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》上撰文指出，在我國北方地區(qū)冬季供熱期，大量供熱機組“以熱定電”運行，火電機組調(diào)節(jié)和備用能力不足，造成大量棄風(fēng)。利用燃氣輪機組的快速調(diào)節(jié)能力，可以促進風(fēng)電消納。

針對在氣電聯(lián)合調(diào)度研究中未考慮氣網(wǎng)運行約束，可能造成調(diào)度計算結(jié)果不可行的問題，提出了考慮風(fēng)電不確定性和氣網(wǎng)運行約束的魯棒經(jīng)濟調(diào)度及備用配置模型，將燃氣輪機組的備用范圍轉(zhuǎn)換為進氣范圍，并將其視為氣網(wǎng)的不確定負荷。

利用C&CG算法將氣電聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化問題分解成考慮風(fēng)電不確定性的魯棒經(jīng)濟調(diào)度和備用配置主問題以及氣網(wǎng)約束子問題，再通過benders分解法將主問題進一步分解成經(jīng)濟調(diào)度和備用配置主問題以及風(fēng)電不確定性校驗子問題，從而簡化求解算法。算例結(jié)果驗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)運行約束的魯棒經(jīng)濟調(diào)度和備用配置

我國可再生能源電力建設(shè)穩(wěn)步加快，多項指標位居世界首位

[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”問題

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

[4]，限制了電出力的調(diào)節(jié)能力

[5]，而傳統(tǒng)火電機組調(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，進一步增加了風(fēng)電的消納難度。利用燃氣輪機組對風(fēng)電等可再生能源波動的快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)能力

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

但是，在未來風(fēng)電等可再生能源高比例接入的情況下，風(fēng)電功率波動和預(yù)測誤差不可避免，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性要求，而燃氣輪機組的加入使得電網(wǎng)與氣網(wǎng)相互耦合，對各機組的調(diào)度出力和備用安排也提出了新的問題。

在進行電網(wǎng)調(diào)度時，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，為了增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力而考慮燃氣輪機組時，不僅要解決燃氣輪機組調(diào)度運行值可不可行的問題，還需要考慮燃氣輪機組是否有像火電機組一樣可以上、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，在對天然氣網(wǎng)和電網(wǎng)相互耦合的系統(tǒng)進行優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度時，必須聯(lián)合考慮兩方的模型和約束以及兩個系統(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經(jīng)濟可行的優(yōu)化解，天然氣網(wǎng)側(cè)相關(guān)條件以及運行狀況將是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行不可忽視的因素

[10]。關(guān)于天然氣網(wǎng)和含風(fēng)電電力系統(tǒng)兩個耦合系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題，國內(nèi)外已有相關(guān)研究。文獻[11]在傳統(tǒng)計及安全約束的機組組合模型的基礎(chǔ)上，加入了包括小時級、日級的天然氣網(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[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)所帶來的影響。文獻[13]比較了含風(fēng)電的氣電聯(lián)合調(diào)度確定性模型、雙層以及多層隨機優(yōu)化模型。

文獻[14]采用區(qū)間優(yōu)化的方法對含風(fēng)電的氣電綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度問題進行了優(yōu)化求解，同時也考慮了可調(diào)節(jié)負荷的作用。不同于其他研究，文獻[15]沒有使用天然氣潮流的簡化穩(wěn)態(tài)模型，而是使用了微分方程模型，并以供氣費用、管道管理費用、初期費用、發(fā)電機費用和切負荷費用之和為目標函數(shù)進行求解，但是其對電力系統(tǒng)方面考慮的過于簡單，沒有考慮系統(tǒng)備用約束。

文獻[16]在含風(fēng)電的氣—電聯(lián)合系統(tǒng)的隨機機組組合模型中，不僅加入了對天然氣管網(wǎng)約束的考慮，還計及了發(fā)電排放物的約束，對含風(fēng)電系統(tǒng)的日前調(diào)度進行了仿真模擬。文獻[17]在文獻[16]基礎(chǔ)上加入了一種改進的自適應(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)測隨機誤差，以適應(yīng)風(fēng)電的隨機性，加快了尋優(yōu)的能力和速度。

文獻[18]則討論了天然氣氣源供應(yīng)的影響。由于船運、儲罐等條件的改變將影響到天然氣的運輸，從而導(dǎo)致天然氣供應(yīng)風(fēng)險，而氣電聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度方案也將受到相應(yīng)的影響，所以該文獻對天然氣的氣源供應(yīng)風(fēng)險進行了建模分析并驗證了其有效性。

雖然以上研究對天然氣網(wǎng)和電網(wǎng)兩個系統(tǒng)的綜合調(diào)度問題進行了建模和優(yōu)化求解，但均沒有考慮氣網(wǎng)約束對燃氣輪機組備用能力的影響。將電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)聯(lián)合建模誠然解決了燃氣輪機組調(diào)度出力值滿足天然氣系統(tǒng)運行約束的可行性問題，但是缺少對燃氣輪機組備用能力的建模，即沒有考慮在天然氣系統(tǒng)運行約束下，燃氣輪機組所配置的備用的可行性問題。

因此，針對現(xiàn)有的氣-電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度模型中沒有充分考慮燃氣輪機備用能力大小和備用可行性的問題，本文提出了考慮風(fēng)電不確定和氣網(wǎng)運行約束的魯棒經(jīng)濟調(diào)度和備用配置模型，將燃氣輪機組的備用范圍轉(zhuǎn)換為進氣范圍，從氣網(wǎng)調(diào)度運行的角度可以將其視為氣網(wǎng)的不確定負荷，從而對其可行性進行校驗，并對電網(wǎng)調(diào)度和備用結(jié)果進行修正，以此將燃氣輪機組出力和備用的可行性考慮到電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度模型中。同時采用魯棒優(yōu)化的方法，應(yīng)對風(fēng)電不確定性，避免備用配置過多導(dǎo)致不經(jīng)濟的問題或備用配置過少導(dǎo)致的系統(tǒng)運行安全問題。

圖1 模型求解流程

結(jié)論

本文針對燃氣輪機組調(diào)度時，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現(xiàn)的問題。為了在對燃氣輪機組調(diào)度時，充分考慮電網(wǎng)和氣網(wǎng)兩方面的運行約束，檢驗其調(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)運行約束的魯棒經(jīng)濟調(diào)度及備用配置模型。

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

1）氣網(wǎng)運行約束不僅會限制燃氣輪機組的出力值，還會影響其備用出力范圍，在備用配置時需要充分考慮氣網(wǎng)運行狀態(tài)和約束的影響，避免安排不可行備用，影響系統(tǒng)安全。

2）通過魯棒優(yōu)化能有效避免確定性調(diào)度模型通過按風(fēng)電功率比例增加系統(tǒng)備用時，對風(fēng)電不確定性高估導(dǎo)致的備用分配過多問題和對風(fēng)電不確定性估計不足導(dǎo)致備用分配過少問題。使系統(tǒng)整體的費用得到了降低，備用量減小，機組備用費用也得到了降低。

3）天然氣網(wǎng)負荷波動將會改變電網(wǎng)側(cè)機組的調(diào)度出力結(jié)果，重新分配機組備用，使得系統(tǒng)不能在最經(jīng)濟的方案下運行，嚴重時甚至需要進行切負荷來保證系統(tǒng)安全。