基于企業生產特性的自備電廠靈活性調節評估方法

黃怡凡，張海靜，王 磊，馬 磊，周 穎，鞠文杰，王為帥，祝令凱，陳宋宋

（1. 東南大學 電氣工程學院，南京 210096；2. 國網山東省電力有限公司，濟南 250000；3. 國網新疆電力有限公司，烏魯木齊 830000；4. 中國電力科學研究院，北京 100000；5. 國網山東省電力有限公司 電力科學研究院，濟南 250000）

0 引言

自備電廠是指企業為滿足自身用電需求建造的發電廠。自備電廠按照滿足本單位生產需要的準則進行發電，自用不足時則向電網購買部分電力。與之相對的是公用電廠，即為公眾提供電力的發電廠。

為更好地管理監督自備電廠，國家的相關指導意見指出需正確引導和規范自備電廠的發展，促進各類型電廠共同管理，普及自備電廠的輔助服務［1］。由于自備電廠裝機容量龐大，該類電廠在新能源消納和需求響應調峰領域存在巨大的應用潛力，作為電力系統中的靈活性資源可以有效促進社會資源的綜合利用［2］。但是，自備電廠的運行不僅與其類型、容量等有關，也與其所屬企業的生產特性、生產方式等密切相關，因此，挖掘自備電廠在新形勢下幫助新能源消納、參與調峰的應用潛力時需統籌考慮兩者生產運營的配合關系，提出切實可行的調節潛力評估方法［3］。

在自備電廠調節潛力分析方面，文獻［4］建立了含有可平移負荷和自備電廠出力調節等需求響應方法的機組組合模型，并分析了自備電廠可調容量和可平移負荷大小等關鍵因素對于其發揮效能的影響。文獻［5］針對分時電價下高耗能企業發用電響應問題，討論了各時段之間的價格關系對高耗能企業發用電響應行為的影響，并建立了高耗能企業自發電調度和負荷轉移一體化調度模型。目前的研究局限于將自備電廠發電側和用電側獨立成兩部分分別研究，而自備電廠的運行與其所屬企業密切相關，因此需要考慮發用電系統的綜合特性。

在調節潛力評估方法方面，文獻［6］提出了用系統爬坡資源不足概率（insufficient ramping resource expectation，IRRE）來衡量用于長期規劃的電力系統的靈活性，并和期望指標IRRE 共同構成靈活性指標。同時，調節潛力度量可以識別系統最有可能面臨靈活資源短缺的時間間隔，并且可以測量更改操作工序和添加靈活資源的相對影響。近年來國外關于調節潛力評估指標的研究逐漸成熟，但潛力評估指標的適用范圍暫時局限于對電力系統的整體評價，并且只考慮調節范圍會導致評價結果不夠精準。文獻［7］中介紹了電力系統靈活性的概念、靈活性資源的分類和靈活性資源與需求的平衡原理，以及靈活性定量評價體系，并由此提出了電力系統靈活性規劃的核心及求解思路、待解決的關鍵難題及技術思路，為規劃可再生能源能夠高比例接入的未來電力系統奠定基礎。文獻［8］中針對新能源比例高的系統存在的功率隨機波動幅度大的問題，對電力系統中的各靈活性資源做出量化評估，該方法忽略爬坡速率等因素只考慮調節的范圍，通過比較調節的范圍總結潛力評價結果。由此可見，不同于傳統的需求響應研究理論與方法，自備電廠及其所屬企業中需同時考慮發電與用電系統的運行特性，目前研究的調節潛力評估方法考慮的因素不夠全面且僅單獨適用于發電側或用電側，適用于自備電廠發用電系統的調節潛力評估理論和方法還有待研究。

因此，針對大量企業自備電廠的調節潛力未被挖掘的現狀，本文將基于企業的生產特性構建自備電廠發用電系統的靈活性調節評估方法，為國家分行業分類型挖掘企業自備電廠調節潛力提供依據，有利于引導企業自備電廠科學參與電網供需互動調節。

