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

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华中科技大学电气与电子工程学院、嘉兴供电公司、中国电力科学研究院的研究人员罗毅、邵周策、张磊等，在2018年第11期《电工技术学报》上撰文指出，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。

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。

图1  模型求解流程

图2  气电测试系统线路图

结论

本文针对燃气轮机组调度时，不仅需要考虑到其调度出力值是否可行，还必须考虑其承担的备用在气网侧的约束下是否可以实现的问题。为了在对燃气轮机组调度时，充分考虑电网和气网两方面的运行约束，检验其调度出力值和所配置的备用容量是否可行，本文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。

该模型不是典型的双层鲁棒优化问题，通过不确定集的转换，管道流量方程和发电机成本函数的线性化，将原问题转换成可以通过现有benders算法和C&CG算法求解的鲁棒优化问题，算例仿真结果表明：

1）气网运行约束不仅会限制燃气轮机组的出力值，还会影响其备用出力范围，在备用配置时需要充分考虑气网运行状态和约束的影响，避免安排不可行备用，影响系统安全。

2）通过鲁棒优化能有效避免确定性调度模型通过按风电功率比例增加系统备用时，对风电不确定性高估导致的备用分配过多问题和对风电不确定性估计不足导致备用分配过少问题。使系统整体的费用得到了降低，备用量减小，机组备用费用也得到了降低。

3）天然气网负荷波动将会改变电网侧机组的调度出力结果，重新分配机组备用，使得系统不能在最经济的方案下运行，严重时甚至需要进行切负荷来保证系统安全。