基于目標優(yōu)化的火電協(xié)助消納風電的經(jīng)濟補償模型

于 超，房 芳

(1. 電力規(guī)劃設計總院，北京 100120，2. 國家電網(wǎng)信息通信分公司，北京 100053)

0 引言

隨著我國新能源開發(fā)力度的加強以及風電技術的日趨成熟，風電裝機規(guī)模逐年上升。我國陸上風能主要分布在東北、西北和華北地區(qū)，與負荷中心逆向分布，風電需要并網(wǎng)通過輸電通道送至負荷中心。但是風能自身具有不穩(wěn)定性、隨機性、波動性等特點，對電網(wǎng)接入要求較高。電網(wǎng)考慮自身對風能的接納能力和安全運行，有時會限制接入部分風電場電力，造成風電場電量損失，導致棄風現(xiàn)象發(fā)生。歐美等國家研究表明快速跟蹤負荷的燃氣電站及抽水蓄能可以很好地輔助促進風電發(fā)展。西班牙的燃氣電站和抽蓄電站比例為34%，是風電裝機容量的1.7倍；而美國這一比例高達47%，是風電裝機容量的13倍[1-7]。

風電出力的不穩(wěn)定性需要其他輔助電源為其提供調(diào)峰，降低風電出力波動對系統(tǒng)穩(wěn)定造成的沖擊。文獻[8-11]在分析棄風原因的基礎上，提出了一種風電就地消納方式，主要為運用價格機制，激發(fā)利益相關方的積極性，并通過實例驗證了方法的有效性。文獻[12-14]分析了風電消納面臨的問題，提出了一種低碳消納機制，主要為解決大規(guī)模風電消納問題，并研究了不同階段風電參與市場競爭的可行性，設計了一套輔助服務市場方案。

為引導發(fā)電側(cè)調(diào)峰電源提供輔助服務，可以通過政策剛性約束和經(jīng)濟柔性激勵兩方面來實現(xiàn)，即一方面可以強制風電消納，另一方面可以通過建立激勵機制鼓勵機組參與聯(lián)合調(diào)度。然而，火電為風電提供調(diào)峰服務，一方面降低了火電的發(fā)電能效，對火電原有的經(jīng)濟效益造成影響，另一方面也擠占了其他電源參與調(diào)峰服務的市場空間。因此，要實現(xiàn)火電協(xié)助消納風電的目的，關鍵在于能否對火電調(diào)峰進行合理的經(jīng)濟補償。本文通過分析火電參與調(diào)峰服務對火電經(jīng)濟效益的影響以及火電參與調(diào)峰程度對風電棄風的影響，以目標優(yōu)化理論為基礎，建立了火電提供輔助服務的經(jīng)濟補償計算模型，并通過算例分析驗證了模型的可行性。

1 風電對火電發(fā)電效益的影響

1.1 風電對火電出力的影響

火電出力可以隨系統(tǒng)負荷高低進行調(diào)整，而風電出力受來風條件影響，白天出力低，晚上出力高，與系統(tǒng)負荷相比，具有逆負荷分布的特性，這會給火電機組造成較大的調(diào)峰壓力。

圖1 風電與火電出力分布

圖1為某地區(qū)典型日系統(tǒng)負荷及風火電出力情況，系統(tǒng)最大最小負荷差為1 650 MW。在系統(tǒng)中不存在風電機組時，火電機組的出力按該分布進行調(diào)度。在系統(tǒng)中存在風電機組時，系統(tǒng)最大最小負荷差為2 260 MW，其主要原因是風電機組的加入，使得低谷時段火電機組減少了發(fā)電份額，導致系統(tǒng)峰谷差加大。通過分析可知，風電接入會導致火電機組的調(diào)峰壓力增加。

