基于成本最優的抽水蓄能電站參與系統調峰調用順序研究

張晉芳，元 博，樊玉林，王曉晨，栗 楠，徐志成，馮君淑

(1.國網能源研究院有限公司，北京102209；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京100761)

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，各地區電力負荷快速增長，系統負荷峰谷差不斷增大。我國除四川、青海等省份外的其他地區電源結構中煤電比重最大，同時調峰電源以煤電為主[1]。根據能源電力領域“十三五”發展規劃等相關政策和戰略，未來我國將大力發展核電、風電、太陽能等清潔能源，優化電源結構，推進節能減排和低碳電力發展[2]。出于安全、經濟及環境等方面的考慮，核電出力基本保持不變，只運行于基荷位置，不參與系統日調峰；風電、太陽能發電出力具有隨機性和間歇性，風電出力常具有反調峰特點，風電、太陽能發電裝機的大規模并網將加重系統的調峰負擔[3]。抽水蓄能電站兼有調峰和儲能的雙重功能，啟停方便，是我國最主要的系統調峰電源[4- 10]。

囿于現有電力市場體制，電網啟用抽水蓄能電站費用比較高，往往只有在電網負荷突變、負荷大低谷或負荷超高峰時，才會啟用作業，這也形成了抽蓄機組長時間閑置、利用率不高。2015年4月國家能源局發布了《華北華東區域抽水蓄能電站運營情況監管報告》，特別強調“抽蓄電站與其他類型機組在調峰、事故備用的調用順序上沒有明確規定，對抽蓄電站的調用合理性難以進行精確評價。”[7]因此開展抽水蓄能電站與其他電源共同參與調峰的調用順序研究具有積極的現實意義，研究確定調峰調用順序相關規則能夠為科學合理地監管抽水蓄能電站運行調度提供參考。

1 調用順序研究關鍵指標定義

1.1 連續爬坡事件

負荷變化具有一定趨勢性，連續時間段內的爬坡事件具有同樣的性質可能性較大。因此將這樣一系列爬坡事件定義為一個連續爬坡事件，連續爬坡事件最少為一個爬坡事件。如圖1所示，6:00～12:00，連續發生7次上爬坡事件，形成一個連續上爬坡事件。針對典型日負荷曲線，存在3個連續上爬坡事件和4個連續下爬坡事件。本文研究中以連續爬坡事件發生為調用順序研究對象。

圖1 典型日連續爬坡事件分布

1.2 單位調節容量成本

單位調節容量成本與連續爬坡事件緊密關聯，用于衡量在連續爬坡事件內調峰電源出力實現跟隨爬坡過程中成本變化情況，與該時間段內的調節容量以及調節總成本直接關聯。本研究中考慮煤電燃料成本是出力的二次函數，因此需要逐時刻計算煤電成本增量并累計形成調節總成本，而氣電等成本考慮為出力的一次函數。對抽水蓄能，發電工況不考慮成本，抽水工況需要針對抽蓄處于“電動機”狀態時的電力來源進行劃分后考慮抽水的成本問題。

2 調用順序研究基本思路與數學模型

2.1 基本思路

問題描述為調度機構在時刻t預測到時刻t′將出現調峰需求At′，現有抽蓄、煤電、燃氣、常規水電、核電、風電、太陽能、需求側響應等若干手段可提供調峰容量，如何決策各個機組分別調用多少容量用于t′時刻調峰，并決策調用順序。

2.2 目標函數

(1)需要上調峰時minZ

(1)

(2)需要下調峰時minZ

(2)

式中，γ′、a′、λ、δ分別代表氣電、核電下調峰成本系數、棄風棄光成本系數、棄水成本系數。

2.3 運行約束條件

(1)調峰平衡約束

(3)

(4)

(2)抽蓄約束

①出力上下限約束

(5)

式中，Ppump，min，Ppump，max代表抽蓄最小出力、最大出力。

②上、下水庫動態容量約束

(6)

③上、下水庫容量約束

(7)

表1 煤電機組技術參數

注：a、b、c分別代表用二次函數表示機組煤耗曲線對應參數，單位：萬元/kW2、萬元/kW、萬元

式中，Wumin，Wumax代表上水庫最小庫容、最大庫容；Wlmin，Wlmax代表下水庫最小庫容、最大庫容；Wreserve代表上水庫保留庫容。

同一時刻，抽蓄工作位置只能是抽水或者發電一種狀態，約束為

(8)

