含抽水蓄能電站的電力系統動態環境經濟調度與效益分析

李浩閃，李燕青

(華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003)

抽水蓄能電站作為電力蓄能裝置，具有啟停迅速、工況轉換靈活等熱點，在電力系統中承擔調頻、調相、備用、黑啟動等作用，在我國抽水蓄能電站的發展也受到越來越多的重視。然而，抽水蓄能電站由于在抽水發電過程中存在能量損失，需要對其進行全面的效益評估，避免能量浪費的錯誤認識阻礙其發展。隨著環境問題的日益突出，電力系統對環境經濟調度進行了越來越多的研究［1－2］。文獻［3］提出了較為全面的綜合評價指標，但是沒有對抽水蓄能電站的環境效益做出具體計算。文獻［4－5］從抽水蓄能電站施工的角度分析了對環境的影響。文獻［6］利用“有無對比”的方法，對抽水蓄能電站的經濟效益和環保效益進行了建模和計算。但是以上文獻都未從調度的角度研究抽水蓄能電站的經濟環保效益。

本文針對抽水蓄能電站在電力系統動態環境經濟調度中的價值合理評估問題，在抽水蓄能機組采用兩部制電價(電量電價加容量電價)基礎上［7］，構建了含抽水蓄能電站的電力系統動態環境經濟調度模型，分析了抽水蓄能機組在調度中的作用以及抽水發電的合理性。

1 抽水蓄能電價機制

1.1 容量電價

為了保證抽水蓄能電站的投資回報和還貸能力，抽水蓄能電站的容量收入包括電廠的固定成本和還貸利潤。電站的利潤來自提供的容量和電量服務，因此將資本利潤按照一定的比例納入容量費用中，同時需要考慮稅金收入。

式中:Rc為容量收入;Cd為固定成本;T為稅金及附加;B為利潤收入;N為抽水蓄能機組的可用容量;Pc為容量電價。

固定成本(Cd)=財務費用+固定資產折舊+

固定修理費+(管理費用+

材料費+其他費用)×P+

保險費+攤銷費+

職工工資和福利費×P1

稅金及附加(T)=所得稅+城市建設維護稅+

教育費附加合理利潤收入(B)=

換代利潤+資本金利潤(R)×

分配系數(P2)

1.2 電量電價

電量電價主要包含抽水費用和補償電廠的可變運行費用。

式中:Re為容量收入;Cv為可變運行成本;Te為可變稅金及附加;B為利潤收入;Pcp為抽水電價;Pcg為發電電價;Qpp為抽水電量;Qpg為發電電量。

2 動態調度建模

2.1 目標函數

在抽水蓄能電站兩部制電價的基礎上，通過引入環境名義補償成本，將環境經濟多目標調度問題轉化為傳統意義上的經濟調度問題。抽水蓄能電站并網的電力系統動態環境經濟調度的目標是使電網的總購電成本最小，即

式中:F為購電費用;T為調度時刻數;N為火電機組的數量;FGit為第i個火電機組t時刻的購電費用;rc為折合到調度時間段內的抽水蓄能容量費用;Pppt為t時刻抽水蓄能的抽水功率;Ppgt表示抽水蓄能機組抽水蓄能機組t時刻發電功率。式中:Foit表示機組i在t時刻的運行成本;Frit表示機組i在t時刻的環境補償成本;Poit表示機組i在t時刻不計環境名義補償成本的價格;Prt為t時刻火電機組的環境補償價格;αi、βi、γi、ξi、λi為機組的廢氣排放系數。

2.2 約束條件

系統功率平衡的約束為

式中:Ppt表示抽水蓄能機組的功率;PDt表示t時刻系統的負荷值。

系統備用約束為

式中:PGmaxi表示火電機組i最大發電功率;PpG表示抽水蓄能機組的最大發電功率;βD分別表示負荷波動系數。式(1)表示系統的備用容量滿足負荷波動需求。

火電機組爬坡速率的約束為

式中:UGi、DGi表示機組i相鄰時段出力容許的出力上升值和出力下降值。

機組出力約束為

式中，PGmini表示火電機組i最小發電功率。

抽水蓄能機組抽水功率的約束為

式中:PP表示抽水蓄能機組的最大抽水功率;Pppt表示抽水蓄能機組t時刻的抽水功率。

抽水蓄能機組蓄能量的約束為

式中:Et+1、Et分別表示抽水蓄能機組在t+1和t時刻的儲能量;Δt表示時間間隔;ηp表示水泵抽水效率;ηh表示水泵發電的效率;Ppgt表示抽水蓄能機組抽水蓄能機組t時刻發電功率;Emax表示抽水蓄能機組的最大蓄能量。

