關于新能源的電力經濟調度分析研究

中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 劉松良

1 引言

為解決當下能源危機問題，社會各界意識到新能源價值，積極使用新能源，如太陽能和風能。因為新能源相對來說有著更低的燃料成本，可以在很多環境中取代傳統能源，減輕能源使用對于環境的負荷與壓力，是控制電力成本的有效方式。當然新能源本身的功率輸出是不穩定的，存在間歇、隨機特征，所以無法保障電力穩定運行。故在電力系統當中，應采取預留擴充容量的方式，實現電力功率波動平衡目的，在保障新能源可以肩負起電力系統運行功能的同時，保障電力可靠、穩定運行。

2 風電電離平衡調度與不確定性模型

在新能源系統中，風電屬于重要構成。為了確保不確定條件下的風電可以發揮應有作用，在經濟調度中更加安全使用風電，使用區間描述方式，配合柔性負荷削峰填谷，創建經濟調度的結構。函數構成包括傳統機組的發電、負荷用電、符合補償[1]。

2.1 目標

發電成本方面，函數結構為：

式中，T是1d，即24h。SG是所有發電機組，PGi,t表示在t時段中的i臺發電機出力情況，成本系數為a，b，c。

2.2 約束條件

機組的容量約束條件不可以只考慮協調調度負荷，風電的波動性應根據傳統機組的容量掌握不確定性問題。風電機組在負荷最大、出力最小/負荷最小、出力最大[2]。i臺機組備用容量，t時段至t+1時段中機組的爬坡速率。電力的柔性負荷i節點t時段負荷轉移量必須0≤P（1）FLit≤P（1）maxFLi,t。

2.3 風電建模

預測風功率無法實現風電建模，對風速進行預測，之后用風速曲調功率函數就能掌握功率輸出情況。異步發動機由風帶動產生風電功率。原本的機械能成為電能。風速與風力為正關系。風力與功率，風速與功率都是正關系。如切入風速比風速大，則此時風機系統陷入停滯無法工作。在切入風速比風速小，且低于額定的風速，在風輪轉動以后風電系統發電。高風速情況下風電系統獲得很大的輸出功率。如額定風速低于風速，并且風速比切除風速小，則額定狀態下風電系統的輸出功率也趨于額定。在風速比切除風速大的情況下，風電系統不工作進入停機狀態。

3 太陽能建模

在新能源體系中，太陽能十分重要，這種類型的能源發電，依靠太陽光照射半導體的表面，引出光伏效應。不論是環境溫度還是光照溫度，太陽能的發電功率都會受到影響[3]。為了提高太陽能電力工作能力，需要跟蹤控制最大功率，該過程需要用到DCDC變換器，完成跟蹤控制。使用DCDC變換器輸出電流，之后使用逆變器完成并網控制，最終把電能送至電網體系。

損耗電阻是光伏電池自帶的，在構建等效光伏電池模型的時候，需要考慮損耗電阻，進而實現光伏電池特性的精準描述。在等效模型中存在三個電阻與一個二極管VD。分子的極化可以用二極管VD描述。線路的電阻損耗可以用RS進行代表，漏電損耗電阻使用Rsh，負載電阻使用RL表示。光照電流為光生電流，是光照在光伏電池產生的，為ISC，二極管反向飽和電流為IVD，光伏電池漏電流為Ish，負載輸出電流為II，負載輸出電壓為UL，結構如圖1所示。

圖1 等效光伏電池

4 新能源電力經濟調度

因為新能源有著良好的清潔性、污染性比較低、發電成本不高，所以被廣泛使用，應用極廣。當然新能源缺點也非常顯著，其間歇性與隨機性問題必須注意[4]。考慮到新能源需要，電力經濟的調度必須考慮其多重影響。在發揮優越價值的同時，消除弊端帶來的束縛和問題[5]。

4.1 經濟調度

負荷水平、電能質量以及安全指標在達標以后，需要用低成本前提體現發電價值。對此電力經濟調度在設計模型時，需要充分滿足各種前提約束條件，經濟調度中發電燃料是重要目標，經濟函數為：

式中，∑Ci（PGi）為機組發電成本，CS為太陽能發電成本，CW為風電機組發電成本。

4.2 容量擴展

在太陽能強度與風速沒有達到相應預期水平的情況下，太陽能機組與風電機組的功率會比預期值低，此時需要通過增加火電機組功率的方式平衡功率，此時就需要用到電力系統正擴展容量。如果太陽能強度與風速比預期值高，則太陽能機組與風力機組功率輸出就會比預期值高，此時需要通過減小火力機組的方式控制功率輸出情況，平衡功率，該部分為負擴展，具有平衡功率，穩定電力運行的目的。

4.3 電力調度模型

對電力經濟調度來說，其目標位以約束條件完成電力運行成本控制。自然界有很多新能源燃料，燃料成本很低，所以一般不需要考慮電力運行成本。經濟調度函數：

式中，C為電力系統經濟調度中發電成本，∑CFi為火電成本，Cgas為發電污染成本，Kws為擴展成本容量，Cws為擴展容量。約束條件中，功率平衡方面，火電機組的加減載速率說的是在特定時間內功率的減少或是增加。不同發電機組有著不同約束條件，應考慮不同機組的額定功率情況，包括上限與下限。

