考慮不同電源運(yùn)行特性的電網(wǎng)有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求計(jì)算方法

王光輝， 王欣， 匡洪輝， 朱國鋒(.國網(wǎng)青海電力調(diào)控中心，青海 西寧　80000；.北京清大科越科技有限公司，北京 00084)

0　引　言

電網(wǎng)有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求是指電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中為滿足電力電量平衡要求，不同時刻所需要發(fā)電機(jī)組提供的有償調(diào)峰輔助服務(wù)容量[1-2]。電網(wǎng)有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求是調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易競價(jià)的標(biāo)的，準(zhǔn)確計(jì)算該需求是高效組織調(diào)峰輔助服務(wù)市場交易的重要技術(shù)保障[3-4]。

近年來，圍繞調(diào)峰輔助服務(wù)需求的計(jì)算問題，我國開展了大量理論研究和實(shí)踐分析。文獻(xiàn)[5]考慮風(fēng)電功率預(yù)測，提出了電網(wǎng)靜態(tài)調(diào)峰能力評估方法；文獻(xiàn)[6-7]考慮了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行特性，提出了電網(wǎng)調(diào)峰能力測算方法；文獻(xiàn)[8]分析了常規(guī)電源開機(jī)方式與系統(tǒng)調(diào)峰能力的關(guān)系；文獻(xiàn)[9]基于調(diào)峰能力分析提出了電網(wǎng)棄風(fēng)情況評估方法，其調(diào)峰能力分析也主要基于靜態(tài)分析；文獻(xiàn)[10]提出了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)低谷時段的調(diào)峰能力分析方法。

必須指出的是，我國電力市場所面臨的調(diào)峰輔助服務(wù)問題，其根本原因是我國《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》等政策文件中對不同類型的電源出力上下限作了規(guī)定[11]。不同類型電源運(yùn)行特性不同，有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求計(jì)算中必須結(jié)合電力系統(tǒng)裝機(jī)結(jié)構(gòu)和開機(jī)方式，分析不同時段的運(yùn)行要求。

為此，本文將深入分析不同類型電源的運(yùn)行特性，重點(diǎn)分析燃?xì)狻⑺姷染邆淙諆?nèi)啟停條件的電源在低谷停機(jī)調(diào)峰期間的運(yùn)行限制；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力電量平衡要求，提出了考慮不同類型電源運(yùn)行特性的電網(wǎng)有償調(diào)峰輔助服務(wù)需求計(jì)算方法；最后基于我國某省實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性。

1　不同類型電源運(yùn)行控制特性分析

1.1　調(diào)峰輔助服務(wù)的基本要求

按照我國《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》中相關(guān)規(guī)定，電力調(diào)峰輔助服務(wù)分為基本(無償)調(diào)峰輔助服務(wù)和有償調(diào)峰輔助服務(wù)。

基本調(diào)峰輔助服務(wù)是不同類型電源必須無條件提供的調(diào)峰服務(wù)，不同類型的電源其調(diào)峰要求不同。對于并網(wǎng)運(yùn)行的燃煤機(jī)組，其基本調(diào)峰輔助服務(wù)一般為其技術(shù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行下限，我國絕大部分地區(qū)規(guī)定燃煤機(jī)組調(diào)峰深度為額定容量的50%；風(fēng)電、光伏、徑流式小水電視為不具備調(diào)峰能力的電源，可以不承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)；核電廠暫不具備日內(nèi)調(diào)峰輔助服務(wù)能力；非徑流式小水電、燃?xì)鈾C(jī)組則要求具備低谷期間停機(jī)調(diào)峰的能力。不同類型電源基本調(diào)峰輔助服務(wù)的出力調(diào)節(jié)范圍詳見表1。

表1　不同類型電源基本調(diào)峰能力

當(dāng)電網(wǎng)調(diào)峰需求超過上述電網(wǎng)基本調(diào)峰能力范圍時，則需要進(jìn)行有償調(diào)峰?？紤]到當(dāng)前負(fù)荷側(cè)響應(yīng)在我國應(yīng)用還比較有限，現(xiàn)階段主要手段包括：

1)燃煤機(jī)組深度調(diào)峰

燃煤機(jī)組深度調(diào)峰是指在低谷時段，燃煤機(jī)組低于其最小技術(shù)出力運(yùn)行以配合電力系統(tǒng)調(diào)峰。通常用調(diào)峰深度來衡量其深度調(diào)峰程度，該指標(biāo)計(jì)算公式為：

(1)

