含柔性負(fù)荷的火電機(jī)組深度調(diào)峰的源荷分層優(yōu)化調(diào)度

樊國旗，劉海南，黃 健，樊國偉，段青熙，潘偉東，宋朋飛，柳慶豐

(1.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017；2.國網(wǎng)石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000；3. 國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；

0 引 言

風(fēng)電在促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略發(fā)揮著重要作用[1-2]，但風(fēng)電反調(diào)峰特性對電力系統(tǒng)調(diào)峰帶來巨大挑戰(zhàn)，需要優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行促進(jìn)風(fēng)電消納[3-4]。

針對此類問題，文獻(xiàn)[5]通過預(yù)留部分負(fù)荷資源，在需要消納新能源時(shí)，調(diào)用該預(yù)留負(fù)荷提高風(fēng)電利用率；文獻(xiàn)[6-7]通過調(diào)用高載能負(fù)荷實(shí)現(xiàn)削峰填谷作用；文獻(xiàn)[8-9]通過火電深度調(diào)峰等多種途徑促進(jìn)新能源消納；文獻(xiàn)[10]在新能源出力高峰時(shí)段，通過抽水蓄能增大系統(tǒng)負(fù)荷，減少火電機(jī)組深度調(diào)峰功率；在新能源出力低谷時(shí)段，則由抽水蓄能電站放水發(fā)電減小火電機(jī)組發(fā)電壓力。

上述文獻(xiàn)多是針對源側(cè)或負(fù)荷側(cè)進(jìn)行研究，較少綜合考慮負(fù)荷和電源分層優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。因此，提出了一種含柔性負(fù)荷的火電機(jī)組深度調(diào)峰的源荷分層優(yōu)化調(diào)度方法，通過上層優(yōu)化減小系統(tǒng)峰谷差，減少系統(tǒng)開機(jī)臺(tái)數(shù)，降低常規(guī)調(diào)峰最小技術(shù)出力；通過下層優(yōu)化減小系統(tǒng)成本，確定火電機(jī)組出力和棄風(fēng)功率。通過某地區(qū)電力系統(tǒng)實(shí)際算例，驗(yàn)證所提分層調(diào)度方法可有效促進(jìn)風(fēng)電消納，降低系統(tǒng)成本。

1 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)特性影響

風(fēng)電具有逆調(diào)峰特點(diǎn)，并網(wǎng)后會(huì)加大電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差。當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷小于火電機(jī)組最小技術(shù)出力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)。等效負(fù)荷峰谷差計(jì)算如式(1)、式(2)所示。

Pe1,原始，t=P1,原始,t-Pwind,t

(1)

(2)

圖1為某日風(fēng)電、原始負(fù)荷、原始等效負(fù)荷和未深度調(diào)峰時(shí)棄風(fēng)情況。可知，含風(fēng)電等效負(fù)荷峰谷差為3 611.1 MW，不含風(fēng)電等效負(fù)荷峰谷差2713 MW，增加了系統(tǒng)調(diào)峰負(fù)擔(dān)893.1 MW；最大棄風(fēng)功率1128 MW，充風(fēng)量為5 066.7 MWh，棄風(fēng)率為24.8%，棄風(fēng)較為嚴(yán)重。因此需要考慮調(diào)用其他資源減小系統(tǒng)調(diào)峰壓力，減少棄風(fēng)。

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響

2 柔性負(fù)荷、火電機(jī)組深度調(diào)峰分析

2.1 火電機(jī)組深度調(diào)峰

火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰由于受到最小技術(shù)出力(50%PN，PN為機(jī)組最大技術(shù)出力)限制，其調(diào)峰空間小。系統(tǒng)因調(diào)峰能力不足導(dǎo)致棄風(fēng)，因此需要增加系統(tǒng)調(diào)峰能力。通過技術(shù)改造，火電機(jī)組最小出力可先降低至不投油火電機(jī)組最小技術(shù)出力(40%PN)，然后再降低至投油火電機(jī)組最小技術(shù)出力(30%PN)，這樣可以增大火電機(jī)組調(diào)峰空間，進(jìn)而接納更多風(fēng)電。火電機(jī)組出力變化如圖2所示。

圖2 火電機(jī)組出力變化

火電機(jī)組深度調(diào)峰主要產(chǎn)生機(jī)組損耗成本、投油成本。其深度調(diào)峰增加的成本為10～50元/MWh[11]，而深度調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格約為200元/MWh[12]，由于增加火電機(jī)組收益，因此火電機(jī)組愿意參與深度調(diào)峰。

火電機(jī)組深度調(diào)峰機(jī)組損耗成本為

(3)

