虛擬電廠參與一次調(diào)頻的優(yōu)化調(diào)度策略研究探索基于改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法與積分電量考核的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)優(yōu)化。研究背景與意義全球能源轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)隨著氣候變化加劇和化石能源過(guò)度開(kāi)采,可再生能源需求日益增長(zhǎng)。中國(guó)承諾2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,新能源主導(dǎo)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)建設(shè)成為關(guān)鍵。虛擬電廠的重要作用虛擬電廠整合分布式能源、儲(chǔ)能裝置和可控負(fù)荷,能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng),提供必要的調(diào)頻服務(wù),顯著提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性。研究現(xiàn)狀與問(wèn)題現(xiàn)有研究局限現(xiàn)有研究多集中于單一調(diào)頻源,如儲(chǔ)能、風(fēng)電或負(fù)荷側(cè),未充分考慮多種資源的聯(lián)合調(diào)控?？刂撇呗圆蛔闾摂M電廠調(diào)頻研究主要關(guān)注控制策略優(yōu)化或經(jīng)濟(jì)性分析,缺乏風(fēng)光氫多資源的多目標(biāo)決策?？己藱C(jī)制缺失未充分考慮電網(wǎng)頻率考核指標(biāo)及虛擬電廠內(nèi)部調(diào)度結(jié)果對(duì)經(jīng)濟(jì)收益的影響。本文創(chuàng)新點(diǎn)積分電量考核模型提出基于積分電量考核的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型,對(duì)不滿足性能指標(biāo)的電量進(jìn)行懲罰。多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)設(shè)置電網(wǎng)頻率偏移量最低和虛擬電廠整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的雙目標(biāo)函數(shù)。改進(jìn)優(yōu)化算法使用改進(jìn)MOPSO算法優(yōu)化風(fēng)光儲(chǔ)氫的運(yùn)行狀態(tài)及調(diào)頻修正功率。含風(fēng)光氫的虛擬電廠結(jié)構(gòu)虛擬電廠包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池板、蓄電池和堿性電解槽四大核心組成部分。風(fēng)光作為能量生產(chǎn)主要單元,將可再生能源轉(zhuǎn)換為電能;蓄電池用于功率平衡和儲(chǔ)能;堿性電解槽將多余電量轉(zhuǎn)化為氫氣,實(shí)現(xiàn)能量的多元化利用。風(fēng)力發(fā)電模型威布爾分布描述風(fēng)速風(fēng)速概率密度采用威布爾分布表示,其中k為形式參數(shù)(k>0),c為尺度參數(shù)(c>1)。分段函數(shù)表示功率輸出切入風(fēng)速vci:風(fēng)機(jī)開(kāi)始產(chǎn)生輸出功率的最小風(fēng)速額定風(fēng)速vr:風(fēng)機(jī)達(dá)到額定輸出功率時(shí)的風(fēng)速切出風(fēng)速vco:風(fēng)機(jī)所能承受的最大風(fēng)速,超過(guò)則自動(dòng)停機(jī)光伏發(fā)電模型輻照度影響輻照度是影響光伏發(fā)電的最主要因素,采用貝塔分布描述其概率分布特性。功率關(guān)系光伏發(fā)電功率與輻照度密切相關(guān),當(dāng)輻照度小于額定值時(shí)功率線性增長(zhǎng),超過(guò)額定值時(shí)保持額定功率輸出。蓄電池與堿性電解槽模型蓄電池模型鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)SOC與充放電功率、效率密切相關(guān)。充電時(shí)考慮充電效率和自放電系數(shù),放電時(shí)考慮放電效率。充電效率ηch=0.85放電效率ηdis=0.85SOC運(yùn)行范圍:20%-80%堿性電解槽模型電解槽總電壓由可逆過(guò)電壓、歐姆過(guò)電壓和濃度極化過(guò)電壓組成。根據(jù)法拉第定律,產(chǎn)氫速率與電解槽等效電流成正比。額定功率:4000kW過(guò)載功率:4500kW冷啟動(dòng)時(shí)間:60分鐘積分電量考核流程依據(jù)《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》,當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率50Hz超過(guò)死區(qū)且持續(xù)時(shí)間超過(guò)20秒時(shí),發(fā)電機(jī)組必須響應(yīng)。