基于成本最優(yōu)的抽水蓄能電站參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)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(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京102209；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京100761)

0 引 言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地區(qū)電力負(fù)荷快速增長(zhǎng)，系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差不斷增大。我國(guó)除四川、青海等省份外的其他地區(qū)電源結(jié)構(gòu)中煤電比重最大，同時(shí)調(diào)峰電源以煤電為主[1]。根據(jù)能源電力領(lǐng)域“十三五”發(fā)展規(guī)劃等相關(guān)政策和戰(zhàn)略，未來我國(guó)將大力發(fā)展核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能等清潔能源，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)節(jié)能減排和低碳電力發(fā)展[2]。出于安全、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境等方面的考慮，核電出力基本保持不變，只運(yùn)行于基荷位置，不參與系統(tǒng)日調(diào)峰；風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電出力具有隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電出力常具有反調(diào)峰特點(diǎn)，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)的大規(guī)模并網(wǎng)將加重系統(tǒng)的調(diào)峰負(fù)擔(dān)[3]。抽水蓄能電站兼有調(diào)峰和儲(chǔ)能的雙重功能，啟停方便，是我國(guó)最主要的系統(tǒng)調(diào)峰電源[4- 10]。

囿于現(xiàn)有電力市場(chǎng)體制，電網(wǎng)啟用抽水蓄能電站費(fèi)用比較高，往往只有在電網(wǎng)負(fù)荷突變、負(fù)荷大低谷或負(fù)荷超高峰時(shí)，才會(huì)啟用作業(yè)，這也形成了抽蓄機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間閑置、利用率不高。2015年4月國(guó)家能源局發(fā)布了《華北華東區(qū)域抽水蓄能電站運(yùn)營(yíng)情況監(jiān)管報(bào)告》，特別強(qiáng)調(diào)“抽蓄電站與其他類型機(jī)組在調(diào)峰、事故備用的調(diào)用順序上沒有明確規(guī)定，對(duì)抽蓄電站的調(diào)用合理性難以進(jìn)行精確評(píng)價(jià)。”[7]因此開展抽水蓄能電站與其他電源共同參與調(diào)峰的調(diào)用順序研究具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，研究確定調(diào)峰調(diào)用順序相關(guān)規(guī)則能夠?yàn)榭茖W(xué)合理地監(jiān)管抽水蓄能電站運(yùn)行調(diào)度提供參考。

1 調(diào)用順序研究關(guān)鍵指標(biāo)定義

1.1 連續(xù)爬坡事件

負(fù)荷變化具有一定趨勢(shì)性，連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的爬坡事件具有同樣的性質(zhì)可能性較大。因此將這樣一系列爬坡事件定義為一個(gè)連續(xù)爬坡事件，連續(xù)爬坡事件最少為一個(gè)爬坡事件。如圖1所示，6:00～12:00，連續(xù)發(fā)生7次上爬坡事件，形成一個(gè)連續(xù)上爬坡事件。針對(duì)典型日負(fù)荷曲線，存在3個(gè)連續(xù)上爬坡事件和4個(gè)連續(xù)下爬坡事件。本文研究中以連續(xù)爬坡事件發(fā)生為調(diào)用順序研究對(duì)象。

圖1 典型日連續(xù)爬坡事件分布

1.2 單位調(diào)節(jié)容量成本

單位調(diào)節(jié)容量成本與連續(xù)爬坡事件緊密關(guān)聯(lián)，用于衡量在連續(xù)爬坡事件內(nèi)調(diào)峰電源出力實(shí)現(xiàn)跟隨爬坡過程中成本變化情況，與該時(shí)間段內(nèi)的調(diào)節(jié)容量以及調(diào)節(jié)總成本直接關(guān)聯(lián)。本研究中考慮煤電燃料成本是出力的二次函數(shù)，因此需要逐時(shí)刻計(jì)算煤電成本增量并累計(jì)形成調(diào)節(jié)總成本，而氣電等成本考慮為出力的一次函數(shù)。對(duì)抽水蓄能，發(fā)電工況不考慮成本，抽水工況需要針對(duì)抽蓄處于“電動(dòng)機(jī)”狀態(tài)時(shí)的電力來源進(jìn)行劃分后考慮抽水的成本問題。

