火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制技術(shù)優(yōu)化

闖喜宏，馮志強，李 磊，劉明奎，梁龍飛

（1.國電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101；2.國家能源集團內(nèi)蒙古上海廟發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200；3.北京華清茵藍(lán)科技有限公司，北京 100036）

引 言

當(dāng)前電力系統(tǒng)中的峰谷差問題對電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響[1]，為改善這一問題，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者提出火電燃煤機組深度調(diào)峰方法，但該方法實際應(yīng)用過程中會提升機組運行成本[2]，因此實現(xiàn)火電燃煤機組經(jīng)濟性與調(diào)峰消納性能之間的平衡成為影響火電燃煤機組運行的主要因素[3]。

鄧婷婷等[4]提出一種計及需求響應(yīng)與火電深度調(diào)峰的含風(fēng)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度過程中考慮需求響應(yīng)與火電深度調(diào)峰，由此提升電力系統(tǒng)的新能源消納水平，該方法應(yīng)用過程中實際出力情況低于預(yù)測值，對于棄風(fēng)現(xiàn)象的改善并不顯著。李明揚等[5]提出考慮煤耗率的火電機組靈活調(diào)峰對風(fēng)電消納的影響效果研究方法，在分析火電機組調(diào)峰與風(fēng)電消納間相關(guān)性過程中，分析燃煤率的影響以及燃煤率與機組出力間的相關(guān)性，該方法應(yīng)用過程中需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)推導(dǎo)，分析結(jié)果具有一定片面性。宋汶秦等[6]提出一種光熱參與電網(wǎng)調(diào)峰的風(fēng)-光-火優(yōu)化調(diào)度策略方法，基于光熱電站與機組特征，考慮風(fēng)電出力特性，研究光熱與風(fēng)電聯(lián)合調(diào)峰方法，但該方法的應(yīng)用環(huán)境過于保守。

儲能系統(tǒng)是一種常用的調(diào)峰技術(shù)[7]，本文以此為基礎(chǔ)，研究了一種包含三個層次的火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制技術(shù)優(yōu)化方法，對其運行成本、消納水平、出力控制效果進行了分析。

1 深度調(diào)峰消納控制

1.1 火電燃煤機組出力變化與調(diào)峰消納空間分析

技術(shù)出力下限是火電燃煤機組常規(guī)調(diào)峰消納的主要約束之一[8]，可縮小火電燃煤機組調(diào)峰消納的空間范圍。電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力有所欠缺將導(dǎo)致電網(wǎng)接納能力不足，所以需要對電力系統(tǒng)的深度調(diào)峰消納控制技術(shù)進行優(yōu)化。

火電燃煤機組出力變化與調(diào)峰消納空間的關(guān)系見圖1，其中PN為火電燃煤機組技術(shù)出力上限。

圖1 火電燃煤機組出力變化與調(diào)峰消納空間分析

經(jīng)優(yōu)化，火電燃煤機組出力下限降到不投油技術(shù)出力下限（40% PN），其后將再次降到投油技術(shù)出力下限（30% PN），即可擴展火電燃煤機組調(diào)控空間，由此接納更多的風(fēng)電。

火電燃煤機組深度調(diào)峰消納過程中將產(chǎn)生兩種成本，分別是消耗成本和投油成本，其中深度調(diào)峰增加的成本和消納補償成本分別為30 元/(MWh)±20 元/(MWh)和180 元/(MWh)[9]。由于深度調(diào)峰消納過程可提升火電燃煤機組的經(jīng)濟收益，因此火電燃煤機組采用深度調(diào)峰消納來降低經(jīng)濟成本。

火電燃煤機組深度調(diào)峰消納過程中消耗成本和投油成本計算公式見式（1）：

式中：BS為火電燃煤機組深度調(diào)峰消納過程消耗成本，元；ξ為消耗系數(shù)；SJ為火電燃煤機組購機成本，元；Nf,t為t 時刻機組轉(zhuǎn)子致裂周次，s；BT為投油成本，元；LS為投油量，t；bc為投油成本單價，元/t。

