節能減排下發用電兩側主備用資源聯合優化

孔祥清，雷 霞，劉慶偉，葉 濤

（1.西華大學電氣信息學院，成都610039；2.山東電力集團公司淄博供電公司，淄博255032）

為保證系統的安全性，電力公司必須要在保證電力平衡的前提下額外購買一定量的備用容量，在雙側開放的電力市場中這些備用容量可是發電側機組容量RCGS（reserve capacity of generation side）也可是需求側可中斷負荷IL（interruptible load）。發電側機組備用不管調不調用都要先支付容量費用，在系統出現故障需調用備用時還要另外支付其電量費用，所以發電側備用成本要分為備用容量成本和備用電量成本兩部分[1]。可中斷負荷參與備用相當于增加了發電側備用容量，可減少系統備用容量中機組備用的配置，減少備而不用的現象，減少資源浪費和污染物的排放[2]。

隨著一次能源的短缺和環境污染的加劇，人們越來越關注社會資源的綜合利用和污染物的排放。而在市場環境下，無論發電公司、電網公司或者需求側用戶，其追求的首要目標都是經濟利益。許多國家都鼓勵可中斷負荷參與輔助服務備用市場，以優化備用容量的配置[3～5]。在此背景下研究發電側備用與可中斷負荷的合理優化配置不僅能提高系統的經濟性，還可減少資源浪費和污染物的排放，實現節能減排，達到社會效益的最大化。

目前許多學者從不同角度研究了雙側開放市場的備用優化問題。文獻[6]建立了可中斷負荷參與的備用市場聯合優化模型；文獻[7]建立了一種基于最優潮流的能量和備用容量聯合優化模型；文獻[8]對備用輔助服務市場中的IL 招標數學模型進行了研究，該模型基于最優潮流算法，并考慮了負荷電氣位置、功率因數等因素；文獻[9]根據效用無差理論，利用存儲理論建立了最優備用容量確定模型并運用決策論算法進行了求解；文獻[10]針對IL 和電源備用容量服務效用的差異，建立了兩者同時參與備用市場的帕累托優化模型；文獻[11]考慮到IL 參與備用服務對單位容量缺電成本和備用電價的影響，運用最優潮流算法研究了負荷需求彈性對最優備用容量的影響；文獻[12]動態考慮了IL 備用報價及實時節點電價對備用市場的影響，建立了備用實時市場下兼顧系統安全性和經濟性的目標函數。這些文獻從不同的角度研究了發電側和需求側備用資源的優化配置問題，但都沒有考慮需求側資源參與備用在節能減排方面的影響，并且都是對備用資源的優化，沒有將主備用資源進行聯合優化。

本文在考慮發電機組的能耗和污染物排放情況，建立了一種基于最優潮流的發電側和需求側同時參與的主備用資源聯合優化模型，研究了由發電機組停運確定系統最優備用容量以及可中斷負荷參與備用對市場運行費用的影響。

1 模型的建立

由于備用市場與能量市場之間存在較強的耦合關系，因此備用市場交易決策方法必須在滿足系統中各種約束條件下，保證2 個市場供需平衡，并考慮一定的經濟性。文獻[13]對備用市場交易決策中使用的優先級排序決策法MOD（merit-orderbased dispatch）、順序交易決策法SD（sequential dispatch）和聯合決策法JD（joint dispatch）進行分析比較后指出，將備用市場和能量市場的決策過程統一進行，以各市場綜合購買費用最低為目標、兼顧各種約束的聯合決策法是一種較好的備用決策方法。目前，基于聯合決策法的主輔市場聯合優化已成為美國聯邦能源管理委員會FERC（Federal Energy Regulatory Commission）所提出的標準化市場設計中的重要內容，正在ISO-NE、PJM 和新西蘭電力市場中應用[14，15]。

從系統管理者的角度建立考慮發電機組污染物排放費用的發電側電能生產與系統備用容量購買總費用最小的目標函數，發電側機組和需求側可中斷負荷共同參與輔助服務備用市場競價的最優潮流模型。目標函數由發電成本、污染排放費用和系統備用總購買費用3 部分組成，即

式中：m 為發電機組臺數；Pgi為第i 臺發電機的有功出力；CGi（Pgi）為其成本函數；PRi為發電機i 被調用的備用容量；FGi（Pgi，PRi）為發電機組i 的污染物排放成本函數；PR為系統待定最優備用容量；Pe為發電側實際被調用的備用容量；PILj為IL 用戶j 被中斷的負荷量；FR（PR，Pe，PILj）為系統備用容量總購買費用。

（1）發電機組成本函數為

式中，ai、bi、ci表示發電機組i 的成本系數。

（2）污染物排放成本函數為

式中：ρ 為污染氣體排放權市場中的實際排放價格；EGi（Pgi，PRi）為機組i 的排放量，污染物排放量特性采用二次函數形式；αi、βi、γi為機組i 的排放系數。

（3）系統備用容量總購買費用為

式中：n 為參與競價的可中斷負荷用戶數；ρILj為可中斷負荷j 的單位中斷容量價格；CR（PR，Pe）為發電側備用容量購買成本，其包括容量成本和電量成本兩部分，即

式中：ρR和ρe分別為備用的容量和電量邊際價格；Pe與系統中發電機的強迫停運率有關，且有

式中：ηk為第k 臺發電機組的強迫停運率；Pek為第k 臺發電機組停運時發電側投入的備用容量。

約束條件如下。

①潮流方程

②發電機和可中斷負荷出力上下限約束

③節點電壓和支路潮流約束

式（7）～（15）中：i、j 為系統母線節點序號；N 為節點總個數；Vi為節點i 上母線電壓；Vj為節點j 上母線電壓；Gij、Bij為節點i、j 間的電導和電納；δij為節點i、j 間的電壓相角差；Pdi、Qdi為節點i 上有功、無功負荷需求；PILi、QILi為節點i 上的負荷中斷容量和相應的無功減少量；PFi為負荷功率因數為節點i 的發電機有功出力上、下限是節點i 的發電機無功功率上、下限為節點i 上的IL 用戶能提供的中斷容量上限值為節點i 的電壓上、下限為線路潮流上限。