1 自備電廠所屬企業生產特性

1.1 企業生產特性矩陣

根據企業內部的電力流通關系可得企業源側主要由電網供電和自備電廠供電2 部分構成，包括電網傳統能源發電、電網新能源發電、自備電廠燃煤機組發電、自備電廠熱電聯產機組發電、自備電廠余熱余壓機組發電以及儲能裝置供電。企業負荷側可根據工藝流程中各環節不同的用電情況，將一天的生產流程劃分為不同的生產環節，每個環節完成不同的生產需求，且對應不同大小的用電功率。因此，可用生產特性矩陣表征源側所提供的不同種類電力對各生產環節用電的分配情況，分配關系為

式中:H1,H2,…,Hm分別為負荷側的m個生產環節的用電功率；E1,E2,…,En分別為源側的n個供電方式的功率；c為轉換因子，用于表示生產環節的用電功率中不同供電方式所提供功率的占比。

由此可以得到生產特性矩陣為

1.2 企業用電靈活性分析

電解鋁、碳化硅和水泥等企業的生產方式在一定范圍內均可調整，通過調整排班規劃、工資補貼等方式達到負荷轉移的目的［9—10］。

在負荷轉移的過程中，每一時刻的負荷同時可能向其他時刻轉出負荷和接收其它時刻的轉入負荷，為

式中:Pt為t時刻進行負荷轉移操作后的負荷量；為t時刻未進行負荷轉移前的負荷初始量；Pt(t,j)為從t時刻轉入j時刻的負荷轉移量；Pt(i,t)為從i時刻轉入t時刻的負荷轉移量；T為調度周期。

假設生產特性矩陣中共有m個生產環節，新能源供電對應生產特性矩陣中的第l列元素，新能源供電和生產環節s之間的轉換因子為csl，其中s=1,2,…,m。為促進新能源消納，負荷調節時按照各環節新能源用電占比大小安排負荷調節順序，優先調節新能源用電占比大的生產環節，即對應的生產環節。其中，同一時刻負荷轉出總量為該時刻各生產環節轉出負荷總和，為

式中:Δps為生產環節s的負荷變化量。

2 自備電廠發用電系統靈活性調節評估模型

2.1 靈活性調節評估指標

研究自備電廠發用電資源的靈活性調節能力，需將發電側與用電側等效成一個等效負荷，以一個整體對對外響應。在自備電廠發用電系統中，技術能力和經濟能力共同構成靈活性調節能力，技術能力需考慮機組出力約束和爬坡速率等，經濟能力需考慮發電成本、碳排放成本和購電成本等。針對不同的應用場景，分別設置用于評價分鐘級靈活性的評估指標和小時級靈活性的評估指標，分鐘級指標包括可調節容量的調節速率、單位調節成本，小時級指標包括可調節電量。

2.1.1 可調節容量的調節速率

在評估分鐘級靈活性時，將等效負荷的單位調節速率定義為自備電廠的靈活性指標，該指標主要表征系統在不同時刻不同調度時間尺度內的靈活性調節速率，計算公式為

2.1.2 單位調節成本

式中:CU為企業用電成本。

2.1.3 可調節電量

可調節電量由機組可調節電量和負荷調節量組成，由此可得可調節電量的計算公式，為

2.2 靈活性調節評估模型求解

為了計算靈活性調節評估指標，首先要建立企業用電成本模型，然后以成本最低為優化目標求解最優自備機組出力和企業負荷安排，最后將最優自備機組出力和企業負荷安排代入式（5）、式（7）、式（8）計算靈活性指標，得出評估結果。

2.2.1 目標函數

企業用電成本包括自備電廠發電成本、購電成本、負荷轉移成本、電網補貼費用以及碳排放成本，為

式中:CG(EG,t)為自備電廠發電成本；CB(Pd,t)為購電成本；CC(PG,t,Pd,t)為碳排放成本；CL(Pt)為負荷轉移成本；CS(PG,t,Pt)為電網補貼費用。

