基于成本最優(yōu)的抽水蓄能電站參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)用順序研究

張晉芳，元 博，樊玉林，王曉晨，栗 楠，徐志成，馮君淑

(1.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京102209；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京100761)

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各地區(qū)電力負荷快速增長，系統(tǒng)負荷峰谷差不斷增大。我國除四川、青海等省份外的其他地區(qū)電源結(jié)構(gòu)中煤電比重最大，同時調(diào)峰電源以煤電為主[1]。根據(jù)能源電力領(lǐng)域“十三五”發(fā)展規(guī)劃等相關(guān)政策和戰(zhàn)略，未來我國將大力發(fā)展核電、風電、太陽能等清潔能源，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，推進節(jié)能減排和低碳電力發(fā)展[2]。出于安全、經(jīng)濟及環(huán)境等方面的考慮，核電出力基本保持不變，只運行于基荷位置，不參與系統(tǒng)日調(diào)峰；風電、太陽能發(fā)電出力具有隨機性和間歇性，風電出力常具有反調(diào)峰特點，風電、太陽能發(fā)電裝機的大規(guī)模并網(wǎng)將加重系統(tǒng)的調(diào)峰負擔[3]。抽水蓄能電站兼有調(diào)峰和儲能的雙重功能，啟停方便，是我國最主要的系統(tǒng)調(diào)峰電源[4- 10]。

囿于現(xiàn)有電力市場體制，電網(wǎng)啟用抽水蓄能電站費用比較高，往往只有在電網(wǎng)負荷突變、負荷大低谷或負荷超高峰時，才會啟用作業(yè)，這也形成了抽蓄機組長時間閑置、利用率不高。2015年4月國家能源局發(fā)布了《華北華東區(qū)域抽水蓄能電站運營情況監(jiān)管報告》，特別強調(diào)“抽蓄電站與其他類型機組在調(diào)峰、事故備用的調(diào)用順序上沒有明確規(guī)定，對抽蓄電站的調(diào)用合理性難以進行精確評價?！盵7]因此開展抽水蓄能電站與其他電源共同參與調(diào)峰的調(diào)用順序研究具有積極的現(xiàn)實意義，研究確定調(diào)峰調(diào)用順序相關(guān)規(guī)則能夠為科學(xué)合理地監(jiān)管抽水蓄能電站運行調(diào)度提供參考。

1 調(diào)用順序研究關(guān)鍵指標定義

1.1 連續(xù)爬坡事件

負荷變化具有一定趨勢性，連續(xù)時間段內(nèi)的爬坡事件具有同樣的性質(zhì)可能性較大。因此將這樣一系列爬坡事件定義為一個連續(xù)爬坡事件，連續(xù)爬坡事件最少為一個爬坡事件。如圖1所示，6:00～12:00，連續(xù)發(fā)生7次上爬坡事件，形成一個連續(xù)上爬坡事件。針對典型日負荷曲線，存在3個連續(xù)上爬坡事件和4個連續(xù)下爬坡事件。本文研究中以連續(xù)爬坡事件發(fā)生為調(diào)用順序研究對象。

圖1 典型日連續(xù)爬坡事件分布

1.2 單位調(diào)節(jié)容量成本

單位調(diào)節(jié)容量成本與連續(xù)爬坡事件緊密關(guān)聯(lián)，用于衡量在連續(xù)爬坡事件內(nèi)調(diào)峰電源出力實現(xiàn)跟隨爬坡過程中成本變化情況，與該時間段內(nèi)的調(diào)節(jié)容量以及調(diào)節(jié)總成本直接關(guān)聯(lián)。本研究中考慮煤電燃料成本是出力的二次函數(shù)，因此需要逐時刻計算煤電成本增量并累計形成調(diào)節(jié)總成本，而氣電等成本考慮為出力的一次函數(shù)。對抽水蓄能，發(fā)電工況不考慮成本，抽水工況需要針對抽蓄處于“電動機”狀態(tài)時的電力來源進行劃分后考慮抽水的成本問題。

