考慮棄風(fēng)成本和深度調(diào)峰成本的棄風(fēng)臨界值計(jì)算

蔡振華，李立雄

(1. 湖南城市學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 智慧城市能源感知與邊緣計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 益陽(yáng) 413000)

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力調(diào)峰的電源種類(lèi)繁多，2018 年，國(guó)內(nèi)累計(jì)總發(fā)電量7 111.8 TWh，其中火電機(jī)組發(fā)電量占總發(fā)電量的 66.5%；新能源發(fā)電總量為634.2 TWh，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量占新能源發(fā)電總量的 57.7%[1].在傳統(tǒng)發(fā)電與新能源協(xié)同調(diào)峰的過(guò)程中，火電機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組分別在各自電源種類(lèi)中的占比最大，因此，在調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性研究中，考慮兩者的協(xié)同調(diào)峰效應(yīng)具有重要意義.

風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量大規(guī)模增加的同時(shí)，也帶來(lái)了許多問(wèn)題.風(fēng)電波動(dòng)性、間歇性和逆調(diào)峰特性，使得現(xiàn)有火電機(jī)組的調(diào)峰難以滿(mǎn)足要求.如：當(dāng)風(fēng)電處于最大出力階段時(shí)，系統(tǒng)管理人員為了最大限度地利用低成本風(fēng)電，選擇將火電機(jī)組停機(jī).該方法雖能降低火電機(jī)組的發(fā)電成本，卻忽略了較大程度地依賴(lài)風(fēng)力發(fā)電，其隨機(jī)性可能導(dǎo)致大規(guī)模的系統(tǒng)停電事故，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了較大的風(fēng)險(xiǎn).因此，采用風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組協(xié)同調(diào)峰的調(diào)度方式在兼顧節(jié)省調(diào)度成本和增加供電可靠性方面無(wú)疑是最佳選擇.

根據(jù)節(jié)能調(diào)度規(guī)定[2]，電網(wǎng)公司應(yīng)根據(jù)各類(lèi)火電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，按照系統(tǒng)的電力電量平衡需求，優(yōu)先安排發(fā)電成本低、調(diào)節(jié)能力好的火電機(jī)組發(fā)電，同時(shí)避免常規(guī)火電機(jī)組的頻繁啟停，使其盡量高效運(yùn)行.此項(xiàng)規(guī)定使得系統(tǒng)檢修人員在已有火電機(jī)組裝機(jī)容量的基礎(chǔ)上，不斷改造機(jī)組，增加火電機(jī)組的發(fā)電能力，即對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，使得機(jī)組具備深度調(diào)峰能力，以此減少火電機(jī)組的啟停成本.

火電機(jī)組的深度調(diào)峰要求靈活性改造后的機(jī)組仍然具有低于其常規(guī)最小出力的運(yùn)行能力，一般可分為穩(wěn)燃不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰 2種.深度調(diào)峰運(yùn)行階段的成本除了包含運(yùn)行煤耗成本外，還包含其他附加成本.例如：穩(wěn)燃不投油深度調(diào)峰成本包括機(jī)組損耗成本，而投油深度調(diào)峰成本除了機(jī)組損耗成本外，還包括投油損耗成本和環(huán)境成本.由于深度調(diào)峰成本呈現(xiàn)非線(xiàn)性特征，為了研究方便，工程人員常根據(jù)相關(guān)的線(xiàn)性化理論將機(jī)組的深度調(diào)峰成本劃分為不同的檔次，即將深度調(diào)峰階段的成本經(jīng)線(xiàn)性化處理為機(jī)組出力與相應(yīng)單位調(diào)峰成本的乘積形式.為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用同樣的計(jì)算方式.