1.2 優(yōu)化模型

通過對火電燃煤機組出力變化的分析，構(gòu)建了火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制優(yōu)化模型，該模型分為上層、中層和下層三部分。

1.2.1 上層模型

上層模型將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為運行過程經(jīng)濟性與凈負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)，公式見式（2）：

式中：Iv為儲能系統(tǒng)I 運行收益，元；IZ(t)為電量收益，元；II(t)為環(huán)境收益，元；BY(t)為I 的運行成本，元；BS(t)為消耗成本，元；BT(t)為投油成本，元；PSDv為凈負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差，MW；δD(t)為放電效率；PC(t)、PD(t)和Pn(t)分別為I的充電功率、放電功率和凈負(fù)荷功率、功率的平均值，MW；T 和* 分別表示調(diào)度日內(nèi)總采樣點數(shù)和標(biāo)幺值；max Fv,2為運行收益最大化，元。

上層模型的約束條件見式（3）：

1.2.2 中層模型

依照運行成本與補償收益，結(jié)合電量收益損失成本與棄風(fēng)懲罰成本[10-11]，以火電燃煤機組整體調(diào)峰成本最低為中層模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，公式見式（4）：

式中：minFBG為火電燃煤機組整體調(diào)峰最低成本，元；BG和分別為總調(diào)峰能耗成本和非消納風(fēng)電條件下整體成本，元；Pwn為風(fēng)電消納量，MW；Pp,GZ為火電上網(wǎng)電價，元/(MWh)；Δt 和φ 分別為計算時間步長和棄風(fēng)懲罰系數(shù)；IG和分別為深度調(diào)峰補償收益和非消納風(fēng)電條件下補償收益，元/(MWh)；Pw為風(fēng)電功率，MW；和PG分別為消納風(fēng)電條件下火電燃煤機組總出力和全部火電燃煤機組總出力，MW。

以火電燃煤機組整體功率約束、不同機組的啟停約束等作為中層模型的約束條件，公式見式（5）：

式中：Pl和分別為負(fù)荷功率和火電燃煤機組整體出力的下限值、上限值，MW分別為t 時刻火電燃煤機組需負(fù)載的正、負(fù)備用和整體出力的向下、上爬坡的上限值；PG,t和PG,t-1為t時刻和t-1 時刻的火電燃煤機組整體出力值，MW；i 表示第i 臺火電燃煤機；ki,t和Ton,i,t、Toff,i,t分別為火電燃煤機組運行狀態(tài)和第i 臺火電燃煤機在t 時刻內(nèi)運行時間和不間斷停機時間，MW、h、h。

1.2.3 下層模型

依照單臺火電燃煤機組深度調(diào)峰消納能耗成本與補償收益[12]，將火電燃煤機組運行效益最大化作為下層模型優(yōu)化目標(biāo)，公式見式（6）：

以功率約束、爬坡率約束以及啟停約束等作為下層模型構(gòu)建過程中的約束條件，公式見式（7）：

1.3 模型求解

針對上述所構(gòu)建的包含三個層次的火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制優(yōu)化模型，利用開源求解器CPLEX 求解模型[13]。模型求解流程示意圖如圖2 所示。

圖2 控制優(yōu)化模型求解流程示意圖

該求解器以分枝-割平面法與內(nèi)點法為基礎(chǔ)，結(jié)合預(yù)處理與啟發(fā)式等不同方法對火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制優(yōu)化模型進行處理[14-15]，處理過程具有高精度與高效率等優(yōu)勢。

2 實驗結(jié)果

為驗證所研究的火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制技術(shù)優(yōu)化方法的實際應(yīng)用效果，實驗以某局域電網(wǎng)為研究對象，采用所提方法對其深度調(diào)峰消納控制進行優(yōu)化，所得結(jié)果如下。

2.1 研究對象概況

該研究對象內(nèi)部的火電燃煤機組容量分為300 MW、400 MW、700 MW，其整體裝機容量達(dá)到1 400 MW。以煙煤為研究對象的燃料，其價格為696 元/t；棄風(fēng)懲罰成本為0.65 元/(kWh)。