通過(guò)計(jì)算實(shí)際積分電量與理論積分電量的比值,評(píng)估一次調(diào)頻合格率。積分電量考核指標(biāo)01計(jì)算積分電量分別計(jì)算實(shí)際積分電量ΔQS與理論積分電量ΔQL,積分時(shí)間為60秒,積分間隔為1-5秒。02計(jì)算合格率一次調(diào)頻合格率DX=ΔQS/ΔQL,體現(xiàn)實(shí)際功率變化與理論計(jì)算的比例關(guān)系。03計(jì)算綜合指標(biāo)根據(jù)合格率計(jì)算一次調(diào)頻綜合指標(biāo)K0,合格率≥60%時(shí)K0=0,40%-60%時(shí)按比例計(jì)算,<40%時(shí)K0=1。04確定考核金額考核電量Ppunish=K0×Pr×α,考核金額為考核電量乘以標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)。多目標(biāo)優(yōu)化模型1目標(biāo)函數(shù)一:經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)最大化虛擬電廠總收益,包括售電收入、售氫收入,扣除光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、電解槽成本,以及投資建設(shè)、運(yùn)維成本和考核金額。2目標(biāo)函數(shù)二:頻率偏移最小最小化電網(wǎng)頻率偏差量Δf,確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在安全范圍內(nèi),提高電能質(zhì)量。約束條件體系功率平衡約束虛擬電廠總發(fā)電量和購(gòu)入電量等于總負(fù)載需求加上儲(chǔ)能充放電需求。風(fēng)光出力約束風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣影響,出力應(yīng)滿足上下限約束。蓄電池約束儲(chǔ)電量保持在20%-80%額定容量,充放電功率不超過(guò)額定功率。電解槽約束功率消耗在額定功率的0-130%范圍內(nèi),考慮產(chǎn)氫效率和爬坡率限制。頻率偏移約束頻率偏差量保持在允許范圍內(nèi),滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。調(diào)頻死區(qū)約束虛擬電廠調(diào)頻死區(qū)小于常規(guī)機(jī)組,蓄電池死區(qū)最小,風(fēng)光次之,電解槽最大。改進(jìn)MOPSO算法針對(duì)傳統(tǒng)多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法迭代過(guò)程中搜索速率較慢、易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題,采用動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整策略對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整策略1慣性權(quán)重動(dòng)態(tài)調(diào)整從初始值0.9線性減小至0.4,平衡全局搜索與局部搜索需求。2個(gè)體加速因子調(diào)整從2.5減小到0.5,迭代初期增強(qiáng)個(gè)體學(xué)習(xí)能力,促進(jìn)全局搜索。3社會(huì)加速因子調(diào)整從0.5增加到2.5,迭代后期增強(qiáng)社會(huì)學(xué)習(xí)能力,促進(jìn)算法收斂。該動(dòng)態(tài)調(diào)整策略有效融合了粒子群優(yōu)化算法的全局探索和局部開(kāi)發(fā)能力,通過(guò)精細(xì)調(diào)控算法參數(shù),提升算法在處理復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)的性能。算例參數(shù)設(shè)置虛擬電廠設(shè)備參數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī):20座,單機(jī)1500kW光伏電池板:10個(gè),單機(jī)1000kW鉛酸蓄電池:5個(gè),額定3000kWh堿性電解槽:4個(gè),額定4000kW算法參數(shù)設(shè)置粒子群大小:100最大迭代次數(shù):100慣性權(quán)重:0.9→0.4個(gè)體系數(shù):2.5→0.5社會(huì)系數(shù):0.5→2.5算法性能對(duì)比對(duì)比原始MOPSO與改進(jìn)MOPSO在不同迭代次數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果。