5 案例分析

為了更好地掌握電力經濟調度情況，科學設計電能結構分配方法，以某地的風電機組、火力發電機組、太陽能發電機組使用情況為例。

使用特定程序分析新能源系統對于電力的經濟調度。在該電廠投入所有火力發電機以后，根據發電機組功率輸出能力、加減載速率就能了解電力系統最終的發電成本。在新能源接入電力系統之后，可以忽略燃料成本，此時靠著火力發電可以有效降低電力成本，獲得顯著發電效益。如新能源為0輸出功率情況下，只靠火力發電，成本將不會變化。新能源發電有著顯著經濟效益，有著極強的互補性。

5.1 光熱電站補償分析

使用光熱電站的方式，以光熱電站的轉換率和上網電價明確機組在調峰時候出現的損失。在基本調峰為固定出力條件下，在降低機組出力以后，機組成本的損失數據為先漲后減。當機組有著較高出力條件下，會獲得較高的熱電轉換率，不會出現很多的電能損失。在機組低處理情況下，熱電轉換的運作效率也會變低，浪費大量的電能，不過此時出力差值會很大。有償調峰的基準增加以后，范圍內損失成本降低。

調峰輔助中，光熱電站中午時，光伏發電獲得上網空間，減少光熱電站運行處理。此時儲熱罐會增加許熱量，會出現一定熱量損失。在光熱電站輔助服務調峰以后，光熱電站本來的很多出力都會被存放到儲熱罐，此時增加了儲熱罐中的熱量，會有相應熱量損失問題。對光熱電站進行計算，在調峰輔助下，電能運作成本的損失達到15元/MWh。

按照上述敘述，調峰輔助服務中光熱電站成本內，其效率損失應當采用平均值對其進行計算，在對熱量耗散的成本計算之后，了解最終整體成本。以合理收益與補償成本原則，使用成本加成的定價思路，并按照調峰報價利潤，掌握補償費用情況。因為當前有償調峰基本都是機組50%的額定功率，故在計算時候應當將其作為基準。以某地區早7時到下午4時的時段進行分析。調峰需求不大的時候光熱電站會有比較低的時段報價，午間調峰會有比較大的需求，此時電價會升高。

由此不難得出，在深度調峰條件下，光熱發電電價和調峰需求有直接關系。在調峰輔助補償服務的制定中，需要根據地區電力系統與電價政策測算調峰數據，使用數據分析確定補償價格。

5.2 優化運行分析

不同條件下的分析需要體現模型優化后的經濟性，對此本文共計設置三種場景，在對比分析中確定成本。

第一個場景深度調峰中只有火電機組，光熱電站負責基本調峰。第二個場景，火電機組與光熱電站共同作用完成調峰輔助使用2500MWh儲熱罐。第三個場景，火電機組與光熱電站一同參與調峰輔助，使用3000MWh儲熱罐。

通過分析優化結果可以得出，凌晨0時至上午10時風電為高發段，進入中午12時一直到下午7時，風電出力比較少。上午10時到下午6時光伏有著比較高的出力，可見光電與風電二者的發電高峰時間不一樣，可以用來互補，讓電力系統以穩定條件運行。當然因為風電本身是不穩定的，并且中午有著比較高的光伏發電量，所以調峰容量需求比較大。

在場景1的情況下，光熱電站沒有在深度調峰中有任何參與，此時可調電源只有火電資源，無法保障電源調峰效果，棄光、棄風嚴重。第二個場景中，因為使用的儲熱罐是2500MWh的容量，所以無法保障穩定，儲熱容量限制性比較大。正常條件下深度調峰時段需要光熱電站正常作用，但是第二個場景中的一些時間段受限于儲熱罐問題，導致仍有部分棄光和棄風問題。第三個場景中，預測曲線與上網曲線之間的重合，沒有棄電情況。上午1時至上午8時，有著最高的風電出力效果，火電機組與光熱電站此時需要減少處理，負責基本調峰，這樣才能實現風電的并網高比例效果。在下午6時至凌晨0時的時候，此時風電上網的電量相對較低，并且此時光伏不再發電，會出現比較大的電力法帶你需要。

光熱電站中儲熱罐內熱量會變成電能，可以用于發電側的出力缺額彌補，完成火電機組出力的降低，可以有效完成碳排放控制。上午9時至下午5時期間，會有比較大的光伏發電，能夠獲得更多上網空間與條件。此時光熱電站負責深度調峰，控制出力運行大小，并把光場中多余熱量吸收送到儲熱系統內，可以讓電力系統更穩定運行。正因如此，在第三個場景中沒有棄光與棄風情況出現。

6 結語

新能源才是未來社會的能源使用趨勢，太陽能與風能有著經濟化、低污染、可再生等諸多優勢。但也要明白新能源并非沒有缺點，隨機性和間歇性問題導致其無法穩定供應電力。所以在使用新能源的時候，有必要充分考慮與傳統火力發電的配合，創建調度模型，合理使用電力資源，體現新能源與傳統能源各自價值。利用電力經濟調度管理辦法，讓電力系統能夠用低成本的方式完成可靠、穩定且安全運行。本文分析了新能源優勢與缺點，通過創建模型的方式得出在使用并網發電中，電力發電成本可以得到較好的控制。在使用新能源的過程中，需要將各種能源混合使用，實現不同能源的特點與價值互補，保障功率穩定輸出。