華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院、嘉興供電公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院的研究人員羅毅、邵周策、張磊等，在2018年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，在我國(guó)北方地區(qū)冬季供熱期，大量供熱機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行，火電機(jī)組調(diào)節(jié)和備用能力不足，造成大量棄風(fēng)。利用燃?xì)廨啓C(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力，可以促進(jìn)風(fēng)電消納。

針對(duì)在氣電聯(lián)合調(diào)度研究中未考慮氣網(wǎng)運(yùn)行約束，可能造成調(diào)度計(jì)算結(jié)果不可行的問(wèn)題，提出了考慮風(fēng)電不確定性和氣網(wǎng)運(yùn)行約束的魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度及備用配置模型，將燃?xì)廨啓C(jī)組的備用范圍轉(zhuǎn)換為進(jìn)氣范圍，并將其視為氣網(wǎng)的不確定負(fù)荷。

利用C&CG算法將氣電聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題分解成考慮風(fēng)電不確定性的魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度和備用配置主問(wèn)題以及氣網(wǎng)約束子問(wèn)題，再通過(guò)benders分解法將主問(wèn)題進(jìn)一步分解成經(jīng)濟(jì)調(diào)度和備用配置主問(wèn)題以及風(fēng)電不確定性校驗(yàn)子問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化求解算法。算例結(jié)果驗(yàn)證了所提模型及求解方法的有效性和正確性。

考慮風(fēng)電不確定性和氣網(wǎng)運(yùn)行約束的魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度和備用配置

我國(guó)可再生能源電力建設(shè)穩(wěn)步加快，多項(xiàng)指標(biāo)位居世界首位

[1]。“三北”地區(qū)風(fēng)力資源豐富，逐漸成為我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)的主要地區(qū)

[2]。但是在冬季供熱期間，將出現(xiàn)“風(fēng)熱沖突”問(wèn)題

[3]，造成了大量棄風(fēng)的現(xiàn)象。供熱期間大量供熱機(jī)組在“以熱定電”方式下運(yùn)行

[4]，限制了電出力的調(diào)節(jié)能力

[5]，而傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)節(jié)速率較慢，不能提供足夠的調(diào)節(jié)能力和備用能力以滿足系統(tǒng)和風(fēng)電波動(dòng)的調(diào)節(jié)需求。

風(fēng)電出力具有不確定性

[6]（現(xiàn)商業(yè)風(fēng)電預(yù)測(cè)軟件平均誤差為14%~20%

[7]），而且具有“晝低夜高”的反調(diào)峰特性，進(jìn)一步增加了風(fēng)電的消納難度。利用燃?xì)廨啓C(jī)組對(duì)風(fēng)電等可再生能源波動(dòng)的快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)能力

[8]，可以有效彌補(bǔ)供熱期間調(diào)節(jié)能力不足的問(wèn)題，提高風(fēng)電消納水平。

但是，在未來(lái)風(fēng)電等可再生能源高比例接入的情況下，風(fēng)電功率波動(dòng)和預(yù)測(cè)誤差不可避免，傳統(tǒng)的確定性調(diào)度方法難以滿足風(fēng)電的不確定性和波動(dòng)性要求，而燃?xì)廨啓C(jī)組的加入使得電網(wǎng)與氣網(wǎng)相互耦合，對(duì)各機(jī)組的調(diào)度出力和備用安排也提出了新的問(wèn)題。

在進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度時(shí)，若不考慮天然氣網(wǎng)側(cè)的相關(guān)約束（如天然氣管道約束、傳輸容量約束及其他天然氣用戶的負(fù)荷等），則優(yōu)化調(diào)度結(jié)果將可能是次優(yōu)甚至是不可行的

[9]。與此同時(shí)，為了增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力而考慮燃?xì)廨啓C(jī)組時(shí)，不僅要解決燃?xì)廨啓C(jī)組調(diào)度運(yùn)行值可不可行的問(wèn)題，還需要考慮燃?xì)廨啓C(jī)組是否有像火電機(jī)組一樣可以上、下調(diào)節(jié)的備用能力，以及備用能力大小的確定、備用容量的合理分配等。

因此，在對(duì)天然氣網(wǎng)和電網(wǎng)相互耦合的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度時(shí)，必須聯(lián)合考慮兩方的模型和約束以及兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互影響、各自特性，才能在整體全局的角度給出一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的優(yōu)化解，天然氣網(wǎng)側(cè)相關(guān)條件以及運(yùn)行狀況將是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不可忽視的因素

[10]。關(guān)于天然氣網(wǎng)和含風(fēng)電電力系統(tǒng)兩個(gè)耦合系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[11]在傳統(tǒng)計(jì)及安全約束的機(jī)組組合模型的基礎(chǔ)上，加入了包括小時(shí)級(jí)、日級(jí)的天然氣網(wǎng)約束，研究了電網(wǎng)和氣網(wǎng)之間的相互影響和關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[12]將天然氣管網(wǎng)約束線性化，并考慮了電力系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[13]比較了含風(fēng)電的氣電聯(lián)合調(diào)度確定性模型、雙層以及多層隨機(jī)優(yōu)化模型。

