基于mpc的风燃协调滚动调度运行策略-张建新.pdf

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1、第44卷第22期 电力系统保护与控制 V0144 No22圣壁!鱼生!旦!鱼旦 呈竺翌!堑墅兰垩塑塑壁!旦里皇塑兰2堕竺! 蔓竺：!垒：垫!垒DOI：107667PSPCI51969基于MPC的风燃协调滚动调度运行策略张建新1，李中豪2，张沛超2(1国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海交通大学电气工程系，上海200240)摘要：提出了一种基于模型预测控制(MPC)原理的大型风电场与燃气蒸汽联合循环机组的滚动调度策略。该方法在考虑联合循环机组运行约束条件下，以等效电厂的经济最优为目标。首先介绍了燃气蒸汽联合循环机组的结构和工作原理，以及

2、风燃协调等效电厂的概念。然后根据联合循环机组的运行状态及起停过程建立了数学模型，并在该数学模型的基础上，同时考虑风电场弃风，以风燃协调等效电厂的整体经济性最佳为目标，提出一种基于模型预测控制的新型风燃协调滚动调度运行策略。仿真结果表明新方法使得等效电厂在跟踪调度曲线的基础上，实现风燃协调等效电厂的经济最优控制。关键词：风力发电；燃气蒸汽联合循环机组；模型预测控制A MPC-based rolling dispatch strategy of the wind-gas coordinated systemZHANG Jianxinl，LI Zhongha02，ZHANG Peicha02(1El

3、ectric Power Research Institute，SMEPC，Shanghai 200437，China；2Key Laboratory ofControl ofPowerTransmission and Conversion，Ministry ofEducation(Department ofElectrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University)，Shanghai 200240，China)Abstract：A rolling dispatch strategy of the wind farm and gas-steam c

4、ombined cycle power plant(CCPP)coordinatedsystem based on model predictive control(MPC)method is proposedConsidering the constraints of CCPP,this strategyaims to optimize the power generation in the coordinated systemFkstlythe structure and working principle of CCPP andthe concept of windgas coordin

5、ated equivalent power plant(WGPP)are introducedSecondly,considering the workingstate，start-up and shut-down process of CCPP,a mathematical model of CCPP is establishedBased on this model andconsidering the wind power curtailment，a MPC-based rolling dispatch strategy of wind-gas coordinated system is

6、proposed in order to maximize the benefit of WGPE Finally,the simulation results demonstrate that the new strategy cannot only make WGPP track the dispatch targets，but also optimize the power generation in WGPPKey words：wind power generation；gas-steam combined cycle power plant；model predictive cont

7、rolO 引言为了应对传统能源的快速消耗以及日益严峻的环境问题，以风能为代表的绿色可再生能源在世界范围内得到了迅猛的发展【l J。然而，相比于常规能源发电，风能的波动性特征使其难以调度。为了应对风电的间歇性，电网调度不得不保留较大的旋转备用和自动发电控$【J(Automatic Generation Control，AGC)调节备用，从而增大了发电成本。所以，在风基金项目：国家科技支撑计划资助项目(201 3BAA01804)；国家电网公司科技项目(520940140021)电大规模接入的背景下，使风电场具备“拟常规电源”调度能力是一项具有重要意义的研究课题。目前调节风电场并网有功功率的方法主

8、要有两类：一是控制风机的运行状态以调节其输出【2】，但是这种方法需要损失一部分风能，且在风功率波动较大时的调节效果有限；二是利用可控电源或储能设备与风电构成互补13-4J。其中，由于储能的安装成本依旧很高，这使得大型的“风储协调”调度在现阶段仍不具有经济性。针对风电存在的可调度能力差的问题，文献【56采用风火电“打捆”外送的有功协调控制策略，实现风电外送断面不越稳定限额的目标：文献7】提出了包含“风火协调层”在内万方数据张建新，等 基于MPC的风燃协调滚动调度运行策略的多时空尺度分层协调优化运行体系，使联络线交换功率特性满足外部调度运行需求。文献【8】研究了风火打捆直流外送系统的安全稳定和控制

9、问题，制定了改善系统稳定性的交直流协调控制策略。文献9提出了以对电网贡献度为标准的利润分配模型，引导风电与火电参与联合外送。然而，由于常规火电机组有功功率调节速度有限，当风电功率波动较大时，仅利用风火打捆难以满足电网调度需求【l。燃气蒸汽联合循环电厂(Gassteam CombinedCycle Power Plant，CCPP)较之常规火电厂，不但具备优良的起停性能和快速的出力调节能力，而且效率高、污染少。据此，文献11】提出了将区域内的风力和燃气两种清洁能源打捆输出的“风燃协调等效电厂”(Windgas coordinating equivalent power plant，WGPP)概念