2)燃煤機(jī)組啟停調(diào)峰

燃煤機(jī)組啟停調(diào)峰是指在低谷時段，燃煤機(jī)組停機(jī)，降出力為0，配合電力系統(tǒng)調(diào)峰。由于啟停調(diào)峰時間較長，對燃煤機(jī)組設(shè)備影響較大，因此在我國日內(nèi)調(diào)度運(yùn)行中應(yīng)用較少。

3)低谷時段增加外送

低谷時段增加外送是通過增加低谷時段的外送電力、增大負(fù)荷側(cè)需求，來等效調(diào)峰的手段。其調(diào)整能力與省間送受電協(xié)議等關(guān)系密切。

1.2　電網(wǎng)基本調(diào)峰能力分析

電網(wǎng)基本調(diào)峰能力是用于反映電網(wǎng)基本調(diào)峰輔助服務(wù)能力的重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的靜態(tài)分析中，該指標(biāo)是指在不考慮外送電計(jì)劃調(diào)整的前提下，電網(wǎng)不同類型電源在高峰時段的最大出力與低谷時段各類機(jī)組提供基本調(diào)峰服務(wù)下最小出力的差，可表示為：

(2)

上述靜態(tài)分析中，實(shí)際上參照了《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》中對于燃?xì)?、非徑流式水電可停機(jī)調(diào)峰的規(guī)定。但是實(shí)際運(yùn)行過程中，上述類型電源低谷停機(jī)調(diào)峰還需要遵循其他運(yùn)行約束，主要包括：

1)電網(wǎng)及水庫安全約束

低谷時段電網(wǎng)斷面阻塞較少，主要的安全約束為部分水電、燃?xì)鈾C(jī)組需要開機(jī)配合調(diào)壓的運(yùn)行限制。此外，部分水電廠為保證生態(tài)流量和航運(yùn)要求，必須在低谷時段保持一定的出力。這種情況下，水電和燃?xì)庵恍枰獛ё畹陀泄夹g(shù)出力，該約束可表示為：

(3)

2)水電發(fā)電量約束

為保證水電正常運(yùn)行，避免由于調(diào)度安排不恰當(dāng)造成的棄水，水電廠在汛期均有發(fā)電量約束，以保證充分降低庫存。該約束可表示為：

(4)

對照上述約束限制可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的靜態(tài)電網(wǎng)基本調(diào)峰能力分析方法容易出現(xiàn)高估的情況，準(zhǔn)確的分析電網(wǎng)基本調(diào)峰能力必須做到以下兩個方面：細(xì)致考慮水庫運(yùn)行和電網(wǎng)運(yùn)行約束，留足必須開機(jī)的水電與燃?xì)猓辉谌旌侠戆才潘姲l(fā)電，避免由于發(fā)電量不滿足要求導(dǎo)致低谷時段水電廠停機(jī)棄水的情況發(fā)生。

常規(guī)PID控制只能利用一組固定參數(shù)進(jìn)行在線控制，這些參數(shù)不能兼顧動態(tài)性能和靜態(tài)性能、設(shè)計(jì)值和抑制擾動之間的協(xié)調(diào)。為此，控制系統(tǒng)引入模糊控制，在常規(guī)PID控制器初值的基礎(chǔ)上通過對其參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同誤差和誤差變化率對控制參數(shù)的不同要求，可使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

模糊PID控制結(jié)構(gòu)是一類被廣泛應(yīng)用的PID控制器，該控制器一改傳統(tǒng)PID控制器固定參數(shù)Kp、Ki、Kd的控制策略，提出了可以跟蹤誤差信號等動態(tài)改變PID控制器參數(shù)的方法，達(dá)到改善控制效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍的目的。

由模糊邏輯整定PID控制器的表達(dá)式為:

(5)

2　電網(wǎng)有償調(diào)峰需求計(jì)算方法

2.1　計(jì)算流程

基于上述機(jī)組調(diào)峰能力和電網(wǎng)基本調(diào)峰能力的分析，本文所提出的電網(wǎng)有償調(diào)峰需求計(jì)算實(shí)施流程如圖1所示。

圖1　電網(wǎng)有償調(diào)峰需求計(jì)算流程

上述計(jì)算流程包括匯總基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、發(fā)電計(jì)劃預(yù)編制、協(xié)調(diào)低谷外送和計(jì)算有償調(diào)峰需求4個步驟。

1)發(fā)電計(jì)劃預(yù)編制

基于上述對不同類型電源的運(yùn)行特性分析，充分考慮非徑流式水電、燃?xì)獾耐C(jī)要求，在不安排燃煤機(jī)組深度調(diào)峰的前提下進(jìn)行發(fā)電計(jì)劃預(yù)編制。統(tǒng)計(jì)該情況下的低谷時段因調(diào)峰能力不足導(dǎo)致的棄風(fēng)電力及對應(yīng)時段。

