基于目標(biāo)優(yōu)化的火電協(xié)助消納風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償模型

于 超，房 芳

(1. 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120，2. 國(guó)家電網(wǎng)信息通信分公司，北京 100053)

0 引言

隨著我國(guó)新能源開發(fā)力度的加強(qiáng)以及風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模逐年上升。我國(guó)陸上風(fēng)能主要分布在東北、西北和華北地區(qū)，與負(fù)荷中心逆向分布，風(fēng)電需要并網(wǎng)通過(guò)輸電通道送至負(fù)荷中心。但是風(fēng)能自身具有不穩(wěn)定性、隨機(jī)性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)接入要求較高。電網(wǎng)考慮自身對(duì)風(fēng)能的接納能力和安全運(yùn)行，有時(shí)會(huì)限制接入部分風(fēng)電場(chǎng)電力，造成風(fēng)電場(chǎng)電量損失，導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生。歐美等國(guó)家研究表明快速跟蹤負(fù)荷的燃?xì)怆娬炯俺樗钅芸梢院芎玫剌o助促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展。西班牙的燃?xì)怆娬竞统樾铍娬颈壤秊?4%，是風(fēng)電裝機(jī)容量的1.7倍；而美國(guó)這一比例高達(dá)47%，是風(fēng)電裝機(jī)容量的13倍[1-7]。

風(fēng)電出力的不穩(wěn)定性需要其他輔助電源為其提供調(diào)峰，降低風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成的沖擊。文獻(xiàn)[8-11]在分析棄風(fēng)原因的基礎(chǔ)上，提出了一種風(fēng)電就地消納方式，主要為運(yùn)用價(jià)格機(jī)制，激發(fā)利益相關(guān)方的積極性，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性。文獻(xiàn)[12-14]分析了風(fēng)電消納面臨的問(wèn)題，提出了一種低碳消納機(jī)制，主要為解決大規(guī)模風(fēng)電消納問(wèn)題，并研究了不同階段風(fēng)電參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的可行性，設(shè)計(jì)了一套輔助服務(wù)市場(chǎng)方案。

為引導(dǎo)發(fā)電側(cè)調(diào)峰電源提供輔助服務(wù)，可以通過(guò)政策剛性約束和經(jīng)濟(jì)柔性激勵(lì)兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，即一方面可以強(qiáng)制風(fēng)電消納，另一方面可以通過(guò)建立激勵(lì)機(jī)制鼓勵(lì)機(jī)組參與聯(lián)合調(diào)度。然而，火電為風(fēng)電提供調(diào)峰服務(wù)，一方面降低了火電的發(fā)電能效，對(duì)火電原有的經(jīng)濟(jì)效益造成影響，另一方面也擠占了其他電源參與調(diào)峰服務(wù)的市場(chǎng)空間。因此，要實(shí)現(xiàn)火電協(xié)助消納風(fēng)電的目的，關(guān)鍵在于能否對(duì)火電調(diào)峰進(jìn)行合理的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。本文通過(guò)分析火電參與調(diào)峰服務(wù)對(duì)火電經(jīng)濟(jì)效益的影響以及火電參與調(diào)峰程度對(duì)風(fēng)電棄風(fēng)的影響，以目標(biāo)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，建立了火電提供輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償計(jì)算模型，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了模型的可行性。

1 風(fēng)電對(duì)火電發(fā)電效益的影響

1.1 風(fēng)電對(duì)火電出力的影響

火電出力可以隨系統(tǒng)負(fù)荷高低進(jìn)行調(diào)整，而風(fēng)電出力受來(lái)風(fēng)條件影響，白天出力低，晚上出力高，與系統(tǒng)負(fù)荷相比，具有逆負(fù)荷分布的特性，這會(huì)給火電機(jī)組造成較大的調(diào)峰壓力。

圖1 風(fēng)電與火電出力分布

圖1為某地區(qū)典型日系統(tǒng)負(fù)荷及風(fēng)火電出力情況，系統(tǒng)最大最小負(fù)荷差為1 650 MW。在系統(tǒng)中不存在風(fēng)電機(jī)組時(shí)，火電機(jī)組的出力按該分布進(jìn)行調(diào)度。在系統(tǒng)中存在風(fēng)電機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)最大最小負(fù)荷差為2 260 MW，其主要原因是風(fēng)電機(jī)組的加入，使得低谷時(shí)段火電機(jī)組減少了發(fā)電份額，導(dǎo)致系統(tǒng)峰谷差加大。通過(guò)分析可知，風(fēng)電接入會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組的調(diào)峰壓力增加。

