大規(guī)模風(fēng)電接入的靈活性資源優(yōu)化配置方法

段士偉，楊修宇，柴仁勇，徐銘宏，柴國峰，晏 鋒

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室(東北電力大學(xué))，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)贛西供電公司，江西 新余 338025)

近年來，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是應(yīng)對氣候惡化、傳統(tǒng)能源枯竭的重要舉措之一，我國風(fēng)資源豐富，截止到2018底，風(fēng)電累計裝機容量為209.53 GW，新增并網(wǎng)容量為21.53 GW.但風(fēng)電與常規(guī)電源不同，其波動性和隨機性較強，難以對其準確地預(yù)測與控制[1].隨著風(fēng)電裝機容量的不斷加大，電力系統(tǒng)中源荷側(cè)的雙重不確定性也隨之增大，出現(xiàn)了系統(tǒng)對調(diào)節(jié)能力的不足，造成了風(fēng)力發(fā)電出力受限，棄風(fēng)量大大增加.然而.目前火電在電源側(cè)仍占據(jù)著主要位置，單靠火電機組不能解決靈活資源短缺的困境，必須充分挖掘系統(tǒng)的調(diào)節(jié)潛力，解決調(diào)節(jié)能力不足的問題，進而帶動風(fēng)電的消納.

所謂的靈活性是指在在系統(tǒng)運行的有功平衡中，對多種資源進行優(yōu)化調(diào)配，在保證經(jīng)濟性的前提下具有滿足發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的作用.在某些情景下，系統(tǒng)靈活性也指靈活性供給相對其需求的充裕程度[2-3].電力系統(tǒng)靈活性資源主要包括常規(guī)機組、儲能和需求側(cè)響應(yīng).

目前已有不少學(xué)者針對火電機組的靈活性改造、儲能以及負荷側(cè)需求響應(yīng)等靈活性資源進行研究分析.當(dāng)前火電仍是主要的電源方式，如果能夠充分挖掘火電的靈活潛力，將能夠較好的增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)空間.但目前關(guān)于深度調(diào)峰的研究針對于技術(shù)改造與運行，對機組改造和其他靈活性資源協(xié)調(diào)優(yōu)化的研究較少.文獻[4]通過合理分配負荷等措施，實現(xiàn)鍋爐不投油穩(wěn)燃，使兩臺機組參與深度調(diào)峰，并計算出其節(jié)省的燃油費；文獻[5]對德國發(fā)電廠靈活性改造的技術(shù)經(jīng)濟性進行分析.文獻[6]針對火電不同調(diào)峰深度與系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的關(guān)系進行了分析，但沒有分析多類型電源協(xié)調(diào)優(yōu)化的影響.儲能作為現(xiàn)階段研究最熱的靈活性資源，具有電源和負荷的雙重特性.文獻[7]指出調(diào)峰能力對風(fēng)電消納起主要作用，并提出了以電源與負荷特性和調(diào)峰能力結(jié)合后對風(fēng)電消納能力的評估體系.文獻[8]以東北某省的實際運行情況根據(jù)遼寧電網(wǎng)近年來運行的實際情況，指出調(diào)峰在低谷期將是制約風(fēng)電消納的關(guān)鍵因素，儲能技術(shù)實用化和加強對火電機組深度調(diào)峰的管理力度是將成為改善消納風(fēng)電規(guī)模的有效措施.DR可以有效改善負荷側(cè)的靈活性，其具有快速響應(yīng)、調(diào)度靈活方便的特點.文獻[9]在分時電價(TOU)的基礎(chǔ)上建立了對風(fēng)電消納的優(yōu)化模型，驗證了分時電價可以有效改善風(fēng)電消納困難的問題.文獻[10]對未來規(guī)劃需求響應(yīng)的必要性進行了有效分析，并針對實施方法提出了許多建議.

上述研究成果多是針對一種靈活性資源進行規(guī)劃，并未涉及多類靈活性資源相互作用關(guān)系，缺乏對充分挖掘靈活性潛力的研究，因此如何提高電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，提升系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力，是當(dāng)前研究的重點.因此本文從源荷兩側(cè)入手，引入儲能、DR機制以及火電改造，首先對三者進行特性分析，然后提出在某一滲透率下三者的成本模型，建立大規(guī)模風(fēng)電接入后多類型靈活性資源的優(yōu)化配置模型，最后通過算例證明了所提出模型的有效性.