2 調(diào)用順序研究基本思路與數(shù)學(xué)模型

2.1 基本思路

問題描述為調(diào)度機(jī)構(gòu)在時(shí)刻t預(yù)測(cè)到時(shí)刻t′將出現(xiàn)調(diào)峰需求At′，現(xiàn)有抽蓄、煤電、燃?xì)狻⒊Ｒ?guī)水電、核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能、需求側(cè)響應(yīng)等若干手段可提供調(diào)峰容量，如何決策各個(gè)機(jī)組分別調(diào)用多少容量用于t′時(shí)刻調(diào)峰，并決策調(diào)用順序。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

(1)需要上調(diào)峰時(shí)minZ

(1)

(2)需要下調(diào)峰時(shí)minZ

(2)

式中，γ′、a′、λ、δ分別代表氣電、核電下調(diào)峰成本系數(shù)、棄風(fēng)棄光成本系數(shù)、棄水成本系數(shù)。

2.3 運(yùn)行約束條件

(1)調(diào)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(kù)動(dòng)態(tài)容量約束

(6)

③上、下水庫(kù)容量約束

(7)

表1 煤電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

注：a、b、c分別代表用二次函數(shù)表示機(jī)組煤耗曲線對(duì)應(yīng)參數(shù)，單位：萬(wàn)元/kW2、萬(wàn)元/kW、萬(wàn)元

式中，Wumin，Wumax代表上水庫(kù)最小庫(kù)容、最大庫(kù)容；Wlmin，Wlmax代表下水庫(kù)最小庫(kù)容、最大庫(kù)容；Wreserve代表上水庫(kù)保留庫(kù)容。

同一時(shí)刻，抽蓄工作位置只能是抽水或者發(fā)電一種狀態(tài)，約束為

(8)

(3)其他約束條件

與常規(guī)的安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的約束條件相同，包括有功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用約束、常規(guī)機(jī)組出力約束、機(jī)組爬坡約束、機(jī)組最小停機(jī)/開機(jī)時(shí)間約束等，本文不再贅述。

2.4 基本流程

(1)準(zhǔn)備電源、電網(wǎng)、負(fù)荷數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)判斷爬坡事件性質(zhì)、時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)間。

(3)根據(jù)機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度確定爬坡事件發(fā)生前一刻系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行機(jī)組的狀態(tài)，包括開機(jī)情況、出力水平、可調(diào)節(jié)容量、調(diào)節(jié)成本等。

(4)針對(duì)某一連續(xù)爬坡事件過程，在優(yōu)先考慮消納水風(fēng)光等清潔能源基礎(chǔ)上，按照單位調(diào)節(jié)成本情況對(duì)各類調(diào)峰手段的調(diào)用順序進(jìn)行優(yōu)化排序。

(5)統(tǒng)計(jì)分析單一連續(xù)爬坡事件內(nèi)各類機(jī)組的單位調(diào)節(jié)成本，其中火電成本與火電出力水平、是否啟停有關(guān)，核電與核電出力水平有關(guān)。

(6)抽蓄電站考慮日調(diào)節(jié)及周調(diào)節(jié)類型，當(dāng)處于抽水工況時(shí)，所消耗電能成本，即“抽水成本”等于為供給其抽水而導(dǎo)致的其它機(jī)組增加的發(fā)電成本。

3 算例驗(yàn)證

基于MATLAB軟件環(huán)境，利用軟件包YALMIP，用MATLAB語(yǔ)法來描述前述規(guī)劃優(yōu)化模型，并采用商業(yè)化軟件包GUROBI7.2求解器進(jìn)行求解。

3.1 測(cè)試算例及基本參數(shù)

測(cè)試算例系統(tǒng)以某實(shí)際系統(tǒng)為基準(zhǔn)，將電源簡(jiǎn)化為煤電機(jī)組3臺(tái)、氣電機(jī)組2臺(tái)、核電機(jī)組1臺(tái)、水電機(jī)組2臺(tái)、抽蓄機(jī)組2臺(tái)、風(fēng)電場(chǎng)1個(gè)、光伏電站1個(gè)以及聯(lián)絡(luò)線1條。各系統(tǒng)參數(shù)見表1～6。

表2 氣電機(jī)組技術(shù)參數(shù)及初始狀態(tài)

表3 核電機(jī)組技術(shù)參數(shù)及初始狀態(tài)

表4 水電機(jī)組技術(shù)參數(shù)及初始狀態(tài)