（1）自備電廠發電成本

自備電廠的發電成本包括初期投資、運行維護、資源消耗和交叉性補貼等成本，可表示為凸二次函數，則在T時段內機組的發電成本為

式中:at、bt、ct為成本函數的系數。

1)積極引進國內外知名MOOCs課程體系，并重點建設本專業自己的MOOCs課程和翻轉課堂教學模式，并應用于課程教學中，目前已完成3門專業課程的MOOCS建設和3門專業課程的“翻轉課堂”教學模式的建設，并都應用于相關課程教學改革的實施中。

（2）企業購電成本

由于企業源側主要由電網供電和自備電廠供電兩部分構成，從電網購的電費用為

式中:cd,t為t時刻網購電的單位電價；Pd,t為t時刻網購電。

（3）電網補貼費用

電網采用補貼的方式激勵發用電系統減小對外提供的等效負荷，而企業用電成本中也隨之增加一項電網補貼費用為

（4）碳排放成本

計及能效和環保約束，企業排放成本為

式中:cc,t為碳排放市場交易價格；M為該類排放對應的排放配額；kG,t為自備供電的電力排放因子；kd,t為電網供電的電力排放因子。

（5）負荷轉移成本

負荷轉移將帶來人員排班、工資補貼、設備起停等變化。假設供電側n個不同類型的電力來源E1,E2,…,En在總用電E中的占比分別為η1,η2,…,ηn，則生產環節s的總用電占比cs,tatal可表示為而初始用電負荷越小，對應調節同樣大小的負荷帶來的影響越大，此處通過生產環節的總用電占比表征用電負荷的大小。由此折合得到負荷轉移成本為

式中:α為折合系數；t-j表示負荷在j時刻和t時刻之間發生轉移。

2.2.2 約束條件

（1）自備機組出力

自備機組時刻t的出力范圍為

式中:Ru,t和Rd,t分別為機組上下爬坡速率。

（2）負荷轉移量約束

負荷轉移過程中，負荷轉出總量不能大于轉出時刻的初始負荷，且不能為負，每一時刻可以既不轉出負荷也不接收任何負荷，即

（3）功率平衡約束

t時刻的功率平衡約束為

2.2.3 模型求解

利用粒子群算法求解模型，求解流程如圖1 所示。其中個體學習因子和社會學習因子均設置為2，粒子最大速度設置為5，慣性因子設置為0.6。終止條件為達到設定的迭代次數，此處最大迭代次數設置為800。

圖1 粒子群算法流程圖Fig.1 Flow chart of PSO algorithm

由此得到最優機組出力和負荷安排，把解得的自備電廠發用電情況代入式（5）、式（7）、式（8）中可計算得到調節容量的調節速率、單位調節成本和可調節電量。

3 算例分析

選取典型負荷日2019 年4 月17 日山東某電解鋁企業自備電廠實際運行情況進行分析。

3.1 基礎數據

該企業自備電廠機組出力和負荷曲線如圖2所示，風電出力如圖3所示，機組的相關參數如表1所示，電網的相關參數如表2所示。

3.2 結果分析

由于靈活性指標從時間尺度上分為分鐘級和小時級兩類，此處按照該分類對自備電廠進行評估，并分析自備電廠類型對靈活性評估的影響。

3.2.1 靈活性評估結果

針對分鐘級指標，選取4:00 和6:00 計算其可調節容量調節速率和單位調節成本，做出靈活性評估。

4:00 時解得負荷轉移量為19.904 0 MW，機組出力為190.55 MW，可調節容量單位調節速率為8.326 9 MW/min。根據單位調節用電成本模型求解得到單位調節用電成本為9.34元。

圖2 4月17日機組出力和負荷曲線Fig.2 Unit output and load curves on April 17

圖3 4月17日風電出力曲線Fig.3 Wind power output curve on April 17

表1 自備電廠相關參數Table 1 Relevant parameters of self?provided power plant

表2 電網相關參數Table 2 Relevant parameters of power grid

6:00 時解得負荷轉移量為20.032 1 MW，機組出力為191.55 MW，可調節容量單位調節速率為8.335 5 MW/min，根據單位調節用電成本模型求解得到單位調節用電成本為9.43元。