文獻(xiàn)[14]采用區(qū)間優(yōu)化的方法對(duì)含風(fēng)電的氣電綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化求解，同時(shí)也考慮了可調(diào)節(jié)負(fù)荷的作用。不同于其他研究，文獻(xiàn)[15]沒(méi)有使用天然氣潮流的簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)模型，而是使用了微分方程模型，并以供氣費(fèi)用、管道管理費(fèi)用、初期費(fèi)用、發(fā)電機(jī)費(fèi)用和切負(fù)荷費(fèi)用之和為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，但是其對(duì)電力系統(tǒng)方面考慮的過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮系統(tǒng)備用約束。

文獻(xiàn)[16]在含風(fēng)電的氣—電聯(lián)合系統(tǒng)的隨機(jī)機(jī)組組合模型中，不僅加入了對(duì)天然氣管網(wǎng)約束的考慮，還計(jì)及了發(fā)電排放物的約束，對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)的日前調(diào)度進(jìn)行了仿真模擬。文獻(xiàn)[17]在文獻(xiàn)[16]基礎(chǔ)上加入了一種改進(jìn)的自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法，將基本粒子群算法與云處理相結(jié)合，考慮了風(fēng)電的預(yù)測(cè)隨機(jī)誤差，以適應(yīng)風(fēng)電的隨機(jī)性，加快了尋優(yōu)的能力和速度。

文獻(xiàn)[18]則討論了天然氣氣源供應(yīng)的影響。由于船運(yùn)、儲(chǔ)罐等條件的改變將影響到天然氣的運(yùn)輸，從而導(dǎo)致天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，而氣電聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案也將受到相應(yīng)的影響，所以該文獻(xiàn)對(duì)天然氣的氣源供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了建模分析并驗(yàn)證了其有效性。

雖然以上研究對(duì)天然氣網(wǎng)和電網(wǎng)兩個(gè)系統(tǒng)的綜合調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了建模和優(yōu)化求解，但均沒(méi)有考慮氣網(wǎng)約束對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組備用能力的影響。將電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)聯(lián)合建模誠(chéng)然解決了燃?xì)廨啓C(jī)組調(diào)度出力值滿足天然氣系統(tǒng)運(yùn)行約束的可行性問(wèn)題，但是缺少對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組備用能力的建模，即沒(méi)有考慮在天然氣系統(tǒng)運(yùn)行約束下，燃?xì)廨啓C(jī)組所配置的備用的可行性問(wèn)題。

因此，針對(duì)現(xiàn)有的氣-電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度模型中沒(méi)有充分考慮燃?xì)廨啓C(jī)備用能力大小和備用可行性的問(wèn)題，本文提出了考慮風(fēng)電不確定和氣網(wǎng)運(yùn)行約束的魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度和備用配置模型，將燃?xì)廨啓C(jī)組的備用范圍轉(zhuǎn)換為進(jìn)氣范圍，從氣網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的角度可以將其視為氣網(wǎng)的不確定負(fù)荷，從而對(duì)其可行性進(jìn)行校驗(yàn)，并對(duì)電網(wǎng)調(diào)度和備用結(jié)果進(jìn)行修正，以此將燃?xì)廨啓C(jī)組出力和備用的可行性考慮到電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中。同時(shí)采用魯棒優(yōu)化的方法，應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性，避免備用配置過(guò)多導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題或備用配置過(guò)少導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行安全問(wèn)題。

圖1 模型求解流程

結(jié)論

本文針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組調(diào)度時(shí)，不僅需要考慮到其調(diào)度出力值是否可行，還必須考慮其承擔(dān)的備用在氣網(wǎng)側(cè)的約束下是否可以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。為了在對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組調(diào)度時(shí)，充分考慮電網(wǎng)和氣網(wǎng)兩方面的運(yùn)行約束，檢驗(yàn)其調(diào)度出力值和所配置的備用容量是否可行，本文提出了考慮風(fēng)電不確定性和氣網(wǎng)運(yùn)行約束的魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度及備用配置模型。

該模型不是典型的雙層魯棒優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)不確定集的轉(zhuǎn)換，管道流量方程和發(fā)電機(jī)成本函數(shù)的線性化，將原問(wèn)題轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)現(xiàn)有benders算法和C&CG算法求解的魯棒優(yōu)化問(wèn)題，算例仿真結(jié)果表明：

1）氣網(wǎng)運(yùn)行約束不僅會(huì)限制燃?xì)廨啓C(jī)組的出力值，還會(huì)影響其備用出力范圍，在備用配置時(shí)需要充分考慮氣網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和約束的影響，避免安排不可行備用，影響系統(tǒng)安全。

2）通過(guò)魯棒優(yōu)化能有效避免確定性調(diào)度模型通過(guò)按風(fēng)電功率比例增加系統(tǒng)備用時(shí)，對(duì)風(fēng)電不確定性高估導(dǎo)致的備用分配過(guò)多問(wèn)題和對(duì)風(fēng)電不確定性估計(jì)不足導(dǎo)致備用分配過(guò)少問(wèn)題。使系統(tǒng)整體的費(fèi)用得到了降低，備用量減小，機(jī)組備用費(fèi)用也得到了降低。

3）天然氣網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)將會(huì)改變電網(wǎng)側(cè)機(jī)組的調(diào)度出力結(jié)果，重新分配機(jī)組備用，使得系統(tǒng)不能在最經(jīng)濟(jì)的方案下運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至需要進(jìn)行切負(fù)荷來(lái)保證系統(tǒng)安全。