本文構(gòu)建了一種考慮需求響應(yīng)的含風(fēng)電電力系統(tǒng)經(jīng)濟低碳日前帕累托優(yōu)化調(diào)度模型，基于nsga-ii和最大滿意度法設(shè)計模型求解方法。通過算例分析驗證了模型和方法的有效性以及需求響應(yīng)資源在節(jié)能減排、消納風(fēng)電、負(fù)荷削峰填谷等多方面的效益。隨著可再生新能源的廣泛滲透，考慮不確定性對風(fēng)電出力進(jìn)行合理建模將進(jìn)一步完善。
1 為什么要在含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中加入需求響應(yīng)策略？
風(fēng)電作為主要的清潔能源發(fā)電形式，是實現(xiàn)低碳電力以應(yīng)對當(dāng)今能源和環(huán)境問題的重要手段。然而風(fēng)電出力時常具有反調(diào)峰特性，即在傳統(tǒng)負(fù)荷用電高峰期風(fēng)電出力小，在用電低谷期反而大，大規(guī)模風(fēng)電的接入對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)峰谷造成壓力，也帶來風(fēng)電消納問題，使其節(jié)能減排效益難以充分發(fā)揮。
考慮風(fēng)電出力，保證風(fēng)電優(yōu)先上網(wǎng)，則可將其預(yù)測出力與系統(tǒng)預(yù)測負(fù)荷疊加而得凈負(fù)荷曲線。反調(diào)峰特性的風(fēng)電出力曲線會增大凈負(fù)荷的峰谷差，為傳統(tǒng)火電機組的配合和調(diào)度帶來壓力。
本文旨在含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中引入需求響應(yīng)策略來應(yīng)對這些問題，對這種情況下的優(yōu)化調(diào)度問題展開研究。
2 需求響應(yīng)與電力調(diào)度的互動流程是怎樣的？
需求響應(yīng)策略是指用戶根據(jù)動態(tài)電價或調(diào)度部門激勵策略來改變其固有用電行為習(xí)慣的互動方式，可分為價格型與激勵型兩種。本文中考慮激勵型需求響應(yīng)策略。其與電力調(diào)度的互動流程大致為：
①調(diào)度部門決定調(diào)用需求響應(yīng)資源的時段，向用戶發(fā)出需求信息；
②用戶根據(jù)自身利益對需求時段進(jìn)行競價，申報可悲調(diào)用的時間和容量；
③調(diào)度部門制定發(fā)電計劃，并以調(diào)用成本最小確定需求響應(yīng)最優(yōu)調(diào)度方案；
④調(diào)度部門發(fā)布調(diào)度計劃和需求響應(yīng)調(diào)度方案；
⑤用戶反饋是否可行，若否則與調(diào)度部門溝通和調(diào)整計劃；
⑥制定最終日前調(diào)度計劃。
本文采取在凈負(fù)荷需求超過調(diào)度周期內(nèi)最大負(fù)荷的一定比例時調(diào)用需求響應(yīng)資源。當(dāng)負(fù)荷高于某一比例時即處于高峰負(fù)荷時，調(diào)用需求響應(yīng)資源作為電源，與火電機組與風(fēng)電場共同作用為系統(tǒng)供電；當(dāng)負(fù)荷低于某一比例時即處于低谷負(fù)荷時，調(diào)用其作為負(fù)荷形式，即鼓勵用戶用電，從系統(tǒng)吸收電能。通過這樣的方式來消納風(fēng)電和實現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷效益。
3 如何為考慮需求響應(yīng)的含風(fēng)電電力系統(tǒng)建立優(yōu)化調(diào)度模型？
針對經(jīng)濟和低碳兩個目標(biāo)，本文對考慮需求響應(yīng)的含風(fēng)電電力系統(tǒng)建立了日前優(yōu)化調(diào)度模型（如下圖所示），即在滿足系統(tǒng)功率平衡約束、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束、機組組合與運行約束、需求響應(yīng)約束等條件下，力求最小化電網(wǎng)總發(fā)電成本和二氧化碳排放量。