1.2 風電對火電啟停次數(shù)的影響

風電接入電力系統(tǒng)后，會引起火電機組的啟停次數(shù)增加。如有風電參與的情況下，火電機組會出現(xiàn)頻繁的啟停，而沒有風電參與的情況下，僅有少數(shù)機組存在啟動變化。比較啟停成本，風電參與下火電的啟停成本約為129萬元，而沒有風電參與下火電的啟停成本僅為28萬元。因此，風電接入系統(tǒng)后除了火電機組啟停頻率增加，啟停成本也有大幅度的提高。

1.3 風電對火電發(fā)電煤耗的影響

表1給出了不同情況下火電機組的利用效率，如表所示，風電參與下，各火電機組的發(fā)電功率明顯低于風電不參與的情況，部分機組甚至出現(xiàn)了出力完全被擠占的情況(機組6、9)。火電機組低出力的情況下，發(fā)電煤耗水平也相對較高。據(jù)統(tǒng)計，風電參與下，火電機組的平均發(fā)電煤耗為326.0 g/kWh；沒有風電參與下，火電機組的平均發(fā)電煤耗為324.6 g/kWh。

表1 火電機組利用效率比較

2 火電調(diào)峰對風電消納的影響計算模型

風電參與發(fā)電調(diào)度，會增加原有火電機組的調(diào)峰壓力，增加火電機組的啟停次數(shù)，降低火電機組的能效水平。如果缺乏相應的補償機制，火電機組將不愿意承擔風電的調(diào)峰功能。下面將研究風電消納與火電調(diào)峰的相互影響，計算以調(diào)峰深度為敏感條件下的風電消納情況。

2.1 目標函數(shù)

以風電棄風最小為優(yōu)化目標，研究火電機組調(diào)峰不同參與程度下的風電消納情況，構建風、火電聯(lián)合調(diào)度模型。

式中：Qaw,t為風電在t時刻的棄風電量，z為棄風總量。

式中：δt為t時刻風電的最大等效利用率，即發(fā)電功率占裝機容量的比值(不棄風情況下)，其大小由風力決定；Pw為風電總裝機容量；Qw,t為t時刻風電場的實時發(fā)電功率。

2.2 約束條件

電力系統(tǒng)調(diào)度應該滿足以下條件：

1)電力平衡約束條件

式中：ui,t為機組i在t時刻的啟停狀態(tài)變量，如果機組處于停機狀態(tài)，則為0，如果機組處于啟動狀態(tài)，則為1；Qi,t為火電機組i在t時段的發(fā)電量；Gt為系統(tǒng)負荷在t時段的實時用電需求；l為線損率。

2)系統(tǒng)發(fā)電備用約束

火電機組的發(fā)電出力需要留有一定的調(diào)整裕度，即：

3)火電機組功率約束

4)機組爬坡速率約束

5)機組啟停時間約束

6)風電機組出力約束

風電機組的出力受來風量約束，即：

3 火電機組的經(jīng)濟補償計算模型

風電并網(wǎng)后，在負荷低谷時段，火電機組需參與深度調(diào)峰，這樣以來火電機組的發(fā)電出力將會降低，發(fā)電能效降低[15-17]。因此，要調(diào)動火電機組參與調(diào)峰的積極性，需建立合理的補償機制。

本屆展會以“科學發(fā)展·低碳節(jié)能”為主題，以科技創(chuàng)新、清潔高效、節(jié)能減排為主要內(nèi)容，來自中國及其他近10個國家的煤炭企業(yè)、煤炭洗選設備制造企業(yè)、煤礦節(jié)能及環(huán)保設備企業(yè)、煤化工及石化企業(yè)和相關科研院所的200多家單位參加了展覽，展覽面積超過1.3萬m2，集中展示了煤炭洗選加工、資源綜合利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和煤化工及石油化工等領域的新技術、新工藝、新產(chǎn)品和新成果，充分體現(xiàn)了綠色、低碳、環(huán)保的理念。人民日報等20多家新聞媒體對展覽會進行了采訪報道。

調(diào)峰機組的經(jīng)濟補償與火電機組的發(fā)電煤耗相關，煤耗越高其補償額度越大，而發(fā)電煤耗則與火電機組的利用率有關。因此，火電機組調(diào)峰的經(jīng)濟補償需要基于其利用率進行計算。

