火電靈活性提升可行方案的研究

摘 要：通過對火電靈活性提升可行方案的研究，可使得有關部門掌握火電靈活性提升各類可行方案的運行機理、技術特性、投資與運行成本特性、適用條件、調(diào)峰能力增量、消納可再生能源潛力等信息，為充分利用靈活性調(diào)峰資源、設計合理的激勵機制奠定基礎。

關鍵詞：火電；靈活性；研究

引言

近年來，“三北”地區(qū)棄風越來越嚴重，尤其是冬季供暖期，裝機占比很高的供熱火電機組因為供熱導致全網(wǎng)最小可調(diào)出力大幅上升，留給風電的上網(wǎng)空間非常有限。部分省份電源結構以火電為主，水電、優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源相對匱乏，供熱機組占比高，冬季運行的火電機組幾乎百分之百為供熱機組。另外，隨著供熱電廠的供熱面積逐年增加，主力集中供熱電廠基本已經(jīng)滿負荷或超負荷供熱，為滿足基本供熱需求，機組調(diào)峰能力逐年下降，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾異常突出。冬季低谷時段基本沒有風電接納空間，高峰時段風電接納空間也非常有限。

要解決“三北”地區(qū)嚴重的棄風問題，提升火電運行靈活性勢在必行。為此，國家能源局于2016年4月委托電力規(guī)劃設計總院正式籌建“提升中國火電靈活性協(xié)作平臺”；之后又于2016年6月正式啟動火電靈活性改造示范試點項目。因此，為解決當前嚴重的棄風、棄光問題，促進可再生能源的持續(xù)快速發(fā)展，火電運行靈活性改造也將迅速在國內(nèi)展開。

大規(guī)模火電機組靈活性改造將會面臨很多問題，包括：如何將改造后的火電單元納入到電網(wǎng)運行體系當中；如何有效運用火電改造后的新靈活性調(diào)峰資源；如何評估火電靈活性改造對新能源消納的影響；如何合理引導和激勵火電進行靈活性改造等諸多問題。

為此，有關部門需要未雨綢繆，提前研究大規(guī)模火電靈活性提升改造對電網(wǎng)的影響，分析現(xiàn)有運行體系的適應性，有效解決其所帶來的關鍵問題，建立起基于靈活運行火電單元的運行框架。一方面可為未來電網(wǎng)實際運行提供技術支撐，另一方面通過提前模擬運行，既可為電網(wǎng)運行提供經(jīng)驗，亦可對火電靈活性提升改造下的成本和效益、適用條件、消納可再生能源潛力等問題進行實例分析，進而為火電靈活性改造的方案選擇和投資決策提供依據(jù)。

1 火電靈活性提升研究方法

1.1 對靈活性提升改造后火電技術經(jīng)濟外特性分析和封裝建模

火電靈活性提升改造在國外一些可再生能源并網(wǎng)比例較高的國家已經(jīng)較為普遍，因此盡管我國電源結構、運行模式、激勵機制等和國外有較大差異，然而，其中就火電靈活性改造自身而言，不會有太大差異。故而，從實踐角度，通過對我國火電鍋爐、汽輪機、蓄熱罐、電制熱設備自身技術經(jīng)濟特性分析與整合，完全可以形成火電靈活性提升改造后較為精確的數(shù)學模型。

1.2 基于靈活性火電單元的綜合能源系統(tǒng)運行決策優(yōu)化建模和求解

從內(nèi)容上看，火電靈活性改造之后，決策部門所面臨的決策變量更多、約束更復雜，然而，從本質(zhì)上將，其依然是一個以機組組合和經(jīng)濟運行核心的混合整數(shù)規(guī)劃問題，只要對各靈活性資源及其相互耦合關系縝密建模，形成一個完整的電熱綜合能源運行系統(tǒng)優(yōu)化決策模型完全是可行的。而隨著優(yōu)化規(guī)劃理論的發(fā)展，各類數(shù)值優(yōu)化方法和智能優(yōu)化方法已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到較多應用，并取得了廣泛的應用價值。可以把整個規(guī)劃問題描述為一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，該模型的求解已經(jīng)有很成熟的算法和商業(yè)軟件，在求解層面不具有太大的難度。

1.3 發(fā)展靈活性提升改造后火電靈活性調(diào)峰資源最佳運行策略

數(shù)學模型僅僅給運行決策部門提供了輔助決策的工具，基于靈活性改造之后火電單元及其內(nèi)部各靈活性調(diào)峰資源的技術經(jīng)濟特性，發(fā)展最佳運行策略，才是解決問題的核心。通過分析靈活性火電調(diào)峰的方式、成本與效益、運行邊界條件、優(yōu)先級別等，輔之以電網(wǎng)為實例的仿真計算，完全可以歸納出各類靈活運行火電調(diào)峰資源的最佳運行策略。

1.4 建立基于棄風特性的火電靈活性改造與運行激勵機制

當前，東北區(qū)域已經(jīng)建立了調(diào)峰輔助服務市場，以激勵市場中的運行主體主動、積極參與調(diào)峰。然而，從運行效果來看，在棄風最嚴重的供熱中期，熱電幾乎沒有調(diào)峰的積極性，也沒有靈活性提升改造的積極性。為此，需要重新設計調(diào)峰市場規(guī)則，以激勵熱電主動通過靈活性提升改造進行調(diào)峰。

2 火電靈活性提升的關鍵和難點

（1）發(fā)展靈活性提升改造后火電靈活性調(diào)峰資源最佳運行策略是本研究的一個難點。因為，最佳運行策略不僅需要考慮靈活性調(diào)峰資源自身的特性，還需要考慮電網(wǎng)的棄風特性。而眾所周知，風電具有不確定的波動性，而棄風周期性、時序性等特性也具有不確定性。此外，火電中很可能具有不同類別的調(diào)峰資源，例如電鍋爐、熱泵和蓄熱，這些資源之間往往具有一定的耦合關系和優(yōu)先級別。因此，在棄風不確定的波動性下，如何確定火電中不同類別的靈活性調(diào)峰資源的最佳運行策略，成為本研究的一個難點。

（2）基于棄風特性的火電靈活性改造與運行激勵機制的合計是本研究的另一個難點。這是因為，火電靈活性提升的經(jīng)濟性不僅涉及到運行問題，還涉及到投資問題。而由于風電不確定的波動性，這些投資設備的利用程度也成為具有不確定性。在調(diào)峰市場中，激勵機制的設計必然需要考慮市場主體的投資和運行成本問題，否則會造成過勵和欠勵。此外，國家政策也是調(diào)峰激勵機制設計的一個外部因素，由于對可再生能源消納和火電責任的政策在不斷調(diào)整，因此，如何基于國家政策，設計調(diào)峰激勵機制，也就成為本研究的一個難題。

3 結束語

通過對靈活性提升改造后火電靈活性調(diào)峰資源最佳運行策略的研究，可使得有關部門掌握火電靈活性調(diào)峰資源的運行規(guī)律，安全經(jīng)濟高效地利用火電改造所具備的靈活性最大程度地消納可再生能源。

參考文獻

[1]熱電廠參與風電調(diào)峰的方法評述及展望[J].中國電力，2013，46（11）：129-141.

[2]風電參與的非常規(guī)調(diào)峰服務市場交易理論[J].中國電力，2011，44（10）：29-32.

[3]基于電鍋爐的熱電廠消納風電方案及其國民經(jīng)濟評價[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（1）：6-12.