考虑动态频率约束的含高渗透率光伏电源的孤立电网机组组合
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
武汉大学电气工程学院、太阳能高效利用湖北省协同创新中心、华中科技大学电气与电子工程学院、华中电力调控分中心的研究人员叶婧、林涛、张磊、毕如玉、徐遐龄，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文指出，孤立电网具有低惯性及一次调频能力弱的特点，高渗透光伏接入孤立电网后会进一步降低孤立电网惯性及其调频能力。
为了保障系统有充足的频率响应能力，本文在UC中考虑动态频率约束，并且通过光伏电源减出力参与调频来增强系统的调频能力。推导考虑光伏电源调频情况下，系统发生故障时最大频降、最大频降出现时间的表达式。
基于此，推导了光伏的最小调频容量表达式，用以限制UC在优化过程留有充足但不过量的光伏电源调频容量。根据以上推导建立考虑动态频率约束的含高渗透率光伏电源的孤立电网UC优化模型。
针对所提的混合整数非线性优化模型，采用产生Benders割以及优化割的方法来降低问题的求解复杂度。最后采用含高渗透率光伏电源的孤立电网算例进行测试，结果表明所提模型能够兼具安全性和经济性，测试过程也表明了所提求解方法的有效性及优越性。
机组组合（Unit Commitment, UC）是在日前调度的时间尺度下安排机组的启停状态以及出力。通过UC制定的发电计划必须满足系统的安全约束，才能使得发电计划得以实施。而全面考虑系统安全约束，除了需要考虑系统的静态安全约束[1]（稳态下的潮流约束以及电压约束）外，还应考虑系统动态过程中的安全约束，即要求系统故障后，能尽量减小不必要损失，顺利过渡到稳定运行状态。文献[2]在UC中考虑了暂态稳定约束，而故障后，系统不仅面临功角稳定问题，也面临着频率稳定问题，因此UC中考虑动态频率约束同样具有重要意义。
UC优化结果直接决定系统的惯性系数以及一次调频响应能力。互联系统中各区的惯性响应、一次调频互为支持，系统频率调整能力较强。而孤立电网内机组数少，惯性系数小，一次调频响应能力有限[3]。由于光伏电站无旋转部件以及光伏并网逆变器的隔离，光伏电站无惯性及一、二次调频能力，高渗透率光伏电源接入孤立电网后，无论其替代部分常规电源，还是作为新增电源，均会进一步削弱系统动态调频能力[4]。
含高渗透率光伏电源的孤立电网遭受紧急事故，频率的过低或过高容易导致低频减载或高频切机动作，严重时将导致全网频率崩溃。为了应对高渗透率光伏接入孤立电网后带来频率稳定的隐患，UC中应当考虑动态频率约束。
关于动态频率特性对系统优化运行的影响，已有不少文献展开了讨论。文献[5]针对事故后的动态频率曲线，提出了一次调频响应能力充足性评价指标，指标中包含动态频率最低点。文献[6]在经济调度中考虑了动态频率最低点约束，研究表明仅依靠备用容量约束并不能保障频率的稳定性。
文献[7]提出了含一次调频响应约束的最优潮流模型，并且得到在高渗透率新能源接入背景下，考虑一次调频响应约束有利于新能源安全消纳的结论。UC是优化调度的第一阶段，只有UC的优化结果满足动态频率约束，经济调度以及最优潮流才可能达到动态频率最低点限制。
另一方面，针对高渗透率光伏电源接入孤立电网将降低系统调频能力的问题，一些文献针对光伏电源参与系统调频展开了研究。文献[4]针对智利北部含高渗透率光伏电源的孤立电网进行仿真分析，证明了光伏电源减载参与调频在大部分故障下能避免低频减载动作。且光伏电源减载运行后虽然降低了其自身的经济效益，但有利于提高系统的安全性。
文献[8]提出了一种光伏与可投切负荷的协调控制策略，可为高渗透率的新能源电网提供一次调频等支持。文献[9]指出光伏电源通过逆变器接入系统，在频率动态过程中能快速响应改变出力，并通过算例仿真证明了光伏电源参与调频能缓解常规机组的调频压力。
然而，光伏电源通过UC所预留的调频容量直接影响系统的频率稳定性以及系统的发电成本。而以上研究均是针对光伏电源调频的控制策略或是通过仿真对光伏电源调频进行探讨，并未针对光伏电源调频所需预留的调频容量进行探讨。
针对高渗透率光伏接入的孤立电网容易出现频率失稳的问题，本文通过在UC中考虑动态频率约束以及通过光伏减出力参与调频来增强系统的调频能力来应对此问题。本文推导了含光伏调频的系统频率响应分析模型以及光伏最小调频容量的表达式，在此基础上提出含动态频率约束的高渗透率孤立电网UC模型。通过Benders分解法将模型分解为含动态频率约束的UC优化主问题以及各个时段光伏调频容量约束的子问题。
由于主问题是一个高度非线性的混合整数优化问题，采用目前优化求解方法难以直接求解。本文提出一个基于分解思想并利用系统单位调节功率表征一次调频能力产生优化割的方法来降低主问题求解复杂度，该方法与Benders分解法一起对本文所提模型进行内外双层优化。最后采用含高渗透率光伏的孤立电网进行测试，与不含动态频率束UC以及含动态频率约束但光伏不参与调频的UC相比，本文所提模型及方法能够兼具安全性和经济性。
图1 电力系统动态频率特性
结论
本文提出了考虑动态频率约束以及光伏调频容量约束的机组组合模型，并且通过Benders分解法以及所提基于分解思想的实用求解方法能对所提问题进行有效求解。与传统的UC及UC考虑动态频率约束但光伏电源不参与调频相比，本文所提模型具有以下优点：
1）当发电机跳闸退出运行时，本文所提机组组合模型优化结果可以避免低频减载装置动作。
2）光伏电源预留少量的调频容量可以有效地改善系统调频能力。
3）与考虑动态频率约束但光伏电源不参与调频的UC相比，所提模型可以有效减少发电成本。
本文所提UC模型为确定性的机组组合方法，考虑光伏电源出力的随机性及其对系统动态频率的影响的UC问题需要进一步深入研究。