改進(jìn)算法在迭代初期個(gè)體探索能力更強(qiáng),迭代后期收斂速度更快,在總收益與頻率偏移兩個(gè)目標(biāo)上均明顯優(yōu)于原算法,且可行解集分布更集中在Pareto前沿附近。頻率偏差優(yōu)化效果優(yōu)化前頻率偏差優(yōu)化前頻率偏差量在±0.25Hz內(nèi)波動(dòng),波動(dòng)幅度較大。優(yōu)化后頻率偏差改進(jìn)MOPSO優(yōu)化后,頻率偏差最大值不超過(guò)0.04Hz,系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提升。三種策略性能對(duì)比1策略一:原始MOPSO使用原始MOPSO方法優(yōu)化的常規(guī)策略,頻率偏差峰值超過(guò)0.07Hz,存在較多尖峰。2策略二:MOGWO考核考慮積分電量考核的多目標(biāo)灰狼優(yōu)化策略,頻率偏差有所改善但仍不夠穩(wěn)定。3策略三:改進(jìn)MOPSO考核考慮積分電量考核與改進(jìn)MOPSO的策略,頻率偏差最大值不超過(guò)0.04Hz,性能最優(yōu)。虛擬電廠調(diào)度結(jié)果分析當(dāng)系統(tǒng)頻率低于50Hz時(shí),虛擬電廠增加輸出功率;當(dāng)系統(tǒng)頻率高于50Hz時(shí),虛擬電廠降低輸出功率。蓄電池、風(fēng)光發(fā)電和堿性電解槽均參與調(diào)整出力,改進(jìn)MOPSO策略下各組成部分的功率修正幅值更大,調(diào)頻響應(yīng)更精確有效。產(chǎn)氫效益對(duì)比173.7策略一產(chǎn)氫量原始MOPSO策略產(chǎn)氫量(m3),經(jīng)濟(jì)效益128.48元。187.8策略二產(chǎn)氫量MOGWO考核策略產(chǎn)氫量(m3),經(jīng)濟(jì)效益138.99元。193.7策略三產(chǎn)氫量改進(jìn)MOPSO考核策略產(chǎn)氫量(m3),經(jīng)濟(jì)效益143.35元,提升最顯著。策略三能夠產(chǎn)生更高的產(chǎn)氫量和經(jīng)濟(jì)效益,說(shuō)明考慮積分電量考核的改進(jìn)MOPSO在提高產(chǎn)氫效率和經(jīng)濟(jì)收益方面表現(xiàn)更優(yōu)。經(jīng)濟(jì)性綜合對(duì)比策略一策略二策略三考慮積分電量考核的改進(jìn)MOPSO策略使虛擬電廠總利潤(rùn)達(dá)到778.14元,相較于策略一提升30.42%,顯示出更好的經(jīng)濟(jì)性能。研究成果總結(jié)1積分電量考核有效性通過(guò)積分電量考核方式約束虛擬電廠調(diào)頻效果,可在減小考核金額懲罰的同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)頻率性能。2多目標(biāo)優(yōu)化合理性設(shè)置經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)與頻率偏移最小的多目標(biāo)函數(shù),合理調(diào)度多源主體運(yùn)行策略,綜合優(yōu)化頻率偏差與售電售氫收益。3改進(jìn)算法優(yōu)越性改進(jìn)MOPSO通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)提升收斂速度與求解精度,制氫經(jīng)濟(jì)效益與總利潤(rùn)分別提升11.57%和30.42%。關(guān)鍵性能指標(biāo)提升1總利潤(rùn)提升相較于原始MOPSO策略,改進(jìn)算法使虛擬電廠總利潤(rùn)顯著增加。2制氫效益提升產(chǎn)氫量和制氫經(jīng)濟(jì)效益均有明顯提升,增強(qiáng)了系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性。3頻率偏差降低頻率偏差最大值從0.25Hz降低至0.04Hz,電網(wǎng)穩(wěn)定性大幅提升。研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用前景理論價(jià)值創(chuàng)新性地將積分電量考核納入虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型提出動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整的改進(jìn)MOPSO算法,提升多目標(biāo)優(yōu)化性能建立了風(fēng)光氫儲(chǔ)多源協(xié)調(diào)的一次調(diào)頻優(yōu)化框架應(yīng)用前景為虛擬電廠參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)提供技術(shù)支撐增強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源的適應(yīng)度和整體經(jīng)濟(jì)性促進(jìn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)未來(lái)研究方向