10、，并对其AGC控制策略进行了研究。本文在文献【11】的基础上，研究了WGPP的经济调度问题。论文首先建立了CCPP机组的运行状态方程，然后在模型预测控制(Model PredictiveControl，MPC)的框架下，建立了等效电厂经济调度目标函数，并利用混合整数规划(MixedIntegerLinear Programming，MILP)方法完成问题求解。1 风燃协调等效电厂的滚动调度文献11】提出了“风燃协调等效电厂”(WindGas Coordinating Equivalent Power Plant，WGPP)I拘概念，并将其定义为：将某区域内的所有风电场、燃气电厂以及本地负荷聚合

11、为一个等效电厂，通过风、燃两种清洁能源的协调运行，达到减少风电功率波动、提高能源利用效率的目的，并使之作为一个整体参与电网的调度与运行，实现可再生能源的拟常规电源调度【11 J。从电网的角度，WGPP作为一个整体有效减少了控制变元的数量、降低了调度的复杂性。根据日前计划给出的调度曲线，文献11】提出了WGPP的两种AGC控制策略，验证了通过风燃协调实现WGPP功率偏差控制的可行性。在此基础上，本文进一步研究了WGPP的经济调度策略。为了制定CCPP机组的起停机计划以及应对风功率预测误差等问题，本文采用了滚动调度策略【l 2|，以优化WGPP内风、燃出力，对AGC机组的基点功率进行修正，并提高W

12、GPP对日前计划的跟踪效果。滚动调度属于超前调度(100k-ahead dispatch)u引，与日前计划、AGC等构成了彼此协调的多个时间尺度的有功调度手段，其相互关系如表1所示。表1不同时间尺度的有功调度13】Table 1 Power control systems with multiple time scalestl3】2 CCPP建模21 CCPP运行状态ccPP机组在联合循环方式下有4种运行状态：停运状态、起机过程、联合运行和停机过程。这4种状态只能按照上述顺序进行状态转移。例如，处于停运状态的机组不能直接满发功率，必须经过起机过程逐步将输出功率抬升。同样的，处于运行状态的机组也

13、需要经过停机过程，逐步降低输出功率直至零输出，才能到达停运状态。在进行风燃协调优化调度中，如果对CCPP机组的上述起停和运行过程进行详细建模，会给在线优化带来很大的计算量。已有研究多采用MILP的思想14-15对CCPP机组进行建模，在满足工程应用的前提下，极大地简化了建模过程、减小了计算量。借鉴文献151的建模方法，本文设置了3个01状态变量，以表示CCPP机组的4个运行状态，如表2所示。表2 ccPP机组o1状态变量声明Tab】e 2 Declarations of0】state vaables ofCCPP unit状态变量名称 含义开始起机状态变量起机及运行状态变量开始停机状态变量在图

14、1中，时段12，35，67和8-9分别为CCPP机组的停运、起机、运行和停机过程。在本文中，CCPP的起、停机输出功率被近似为呈阶梯型上升和下降形状的固定轨迹，起、停机轨迹中每一个功率点都维持15 min。由图l可以导出S(尼)=】，(Ji)一X(七)一x(k一1)一X(k一2) (1)形(Ji)=1一】，(Ji)一Z(七) (2)式中：k为控制时域内的时间序列，问隔为15 min：s和分别为CCPP运行和停运的状态变量。当CCPP处于运行状态时，乒1，否则S=0；当其处于停运状态时，W=I，否则W=0。万方数据20 电力系统保护与控制时间(15 rainl时段 l 2 3 4 5 6 7 8

15、 9X O O l O 0 O 0 0 0y 0 O 1 l l l 1 0 0Z O O 0 0 O 0 O l 0运行状态 停运 起机 运行 停机图1 CCPP运行状态变量对应图Fig1 State variable diagram of CCPP unit22 CCPP运行约束(1)CCPP的输出功率约束CCPP机组的起、停过程应遵循图1所示的功率变化轨迹，运行时输出功率应满足上下限约束。只(七)只。(k)+岛(七)+S(k)emill (3)只(七)只。(七)+已(i)+s(J|)，k (4)式中：Pg为CCPP机组出力；Pm。，Ri。分别为CCPP机组处于运行状态时的输出功率上下限值