一般來(lái)說(shuō)，制定短期發(fā)電調(diào)度計(jì)劃以日內(nèi)負(fù)荷曲線(xiàn)為主，考慮風(fēng)電在內(nèi)的負(fù)荷曲線(xiàn)通常采用等效負(fù)荷曲線(xiàn).等效負(fù)荷曲線(xiàn)是指負(fù)荷曲線(xiàn)減去相應(yīng)時(shí)段的風(fēng)電出力曲線(xiàn)得到的等值曲線(xiàn).當(dāng)系統(tǒng)的常規(guī)調(diào)峰最小出力高于等效負(fù)荷曲線(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)為了有效利用“低成本”風(fēng)電，避免大規(guī)模棄風(fēng)，火電機(jī)組將運(yùn)行于深度調(diào)峰狀態(tài).文獻(xiàn)[3]針對(duì)風(fēng)電出力的不確定性，采用情景削減技術(shù)，降低了調(diào)峰運(yùn)行計(jì)算的復(fù)雜性.文獻(xiàn)[4]在電源側(cè)深度調(diào)峰的基礎(chǔ)上，提出調(diào)峰出力率與調(diào)峰成本 2個(gè)新指標(biāo)來(lái)評(píng)估省級(jí)電網(wǎng)的調(diào)峰形勢(shì).文獻(xiàn)[5]考慮火電機(jī)組的靈活性改造，以 Benders 分解算法求解調(diào)度問(wèn)題，算例表明所構(gòu)建的模型能在提升電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)促進(jìn)風(fēng)電的消納.文獻(xiàn)[6]提出一種調(diào)峰分?jǐn)傃a(bǔ)償方法，采用K-means 方法對(duì)機(jī)組進(jìn)行合理分類(lèi)并進(jìn)行分?jǐn)?，引入調(diào)峰能力實(shí)現(xiàn)系數(shù)并進(jìn)行修正，結(jié)果表明建立的模型能激勵(lì)更多的機(jī)組參與調(diào)峰服務(wù).文獻(xiàn)[7]提出一種考慮調(diào)峰約束的評(píng)估風(fēng)電消納能力方法，并給出促進(jìn)風(fēng)電消納的相關(guān)建議，該方法及建議對(duì)電力部門(mén)相關(guān)政策的制定具有重要的實(shí)際意義.文獻(xiàn)[8]在市場(chǎng)機(jī)制下建立考慮深度調(diào)峰的市場(chǎng)出清模型，實(shí)現(xiàn)低谷時(shí)段火電與可再生能源的發(fā)電權(quán)交易，將難以解決的爬坡約束考慮在內(nèi).文獻(xiàn)[9]提出改進(jìn)等效電量函數(shù)法，克服傳統(tǒng)方法中易丟失時(shí)序信息的缺點(diǎn)，成功求解了輔助新能源與常規(guī)能源協(xié)調(diào)規(guī)劃的問(wèn)題，并進(jìn)一步提出2 個(gè)描述調(diào)峰性能的指標(biāo).文獻(xiàn)[10]針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)調(diào)峰能力的不足，提出采用以 WSR 系統(tǒng)方法論對(duì)用戶(hù)參與風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)峰進(jìn)行研究的方法，建立了合理的系統(tǒng)模型.

雖然已有不少有關(guān)深度調(diào)峰問(wèn)題的研究，但現(xiàn)實(shí)中的深度調(diào)峰成本與風(fēng)電棄風(fēng)成本的協(xié)同優(yōu)化，以及最優(yōu)棄風(fēng)量計(jì)算的問(wèn)題仍有待解決.本文旨在構(gòu)建以常規(guī)調(diào)峰成本、深度調(diào)峰成本和棄風(fēng)成本的總和最小為目標(biāo)的機(jī)組組合綜合優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)一個(gè)10 機(jī)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行求解，與已有的各種模型算例結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證所提出模型的有效性和實(shí)用性.