2 調(diào)用順序研究基本思路與數(shù)學(xué)模型

2.1 基本思路

問題描述為調(diào)度機構(gòu)在時刻t預(yù)測到時刻t′將出現(xiàn)調(diào)峰需求At′，現(xiàn)有抽蓄、煤電、燃氣、常規(guī)水電、核電、風電、太陽能、需求側(cè)響應(yīng)等若干手段可提供調(diào)峰容量，如何決策各個機組分別調(diào)用多少容量用于t′時刻調(diào)峰，并決策調(diào)用順序。

2.2 目標函數(shù)

(1)需要上調(diào)峰時minZ

(1)

(2)需要下調(diào)峰時minZ

(2)

式中，γ′、a′、λ、δ分別代表氣電、核電下調(diào)峰成本系數(shù)、棄風棄光成本系數(shù)、棄水成本系數(shù)。

2.3 運行約束條件

(1)調(diào)峰平衡約束

(3)

(4)

(2)抽蓄約束

①出力上下限約束

(5)

式中，Ppump，min，Ppump，max代表抽蓄最小出力、最大出力。

②上、下水庫動態(tài)容量約束

(6)

③上、下水庫容量約束

(7)

表1 煤電機組技術(shù)參數(shù)

注：a、b、c分別代表用二次函數(shù)表示機組煤耗曲線對應(yīng)參數(shù)，單位：萬元/kW2、萬元/kW、萬元

式中，Wumin，Wumax代表上水庫最小庫容、最大庫容；Wlmin，Wlmax代表下水庫最小庫容、最大庫容；Wreserve代表上水庫保留庫容。

同一時刻，抽蓄工作位置只能是抽水或者發(fā)電一種狀態(tài)，約束為

(8)

(3)其他約束條件

與常規(guī)的安全經(jīng)濟調(diào)度模型的約束條件相同，包括有功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用約束、常規(guī)機組出力約束、機組爬坡約束、機組最小停機/開機時間約束等，本文不再贅述。

2.4 基本流程

(1)準備電源、電網(wǎng)、負荷數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)負荷預(yù)測判斷爬坡事件性質(zhì)、時刻以及持續(xù)時間。

(3)根據(jù)機組組合和經(jīng)濟調(diào)度確定爬坡事件發(fā)生前一刻系統(tǒng)內(nèi)運行機組的狀態(tài)，包括開機情況、出力水平、可調(diào)節(jié)容量、調(diào)節(jié)成本等。

(4)針對某一連續(xù)爬坡事件過程，在優(yōu)先考慮消納水風光等清潔能源基礎(chǔ)上，按照單位調(diào)節(jié)成本情況對各類調(diào)峰手段的調(diào)用順序進行優(yōu)化排序。

(5)統(tǒng)計分析單一連續(xù)爬坡事件內(nèi)各類機組的單位調(diào)節(jié)成本，其中火電成本與火電出力水平、是否啟停有關(guān)，核電與核電出力水平有關(guān)。

(6)抽蓄電站考慮日調(diào)節(jié)及周調(diào)節(jié)類型，當處于抽水工況時，所消耗電能成本，即“抽水成本”等于為供給其抽水而導(dǎo)致的其它機組增加的發(fā)電成本。

3 算例驗證

基于MATLAB軟件環(huán)境，利用軟件包YALMIP，用MATLAB語法來描述前述規(guī)劃優(yōu)化模型，并采用商業(yè)化軟件包GUROBI7.2求解器進行求解。

3.1 測試算例及基本參數(shù)

測試算例系統(tǒng)以某實際系統(tǒng)為基準，將電源簡化為煤電機組3臺、氣電機組2臺、核電機組1臺、水電機組2臺、抽蓄機組2臺、風電場1個、光伏電站1個以及聯(lián)絡(luò)線1條。各系統(tǒng)參數(shù)見表1～6。

表2 氣電機組技術(shù)參數(shù)及初始狀態(tài)

表3 核電機組技術(shù)參數(shù)及初始狀態(tài)

