考虑风电不确定性和气网运行约束的鲁棒经济调度和备用配置

考虑风电不确定性和气网运行约束的鲁棒经济调度和备用配置罗毅;邵周策;张磊;姚良忠【摘要】In the Chinese northern region during the winter heating period, a large number of heating units operate in the "power determined by heat" mode, and the traditional thermal unit can't provide adequate regulation ability and reserve capacity, resulting in a large number of wind curtailment. Taking advantage of the rapid adjustment ability of gas turbine can increase the adjustment ability of system and promote wind power consumption. However, in the traditional power system dispatch, the gas network operation constrains is not taken into account, which may make the dispatch calculation results infeasible. Therefore, this paper propose a robust economic dispatch and reserve configuration model considering wind uncertainty and gas network constraints by converting the range of gas turbine reverse to the range of gas inlet and regard it as the uncertain gas load. The C&CG (column-and-constraint generation) algorithm is utilized to split the combined gas-electric dispatch and optimization problem to a robust economic dispatch problem considering wind uncertainty, a reverse configuration problem and a gas network constrained subproblem. The benders algorithm is also used to simplify the solution procedure by breaking down the problem into a primal problem of economic dispatch and reverse configuration and a subproblem of wind uncertainty examination. The simulation results indicate the truth and validity of the model and solutions.%在我国北方地区冬季供热期,大量供热机组"以热定电"运行,火电机组调节和备用能力不足,造成大量弃风.利用燃气轮机组的快速调节能力,可以促进风电消纳.针对在气电联合调度研究中未考虑气网运行约束,可能造成调度计算结果不可行的问题,提出了考虑风电不确定性和气网运行约束的鲁棒经济调度及备用配置模型,将燃气轮机组的备用范围转换为进气范围,并将其视为气网的不确定负荷.利用C&CG算法将气电联合调度优化问题分解成考虑风电不确定性的鲁棒经济调度和备用配置主问题以及气网约束子问题,再通过benders分解法将主问题进一步分解成经济调度和备用配置主问题以及风电不确定性校验子问题,从而简化求解算法.算例结果验证了所提模型及求解方法的有效性和正确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)011【总页数】12页(P2456-2467)【关键词】气网约束;经济调度;备用配置;鲁棒优化【作者】罗毅;邵周策;张磊;姚良忠【作者单位】华中科技大学电气与电子工程学院武汉 430074;嘉兴供电公司嘉兴314000;华中科技大学电气与电子工程学院武汉 430074;中国电力科学研究院北京 100192【正文语种】中文【中图分类】TM7310 引言我国可再生能源电力建设稳步加快，多项指标位居世界首位[1]。

“三北”地区风力资源丰富，逐渐成为我国风电并网的主要地区[2]。

但是在冬季供热期间，将出现“风热冲突”问题[3]，造成了大量弃风的现象。

供热期间大量供热机组在“以热定电”方式下运行[4]，限制了电出力的调节能力[5]，而传统火电机组调节速率较慢，不能提供足够的调节能力和备用能力以满足系统和风电波动的调节需求。

风电出力具有不确定性[6]（现商业风电预测软件平均误差为 14%~20%[7]），而且具有“昼低夜高”的反调峰特性，进一步增加了风电的消纳难度。

利用燃气轮机组对风电等可再生能源波动的快速响应和调节能力[8]，可以有效弥补供热期间调节能力不足的问题，提高风电消纳水平。

但是，在未来风电等可再生能源高比例接入的情况下，风电功率波动和预测误差不可避免，传统的确定性调度方法难以满足风电的不确定性和波动性要求，而燃气轮机组的加入使得电网与气网相互耦合，对各机组的调度出力和备用安排也提出了新的问题。

在进行电网调度时，若不考虑天然气网侧的相关约束（如天然气管道约束、传输容量约束及其他天然气用户的负荷等），则优化调度结果将可能是次优甚至是不可行的[9]。

与此同时，为了增加系统调节能力而考虑燃气轮机组时，不仅要解决燃气轮机组调度运行值可不可行的问题，还需要考虑燃气轮机组是否有像火电机组一样可以上、下调节的备用能力，以及备用能力大小的确定、备用容量的合理分配等。

因此，在对天然气网和电网相互耦合的系统进行优化经济调度时，必须联合考虑两方的模型和约束以及两个系统之间的相互影响、各自特性，才能在整体全局的角度给出一个经济可行的优化解，天然气网侧相关条件以及运行状况将是电力系统安全、经济运行不可忽视的因素[10]。