16、；Ps。，Bd分别为CCPP机组的起、停机功率。Pu(尼)=x(k)pu(1)+x(k一1)Pu(2)+ ，。xf七一2)Pu(3)岛(七)=Z(k)PD(1)+z(k一1)PD(2) (6)式中，PU，尸D分别为遵循起停机轨迹的CCPP输出功率，具体数值如图l所示。(2)CCPP机组运行状态约束x(k)一z(k)=】，(Ji)一r(k一1) (7)r(k)x(k)+X(k一1)+x(k一2) (8)r(k)z(k+1)+z(k+2) (9)y(七)+z(k)1(10)上述运行状态约束使得XY,Z的参数组合只能出现图2中所示的4种状态，并且这些状态只能按照21节所确定的循环顺序进行状态转移。(

17、3)运行过程中的机组爬坡率约束go是(七)一只(七一1)Ru (11)其中，RU、岛分别为CCPP机组爬坡率上下限。(4)最小运行时间和最小停运时间约束k+ll：s(f)12S(k)一s(k一1) (12)酉k+ll：rv(i)12w(k)一rv(k1)】 (13)百本文设置最小运行和最小停运时间均为3 h【l 5|。3基于MPC的风燃协调滚动调度策略本文基于MPCIl6原理，利用风电及负荷的预测结果，通过在每一个采样周期在线求解一个有限时域的开环最优控制问题【1丌，获得各电源的优化出力。本文将MPC方法引入风燃协调经济调度中，是基于如下3个方面的考虑。首先，本文在优化过程中需考虑式(1)一式

18、(13)所示的多约束条件，而MPC的突出优点是能够在整个预测时域内显式地处理上述约束条件；其次，由于风电预测误差具有随着时间增长而增大的特性，而MPC具备滚动优化的特征，可以不断地校正风功率预测误差；最后，将整个优化过程放到预测时域内进行，有利于等效电厂建立基于较长时间区问的整体利益的最优决策，并更好地考虑诸如机组起停机等跨多个控制周期的过程。31 MPC参数配置本文采用分辨率为15 min的超短期风电功率及负荷预测。相应的，设置MPC的基本参数如下：(1)采样周期t=15min。WGPP每隔15 min接收一次未来4 h分辨率为15 rain的风电功率以及负荷预测数据。WGPP控制周期丁=Z

19、。(2)预测时域坛预测时域M越大，MPC考虑的经济性所涵盖的时间范围就越广，也就越能体现MPC前瞻性的优势，但是M的增大会增加MPC目标函数的复杂性，这需要更长的最优化求解时间，本文选取优化时域M=4 h1 5 min=1 6。32 MPC目标函数在风电利用中既要考虑环境效益，还要考虑风电的随机性给电网的安全与经济运行所带来的负面影响n8-20。因此，本文在建立经济调度模型时允许风电场合理弃风。整个WGPP的优化目标函数为maxJ=JrJo一以。一厶一以一Jo。 (14)式中：以为CCPP售电收入；以为CCPP运行费用；厶为CCPP起机费用；厶为CCPP停机费用；六为WGPP出力偏差惩罚费用；

20、J为风电场弃风费用。ou型以=丑Xg(k)Ar (15)k=。k。oko。+一MJo=厶(y(七)+z(七)丁+名xg(k)AV(16)t=毛D厶=丸x(k) (17)厶=砧z(k) (18)乜兰以=以J0(Ji)+只(后)一只。(尼)一(七)一只i忡n(七)I女=“(19)万方数据张建新，等 基于MPC的风燃协调滚动调度运行策略 一21一Jc。=九。 (20)式中：Z为CCPP售电价格；允为旋转备用售价；厶为CCPP固定运行费用；九为燃料费用；覆。，如为CCPP起停机费用系数；以是出力偏差惩罚电价；九是风电价格：ko为当前MPC优化时刻；巴。为CCPP额定功率；只，为原始风功率；。为弃风功率

21、；坑削为负荷；只i。为调度曲线功率。由式(14)可见，本文的优化目标为：在给定的WGPP调度计划曲线条件下，通过合理安排CCPP机组的起停机计划，以及协调CCPP机组与风电场的出力，实现WGPP收益的最大化。WGPP的收益兼顾了多个方面的利益。其中，Jr一六一以。一厶为CCPP机组的收益，与以。共同保障了WGPP自身的利益；J用于提高 整体出力的可调度性，oWGPP从而保障电网的经济性与安全性；以。旨在保障全社会的环境效益。通过改变出力偏差惩罚电价五，可以调节上述各方的利益。4 仿真验证以上海市崇明岛电网为例对本文提出的风燃协调滚动调度策略进行验证。仿真模型中包含一座额定功率为400 MW的C