式中：β為機(jī)組損耗系數(shù)；SJ為機(jī)組購機(jī)成本；NF,t為機(jī)組t時(shí)刻的轉(zhuǎn)子致裂周次，和火電機(jī)組出力大小有關(guān)。

火電機(jī)組深度調(diào)峰機(jī)組投油成本為

(4)

式中：Qoil,t為深度調(diào)峰投油量；coil為投油成本單價(jià)。

2.2 柔性負(fù)荷

柔性負(fù)荷可以改變生產(chǎn)時(shí)間，從而優(yōu)化電網(wǎng)等效負(fù)荷，改善峰谷差特性。當(dāng)需要柔性負(fù)荷(如電解鋁)調(diào)峰時(shí)，首先采用電壓調(diào)節(jié)功率，利用電解鋁額定工作電壓在±10%范圍內(nèi)變化不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量特性進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)所需參與調(diào)峰功率增加(減少)超過30 MW時(shí)，采用投入(退出)一組電解鋁負(fù)荷(30 MW)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電壓恢復(fù)至額定工作電壓，以此類推，從而可以實(shí)現(xiàn)柔性負(fù)荷連續(xù)調(diào)峰效果。柔性負(fù)荷參與調(diào)用如圖3所示。

圖3 柔性負(fù)荷參與調(diào)用

電解鋁耗能大，因此對電價(jià)成本比較敏感，但轉(zhuǎn)移負(fù)荷本身較為容易且不會(huì)增加成本，而獲得的調(diào)用補(bǔ)償可以減少生產(chǎn)費(fèi)用。因此電解鋁負(fù)荷參與調(diào)度意愿較強(qiáng)。

調(diào)用容量約束為

(5)

調(diào)用時(shí)間約束為

(6)

3 分層優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 分層優(yōu)化調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

分層優(yōu)化調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 分層優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)

上層模型以優(yōu)化等效負(fù)荷峰谷差最小為目標(biāo)，提高火電機(jī)組低谷時(shí)間出力，減少深度調(diào)峰調(diào)用功率，進(jìn)而減少深度調(diào)峰調(diào)用成本；降低火電機(jī)組高峰時(shí)間出力，增大火電機(jī)組向上調(diào)節(jié)能力(火電機(jī)組最大技術(shù)出力和當(dāng)前出力差值)，從而提高火電機(jī)組面對風(fēng)電缺額或者其他火電機(jī)組故障時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)能力。柔性負(fù)荷參與調(diào)峰后能夠優(yōu)化等效負(fù)荷曲線。

下層模型以系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)，系統(tǒng)成本包括火電機(jī)組成本、棄風(fēng)成本和柔性負(fù)荷調(diào)用成本。火電機(jī)組容量越大成本越低，所以首先調(diào)用大容量機(jī)組深度調(diào)峰，其次調(diào)用小容量機(jī)組深度調(diào)峰。

3.2 分層優(yōu)化調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)

上層優(yōu)化模型以優(yōu)化等效負(fù)荷峰谷差最小為目標(biāo)，即

(7)

總調(diào)用柔性負(fù)荷成本Cfl為

(8)

式中：ΔPfl,t為調(diào)用柔性負(fù)荷功率,ΔPfl,t為正表示增大柔性負(fù)荷功率， ΔPfl,t為負(fù)表示減小柔性負(fù)荷功率;T為調(diào)用柔性負(fù)荷時(shí)間;cfl為調(diào)用柔性負(fù)荷單位成本。

下層優(yōu)化模型以系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)。

min(Cw,a+Cf)

(9)

式中:Cw,a為棄風(fēng)成本；Cf為火電機(jī)組成本。

(10)

(11)

式中：T″為火電運(yùn)行的時(shí)間總數(shù)；N為火電機(jī)組的數(shù)量；Pf,i,t代表第i臺(tái)火電機(jī)組t時(shí)刻的功率大小；ai、bi、ci分別為第i臺(tái)火電機(jī)組發(fā)電成本的二次、一次和常數(shù)系數(shù)；Cf,深度為火電機(jī)組深度調(diào)峰成本[10]。

3.3 約束條件

約束條件包括系統(tǒng)備用約束、系統(tǒng)功率平衡、火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰和深度調(diào)峰出力上下限約束，分別如式(12)至式(15)所示。

(12)

(13)

(14)

(15)

4 算例分析

4.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以圖1所示的風(fēng)電并網(wǎng)數(shù)據(jù)和表1所示的火電機(jī)組參數(shù)進(jìn)行仿真。火電機(jī)組最小技術(shù)出力為額定容量的50%。

表1 火電機(jī)組參數(shù)