表5 抽蓄機(jī)組抽水、發(fā)電工況參數(shù)

表6 抽蓄機(jī)組上下水庫(kù)約束

考慮負(fù)荷典型日對(duì)應(yīng)的風(fēng)電、光伏出力特性(圖2)，其中風(fēng)電出力具有很強(qiáng)的波動(dòng)性，而且呈現(xiàn)出較為明顯的反調(diào)峰特性。光伏出力特性接近正弦形狀，出力時(shí)間段為7～19時(shí)，持續(xù)時(shí)間13個(gè)小時(shí)，與負(fù)荷午高峰時(shí)段重疊，最高出力接近100%。

另外，聯(lián)絡(luò)線功率為100萬(wàn)kW，采用恒定功率模式，典型日負(fù)荷曲線如圖1所示，負(fù)荷峰谷差率為27%，平均負(fù)荷水平為90%。

圖2 負(fù)荷典型日對(duì)應(yīng)風(fēng)電、光伏出力曲線

3.2 連續(xù)爬坡事件算例分析

(1)連續(xù)上爬坡事件01。根據(jù)單位調(diào)節(jié)容量成本進(jìn)行排序，如表7所示。電源調(diào)節(jié)調(diào)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(fēng)電、光電在連續(xù)上爬坡事件01中按照零單位調(diào)節(jié)容量成本首先被調(diào)用。本次爬坡事件風(fēng)電爬坡功率為負(fù)值，呈現(xiàn)出一定的反調(diào)峰特性，光電爬坡功率為正值，呈現(xiàn)出正調(diào)峰特性，其他參與調(diào)節(jié)電源均呈現(xiàn)為正調(diào)節(jié)特性。

表7 連續(xù)爬坡事件下參與調(diào)峰的機(jī)組爬坡功率統(tǒng)計(jì)

(2)連續(xù)下爬坡事件01。根據(jù)單位調(diào)節(jié)容量成本進(jìn)行逆向排序(表7)，調(diào)用順序依次為：煤電02、煤電01、煤電03，另外繼續(xù)調(diào)節(jié)水電01、水電02。本次爬坡事件風(fēng)電爬坡功率為正值，呈現(xiàn)出一定的反調(diào)峰特性，其他參與調(diào)節(jié)電源均呈現(xiàn)為負(fù)調(diào)節(jié)特性。

3.3 算例結(jié)果總結(jié)分析

從連續(xù)上爬坡事件來看，事件周期內(nèi)水風(fēng)光出力因其邊際成本優(yōu)勢(shì)被優(yōu)先調(diào)用，爬坡不足部分由其他常規(guī)電源滿足，煤電、氣電常處于其次被調(diào)用的順序，抽蓄調(diào)用順序較為靠后。從連續(xù)下爬坡事件來看，常規(guī)電源因其發(fā)電成本約束，往往最先被調(diào)用，抽蓄調(diào)用順序往往與事件周期內(nèi)水風(fēng)光出力與負(fù)荷出力相關(guān)性有關(guān)，若呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，抽蓄往往調(diào)用以抽水工況來增加水風(fēng)光消納，若呈現(xiàn)正相關(guān)性，則可能抽蓄并不參與調(diào)用。

4 結(jié) 論

單位調(diào)節(jié)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(tǒng)調(diào)峰時(shí)調(diào)用順序安排的關(guān)鍵依據(jù)。本文在建立基于成本最優(yōu)的調(diào)峰手段調(diào)用順序模型基礎(chǔ)上，考慮不同性質(zhì)連續(xù)爬坡事件，對(duì)抽水蓄能電站與其他電源共同參與系統(tǒng)調(diào)峰的調(diào)用順序進(jìn)行了研究。算例研究表明，一定邊界條件下，抽水蓄能機(jī)組的并非總是排在第一位被調(diào)用，調(diào)用順序與系統(tǒng)中其他類電源的運(yùn)行狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)；另外，各類調(diào)節(jié)手段綜合應(yīng)對(duì)同一調(diào)峰需求時(shí)，調(diào)節(jié)方向和貢獻(xiàn)程度上存在差異。下一步研究中將充分考慮其他儲(chǔ)能形式、需求側(cè)管理、互聯(lián)電網(wǎng)調(diào)峰互濟(jì)等手段排序問題。