式（13）表示發電機組的有功出力和被調用的備用容量之和應小于其裝機容量。

2 算法及實現

假設當系統出現發電機故障停運時，出現的功率缺額僅由輔助服務市場購買，即由發電側備用機組和可中斷負荷兩部分的容量來平衡。由于系統所需備用容量PR只有不小于任何機組停運而實際被調用的備用容量才能滿足系統實時功率平衡的要求，所以這里取

由此，結合式（5）和（6），可將式（4）的系統備用容量總購買費用轉化為

式中，PILkj為機組k 停運時可中斷負荷j 的負荷中斷量。則本文目標函數可轉化為

具體算法流程如圖1 所示。按N-1 原則下發電機組停運后保證負荷供電來確定系統所需備用容量。遍歷系統中所有發電機節點，由最優潮流算法找出滿足所有約束條件并使目標函數最小的最優解Pgi、Pek和PILk，算出系統所需備用容量PR，再代入式（4）計算出最小的系統備用容量總成本min FR，最后求得系統目標函數最小值min f。

3 算例仿真

以IEEE-14 節點系統為例，該系統中有5 臺發電機、11 個負荷和20 條支路，對部分發電機有功出力及部分負荷功率進行了調整，節點電壓幅值限制在0.94～1.06 之間，發電機組污染物排放價格ρ 取4.09$/Lb.（美元/磅），增加了發電機組的污染物排放系數和可中斷負荷的報價參數。備用電量價格取備用容量價格的1.5 倍。假設所有發電機組均為燃煤火電機組，并且機組除正常有功出力外的剩余發電容量均可作為備用容量參與系統備用市場。分別仿真討論了IL 參不參與系統備用對備用市場的影響，進而對比分析了考慮和不考慮發電機組強迫停運率時系統備用容量的中標情況。具體參數如表1～表3 所示。

圖1 算法流程Fig.1 Flow chart of calculation

分幾種情況對第2 節的模型進行求解和分析：①發電側不考慮機組強迫停運率，IL 參與系統備用，系統所需備用容量取總負荷的10%，且不小于最大一臺機組容量；②發電側考慮機組強迫停運率，IL 用戶不參與系統備用；③發電側考慮機組強迫停運率，IL 用戶參與系統備用。優化結果如下：表4 列出了用最優潮流法計算IL 參不參與系統備用兩種情況下不同節點機組停運時需投入的備用容量，并比較得到系統所需的最優備用容量及總備用成本；表5 比較了3 種情況下系統的經濟效益；表6 對比了系統備用容量的分布情況。

由表4 可看出，節點2 上的機組停運時系統所需備用容量最大，所以系統最優備用容量即取節點2 上機組停運時所需備用容量。IL 參與備用后，系統所需備用容量減少了8.5%，但由于IL 中斷價格比發電機組備用價格高，系統備用總成本增加了8.4%。

表6 系統備用容量分布Tab.6 Distribution of reserve capacity required by system

由表5 可看出，由機組停運率來確定系統最優備用容量比傳統事故備用容量法經濟性要好的多，IL 參與備用市場對系統總成本也有較大影響。比較情況①和③可知，按機組停運率確定的最優備用容量61.1 MW 比按傳統事故備用容量確定的系統總備用容量150 MW 減少了88.9 MW，由此備用總成本由1 004.5 /h 降為503.18 /h，減少了49.9%，相應的系統污染物排放費用和系統總運行成本分別降低了25.5%和18.2%。比較情況②和③可知，IL 參與備用后發電側備用容量和成本均有明顯減少，系統污染物排放費用由533.54 /h降為462.97 /h，降低了13.2%，系統運行總成本由2 197.18 /h 降為2 024.22 /h，降低了7.9%。說明IL 參與備用后雖然備用成本有所增加，但減少了污染物排放和系統總成本，達到了節能減排的目的。

由表6 中情況①和③可看出，按發電機組停運確定系統最優備用減少了系統總備用容量，改變了傳統備用的備用容量分布。由情況②和③可知，IL 參與備用后系統備用容量分布也發生了較大變化。IL 不參與備用時，系統所有備用容量均由發電機組提供；IL 參與備用后減少了發電側備用容量的配置，備用報價較低的用戶被優先調用，在保證系統安全經濟性的同時，抑制了發電商在備用市場中的市場力。

表1 發電機特性參數Tab.1 Parameters of generator

表2 發電機污染排放系數及備用報價Tab.2 Unit emission parameters and reserve bids

表3 可中斷負荷參數Tab.3 Parameters of ILs

表4 不同機組停運時的備用容量情況Tab.4 Reserve capacity with different shut-down generators

表5 系統經濟效益比較Tab.5 Comparison of grid’s economic benefits

4 結語

本文考慮到發電機組污染物排放和備用電量成本對系統運行費用的影響，建立一種基于最優潮流的主備用資源聯合優化模型，研究了由發電機組停運率確定系統最優備用容量和可中斷負荷參與備用對市場運行和備用容量分布的影響。IEEE14 節點算例表明，按機組停運率確定系統最優備用容量比傳統事故備用容量法有更好的經濟性。可中斷負荷參與備用雖然增加了系統備用成本，但減少了污染物排放費用，降低了系統總運行成本，達到節能減排的目的，優化了備用資源配置。

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