22、CPP电厂、两座额定功率分别为60VlW和48 MW的风电场，上述电源通过联络线和外部电网相连。系统结构如图2所示。图2崇明岛电网系统Fig2 Power system of Chongming Island根据预测误差随预测时长增大的特点，在MPC预测时域内设置了515的随机风电和负荷预测误差。燃气电厂售电价格为06元瓜Whl21|，CCPP机组起停费用参考文献15】；考虑CCPP的运行费用，其发电收益为0087 5元kWhEl5J。风电售价为056元kWht22J。因WGPP出力偏差惩罚电价会影响优化结果，故本文选取2个场景来分析优化控制效果。场景1：将WGPP出力偏差惩罚电价设定为045

23、元l(、h，低于风电场售电价格。联络线功率的追踪情况以及各电源的输出功率情况见图3。th(a)联络线功率跟踪情况0 6 1 2 8 24th(b1行1U源和负简情况图3场景一控制方法的效果Fig3 Effect of control metllod in situation 1由图3(a)可见，WGPP对外交换功率整体上可以跟踪调度曲线，但某些时段的跟踪效果并不理想。例如，在0：156：45和9：45-24：00时段，CCPP分别处于停运一起机和停机停运的状态，具有固定的输出功率轨迹；在12：3013：15时段，CCPP已经处于其输出功率下限，但由于风电售价高于WGPP出力偏差惩罚电价，风电场

24、始终处于满发状态，这导致在这些时段联络线功率不能完全跟踪调度曲线。由图3(b)可见，MPC算法综合WGPP未来调度曲线的走势以及风电、负荷的预测结果，给出了最优的CCPP机组起停机时刻。例如，从6：00开始，WGPP的调度曲线开始上升，并在此后一段时间处于较高的值。因此，CCPP机组起机参与等效电厂调度。同样，在22：00，WGPP的调度曲线开始下降，并长时间处于低值，因此CCPP机组开始停机。场景二：将WGPP出力偏差惩罚电价设定为06元kWh，高于风电场售电价格。联络线功率的追踪情况以及各电源的输出功率情况如图4所示。姗拗瑚啪啪如。铷啪枷珊瑚瑚妻；啪m如o万方数据22 电力系统保护与控制毛

25、爵蕾tlh(b)符电源和负简情况图4场景二控制方法的效果Fig4 Effect of control method in situation 2对比图3(a)与图4(a)可见，图4(a)中联络线功率的跟踪情况有了明显改善。从图4(b)可见，由于WGPP出力偏差惩罚电价高于风电售价，因此，在多个时段，风电场采用合理弃风手段参与WGPP的调度过程，从而提高了联络线功率的跟踪效果。本文旨在验证WGPP的可调度性与可计划性，故调度曲线是依据日前计划给出的。风电和负荷预测误差的存在，使得WGPP对外联络线交换功率依然存在控制偏差。但根据MPC原理，在每一个调度周期内，只有优化序列中的第一个结果被执行，从

26、而滚动修正预测误差。在此过程中，AGC机组的基点功率被不断更新。基于上述仿真结果，可以根据WGPP接入系统的不同，采取不同的定价方法。当WGPP接入Nd,系统时，应将出力偏差惩罚电价定得高于风电售价，通过合理弃风，以达到较好的联络线交换功率的跟踪效果，提高整个互联系统的稳定性；而当WGPP接入到大系统时，应将出力偏差惩罚电价定得低于风电售价，从而提高风电消纳率。5结论(1)本文在“风燃协调等效电厂”概念的基础上，进一步研究了等效电厂的经济调度运行策略。通过等效电厂内风、燃两种清洁能源的协调运行，实现对外作为拟常规电源参与电网调度、对内优化各电源出力分配的目标。(2)本文综合考虑了CCPP机组起

27、停、出力调节以及风电场合理弃风等多种调控手段，并利用基于MPC的滚动调度方法进行经济调度。优化目标中兼顾了等效电厂、电网等多方面的利益。(3)优化结果与出力偏差惩罚电价有关。可以根据接入系统对风电的不同消纳能力设置惩罚电价，从而达到不同的调控目的。参考文献1 郭晓蕊，王珂，杨胜春，等计及风电时空互补特性的互联电网有功调度与控制方案J电力系统保护与控制，2014，42(21)：139-144GUO Xiaorui，WANG Ke，YANG Shengchun,et a1Activepower scheduling and control scheme for interconnectedpowe

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