新電改下發(fā)電偏差最小的水電中長期調(diào)度模型研究

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(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

0 引 言

在傳統(tǒng)的水電中長期調(diào)度中，上網(wǎng)電價由政府定價，主要按照充分利用流域水資源的原則，以流域梯級發(fā)電量最大化為目標構(gòu)建數(shù)學模型[1-3]，優(yōu)化水庫調(diào)度運行過程。根據(jù)新電改的要求，水電企業(yè)通過參與電力市場交易獲取發(fā)電指標和電價，電量和電價均存在較大的不確定性，因此在市場環(huán)境下，水電中長期調(diào)度優(yōu)化目標已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電收益最大化[4]，對此國內(nèi)外學者進行了有意的探索。文獻[5-7]提出了電力市場環(huán)境下梯級水電站中長期調(diào)度與檢修計劃雙層優(yōu)化模型、中長期調(diào)度與跨價區(qū)交易組合雙層優(yōu)化模型，以及計及隨機和風險因素的梯級水電調(diào)度交易優(yōu)化模型，分別將檢修計劃、交易組合和電價波動性、徑流隨機性引入模型中，以期獲得最大發(fā)電收益；文獻[8]在收益最大化模型中引入了豐枯電價，對單站的優(yōu)化調(diào)度進行了研究。但這些研究大都只是進行理論模型的探索，研究結(jié)果難以直接指導水電企業(yè)參與電力市場中長期交易的實踐。

新電改明確要求繼續(xù)有序放開發(fā)用電計劃，加快推進電力市場化交易，完善直接交易機制，發(fā)電企業(yè)上網(wǎng)電價除政府定價的方式外，還可參與電力市場交易，通過協(xié)商、市場競價等方式確定。在新電改的形勢下，水電發(fā)電企業(yè)不僅需要通過降低發(fā)電耗水率、實施梯級統(tǒng)一調(diào)度等技術(shù)手段提升自身的市場競爭力，還應(yīng)采取以電力市場交易指導生產(chǎn)，積極調(diào)整中長期交易量價結(jié)構(gòu)，開展水電聯(lián)調(diào)等措施，以降低偏差考核風險。

下面以水電站中長期交易合同電量執(zhí)行偏差最小為目標函數(shù)，考慮水電站運行約束及電力市場交易電量約束，構(gòu)建了考慮不同交易品種的水電站中長期調(diào)度模型并求解。采用動態(tài)規(guī)劃算法，以四川省某電站為例進行了研究。

1 水電中長期調(diào)度模型構(gòu)建

《電力中長期交易基本規(guī)則(暫行)》(發(fā)改能源〔2016〕2784號)提出：在市場中獲得的中長期合同電量，在進行月度分解執(zhí)行時，如超過一定比例將受到經(jīng)濟懲罰，中長期合同電量執(zhí)行情況將影響水電企業(yè)的經(jīng)濟效益。在此背景下，以合同電量執(zhí)行偏差最小為目標，構(gòu)建水電中長期調(diào)度模型。

1.1 目標函數(shù)

水電站發(fā)電偏差最小：

(1)

其中，

Pt=mt+ft

(2)

mt=m1,t+m2,t+…+mn,t

(3)

式中：t為時段變量；T為年內(nèi)計算總時段數(shù)(以旬為單位)，中長期合約中T=1，2，……，36；A為水電站的出力系數(shù)；Qt為水電站第t時段的發(fā)電流量，m3/s；Ht為水電站第t時段的水頭，m；Δt為計算時段長度，s；Pt為合約電量，MWh；ft為跨省跨區(qū)交易電量，MWh；mt為省內(nèi)交易電量，包括電力直接交易電量、富余電量增量交易電量、豐水期居民生活電能替代采購交易電量、發(fā)電側(cè)合同電力轉(zhuǎn)讓交易電量、偏差電量調(diào)整交易電量和輔助服務(wù)交易電量等，MWh；n為省內(nèi)電力交易品種mi,t的個數(shù)，由實際成交情況決定。

1.2 約束條件

1)水量平衡約束

Vt+1=Vt+(qt-Qt-St)Δt?t∈T

(4)

式中：Vt+1為水電站第t時段末水庫蓄水量，m3；Vt為水電站第t時段初水庫蓄水量，m3；qt為水電站第t時段入庫流量，m3/s；St為水電站第t時段棄水流量，m3/s；Δt為計算時段長度，s。

2)水庫蓄水量約束

(5)

3)水庫下泄流量約束

(6)

4)電站出力約束

(7)

5)非負條件約束

上述所有變量均為非負變量(≥0)。

2 模型求解

動態(tài)規(guī)劃算法是尋求多階段決策過程的一種最優(yōu)化方法，它能處理各種目標函數(shù)和多約束條件下的復雜最優(yōu)化問題，且對于非線性、不連續(xù)、多變量、隨機性、多階段等許多復雜問題的求解比較成熟，能將龐大的m·n維問題變成n個m維問題求解，大大減少了求解難度，計算簡便，且能獲得全局最優(yōu)解。水電站水庫調(diào)度過程是一個多階段的決策過程，目標函數(shù)和約束條件同樣具有非線性、不連續(xù)、多變量、多階段和隨機性特點，因此動態(tài)規(guī)劃算法在水庫優(yōu)化調(diào)度研究和水電站運行調(diào)度中得到了極為廣泛的應(yīng)用[9]。下面采用動態(tài)規(guī)劃算法求解水電中長期調(diào)度模型。

