷协调运行模式的机理是在风电系统内能够有调节能力，从而更好地消纳更多风电。但是，这种方式相比于单一的常规电源模式和源荷运行模式，会极大地增加运行成本。因此，这种运行方式大面积实施的关键是降低成本。风电消纳电量是指在源荷调节能力下电网调度的风电有功电量。为保证有功电量的最大，要根据一定的调度时段数和风电场个数进行调节。

最基础的运行成本是常规电源的成本，这是风电项目的必要条件。此外，还有针对源荷协调的模型进行高载能负荷的投切成本。对于这两个成本，主要是控制好常规发电的台数和在运行中载能负荷的运行状态，适时停机和开机，以减少成本投入。

2.2 约束条件

源荷协调的相关约束条件有三个，分别是系统功率平衡约束、常规电源运行约束和高载能负荷投切约束。

系统功率平衡约束条件指的是一种误差。风电的随机性导致风电预测出现一定误差，误差会影响系统的正常运行。为了避免这种误差，特别是大规模风电出力造成的波动，在具体的实施过程中可以通过增加正、负备用容量来应对。风电出力的约束条件是指在一定时间段内进行有功预测出力要小于额定的最大值。另外，针对常规电源运行约束条件，输出功率不能随意设定，而要在指定额度内设定。要对常规发电机在运行过程中对最小运行时间和最小停机时间有一个明确规定。对于爬坡速度，要控制上升出力限制和下降出力限制的范围。针对源荷协调项目特有的高载能负荷投切约束条件，主要是针对投切次数和投切时间的约束。投切过程中，次数一定要控制在投切最大次数内，而投切时间则要大于最小连续投入时间和最小连续中断时间。

2.3 源荷协调多目标优化模型

在多目标模型的建立过程中包含多个条件，同时包含多种条件下的最优情况。通常来说，不可能保证每一个的条件都达到最优。针对多目标函数来说，最优解其实是一个选择，是在其他条件并不能进一步优化更不可能恶化的条件下选择最优的一组解。

3 模型求解

3.1 多目标差分进化算法

这种模型求解能够处理连续和离散变量共存的优化问题，操作简单，较为实用，且可以在全局寻找最优方案。这种方法定义为一种随机的并行直接全局搜索算法，目前已广泛应用于单目标优化问题和多目标优化问题的求解。在源荷协调多目标优化模型中，它对最后结果存在非整数的情况进行求整运算，可以较好地处理连续和离散变量共存的优化问题。

3.2 最优折衷解的选取

在电网的实际操作中，最终目的是选择一个合适的解决方案，需要结果中的最优折衷解，即对于风电消纳有较好的效果，也是经济效益最好的方案。这个选择可以通过对满意度的比较来获得，即对每一个函数进行满意度解析，从最满意到完全不满意，找出最满意的解，即最后结果。

4 算例分析

算例分析是指验证提出的源荷协调多目标优化方法的可行性和有效性。根据上文分析可以看出，最优折衷解是对系统的整体考虑结果，可以直观、清晰地反映系统的情况。通过分析最优折衷解，可避免决策过程中的一些主观判断，实现人员的合理安排。

最终的源荷协调多目标优化模型可行性可以从三个方面来探究。首先，源荷运行情况。在常规电源调节能力不足时，为满足系统功率平衡和负荷供电需求，部分高载能负荷从电网切除，可以保证常规电源的稳定运行。其次，风电消纳情况。传统优化调度模型电网消纳的风电电量较小，无法满足输出需求，且受限电量也会增加，而采用此模型风电电量增加，受限电量减少，提高了风电消纳水平，减少了弃风量。最后，整个系统的投入。源荷协调优化模型用较少的高载能负荷调节成本换取了更少的常规电源发电成本和更高的风电消纳水平[2]。

5 结 论

现阶段，针对风力发电的诸多问题，如大规模风电消纳困难、常规电源调节能力不足等问题，需要一个更优化的方案给予解决。源荷协调能够有效提高风电消纳水平，减少弃风，是一种较好的选择。所以，将高载能负荷作为调节手段与常规电源共同参与电网优化调度，是将来相关风电系统发展的必然趋势。