1 綜合優(yōu)化模型關(guān)鍵指標(biāo)

1.1 常規(guī)調(diào)峰最小出力

系統(tǒng)常規(guī)調(diào)峰最小出力是區(qū)分火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰和深度調(diào)峰的重要指標(biāo)，在綜合模型求解過(guò)程中，常規(guī)調(diào)峰最小出力取系統(tǒng)內(nèi)所有火電機(jī)組出力的最小值之和.在系統(tǒng)調(diào)峰過(guò)程中，不同調(diào)峰能力的機(jī)組將采取不一樣的調(diào)峰措施以滿(mǎn)足系統(tǒng)成本經(jīng)濟(jì)性需求.當(dāng)某時(shí)段的等效負(fù)荷低于常規(guī)調(diào)峰最小出力，不具備深度調(diào)峰能力的部分機(jī)組，將采取直接停機(jī)方案；而具備深度調(diào)峰能力的火電機(jī)組，首先在深度調(diào)峰區(qū)段進(jìn)行負(fù)荷分配，若該分配方案仍低于最低深度調(diào)峰機(jī)組的調(diào)峰下限值，則該機(jī)組才采取停機(jī)方案.采取這類(lèi)調(diào)峰措施的主要原因是火電機(jī)組的深度調(diào)峰成本較機(jī)組的開(kāi)停機(jī)成本更加經(jīng)濟(jì).

1.2 非常規(guī)調(diào)峰容量

任何時(shí)段，若存在系統(tǒng)常規(guī)調(diào)峰容量下限大于凈負(fù)荷，則非常規(guī)調(diào)峰負(fù)荷為常規(guī)調(diào)峰裕度的絕對(duì)值；否則，非常規(guī)調(diào)峰負(fù)荷為0.

在實(shí)際工程中，還需考慮含風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的調(diào)峰平衡情況，其相關(guān)調(diào)峰指標(biāo)和調(diào)峰曲線(xiàn)如圖1 所示.由圖1 可知，要使等效負(fù)荷曲線(xiàn)位于最小出力之上，避免增加開(kāi)停機(jī)成本，一方面可以將常規(guī)調(diào)峰最小出力往下平移，即可以對(duì)相關(guān)機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，增加機(jī)組的深度調(diào)峰能力來(lái)平衡負(fù)荷；另一方面，可以采用棄風(fēng)的方法，減少風(fēng)電機(jī)組的出力，使得等效負(fù)荷曲線(xiàn)向上平移來(lái)平衡負(fù)荷.

圖1 系統(tǒng)調(diào)峰曲線(xiàn)

2 機(jī)組組合綜合優(yōu)化模型

傳統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題的求解是經(jīng)典優(yōu)化調(diào)度模型的典型代表，它是指在滿(mǎn)足負(fù)荷、爬坡等約束條件下，合理安排機(jī)組的開(kāi)/停機(jī)順序與出力，以使系統(tǒng)發(fā)電成本最小.該問(wèn)題的主要求解過(guò)程包括開(kāi)/停機(jī)方案求解和最優(yōu)負(fù)荷分配方案求解2個(gè)方面.最優(yōu)負(fù)荷分配方案一般是以等微增率準(zhǔn)則來(lái)確定火電機(jī)組的出力，在傳統(tǒng)調(diào)度方式下，未考慮到風(fēng)電并網(wǎng)引起的棄風(fēng)成本問(wèn)題和深度調(diào)峰帶來(lái)的隱形效益，因此經(jīng)典調(diào)度模型的求解有較大的局限性.為了將深度調(diào)峰成本和棄風(fēng)成本考慮在內(nèi)，本文建立了如式(2)的綜合優(yōu)化模型.

若只考慮式(2)的第1 項(xiàng)，不計(jì)及機(jī)組的深度調(diào)峰能力，同時(shí)考慮風(fēng)電完全消納，則建立的模型為常規(guī)調(diào)度模型.