風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為250元/MWh,補(bǔ)貼電價(jià)為350元/MWh,棄風(fēng)單位成本為600元/MWh；柔性調(diào)用單位成本為153元/MWh，柔性負(fù)荷參與調(diào)度每組容量為30 MW，最大可調(diào)用20組。

4.2 仿真驗(yàn)證結(jié)果

1)經(jīng)仿真該日原始等效負(fù)荷、柔性負(fù)荷優(yōu)化等效負(fù)荷、柔性負(fù)荷調(diào)用功率如圖5所示。

由圖5可知，在原始負(fù)荷低谷期增加調(diào)用柔性負(fù)荷為1 820.86 MWh，在原始負(fù)荷高峰期減小柔性負(fù)荷為1 148.3 MWh，總調(diào)用柔性負(fù)荷為2 969.17 MWh；柔性負(fù)荷優(yōu)化后等效負(fù)荷峰谷差為2 571.8 MW，峰谷差降低28.78%；優(yōu)化前最大等效負(fù)荷為4553 MW，優(yōu)化后最大等效負(fù)荷為4113 MW，減小了440 MW；優(yōu)化前最小等效負(fù)荷為1 541.8 MW，優(yōu)化后最小等效負(fù)荷為941.9 MW，增大最小等效負(fù)荷599.9 MW。

圖5 柔性負(fù)荷優(yōu)化等效負(fù)荷與原始等效負(fù)荷對比

2)柔性負(fù)荷優(yōu)化等效負(fù)荷前后開機(jī)臺(tái)數(shù)對比如表2所示。

表2 柔性負(fù)荷優(yōu)化等效負(fù)荷前后開機(jī)數(shù)對比 單位：臺(tái)

由表2可知，柔性負(fù)荷優(yōu)化等效負(fù)荷后可減少200 MW機(jī)組開機(jī)兩臺(tái)。

3)柔性負(fù)荷優(yōu)化前后等效負(fù)荷火電機(jī)組出力對比如圖6所示。

圖6 柔性負(fù)荷優(yōu)化前后火電機(jī)組出力對比

由圖6可知：柔性負(fù)荷優(yōu)化后提高火電機(jī)組平均出力，其中600 MW、300 MW和200 MW單臺(tái)機(jī)組平均出力分別提高21.84 MW、15.51 MW和5.93 MW；提高了火電機(jī)組平均利用小時(shí)。

4)柔性負(fù)荷優(yōu)化前后火電機(jī)組深度調(diào)峰和棄風(fēng)功率對比如圖7所示。

圖7 柔性負(fù)荷優(yōu)化前后火電機(jī)組深度調(diào)峰與棄風(fēng)對比

由圖7計(jì)算可知，柔性負(fù)荷優(yōu)化前火電機(jī)組深度調(diào)峰為6 293.4 MWh,而優(yōu)化后為4 285.9 MWh,減少火電機(jī)組深度調(diào)峰2 007.5 MWh；柔性負(fù)荷優(yōu)化后沒有棄風(fēng)，而優(yōu)化前棄風(fēng)1 413.4 MWh，減少棄風(fēng)1 413.4 MWh。

5)柔性負(fù)荷優(yōu)化前后成本對比如表3所示。

表3 柔性負(fù)荷優(yōu)化前后成本對比

可以看出，柔性負(fù)荷優(yōu)化后火電機(jī)組運(yùn)行成本減小了46.99萬元，火電機(jī)組深度調(diào)峰成本降低了4.51萬元，棄風(fēng)成本降低了84.8萬元，雖然柔性負(fù)荷調(diào)用成本增加了45萬元，但總成本仍降低91.3萬元。由于增加的柔性負(fù)荷成本45萬元補(bǔ)償給了柔性負(fù)荷企業(yè)，達(dá)到了柔性負(fù)荷企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)雙贏的目的。

5 結(jié) 語

針對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰能力不足問題，提出含柔性負(fù)荷的火電機(jī)組深度調(diào)峰的分層優(yōu)化調(diào)度方法；上層優(yōu)化等效負(fù)荷，可減小系統(tǒng)峰谷差；下層優(yōu)化系統(tǒng)成本，減少火電機(jī)組深度調(diào)峰成本、新能源限電成本以及系統(tǒng)總成本。

通過仿真驗(yàn)證，所提柔性負(fù)荷優(yōu)化火電機(jī)組深度調(diào)峰可以減少火電機(jī)組開機(jī)臺(tái)數(shù)，提高單臺(tái)火電機(jī)組平均利用小時(shí)。同時(shí)可以降低柔性負(fù)荷企業(yè)成本，達(dá)到電網(wǎng)企業(yè)和柔性負(fù)荷企業(yè)雙贏的目的。