1 靈活性指標及供需平衡分析

1.1 靈活性指標

根據(jù)研究分析，描述電力系統(tǒng)靈活性的指標主要包括靈活性調(diào)節(jié)能力，機組的爬坡功率(向上發(fā)電能力和向下發(fā)電能力反應(yīng)了系統(tǒng)在不同方向的靈活性)和調(diào)節(jié)速率等.電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力有限是制約可再生能源消納的最為主要的原因.本節(jié)主要對靈活性的調(diào)節(jié)能力展開分析.

其上、下調(diào)能力定義如下：

t時刻的最大上、下調(diào)節(jié)能力指的是在一定時間尺度下ΔT下，考慮靈活性資源調(diào)節(jié)能力約束和安全下的最大向上、向下發(fā)電容量，即為PUt、PDt.

(1)

公式中：EUt、EDt為儲能的上、下調(diào)靈活性；FUt、FDt為負荷側(cè)響應(yīng)的上、下調(diào)靈活性；HUt、HDt為火電機組的最大、最小出力；Pt為凈負荷出力.

1.2 靈活性供需平衡分析

靈活性資源供給、需求平衡示意圖，如圖1所示.

從圖1中可以看出，大規(guī)模風(fēng)電接入后的凈負荷曲線與傳統(tǒng)負荷曲線相比，主要的變化體現(xiàn)在：

(1)凈負荷曲線較原始負荷曲線峰谷差明顯增大；

(2)僅依靠常規(guī)電源難以保證調(diào)節(jié)能力充足，在某些時段會出現(xiàn)靈活性供給不足進而發(fā)生棄風(fēng)現(xiàn)象；

(3)需要充分挖掘其他的靈活性潛力，滿足系統(tǒng)的靈活性需求.

2 各類靈活性資源特性分析

2.1 火電機組靈活性改造對系統(tǒng)靈活性供需平衡的影響

以火電機組的靈活性為樣本進行分析其基本原理.對于火電機組靈活性，主要包括調(diào)峰能力、爬坡速度以及啟停能力.其中，調(diào)峰能力是指機組出力可以到達的運行負荷下限的能力[11].因此，本文主要對現(xiàn)有的火電機組進行深度改造進行分析，以滿足在大規(guī)模風(fēng)電接入下的需求.火電機組靈活性改造消納風(fēng)電的三種模式基本原理，如圖2所示.

圖2所滿足的功率平衡關(guān)系為

PH，t+PHG，t=Pl，t-Pw，t-PWQ，t，

(2)

公式中：PH，t為火電機組常規(guī)出力；PHG，t為火電改造部分出力；Pl，t為負荷功率PW，t為風(fēng)電功率；PWQ，t為棄風(fēng)功率.

(1)典型日場景內(nèi)風(fēng)電發(fā)電較小，凈負荷與負荷相差不大.安裝凈負荷最大值留有一定備用就能夠保證日內(nèi)靈活性充裕；

(2)典型日場景內(nèi)風(fēng)電發(fā)電加大，在沒有進行火電深度改造前，出現(xiàn)了調(diào)峰深度不足棄風(fēng)現(xiàn)象，但火電機組經(jīng)過深度改造后使內(nèi)日靈活性充足；

(3)在第2中典型場景的基礎(chǔ)上，雖然進行了火電機組改造，但仍然出現(xiàn)了調(diào)峰深度不足現(xiàn)象.

從圖2中可以看出，通過采用火電機組靈活性改造的手段增加調(diào)節(jié)能力，可以有效減少負荷低谷時期的棄風(fēng)電量，緩解系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求困難，但也存在參與發(fā)電的火電機組全部進行改造也會有靈活性資源不足的場景，會產(chǎn)生大量的棄風(fēng)，此時需要其他的靈活性資源參與.同理，儲能和需求側(cè)相應(yīng)的消納機理同火電改造類似.

2.2 火電機組靈活性改造的經(jīng)濟分析

(1)優(yōu)化的目標是總成本最小化，目標函數(shù)為

F1=min(A1+A2+A3)，

(3)

公式中：F1為優(yōu)化目標總成本；A1為火電機組靈活性改造的總投資成本；A2為規(guī)劃期內(nèi)切負荷懲罰成本；A3為棄風(fēng)懲罰成本；ICg單位火電靈活性改造成本；Capg為火電靈活性改造功率.

