综合能源系统（5）——综合能源系统优化控制技术

综合能源系统关键技术与典型案例　 何泽家，李德智主编

综合能源系统优化控制技术是打破原有各能源供用系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，实现多能协同互补和综合能源系统稳定运行的关键技术，以实现能源高效利用与可再生能源消纳为目的，有机协同能源生产、输配、利用等环节，实现系统用能效率最优。

1、综合能源系统优化控制架构

为减小可再生能源出力及负荷预测的不确定性对综合能源系统优化调度产生的影响，采用两阶段优化调度模型对综合能源系统进行优化，分别为日前滚动优化以及实时动态调整。综合能源系统多时间尺度优化调度整体框图如图3-17所示。模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)具有滚动优化及反馈校正的特点，在综合能源系统优化控制中被广泛应用。

1.1、滚动优化

2、综合能源系统不确定因素分析

综合能源系统在协调运行中会遇到诸多不确定性。如果优化策略对不确定性考虑不足，会造成已经形成的优化策略不适用，从而采用临时性的手段保障能量平衡，从而导致在经济性、能效等方面优化不足。

2.1、负荷不确定性

在实际响应中，由于用户对电价的反应具有较大的主观性，容易受到突发状况、用电计划改变等因素影响，使得响应具有较大的不确定性，因此，采用确定性的模型难以反映真实的用电情况。基于政策激励的DR(Demand Response，需求响应)不确定性主要来源于负荷预测的不确定性、用户响应意愿的不确定性等；基于电价的DR不确定性主要来源于电价的不确定性、价格弹性需求曲线的不确定性等。当前我国主要实行分时电价和阶梯电价的机制，部分地区实行尖峰电价。

可削减负荷对用户的影响较大，为鼓励用户积极参与电网调度，采用阶梯式补偿的激励机制，按递增的顺序将负荷削减量分为几个等级，削减量越大，则单位补偿费用越高。现有的研究通常认为激励型DR按照合同方式实施，其响应的波动范围较小，可以不考虑不确定性。但用户的实际响应情况受用户次日突发状况等影响，具有一定的不确定性，所以应允许实际响应容量在合同允许范围内波动。

可平移负荷不改变用电曲线的形状，对用户的影响最小。经济补偿机制采取平移时间补偿和平移容量补偿相结合的方式，平移的时间跨度越长、平移容量越大，则获得的经济补偿越高。

2.2、清洁能源不确定性

清洁能源有着低碳环保的优点，利用清洁能源可以减少环境污染，节省煤炭、石油等常规能源。但同时清洁能源会对综合能源系统带来不确定性影响，具体体现在以下几个方面。

1.对频率的影响
电力系统的稳定性主要反映受扰系统抵御系统崩溃的能力，电力系统的充裕性反映系统满足用户对功率和电量需求的能力。其风险分析与控制涉及不确定性、分岔及混沌理论，大规模清洁能源的入网大大增加了不确定因素。比如在一次调频的时间尺度上，不同地区风电机组功率波动的相关性较小，而风电场的集聚效应也在一定程度上降低了风电总功率的波动。矢量控制方案会使VSWT的转速与电网颜率解耦，不利于其参与一次调频。

2.对电压的影响
清洁能源发电功率的波动性会导致电压出现波动和闪变。风力发电中，风速、湍流强度、塔影效应、并网连接点短路比都会影响电压闪变值。闪变值离散化计算方法在低频段识差较小，适用于风电引起的电压波动(通常频率范围为1～2Hz)。风机频繁脱网的原因包括电网电压稳定性差及双馈异步风力发电机(DFIG)上网环节对无功的需求。反过来，大规模风机并网运行地区电网中的感应电机增加，出现故障后更容易发生电压失稳。安装动态无功补偿设备、DFIG采用恒电压或超前功率因数控制，可减少电压引起的连锁脱网事故。增加风机速度、控制桨距角及无功补偿，可降低电压失稳风险。

3.对暂态稳定性的影响
恒速异步风力发电机(FSIG)本身没有同步稳定性问题。用FSIG(或DFIG)代替同步发电机时，随着风机类型、穿透功率、故障地点和故障切除时间等因素的变化，电力系统的暂态稳定性既可能提高，也可能降低。当渗透率大、接入电压等级高时，DFIG对暂态稳定性的影响增加，其变频器控制可提高功角稳定性。此外，不对称故障下以及动态负荷运行模式下的风电接入暂态稳定分析也需要引起足够重视。

4.对动态特性的影响
清洁能源不确定性对系统动态的影响与清洁能源装备类型有关。如风速不确定性引起DFIG低频振荡的本质是Hopf分岔，并通过特征值灵敏度分析确定关键参数的分岔值。

5.对充裕性的影响
清洁能源的系统充裕性需考虑其容量因子的可信度、风电机组可用性和输电阻塞等多种因素。可以通过分析风电功率在时间上的周期性(年/季/月)和空间上的相关性来评估系统中长期发电充裕性，优化风电场选址。

6.对电能质量的影响
异步发电机启动时从电网大量吸收无功功率，并网瞬间产生的冲击电流为额定电流的2~3倍，脱网时引起电网电压可升高4%，严重时可能超过10%。大量分布式风电通过变流器接入配网，在风速不确定性情况下，都可能出现对涌流、电压跌落、电压闪烁、谐波，以及瞬时供电中断等电能质量问题。

7.对电力市场的影响
清洁能源的不确定性增加了对各级备用容量，特别是调频及旋转备用的需求。随着RES入网比例的不断攀升，利用需求侧管理措施，可以降低发电侧备用市场的需求。

2.3、建模方法

3、综合能源系统优化控制模型

3.1、建立系统模型及约束条件

3.2、两阶段优化协调控制