針對小時級指標，根據已知參數對企業用電成本模型進行求解，求得成本最低時機組在1:00—6:00內自備電廠數據調整如表3 所示，調節前后的機組出力如圖4所示，調節前后的等效負荷如圖5所示。

表3 1:00—6:00自備電廠調節能力Table 3 1:00—6:00 self?provided power plant regulation capacity

圖4 1:00—6:00調節前后機組出力曲線Fig.4 1:00—6:00 output curves of unit before and after adjustment

圖5 1:00—6:00調節前后等效負荷曲線Fig.5 1:00—6:00 equivalent load curves before and after adjustment

3.2.2 自備電廠類型對靈活性評估的影響

在核算企業的用電碳排放量時，通常使用電網平均排放因子計算外購電力的用電排放情況，使用電力排放因子計算自備電廠的用電排放情況，這兩部分之和為總的企業用電排放。電網平均排放因子受到燃煤電廠和新能源電廠占比的影響，而自備電廠電力排放因子主要由發電機組類型決定。由于在同一場景中外界電網新能源出力占比不變，則電網平均排放因子相同，基于此背景展開分析靈活性評估指標隨多類型自備電廠電力排放因子變化的變化趨勢。

此處選取6:00的分鐘級指標和1:00—6:00的小時級指標進行分析。隨著自備電廠排放因子的變化，分鐘級指標可調容量變化速率和單位調節成本的變化分別如圖6 和圖7 所示，小時級指標可調節電量的變化如圖8所示。

圖6 可調容量變化速率隨自備電廠排放因子變化曲線Fig.6 Change curve of adjustable capacity change rate with emission factor of self?provided power plant

圖7 單位調節成本隨自備電廠排放因子變化曲線Fig.7 Change curve of unit adjustment cost with emission factor of self?provided power plant

圖8 可調節電量隨自備電廠排放因子變化曲線Fig.8 Change curve of adjustable electric quantity with emission factor of self?provided power plant

由圖6可知可調節容量變化速率首先隨自備電廠排放因子的增大而增大，增大到0.75時該指標達到飽和值，隨自備電廠排放因子的增大而不再變化。由圖7可知，單位調節成本首先隨自備電廠排放因子的增大而不變，因為此時的機組出力均為企業用電成本最低的全局最優解，單位調節成本均為0，到達0.725時開始隨自備電廠排放因子的增大而增大。由圖8 可知，可調節電量和可調節容量變化速率的變化趨勢相同。

因此可得，自備電廠排放因子增大時，機組出力將隨之減小從而使企業用電成本最低，當機組出力減小到技術能力所決定的最小出力時，可調節容量變化速率和可調節電量將不再隨排放因子的變化而變化，此時達到這兩個靈活性指標的最大值。相反地，自備電廠排放因子較小時，機組出力均能取得企業用電成本函數的全局最優解使得該狀態下的單位調節成本趨近于0。當排放因子達到臨界值后機組的最優出力開始受到技術能力的約束，與此同時單位調節成本隨排放因子的增大而增大。

多類型自備電廠發電機組的類型不同決定其不同的排放因子，因此不同類型的自備電廠靈活性調節能力也有所不同。在不同場景下，可以按照需要選擇不同類型自備電廠參與電網互動。

4 結束語

本文在考慮企業生產特性的前提下，構建了生產特性矩陣，并在此基礎上提出了一種自備電廠發用電系統的靈活性調節評估方法，有效推進自備電廠及其所屬企業參與電網互動，促進新能源消納。同時，該方法驗證了不同類型的自備電廠的發用電系統靈活性調節能力有所不同，可為國家分類別管理自備電廠提供參考依據。具體來說，可以根據自備電廠發電原理將其分為純燃煤、熱電聯產、資源綜合利用3類進行管理；也可以根據其所屬企業的行業類型分為電解鋁、水泥等多個類型進行管理，用本文構建的企業生產特性矩陣表征同類自備電廠及其所屬企業生產特性，在自備電廠參與電網互動時依據靈活性評估指標選擇調節潛力大的自備電廠優先參與。