(3)其他約束條件

與常規的安全經濟調度模型的約束條件相同，包括有功率平衡約束、旋轉備用約束、常規機組出力約束、機組爬坡約束、機組最小停機/開機時間約束等，本文不再贅述。

2.4 基本流程

(1)準備電源、電網、負荷數據。

(2)根據負荷預測判斷爬坡事件性質、時刻以及持續時間。

(3)根據機組組合和經濟調度確定爬坡事件發生前一刻系統內運行機組的狀態，包括開機情況、出力水平、可調節容量、調節成本等。

(4)針對某一連續爬坡事件過程，在優先考慮消納水風光等清潔能源基礎上，按照單位調節成本情況對各類調峰手段的調用順序進行優化排序。

(5)統計分析單一連續爬坡事件內各類機組的單位調節成本，其中火電成本與火電出力水平、是否啟停有關，核電與核電出力水平有關。

(6)抽蓄電站考慮日調節及周調節類型，當處于抽水工況時，所消耗電能成本，即“抽水成本”等于為供給其抽水而導致的其它機組增加的發電成本。

3 算例驗證

基于MATLAB軟件環境，利用軟件包YALMIP，用MATLAB語法來描述前述規劃優化模型，并采用商業化軟件包GUROBI7.2求解器進行求解。

3.1 測試算例及基本參數

測試算例系統以某實際系統為基準，將電源簡化為煤電機組3臺、氣電機組2臺、核電機組1臺、水電機組2臺、抽蓄機組2臺、風電場1個、光伏電站1個以及聯絡線1條。各系統參數見表1～6。

表2 氣電機組技術參數及初始狀態

表3 核電機組技術參數及初始狀態

表4 水電機組技術參數及初始狀態

表5 抽蓄機組抽水、發電工況參數

表6 抽蓄機組上下水庫約束

考慮負荷典型日對應的風電、光伏出力特性(圖2)，其中風電出力具有很強的波動性，而且呈現出較為明顯的反調峰特性。光伏出力特性接近正弦形狀，出力時間段為7～19時，持續時間13個小時，與負荷午高峰時段重疊，最高出力接近100%。

另外，聯絡線功率為100萬kW，采用恒定功率模式，典型日負荷曲線如圖1所示，負荷峰谷差率為27%，平均負荷水平為90%。

圖2 負荷典型日對應風電、光伏出力曲線

3.2 連續爬坡事件算例分析

(1)連續上爬坡事件01。根據單位調節容量成本進行排序，如表7所示。電源調節調用順序依次為：煤電01、煤電02、氣電01以及抽蓄01。另外，水電01、水電02、風電、光電在連續上爬坡事件01中按照零單位調節容量成本首先被調用。本次爬坡事件風電爬坡功率為負值，呈現出一定的反調峰特性，光電爬坡功率為正值，呈現出正調峰特性，其他參與調節電源均呈現為正調節特性。

表7 連續爬坡事件下參與調峰的機組爬坡功率統計

(2)連續下爬坡事件01。根據單位調節容量成本進行逆向排序(表7)，調用順序依次為：煤電02、煤電01、煤電03，另外繼續調節水電01、水電02。本次爬坡事件風電爬坡功率為正值，呈現出一定的反調峰特性，其他參與調節電源均呈現為負調節特性。

3.3 算例結果總結分析

從連續上爬坡事件來看，事件周期內水風光出力因其邊際成本優勢被優先調用，爬坡不足部分由其他常規電源滿足，煤電、氣電常處于其次被調用的順序，抽蓄調用順序較為靠后。從連續下爬坡事件來看，常規電源因其發電成本約束，往往最先被調用，抽蓄調用順序往往與事件周期內水風光出力與負荷出力相關性有關，若呈現負相關性，抽蓄往往調用以抽水工況來增加水風光消納，若呈現正相關性，則可能抽蓄并不參與調用。

4 結 論

單位調節容量成本可以作為衡量抽水蓄能電站與其他電源共同參與系統調峰時調用順序安排的關鍵依據。本文在建立基于成本最優的調峰手段調用順序模型基礎上，考慮不同性質連續爬坡事件，對抽水蓄能電站與其他電源共同參與系統調峰的調用順序進行了研究。算例研究表明，一定邊界條件下，抽水蓄能機組的并非總是排在第一位被調用，調用順序與系統中其他類電源的運行狀態緊密關聯；另外，各類調節手段綜合應對同一調峰需求時，調節方向和貢獻程度上存在差異。下一步研究中將充分考慮其他儲能形式、需求側管理、互聯電網調峰互濟等手段排序問題。