在此模型中，總發(fā)電成本包含常規(guī)機組發(fā)電成本和需求響應(yīng)補償費用；需求響應(yīng)資源備用容量成本費用只要調(diào)度部門跟需求響應(yīng)用戶簽訂合作互動合同就需要支付，一般可以給予用戶一定電價折扣進(jìn)行支付；需求響應(yīng)側(cè)響應(yīng)資源可視為零排放，火電機組的碳排放是電力系統(tǒng)碳排放的主要來源；在旋轉(zhuǎn)備用約束中，將需求響應(yīng)資源做系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用來源，類比于傳統(tǒng)火電機組，當(dāng)需求響應(yīng)資源處于調(diào)用狀態(tài)時，其未被調(diào)用的容量可作為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用。這在一定程度上既能保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行，又可以提高火電機組的發(fā)電效率。
4 如何求解多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型？
采用基于nsga-ii的改進(jìn)算法對模型進(jìn)行求解，主要包括確定機組組合方案和各時段負(fù)荷分配。在求解過程中，采用最大滿意度法進(jìn)行非支配解的折衷決策，決策過程分為兩步：步驟一選取模糊滿意度函數(shù)，分別計算非支配解對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的滿意度值，對于計及需求響應(yīng)補償費用的總發(fā)電成本和碳排放目標(biāo)，均希望其越小越好，因此選用降半直線形為滿意度函數(shù)；步驟二根據(jù)步驟一計算得到的滿意度，計算各非支配解的標(biāo)準(zhǔn)化滿意度，標(biāo)準(zhǔn)化滿意度最大的非支配解即為最優(yōu)折衷解。
5 模型和方法的有效性驗證
在某5機系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真。首先設(shè)置火電機組的相關(guān)參數(shù)，包括能耗成本系數(shù)、碳排放系數(shù)、爬坡極限、最小持續(xù)開停時間、啟停成本、出力約束等，以及需求響應(yīng)資源參數(shù)。然后在確保風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度的前提下，獲取系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線。
本文討論了兩種情形，即系統(tǒng)中有、無需求響應(yīng)時的雙目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。nsga-ii優(yōu)化算法迭代1000次后得到多樣性好、分布均勻的pareto前沿，呈現(xiàn)出兩個目標(biāo)宏觀相悖的情況。在pareto前沿中，每個單獨的點表示一組非支配解，因此pareto解集提供給決策者可供偏好的選擇。采用滿意度決策后，兩種情形的最優(yōu)折中解的對比如下表所示。
由上述對比可得，考慮了需求響應(yīng)后機組能耗成本與啟停成本均減少，但由于需要對需求響應(yīng)進(jìn)行補償，最終導(dǎo)致總發(fā)電成本增加。通過加入需求響應(yīng)資源，在僅僅提高1.3%發(fā)電成本的情況下，實現(xiàn)了19%的二氧化碳減排。在國家大力重視環(huán)保減排的形勢下，本文所提出的多目標(biāo)優(yōu)化模型能夠有效調(diào)用需求響應(yīng)資源實現(xiàn)節(jié)能減排的要求。
此外，調(diào)用需求響應(yīng)資源提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力：通過對機組出力曲線的分析可得，無需求響應(yīng)時，3號機組出力接近其最大限度，5個機組中最大的機組出力峰谷差高達(dá)260mw，而采用需求響應(yīng)時，調(diào)度這一資源能夠在峰谷兩種極端負(fù)荷時期發(fā)揮效益，使得最大機組出力峰谷差減至228mw；曲線顯示在峰谷時期需求響應(yīng)扮演不同的角色，這種行為能夠很好地達(dá)到消納風(fēng)電的目的；單時段最大調(diào)用功率高達(dá)該時段負(fù)荷的10%，可以有效地減小負(fù)荷的峰谷差；對兩種情形下的碳排分析表明，當(dāng)加入需求響應(yīng)資源后可帶來明顯的減排效益。