(2)棄風(fēng)量的計算

每天的棄風(fēng)量與風(fēng)電利用量相加等于風(fēng)電最大量發(fā)電量，即

Pt，w+Pt，ab=Pt，w，max，

(4)

公式中：Pt，w為第t時段使用的風(fēng)電出力；Pt，ab為t時刻的棄風(fēng)功率；Pt，w，max為t時刻的最大風(fēng)電出力；T為短期調(diào)度中時間段t的集合，每個時間段代表5 min.

2.3 儲能的特性分析

儲能系統(tǒng)具有電源和負荷的雙重特性，在負荷低谷期，儲能能夠充當(dāng)負荷把多余的可再生能源發(fā)電量儲存起來；在負荷高峰期，儲能又可以將低谷期儲存的電能釋放出來，為電力系統(tǒng)供電，緩解系統(tǒng)的供電壓力.

本文是以棄風(fēng)量最小，且運行成本最低為優(yōu)化目標.在目標函數(shù)中引入棄風(fēng)懲罰費用.因此在儲能的運行過程中，對成本產(chǎn)生影響的因素的主要為運行成本、環(huán)境收益以及棄風(fēng)懲罰成本.優(yōu)化目標函數(shù)為

F2=min(B1+B2)，

(5)

公式中：B1為儲能的建設(shè)投資成本；B2為棄風(fēng)懲罰成本.

其中儲能建設(shè)投資成本為

B1=Pprice，M(PC，t+PD，t)Δt，

(6)

公式中：Pprice，M為儲能系統(tǒng)運行成本單價.

2.4 負荷側(cè)需求響應(yīng)的特性分析

需求響應(yīng)包括負荷削減與負荷轉(zhuǎn)移，前者指將某時段的用電需求徹底削減而不在其他時段再次出現(xiàn)，后者指將某時段的負荷需求轉(zhuǎn)移至其他時段.需求側(cè)響應(yīng)能夠以較低成本提供靈活性，但由于需求側(cè)彈性的限制，實際需求側(cè)參與比例較低，需要結(jié)合其他的靈活性資源一起使用.

負荷側(cè)需求響應(yīng)成本主要為

C3=IdcPdc+IdsPds+I1，dcWdc+I2，dsWds，

(7)

公式中：Idc與Ids為每MW負荷削減與負荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)資源的前期成本；Pdc與Pds為負荷削減與負荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)資源規(guī)劃功率；I1，dc與I2，ds為單位容量削減的負荷與負荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)成本；Wdc與Wds為負荷削減與負荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)容量.

3 靈活性資源規(guī)劃模型

本文針對大規(guī)模風(fēng)電接入后導(dǎo)致系統(tǒng)靈活性不足的困境，提出采用多類型靈活性資源優(yōu)化配置模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示.

本規(guī)劃模型以各時刻火電機組總出力值為基礎(chǔ)，在對典型場景進行靈活性供需關(guān)系分析的前提下結(jié)合各火電單元改造、儲能以及負荷側(cè)需求響應(yīng)的的運行特性，以整體運行成本最小為目標，求解各靈活性資源的的最優(yōu)配置.

(1)本文的整體規(guī)劃模型是以規(guī)劃期內(nèi)火電改造、儲能投資、負荷側(cè)需求響應(yīng)三者總投資最小為目標進行優(yōu)化，其目標函數(shù)為

minF=A1+A2+B1+C3.

(8)

(2)火電出力約束

火電機組出力范圍為

(1-xj)Pj，min+xjPj*，min≤Pj，t≤Pj，max，

(9)

公式中：Pj，max為機組j的出力上限；Pj，min為機組j靈活性改造前的出力下限；Pj*，min為機組j靈活性改造后的出力下限.

(3)儲能約束條件

(10)

公式中：PC、PF為儲能充放的最大功率，一般與儲能額定功率相等.

(4)負荷功率范圍約束為

sj，tPmin，j≤Pj，t≤sj，tPmax，j，

(11)

公式中：sjt為在t時刻可轉(zhuǎn)移負荷的狀態(tài)，當(dāng)sjt為1時，可轉(zhuǎn)移負荷在時段t運行；當(dāng)sjt為0時，可轉(zhuǎn)移負荷在時段t中的值為0；Pmax，j和Pmin，j為可轉(zhuǎn)移負荷允許的負荷功率最大值與最小值.