1.2 風(fēng)電對(duì)火電啟停次數(shù)的影響

風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，會(huì)引起火電機(jī)組的啟停次數(shù)增加。如有風(fēng)電參與的情況下，火電機(jī)組會(huì)出現(xiàn)頻繁的啟停，而沒(méi)有風(fēng)電參與的情況下，僅有少數(shù)機(jī)組存在啟動(dòng)變化。比較啟停成本，風(fēng)電參與下火電的啟停成本約為129萬(wàn)元，而沒(méi)有風(fēng)電參與下火電的啟停成本僅為28萬(wàn)元。因此，風(fēng)電接入系統(tǒng)后除了火電機(jī)組啟停頻率增加，啟停成本也有大幅度的提高。

1.3 風(fēng)電對(duì)火電發(fā)電煤耗的影響

表1給出了不同情況下火電機(jī)組的利用效率，如表所示，風(fēng)電參與下，各火電機(jī)組的發(fā)電功率明顯低于風(fēng)電不參與的情況，部分機(jī)組甚至出現(xiàn)了出力完全被擠占的情況(機(jī)組6、9)?；痣姍C(jī)組低出力的情況下，發(fā)電煤耗水平也相對(duì)較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電參與下，火電機(jī)組的平均發(fā)電煤耗為326.0 g/kWh；沒(méi)有風(fēng)電參與下，火電機(jī)組的平均發(fā)電煤耗為324.6 g/kWh。

表1 火電機(jī)組利用效率比較

2 火電調(diào)峰對(duì)風(fēng)電消納的影響計(jì)算模型

風(fēng)電參與發(fā)電調(diào)度，會(huì)增加原有火電機(jī)組的調(diào)峰壓力，增加火電機(jī)組的啟停次數(shù)，降低火電機(jī)組的能效水平。如果缺乏相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制，火電機(jī)組將不愿意承擔(dān)風(fēng)電的調(diào)峰功能。下面將研究風(fēng)電消納與火電調(diào)峰的相互影響，計(jì)算以調(diào)峰深度為敏感條件下的風(fēng)電消納情況。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以風(fēng)電棄風(fēng)最小為優(yōu)化目標(biāo)，研究火電機(jī)組調(diào)峰不同參與程度下的風(fēng)電消納情況，構(gòu)建風(fēng)、火電聯(lián)合調(diào)度模型。

式中：Qaw,t為風(fēng)電在t時(shí)刻的棄風(fēng)電量，z為棄風(fēng)總量。

式中：δt為t時(shí)刻風(fēng)電的最大等效利用率，即發(fā)電功率占裝機(jī)容量的比值(不棄風(fēng)情況下)，其大小由風(fēng)力決定；Pw為風(fēng)電總裝機(jī)容量；Qw,t為t時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)發(fā)電功率。

2.2 約束條件

電力系統(tǒng)調(diào)度應(yīng)該滿足以下條件：

1)電力平衡約束條件

式中：ui,t為機(jī)組i在t時(shí)刻的啟停狀態(tài)變量，如果機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，則為0，如果機(jī)組處于啟動(dòng)狀態(tài)，則為1；Qi,t為火電機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電量；Gt為系統(tǒng)負(fù)荷在t時(shí)段的實(shí)時(shí)用電需求；l為線損率。

2)系統(tǒng)發(fā)電備用約束

火電機(jī)組的發(fā)電出力需要留有一定的調(diào)整裕度，即：

3)火電機(jī)組功率約束

4)機(jī)組爬坡速率約束

5)機(jī)組啟停時(shí)間約束

6)風(fēng)電機(jī)組出力約束

風(fēng)電機(jī)組的出力受來(lái)風(fēng)量約束，即：

3 火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償計(jì)算模型

風(fēng)電并網(wǎng)后，在負(fù)荷低谷時(shí)段，火電機(jī)組需參與深度調(diào)峰，這樣以來(lái)火電機(jī)組的發(fā)電出力將會(huì)降低，發(fā)電能效降低[15-17]。因此，要調(diào)動(dòng)火電機(jī)組參與調(diào)峰的積極性，需建立合理的補(bǔ)償機(jī)制。

本屆展會(huì)以“科學(xué)發(fā)展·低碳節(jié)能”為主題，以科技創(chuàng)新、清潔高效、節(jié)能減排為主要內(nèi)容，來(lái)自中國(guó)及其他近10個(gè)國(guó)家的煤炭企業(yè)、煤炭洗選設(shè)備制造企業(yè)、煤礦節(jié)能及環(huán)保設(shè)備企業(yè)、煤化工及石化企業(yè)和相關(guān)科研院所的200多家單位參加了展覽，展覽面積超過(guò)1.3萬(wàn)m2，集中展示了煤炭洗選加工、資源綜合利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和煤化工及石油化工等領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品和新成果，充分體現(xiàn)了綠色、低碳、環(huán)保的理念。人民日?qǐng)?bào)等20多家新聞媒體對(duì)展覽會(huì)進(jìn)行了采訪報(bào)道。

調(diào)峰機(jī)組的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償與火電機(jī)組的發(fā)電煤耗相關(guān)，煤耗越高其補(bǔ)償額度越大，而發(fā)電煤耗則與火電機(jī)組的利用率有關(guān)。因此，火電機(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償需要基于其利用率進(jìn)行計(jì)算。