實驗過程中設(shè)定300 MW 與400 MW 的火電燃煤機組僅實施常規(guī)調(diào)峰消納，在此過程中的負(fù)荷率下限為50%。700 MW 的火電燃煤機組實施深度調(diào)峰消納，其在此過程中的相關(guān)設(shè)定為：

（1）機組常規(guī)調(diào)峰消納過程的負(fù)荷率下限為50%，深度調(diào)峰過程中不投油階段與投油階段的負(fù)荷率下限分別為35%和25%。

（2）研究對象單位造價成本為3 575 元/kW。

（3）調(diào)峰消納過程中的相關(guān)性見式（8）：

式中：N(P)為相關(guān)性；N 為相關(guān)性參數(shù)；P 為機組功率，MW。

（4）研究對象投油深度調(diào)峰消納過程中的油耗量與油價分別為4.9 t/h 和6 241 元/t。

（5）依照電力市場運行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將研究對象深度調(diào)峰消納過程中的補償電價設(shè)置為0.45 元/(kWh)。

同時為驗證所提方法的可應(yīng)用性，設(shè)定下述兩種場景進行對比分析：（1）場景1：不分析電價響應(yīng)與儲能，也就是當(dāng)前普遍使用的火電燃煤機組調(diào)峰消納控制方式。（2）場景2：包含電價響應(yīng)與儲能，同時設(shè)定整體的邊際出清價格機制，也就是所提方法所使用的火電燃煤機組調(diào)峰消納控制方式。

2.2 成本控制優(yōu)化結(jié)果

分析不同場景的控制優(yōu)化情況，結(jié)果表明：同場景1 相比，研究對象在場景2（所提方法）下的整體運行成本與煤耗成本分別降低31.6%和2%，損耗成本、投油成本也顯著降低，雖然儲能成本有一定程度提升，但能夠得到在場景2（所提方法）條件下，研究對象進行深度調(diào)峰可有效降低成本。以上結(jié)果充分說明采用所提方法能夠有效降低火電深度調(diào)峰消納成本，提升火電燃煤機組調(diào)峰消納的積極性。

2.3 消納水平分析

為進一步分析所提方法在提升研究對象風(fēng)電消納方面的性能，分析了不同場景條件下研究對象的火電棄風(fēng)情況，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同研究對象各時刻棄風(fēng)功率對比

分析圖3 能夠得到，與場景1 相比，場景2（所提方法）中通過一定的技術(shù)降低了棄風(fēng)率，因此在場景2 中研究對象僅在23:00:00 處產(chǎn)生微弱的棄風(fēng)功率，而除此之外的時間內(nèi)均全部消納，在此條件下研究對象的棄風(fēng)率與場景1 相比顯著降低。以上結(jié)論充分說明采用所提方法控制優(yōu)化后，在負(fù)荷低谷階段，消納率被顯著改善，也就是說所提方法既能夠緩解研究對象深度調(diào)峰壓力，還能夠提升研究對象消納水平。

2.4 出力控制效果分析

分析不同場景下不同容量機組的出力對比情況，結(jié)果表明：相較于場景1，場景2（所提方法）條件下，300 MW、400 MW 和700 MW 的單臺機組出力均值的對應(yīng)機組出力均得到了提升，說明所提方法能夠有效提升研究對象平均利用率。

3 結(jié) 論

通過構(gòu)建包含三個層次的分層優(yōu)化模型，并利用開源求解器CPLEX 求解所構(gòu)建的模型，研究了一種基于儲能系統(tǒng)的火電燃煤機組深度調(diào)峰消納控制技術(shù)優(yōu)化方法。實驗結(jié)果顯示所提方法既能夠緩解研究對象深度調(diào)峰壓力，還能夠提升研究對象消納水平。后續(xù)將主要研究電力系統(tǒng)中儲能補償機制，以此推廣電力系統(tǒng)中大規(guī)模儲能的應(yīng)用。