表4 水電機組技術(shù)參數(shù)及初始狀態(tài)

表5 抽蓄機組抽水、發(fā)電工況參數(shù)

表6 抽蓄機組上下水庫約束

考慮負荷典型日對應(yīng)的風電、光伏出力特性(圖2)，其中風電出力具有很強的波動性，而且呈現(xiàn)出較為明顯的反調(diào)峰特性。光伏出力特性接近正弦形狀，出力時間段為7～19時，持續(xù)時間13個小時，與負荷午高峰時段重疊，最高出力接近100%。

另外，聯(lián)絡(luò)線功率為100萬kW，采用恒定功率模式，典型日負荷曲線如圖1所示，負荷峰谷差率為27%，平均負荷水平為90%。

圖2 負荷典型日對應(yīng)風電、光伏出力曲線

3.2 連續(xù)爬坡事件算例分析

(1)連續(xù)上爬坡事件01。根據(jù)單位調(diào)節(jié)容量成本進行排序，如表7所示。電源調(diào)節(jié)調(diào)用順序依次為：煤電01、煤電02、氣電01以及抽蓄01。另外，水電01、水電02、風電、光電在連續(xù)上爬坡事件01中按照零單位調(diào)節(jié)容量成本首先被調(diào)用。本次爬坡事件風電爬坡功率為負值，呈現(xiàn)出一定的反調(diào)峰特性，光電爬坡功率為正值，呈現(xiàn)出正調(diào)峰特性，其他參與調(diào)節(jié)電源均呈現(xiàn)為正調(diào)節(jié)特性。

表7 連續(xù)爬坡事件下參與調(diào)峰的機組爬坡功率統(tǒng)計

(2)連續(xù)下爬坡事件01。根據(jù)單位調(diào)節(jié)容量成本進行逆向排序(表7)，調(diào)用順序依次為：煤電02、煤電01、煤電03，另外繼續(xù)調(diào)節(jié)水電01、水電02。本次爬坡事件風電爬坡功率為正值，呈現(xiàn)出一定的反調(diào)峰特性，其他參與調(diào)節(jié)電源均呈現(xiàn)為負調(diào)節(jié)特性。

3.3 算例結(jié)果總結(jié)分析

從連續(xù)上爬坡事件來看，事件周期內(nèi)水風光出力因其邊際成本優(yōu)勢被優(yōu)先調(diào)用，爬坡不足部分由其他常規(guī)電源滿足，煤電、氣電常處于其次被調(diào)用的順序，抽蓄調(diào)用順序較為靠后。從連續(xù)下爬坡事件來看，常規(guī)電源因其發(fā)電成本約束，往往最先被調(diào)用，抽蓄調(diào)用順序往往與事件周期內(nèi)水風光出力與負荷出力相關(guān)性有關(guān)，若呈現(xiàn)負相關(guān)性，抽蓄往往調(diào)用以抽水工況來增加水風光消納，若呈現(xiàn)正相關(guān)性，則可能抽蓄并不參與調(diào)用。

4 結(jié) 論

單位調(diào)節(jié)容量成本可以作為衡量抽水蓄能電站與其他電源共同參與系統(tǒng)調(diào)峰時調(diào)用順序安排的關(guān)鍵依據(jù)。本文在建立基于成本最優(yōu)的調(diào)峰手段調(diào)用順序模型基礎(chǔ)上，考慮不同性質(zhì)連續(xù)爬坡事件，對抽水蓄能電站與其他電源共同參與系統(tǒng)調(diào)峰的調(diào)用順序進行了研究。算例研究表明，一定邊界條件下，抽水蓄能機組的并非總是排在第一位被調(diào)用，調(diào)用順序與系統(tǒng)中其他類電源的運行狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)；另外，各類調(diào)節(jié)手段綜合應(yīng)對同一調(diào)峰需求時，調(diào)節(jié)方向和貢獻程度上存在差異。下一步研究中將充分考慮其他儲能形式、需求側(cè)管理、互聯(lián)電網(wǎng)調(diào)峰互濟等手段排序問題。