(5)典型場景的獲取

4 算例分析

本算例以某網(wǎng)實測負荷數(shù)據(jù)為仿真對象，算例中火電裝機為690 MW，風(fēng)電裝機360 MW，火電機組其改造前最小出力為裝機容量的0.5，改造后最小出力潛力為0.3，靈活性改造成本1 200元/KW；儲能成本6 450元/KW(功率和能量配置為1∶5)；DR功率和容量成本見表1.DR響應(yīng)潛力假設(shè)為最大負荷的10%，棄風(fēng)和切負荷懲罰成本分別為0.63元/KW·h和13.6元/KW·h，原則上以完全消納風(fēng)電為主，但有的場景比較特殊，若要全部消納風(fēng)電，成本較高，容易造成資源浪費，因此允許棄風(fēng)率上限為5%.

表1 系統(tǒng)響應(yīng)成本信息

(1)單一靈活性資源配置分析

單一靈活性資源本置成本，如表2所示.從表2中可以看出，單一靈活性資源在解決靈活性不足問題時均存在問題，對火電進行改造21臺，雖然成本較低，但會造成較大棄風(fēng)，儲能單獨配置時，需要配置200 MW·h，雖然能有效解決棄風(fēng)問題，但成本較高.因此本文提出對多種靈活性資源優(yōu)化配置的方法，在解決靈活性不足的同時成本也最優(yōu).

表2 單一靈活性資源配置成本

(2)多類型靈活性資源的優(yōu)化配置

利用前面的場景生成方法對上述可再生能源電量占比的負荷—風(fēng)電數(shù)據(jù)進行場景生成，得到典型場景共32天.在利用經(jīng)濟性最優(yōu)的條件下利用火電靈活性改造—DR—能三類靈活性資源解決靈活性不足問題，得到如表3所示的資源配置成本.

表3 多類型靈活性資源配置成本

(1)優(yōu)化效果分析

對負荷和風(fēng)電場景的聚類，需要規(guī)劃的典型場景，如圖5所示.對典型場景進行靈活性資源規(guī)劃的效果圖，如圖6所示.靈活資源優(yōu)化前后靈活性裕度，如圖7所示.從圖6(a)圖中可以得出，雖然負荷側(cè)響應(yīng)成本較低，但儲能容量足以接納此時的風(fēng)電，因此不需要負荷響應(yīng).與單一成本最低進行配置靈活性資源方法降低了成本.圖6(b)是典型場景中最嚴重的情況，此時三種靈活性資源已經(jīng)進行了整體優(yōu)化配置，棄風(fēng)量也較少.同時，從圖7可以得出，對靈活性資源進行優(yōu)化配置后，下調(diào)靈活性嚴重不足的情況得到明顯改善.

(2)優(yōu)化經(jīng)濟性分析

對所有的典型場景進行靈活性資源優(yōu)化配置得到的成本，如表3所示.可以得出總成本為8.131億元，其中火電改造了21臺，儲能建設(shè)了60 MW.h，負荷側(cè)響應(yīng)了1 054 MW.較單一火電改造雖然成本有所增加，但棄風(fēng)率大大降低，有效的對風(fēng)電進行消納.與單一配置儲能相比，成本大大較低，但棄風(fēng)量相差不大.

5 結(jié) 論

針對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)時系統(tǒng)靈活性不足產(chǎn)生的問題，提出了一種多類型靈活性資源的優(yōu)化配置，主要結(jié)論如下：

(1)在高比例滲透率下，單純依靠火電靈活性改造將不能滿足系統(tǒng)靈活性需求，此時需要現(xiàn)有的靈活性資源相互配合.

(2)在大規(guī)模風(fēng)電接入下，火電的工作空間進一步減少，靈活性能力供給弱化，而負荷側(cè)需求響應(yīng)在應(yīng)用時具有一定的局限性.而儲能作為一個“未滿可充，未空可放”以及分布方便的靈活性資源，在未來實現(xiàn)高比例風(fēng)電接入場景中將起到關(guān)鍵作用.

(3)多類型靈活性資源優(yōu)化配置模型與單一類型/兩種類型組合相比，能夠以較少的成本解決調(diào)節(jié)能力不足的問題，并且有效降低棄風(fēng)率.