動態(tài)規(guī)劃算法的基本求解思路是將過程分成若干個互相聯(lián)系的階段，即子問題，將各階段按照一定的次序排列好之后，對于某個給定的階段狀態(tài)，先求解子問題，然后通過各子問題的解得到原問題的解。這里以水電站發(fā)電偏差最小為目標函數(shù)，以年為計算周期、旬為計算時段，將各時段末水庫水位離散作為狀態(tài)變量，以時段合約電量和實發(fā)電量的偏差電量為決策變量，求解水電中長期調(diào)度模型。即將一年內(nèi)水電站累計發(fā)電偏差最小化問題劃分為36個時段對應(yīng)的36個發(fā)電偏差最小化問題，大大減少了計算量，提升了計算速率，水庫水位離散示意圖如圖1所示。

表1 水庫特征水位特征庫容

圖1 動態(tài)規(guī)劃算法的水庫水位離散示意

3 實例分析

為驗證所建模型的合理性和有效性，以四川省某電站為研究對象，并結(jié)合《四川電力中長期交易規(guī)則(暫行)》(川監(jiān)能市場〔2017〕51號)和《2018年四川電力交易指導意見》(川監(jiān)能市場〔2018〕40號)的具體內(nèi)容進行實例分析。

1)電力市場交易規(guī)則

《2018年四川電力交易指導意見》(川監(jiān)能市場〔2018〕40號)指出：水電參加上下調(diào)服務(wù)引起的增發(fā)電量及減發(fā)電量按照機組預掛牌形成的上、下調(diào)價格進行結(jié)算；下調(diào)減發(fā)電量不大于2%時不補償，超過2%時全額獲得補償；2%以內(nèi)的少發(fā)電量免于支付偏差考核費用，2%及以上的少發(fā)電量按系統(tǒng)上調(diào)電量補償單價支付偏差考核費用；棄水期，超發(fā)電量不予結(jié)算，2%以內(nèi)的超發(fā)電量免于支付偏差考核費用，2%及以上的超發(fā)電量按月度增量直接交易最高成交價的10%支付偏差考核費用；未棄水期，超發(fā)電量按60元/MW時進行結(jié)算。因此，發(fā)電廠商為了免于支付偏差考核費用，應(yīng)當按照合約電量指導發(fā)電生產(chǎn)，盡量將發(fā)電偏差控制在2%以內(nèi)，以獲取期望的發(fā)電收益。

2)計算基礎(chǔ)資料

選取四川省某水電站為研究對象，進行基于發(fā)電偏差最小化的水電中長期調(diào)度模型合理性和有效性驗證，該水電站為四川省某流域水電梯級開發(fā)的下游控制性水庫工程，具有不完全年調(diào)節(jié)能力，電站采用堤壩式開發(fā)，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用效益的大型水電工程。壩址控制流域面積68 512 km2，占全流域面積77 400 km2的88.53%，電站總裝機容量3600 MW，電站多年平均年發(fā)電量為1.458×1010kWh，保證出力為926 MW。水庫主要特征參數(shù)見表1。

3)計算結(jié)果及分析

基于以水電站發(fā)電量與合約電量偏差最小化為目標的水電中長期交易模型，以旬為計算時段，選取四川省某水電站為研究對象，采用動態(tài)規(guī)劃算法進行模型求解，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 四川某電站典型年出力和水位過程

受水庫調(diào)節(jié)能力和來水的影響，水庫水位分別在4月下旬(枯期末)和5月下旬(汛期初)消落至死水位790 m，在10月上旬蓄滿，整個10月保持最高水位850 m運行，為枯期保持了較高的水頭，滿足水庫運行方式的要求；水庫各時段均未發(fā)生棄水，水量利用率高達100%。四川省某電站典型年偏差分析結(jié)果見圖3，通過對比水電站實發(fā)電量和合約電量過程發(fā)現(xiàn)，各時段發(fā)電偏差均在0.6%以內(nèi)，其中正偏差最大值出現(xiàn)在1月中旬，為0.6%，負偏差最大值出現(xiàn)在2月下旬，為-0.59%，月平均偏差均能控制在0.5%以內(nèi)，滿足交易規(guī)則的不大于2%的偏差控制要求，企業(yè)可免于支付偏差考核費用。

圖3 四川某電站典型年偏差分析

4 結(jié) 語

隨著電力市場化改革的不斷深化，中國能源結(jié)構(gòu)將進一步優(yōu)化，水電作為清潔可再生能源，在新電改的形勢下機遇和挑戰(zhàn)并存。傳統(tǒng)以發(fā)電量最大為目標的水電站調(diào)度準則已不能適應(yīng)電力市場發(fā)展的趨勢。結(jié)合新電改對水電調(diào)度的新要求，提出了發(fā)電偏差最小化的水電中長期調(diào)度模型，通過實例分析驗證，模型是有效和適用的。

對參與電力市場中長期交易的水電優(yōu)化調(diào)度進行探索，對于水電企業(yè)中長期合同電量的執(zhí)行具有較強的指導意義。在今后的研究中，可進一步研究水電企業(yè)參與區(qū)域電力市場中長期交易的不同交易品種組合策略。