1)風電并網(wǎng)前火電機組的能效水平，可建立以下優(yōu)化模型：

在負載率η1下，各機組的發(fā)電煤耗水平為：

那么系統(tǒng)的平均煤耗水平為：

2)風電并網(wǎng)后火電機組的能效水平，可建立以下優(yōu)化模型：

在負載率η2下，各機組的發(fā)電煤耗水平為：

3)風電并網(wǎng)后火電機組調(diào)峰的經(jīng)濟補償費用為：

式中：Pcoal為煤價。

如果系統(tǒng)總調(diào)峰需求為L，那么，火電為風電調(diào)峰應獲得的補償費用為：

4 算例分析

4.1 火電機組不同調(diào)峰深度對風電消納的影響

火電機組的能效水平與火電機組參與調(diào)峰的深度有直接關系。假設三種情景，火電參與調(diào)峰深度逐漸下降，發(fā)電上網(wǎng)比例逐漸上升，即機組發(fā)電出力按0%(情景1)、2.5%(情景2)、5%(情景3)進行風、火電聯(lián)合調(diào)度，出力優(yōu)化情況見表2。

結(jié)果顯示，隨著火電機組參與調(diào)峰深度的下降，自身發(fā)電上網(wǎng)份額上升的同時，風電棄風率也呈上升趨勢。情景1風電棄風率為8.6%；情景2風電棄風率提高至8.95%；情景3風電棄風率提高至9.3%。

由表2還可以看出，隨著火電機組調(diào)峰深度的下降，火電機組的利用率呈上升趨勢，單位供電煤耗進一步下降。情景1火電機組的供電煤耗為354.2 g/kWh；情景2火電機組的供電煤耗下降至353.7 g/kWh；情景3火電機組的供電煤耗進一步下降至353.1 g/kWh。

表2 系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果

通過以上分析可以得出結(jié)論，火電機組降低調(diào)峰深度與調(diào)峰幅度，一方面可以提高發(fā)電能效，減少單位發(fā)電煤耗，降低發(fā)電成本，另一方面有助于其增加發(fā)電市場份額，增加經(jīng)濟收益。因此，風電并網(wǎng)下，沒有經(jīng)濟補償條件下火電機組缺乏參與調(diào)峰的積極性。

4.2 調(diào)峰輔助服務經(jīng)濟補償測算

根據(jù)公式 (12)、(13)與 (16)、(17)，可以計算各時段機組的發(fā)電出力以及負載率。經(jīng)測算風電并網(wǎng)前后火電機組的平均負載率為0.65與0.45。

結(jié)合機組耗量特性參數(shù)，可以測算出各機組的平均發(fā)電煤耗水平，見表3。

表3 火電機組的煤耗水平 (g/kWh)

根據(jù)式(15)、(19)可以分別求得風電并網(wǎng)前后火電機組的平均煤耗率為342.3 g/kWh、355.5 g/kWh。根據(jù)式(21)可以計算單位電量調(diào)峰補償單價為8.9元/MWh。按照火電機組調(diào)峰量3 358 MWh/d計算，需要支付火電機組2.99萬元/d的調(diào)峰補償費用。

5 結(jié)語

風電并網(wǎng)后，在最大程度的全額消納電量要求下，風電的棄風問題得到緩解，但火電機組承擔其調(diào)峰服務影響其正常的經(jīng)濟效益，打破了原有市場份額的均衡狀態(tài)。本文通過分析火電參與調(diào)峰服務對火電經(jīng)濟效益的影響以及火電參與調(diào)峰程度對風電棄風的影響，建立了基于目標優(yōu)化理論的火電為風電提供輔助服務的經(jīng)濟補償模型。通過算例分析表明，給予火電機組合理的調(diào)峰補償不但可以保證火電機組的經(jīng)濟效益，還可以促進風電的消納水平，提高風電機組的利用效率。