若考慮式(2)的第1 項(xiàng)和第2 項(xiàng)，計(jì)及機(jī)組的深度調(diào)峰能力，即將機(jī)組的單位深度調(diào)峰成本考慮在內(nèi)，且考慮風(fēng)電完全消納，則所建立的模型為未棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型.該模型表示當(dāng)系統(tǒng)等效負(fù)荷低于式(1)中已開(kāi)機(jī)機(jī)組的可調(diào)節(jié)容量下限時(shí)，機(jī)組仍然不停機(jī)，維持在機(jī)組深度階段運(yùn)行，直至系統(tǒng)負(fù)荷低于部分機(jī)組深度調(diào)峰下限時(shí)，這些機(jī)組才采用停機(jī)方案.該模型表明機(jī)組能運(yùn)行在深度調(diào)峰階段，可有效減少機(jī)組的停機(jī)成本和開(kāi)機(jī)成本.

若考慮式(2)的第1 項(xiàng)和第2 項(xiàng)，計(jì)及機(jī)組的深度調(diào)峰能力，但考慮完全棄風(fēng)，則所建立的模型為全棄風(fēng)條件下的深度調(diào)峰調(diào)度模型.該模型雖然能有效利用火電機(jī)組可控的調(diào)峰能力，避免風(fēng)電出力的波動(dòng)性和間歇性引起系統(tǒng)頻率變化等問(wèn)題，卻未能利用風(fēng)電的低成本特性.

若將式(2)的第1 項(xiàng)、第2 項(xiàng)和第3 項(xiàng)均考慮在內(nèi)，即建立考慮棄風(fēng)成本和深度調(diào)峰成本的綜合優(yōu)化模型，此時(shí)，因模型綜合考慮了棄風(fēng)所引起的棄風(fēng)成本和深度調(diào)峰所產(chǎn)生的成本，所以能合理利用低成本的風(fēng)力發(fā)電.在該模型中，若考慮風(fēng)電利用率低的情況，系統(tǒng)棄風(fēng)越多，棄風(fēng)成本就越高，從而會(huì)產(chǎn)生較高的綜合運(yùn)行成本；若風(fēng)電利用率較高，系統(tǒng)棄風(fēng)越少，但為了滿(mǎn)足系統(tǒng)等效負(fù)荷的需求，火力發(fā)電成本也會(huì)越高，總的綜合運(yùn)行成本也就越高.因此，該模型的求解存在一個(gè)使得綜合模型的成本最優(yōu)和棄風(fēng)量最優(yōu)的折中解.顯然，該問(wèn)題的求解對(duì)系統(tǒng)調(diào)度人員的決策具有重要的實(shí)際意義.

3 算例分析

為了驗(yàn)證本文所提模型的有效性，測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)組數(shù)目N 取10，機(jī)組進(jìn)行靈活性改造前的具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[11].為與國(guó)內(nèi)機(jī)組情況一致，10個(gè)機(jī)組參數(shù)中的量綱進(jìn)行了換算，機(jī)組爬坡率取相應(yīng)機(jī)組最大出力的 3%，預(yù)留的調(diào)峰上備用容量按尖峰負(fù)荷的10%考慮.考慮到機(jī)組靈活性改造的效益問(wèn)題，本文對(duì)所有機(jī)組的容量進(jìn)行了改造，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，并未考慮機(jī)組靈活性改造的前期投資成本.機(jī)組的深度調(diào)峰容量和調(diào)峰成本如表1 所示.

表1 深度調(diào)峰容量和調(diào)峰成本

測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)度周期T 取24 h，每1 h 設(shè)為一個(gè)調(diào)度時(shí)間段，系統(tǒng)24 h 負(fù)荷值和風(fēng)電最大發(fā)電能力值分別如表2～表3 所示.