1)風(fēng)電并網(wǎng)前火電機(jī)組的能效水平，可建立以下優(yōu)化模型：

在負(fù)載率η1下，各機(jī)組的發(fā)電煤耗水平為：

那么系統(tǒng)的平均煤耗水平為：

2)風(fēng)電并網(wǎng)后火電機(jī)組的能效水平，可建立以下優(yōu)化模型：

在負(fù)載率η2下，各機(jī)組的發(fā)電煤耗水平為：

3)風(fēng)電并網(wǎng)后火電機(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償費(fèi)用為：

式中：Pcoal為煤價(jià)。

如果系統(tǒng)總調(diào)峰需求為L(zhǎng)，那么，火電為風(fēng)電調(diào)峰應(yīng)獲得的補(bǔ)償費(fèi)用為：

4 算例分析

4.1 火電機(jī)組不同調(diào)峰深度對(duì)風(fēng)電消納的影響

火電機(jī)組的能效水平與火電機(jī)組參與調(diào)峰的深度有直接關(guān)系。假設(shè)三種情景，火電參與調(diào)峰深度逐漸下降，發(fā)電上網(wǎng)比例逐漸上升，即機(jī)組發(fā)電出力按0%(情景1)、2.5%(情景2)、5%(情景3)進(jìn)行風(fēng)、火電聯(lián)合調(diào)度，出力優(yōu)化情況見(jiàn)表2。

結(jié)果顯示，隨著火電機(jī)組參與調(diào)峰深度的下降，自身發(fā)電上網(wǎng)份額上升的同時(shí)，風(fēng)電棄風(fēng)率也呈上升趨勢(shì)。情景1風(fēng)電棄風(fēng)率為8.6%；情景2風(fēng)電棄風(fēng)率提高至8.95%；情景3風(fēng)電棄風(fēng)率提高至9.3%。

由表2還可以看出，隨著火電機(jī)組調(diào)峰深度的下降，火電機(jī)組的利用率呈上升趨勢(shì)，單位供電煤耗進(jìn)一步下降。情景1火電機(jī)組的供電煤耗為354.2 g/kWh；情景2火電機(jī)組的供電煤耗下降至353.7 g/kWh；情景3火電機(jī)組的供電煤耗進(jìn)一步下降至353.1 g/kWh。

表2 系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)以上分析可以得出結(jié)論，火電機(jī)組降低調(diào)峰深度與調(diào)峰幅度，一方面可以提高發(fā)電能效，減少單位發(fā)電煤耗，降低發(fā)電成本，另一方面有助于其增加發(fā)電市場(chǎng)份額，增加經(jīng)濟(jì)收益。因此，風(fēng)電并網(wǎng)下，沒(méi)有經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償條件下火電機(jī)組缺乏參與調(diào)峰的積極性。

4.2 調(diào)峰輔助服務(wù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償測(cè)算

根據(jù)公式 (12)、(13)與 (16)、(17)，可以計(jì)算各時(shí)段機(jī)組的發(fā)電出力以及負(fù)載率。經(jīng)測(cè)算風(fēng)電并網(wǎng)前后火電機(jī)組的平均負(fù)載率為0.65與0.45。

結(jié)合機(jī)組耗量特性參數(shù)，可以測(cè)算出各機(jī)組的平均發(fā)電煤耗水平，見(jiàn)表3。

表3 火電機(jī)組的煤耗水平 (g/kWh)

根據(jù)式(15)、(19)可以分別求得風(fēng)電并網(wǎng)前后火電機(jī)組的平均煤耗率為342.3 g/kWh、355.5 g/kWh。根據(jù)式(21)可以計(jì)算單位電量調(diào)峰補(bǔ)償單價(jià)為8.9元/MWh。按照火電機(jī)組調(diào)峰量3 358 MWh/d計(jì)算，需要支付火電機(jī)組2.99萬(wàn)元/d的調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電并網(wǎng)后，在最大程度的全額消納電量要求下，風(fēng)電的棄風(fēng)問(wèn)題得到緩解，但火電機(jī)組承擔(dān)其調(diào)峰服務(wù)影響其正常的經(jīng)濟(jì)效益，打破了原有市場(chǎng)份額的均衡狀態(tài)。本文通過(guò)分析火電參與調(diào)峰服務(wù)對(duì)火電經(jīng)濟(jì)效益的影響以及火電參與調(diào)峰程度對(duì)風(fēng)電棄風(fēng)的影響，建立了基于目標(biāo)優(yōu)化理論的火電為風(fēng)電提供輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償模型。通過(guò)算例分析表明，給予火電機(jī)組合理的調(diào)峰補(bǔ)償不但可以保證火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，還可以促進(jìn)風(fēng)電的消納水平，提高風(fēng)電機(jī)組的利用效率。