关于天然气网和含风电电力系统两个耦合系统的优化调度问题，国内外已有相关研究。

文献[11]在传统计及安全约束的机组组合模型的基础上，加入了包括小时级、日级的天然气网约束，研究了电网和气网之间的相互影响和关联。

文献[12]将天然气管网约束线性化，并考虑了电力系统需求侧响应所带来的影响。

文献[13]比较了含风电的气电联合调度确定性模型、双层以及多层随机优化模型。

文献[14]采用区间优化的方法对含风电的气电综合能源系统的调度问题进行了优化求解，同时也考虑了可调节负荷的作用。

不同于其他研究，文献[15]没有使用天然气潮流的简化稳态模型，而是使用了微分方程模型，并以供气费用、管道管理费用、初期费用、发电机费用和切负荷费用之和为目标函数进行求解，但是其对电力系统方面考虑的过于简单，没有考虑系统备用约束。

文献[16]在含风电的气—电联合系统的随机机组组合模型中，不仅加入了对天然气管网约束的考虑，还计及了发电排放物的约束，对含风电系统的日前调度进行了仿真模拟。

文献[17]在文献[16]基础上加入了一种改进的自适应粒子群优化算法，将基本粒子群算法与云处理相结合，考虑了风电的预测随机误差，以适应风电的随机性，加快了寻优的能力和速度。

文献[18]则讨论了天然气气源供应的影响。

由于船运、储罐等条件的改变将影响到天然气的运输，从而导致天然气供应风险，而气电联合系统的经济调度方案也将受到相应的影响，所以该文献对天然气的气源供应风险进行了建模分析并验证了其有效性。

虽然以上研究对天然气网和电网两个系统的综合调度问题进行了建模和优化求解，但均没有考虑气网约束对燃气轮机组备用能力的影响。

将电力系统和天然气系统联合建模诚然解决了燃气轮机组调度出力值满足天然气系统运行约束的可行性问题，但是缺少对燃气轮机组备用能力的建模，即没有考虑在天然气系统运行约束下，燃气轮机组所配置的备用的可行性问题。

因此，针对现有的气-电系统联合调度模型中没有充分考虑燃气轮机备用能力大小和备用可行性的问题，本文提出了考虑风电不确定和气网运行约束的鲁棒经济调度和备用配置模型，将燃气轮机组的备用范围转换为进气范围，从气网调度运行的角度可以将其视为气网的不确定负荷，从而对其可行性进行校验，并对电网调度和备用结果进行修正，以此将燃气轮机组出力和备用的可行性考虑到电力系统的经济调度模型中。

同时采用鲁棒优化的方法，应对风电不确定性，避免备用配置过多导致不经济的问题或备用配置过少导致的系统运行安全问题。

1 考虑风电和气网约束的鲁棒经济调度及备用配置1.1 目标函数本文所提的考虑风电不确定性和气网运行约束的鲁棒经济调度及备用配置模型，其目的是在气网和电网运行约束下，合理安排各机组出力和备用，应对风电不确定性。

不仅增加了对气网侧约束的考虑，而且考虑其对燃气轮机组备用可行性的影响。

同时，利用鲁棒优化的方法处理风电不确定性，避免确定性调度方法导致的备用配置过多问题，提高经济性。

与传统确定性或鲁棒模型不同，为了保证燃气轮机组的调度结果和备用设置在气网运行约束下切实可行，模型将燃气轮机所配置的备用出力范围处理为气网的不确定负荷。

即对于气网而言，需要检验燃气轮机备用范围内的出力是否都可以实现。

这使得复杂的鲁棒双层优化问题变成更加难以求解的鲁棒三层优化问题。

模型第一层的决策变量为机组出力和备用，第二层校验风电产生随机波动时第一层的出力和备用配置能否保证系统有足够的裕度过渡到新的运行状态，第三层校验前两层优化后所决定的机组出力和备用在气网运行约束下是否可行。

令式中，函数1f表示传统机组、燃气轮机运行成本费用、风电弃风惩罚费用和切负荷惩罚费用以及传统机组备用费用以及燃气轮机备用费用的总和； p i, t,pg ,t分别为t时段传统机组i的功率、燃气轮机g的功率；N d ,t为t时刻的切负荷量，是一个松弛变量；为t时段风电场j预测出力； p w 为 t时段风电j,t场j实际调度出力；λw为弃风惩罚系数；λd为切负荷惩罚系数；Cr、分别为传统机组、燃气轮机的备用费用系数；g为燃气轮机运行费用函数；下标u、d分别表示上、下备用。