表2 系統(tǒng)24 h 負(fù)荷值

系統(tǒng)負(fù)荷值與相應(yīng)時(shí)刻風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值之差為系統(tǒng)凈負(fù)荷值.系統(tǒng)常規(guī)最小出力取 10 個(gè)機(jī)組最小出力之和，即440 MW.當(dāng)系統(tǒng)等效負(fù)荷值與系統(tǒng)常規(guī)最小出力之差為正時(shí)，屬于常規(guī)調(diào)峰階段；當(dāng)該差值為負(fù)時(shí)，可以采用非常規(guī)調(diào)峰方法或常規(guī)調(diào)峰的停機(jī)方式處理.系統(tǒng)非常規(guī)調(diào)峰裕度值如表4 所示.

表3 24 h 風(fēng)電最大發(fā)電能力值

表4 系統(tǒng)非常規(guī)調(diào)峰裕度

考慮到問(wèn)題求解的復(fù)雜性，為了簡(jiǎn)化求解該混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，本文采用Yalmip 工具箱并調(diào)用Cplex 軟件，分別對(duì)機(jī)組常規(guī)調(diào)度模型、未棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型和全棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型進(jìn)行求解，最后求得的最優(yōu)成本和相應(yīng)棄風(fēng)量如表5 所示，各模型下12～16 h 的棄風(fēng)量和相應(yīng)棄風(fēng)成本如表6 所示.

表5 最優(yōu)棄風(fēng)量和棄風(fēng)成本

表6 各模型求解結(jié)果對(duì)比

由表6 可知，本文所建模型較常規(guī)調(diào)度模型的最優(yōu)成本降低了 212.1 元，這主要是由于深度調(diào)峰較常規(guī)調(diào)峰更有利于節(jié)省成本.同時(shí)，本文模型較未棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型和全棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型的最優(yōu)成本也分別降低了 105.9 元和102 125.2 元.導(dǎo)致成本降低的主要原因是：1)本文模型的單位棄風(fēng)成本在深度調(diào)峰成本的二檔和三檔之間，首先采用一、二檔深度調(diào)峰相對(duì)于棄風(fēng)更有利于節(jié)省成本；2)全棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型的系統(tǒng)負(fù)荷值較本文模型的等效負(fù)荷值大，這會(huì)導(dǎo)致其成本增加.因此，在考慮調(diào)峰時(shí)，應(yīng)綜合考慮調(diào)峰成本與棄風(fēng)成本的影響.

通過(guò)本文模型計(jì)算出的一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的綜合棄風(fēng)臨界值為53.03%，即在本文所給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的前提下，將936 MW(各時(shí)段最優(yōu)棄風(fēng)量見(jiàn)表5)的風(fēng)電棄除更為合理.對(duì)火力發(fā)電廠而言，僅考慮非常規(guī)調(diào)峰裕度大于176 MW 時(shí)段，若平均調(diào)峰深度大于 42.9%，采用棄風(fēng)方案有利于節(jié)省成本；反之，則采用深度調(diào)峰方案更具經(jīng)濟(jì)性.

4 結(jié)語(yǔ)

為了有效利用火電機(jī)組的深度調(diào)峰能力，本文綜合考慮棄風(fēng)成本和深度調(diào)峰成本，建立了機(jī)組組合綜合優(yōu)化調(diào)度模型，并分別對(duì)常規(guī)調(diào)度模型、未棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型和全棄風(fēng)深度調(diào)峰調(diào)度模型進(jìn)行求解.結(jié)果表明，本文所建模型能有效降低調(diào)度周期內(nèi)的調(diào)峰成本.此外，該模型下的最優(yōu)棄風(fēng)臨界值求解結(jié)果表明：當(dāng)非常規(guī)調(diào)峰裕度值高于該時(shí)段的棄風(fēng)臨界值時(shí)，高于臨界值的部分功率采用棄風(fēng)調(diào)峰，低于臨界值的部分功率采用深度調(diào)峰，更有利于節(jié)省成本；而非常規(guī)調(diào)峰裕度值低于該時(shí)段的棄風(fēng)臨界值時(shí)，采用深度調(diào)峰更有利于節(jié)省成本.