抽水蓄能機組發電功率約束為

式中:PG表示抽水蓄能機組最大發電功率。

2.3 模型的求解

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是一種基于種群的智能算法，越來越多的應用于電力系統調度問題求解中。針對粒子群算法在尋優過程中易于陷入局部最優的問題，本文采用引入粒子濃度認知的粒子群算法對模型進行求解［8］。借鑒人工免疫算法中抗體基于個體適應度和濃度的繁殖策略，增加粒子的多樣性，改善粒子群算法容易陷入局部最優的缺陷。具體算法步驟參考文獻［8］。

3 算例分析

以文獻［9］的10機系統進行分析，機組數據和負荷數據參見文獻［9］，系統的負荷備用取為5%。抽水蓄能電站的最大蓄能量為800 MW·h，最大發電功率為120 MW，最大抽水功率為最大發電功率的Ch倍(Ch為比例系數［2］，對于抽水蓄能電站一般取1.0～1.2，這里取1.2)，水庫1 d的初始蓄能量為0 MW·h。取 ηp=0.8，則由 ηg= ηhηp，ηg為抽水發電的轉換效率取為0.75，ηh=0.9375。抽水蓄能機組的容量電價為125.4萬元/(MW·a)，電量電價為0.042萬元/MW。各單位時間t內火電機組的環境名義補償價格為0.004萬元/t。粒子群算法的規模為100，迭代次數為2000次。運行粒子群算法對問題進行求解，得到抽水蓄能機組的調度結果如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機組的出力Fig.1 Output of pumped－storage plant

抽水蓄能機組在負荷低谷時段抽水，高峰時段發電。負荷低谷時火電機組的排污量較小，高峰時排污量大，環境補償成本大，火電機組的煤耗成本與環境名義補償成本之和高于抽水蓄能機組的發電成本，抽水蓄能機組具有競爭力。抽水蓄能機組通過低谷抽水高峰發電，以低成本(包括煤耗成本和環境名義補償成本)的火電出力(低谷時段)替代部分高成本的火電出力(高峰時刻)，說明盡管抽水發電過程中存在能量損失，但是仍然能夠帶來經濟效益。抽水蓄能機組在負荷高峰時刻的發電位置最高，從而起到調峰的作用，緩解火電機組的調峰壓力。抽水蓄能機組運行前后負荷的變化情況如圖2所示。D0表示原負荷，D1表示抽水蓄能機組調峰后的等效負荷。由此說明了抽水蓄能機組在環境經濟調度中低谷抽水高峰發電運行時，不僅能夠削峰填谷，減小系統調峰壓力，而且能夠帶來經濟效益。

圖2 原負荷與抽水蓄能削峰填谷后的負荷Fig.2 Original load and load after load shifting of pumped－storage

各火電機組的出力情況如圖3所示。

圖3 火電機組的出力Fig.3 Output of thermal units

由機組參數可知，機組7和機組9的燃料成本較其他機組要高，但是安裝了污染物治理裝置后，排污性能較好。在考慮環境補償成本的經濟調度條件下，高峰時刻機組7和機組9仍然得到較大的調度權。機組10雖然燃料成本較低，但是其排污性能差，在負荷高峰時刻的調度量較小。因此在環境經濟調度情況下，機組可以通過降低煤耗和減小污染物排放兩種途徑獲得較高的調度權。

4 結論

1)抽水蓄能電站在環境經濟調度中通過低谷抽水高峰發電，不僅能夠削峰填谷，減小火電機組的調峰壓力，而且能夠帶來經濟效益，體現了抽水蓄能機組在調度中的經濟價值。

2)解決了抽水蓄能機組抽水發電過程中由于存在能量損失造成的年利用小時數少和得不到合理調度的問題。

3)模型為抽水蓄能機組的調度提供了一種新策略，同時與傳統的低谷抽水高峰發電調度策略能夠取得較好的銜接，實現平穩過渡，同時也說明傳統調度策略的經濟性和合理性。

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