該部分模型見本文2.2節(jié)。

2)協(xié)調(diào)低谷外送

對于存在低谷棄風(fēng)的時段優(yōu)先通過協(xié)調(diào)外送的方式予以解決。

當(dāng)棄風(fēng)時段通過協(xié)調(diào)增加的外送電力超過因調(diào)峰能力不足導(dǎo)致的棄風(fēng)電力時，則增加外送后棄風(fēng)消除。

3)計(jì)算有償調(diào)峰需求

當(dāng)通過協(xié)調(diào)外送點(diǎn)計(jì)劃仍不能滿足棄風(fēng)電力需求時，則通過統(tǒng)計(jì)低谷時段的棄風(fēng)情況，評估所需的有償調(diào)峰需求。

該評估方法見本文2.3節(jié)。

2.2　發(fā)電計(jì)劃預(yù)編制模型

發(fā)電計(jì)劃預(yù)編制模型的目標(biāo)函數(shù)為棄風(fēng)電量最小，可表示為：

(6)

所考慮的約束條件包括：

1)電力平衡約束

可表示為：

(7)

2)出力范圍約束

可表示為：

(8)

3)非徑流水電及燃?xì)馔C(jī)約束

非徑流式水電、燃?xì)馑枰獫M足的電網(wǎng)、水庫安全約束和水電發(fā)電量約束，詳見式(3)、式(4)。

4)調(diào)度公平性約束

調(diào)度公平性約束是指當(dāng)?shù)凸日{(diào)峰不足必須通過棄風(fēng)滿足電力平衡時，要求對不同風(fēng)電場的棄風(fēng)率相同，可表示為：

(9)

(10)

2.3　測算方法

圖2　深度調(diào)峰需求示例

經(jīng)過發(fā)電計(jì)劃預(yù)編制模型求解，可以得到在低谷時段由于基本調(diào)峰能力不足所產(chǎn)生的棄風(fēng)電力曲線，如圖2中曲線PW所示。經(jīng)過協(xié)調(diào)外送計(jì)劃，低谷時段增送電力如圖2中曲線PO所示。則深度調(diào)峰需求為圖2中曲線PW和曲線PO所圍成空間S1。

需要特別說明的是，深度調(diào)峰需求并不是電量，而是一系列電力數(shù)值。

3　模糊切換方法設(shè)計(jì)

3.1　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖3　IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

本文將在IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)造算例，已驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)架接線如圖3所示。

為驗(yàn)證本文所提出的方法有效性，在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的電源類型及其特性參數(shù)如表2所示。風(fēng)電在算例中其出力由預(yù)測曲線決定，故不涉及最大技術(shù)出力和最小技術(shù)出力，其預(yù)測曲線如圖3所示。

表2　不同類型電源基本參數(shù)

3.2　結(jié)果分析

圖4　風(fēng)電預(yù)測曲線

設(shè)計(jì)兩種非徑流水電發(fā)電量限制條件：(1)發(fā)電量不低于4 500 MWh；(2)發(fā)電量不低于1 000 MWh?；诎l(fā)電計(jì)劃預(yù)編制，兩種情況下，非徑流水電廠發(fā)電曲線如圖4所示。

規(guī)定外送電計(jì)劃不能調(diào)整，則對應(yīng)的棄風(fēng)曲線如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)情況(1)下由于水電發(fā)電量限制，其低谷時段不滿足停機(jī)條件，使得基本調(diào)峰能力不足，導(dǎo)致棄風(fēng)電量超過情況(2)。而實(shí)際上，圖6中棄風(fēng)電力曲線就是兩種情況下的深度調(diào)峰需求。

圖5　非徑流式水電發(fā)電計(jì)劃曲線

圖6　有償調(diào)峰需求曲線

4　結(jié)束語

本文細(xì)致分析了不同類型電源的運(yùn)行特性，重點(diǎn)研究了非徑流式水電和燃?xì)鈨煞N電源停機(jī)調(diào)峰的運(yùn)行約束條件。在此基礎(chǔ)上提出了考慮不同電源類型的電網(wǎng)調(diào)峰需求計(jì)算方法?；谠摲椒ǖ乃憷砻?當(dāng)由于運(yùn)行特性限制導(dǎo)致低谷時段非徑流式水電或燃?xì)鈾C(jī)組不具備停機(jī)條件時，將會導(dǎo)致基本調(diào)峰能力不足，深度調(diào)峰需求增加的情況，也啟示在發(fā)電計(jì)劃編制時需要合理分配電廠電量，避免由于電量約束導(dǎo)致基本調(diào)峰能力不足的情況發(fā)生。

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