垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰的源荷線性協(xié)整優(yōu)化模型

張志遙，周任軍，黃婧杰，陳 春，潘 軒，龔羅文

（長沙理工大學(xué) 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410114）

0 引言

目前，源荷協(xié)調(diào)互動和源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)調(diào)度是通過協(xié)調(diào)源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的可調(diào)度資源，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，減少棄風(fēng)棄光［1］。相關(guān)研究已取得較為豐富的成果，主要包括電熱聯(lián)合系統(tǒng)參與的綜合電熱系統(tǒng)調(diào)度［2］、對需求側(cè)響應(yīng)的差異化分析［3］、提高風(fēng)電集群精細(xì)化調(diào)度水平［4］的有功協(xié)調(diào)調(diào)度等。源荷協(xié)調(diào)互動是在源、荷各個環(huán)節(jié)上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移消費(fèi)以及采用控制手段使系統(tǒng)功率達(dá)到動態(tài)平衡，或者使系統(tǒng)獲得的總收益最大，提高新能源消納率［1-4］。而新能源功率曲線和負(fù)荷功率曲線均為按時間順序排列的功率值，屬于數(shù)據(jù)流中的時間序列［5］，但是目前針對各類功率曲線性狀（即特性和形狀）及其相關(guān)關(guān)系的研究還不多［1］，協(xié)整關(guān)系可以應(yīng)用于這種功率曲線時間序列間的協(xié)調(diào)效果處理［1］。對源、荷功率曲線進(jìn)行必要的控制調(diào)節(jié)，從而改變各功率曲線性狀，對該性狀的研究也是源荷協(xié)調(diào)調(diào)度研究中的新穎方向。

在源荷協(xié)調(diào)調(diào)度中，靈活電源和可控負(fù)荷的選擇是關(guān)鍵，隨著垃圾發(fā)電裝機(jī)容量和城市垃圾數(shù)量的增加，因垃圾焚燒電廠的發(fā)電和運(yùn)行特點(diǎn)，將其作為靈活的調(diào)度電源和可控的負(fù)荷成為可能。垃圾焚燒電廠成為研究熱點(diǎn)［6-8］，主要集中在處理費(fèi)定價［9］、污染處理［10］、垃圾燃燒效果評價［11］等技術(shù)方面，但對垃圾焚燒發(fā)電特性的分析及應(yīng)用仍處于初步探索階段。

垃圾焚燒電廠運(yùn)行特性主要表現(xiàn)為其發(fā)電和煙氣處理的相關(guān)關(guān)系［12］。垃圾焚燒電廠中煙氣處理系統(tǒng)能耗高，且與其發(fā)電量有耦合關(guān)系，通過裝設(shè)煙氣儲氣裝置，不僅可實(shí)現(xiàn)發(fā)電時間與煙氣處理時間的解耦，也可通過控制煙氣處理時段作為可控負(fù)荷參與調(diào)度［12］。此外，雖然有文獻(xiàn)提出改進(jìn)煙氣處理的概念［13］，但是目前對于煙氣處理系統(tǒng)的能耗刻畫不充分。為了精確地調(diào)用該柔性負(fù)荷，考慮煙氣處理量與處理效率的關(guān)系更符合實(shí)際運(yùn)行狀況。

根據(jù)垃圾焚燒電廠發(fā)電特性及解耦特性，將其分為柔性的電源和負(fù)荷，分別計(jì)入電源出力調(diào)控和負(fù)荷調(diào)控。數(shù)學(xué)意義上將垃圾焚燒電廠發(fā)電和新能源計(jì)為柔性總電源，并且將細(xì)化改進(jìn)后的煙氣處理能耗計(jì)入總負(fù)荷，可以利用垃圾焚燒電廠調(diào)節(jié)柔性總電源出力和系統(tǒng)總負(fù)荷，使兩者之間滿足特定的協(xié)整關(guān)系，從而使傳統(tǒng)火電機(jī)組出力時間序列平穩(wěn)，即減少火電機(jī)組出力調(diào)節(jié)［1］。此外，通過將垃圾焚燒電廠納入當(dāng)前新能源滲透率增加的電力系統(tǒng)調(diào)峰優(yōu)化中，可以使其獲得額外的系統(tǒng)調(diào)峰電價收益，提高其參與調(diào)峰的意愿［6-7］。因此，本文應(yīng)用該協(xié)整關(guān)系建立垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰的源荷協(xié)整優(yōu)化模型。

1 含煙氣存儲裝置的垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰

1.1 垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰過程

垃圾焚燒電廠日焚燒量基本為一定值，故其日總發(fā)電量基本固定，發(fā)電功率可分時段調(diào)節(jié)。垃圾焚燒電廠煙氣處理功率大，當(dāng)設(shè)置煙氣存儲裝置后，可將其視為可時移、可調(diào)節(jié)的負(fù)荷功率［12］，故調(diào)整控制煙氣處理時段相當(dāng)于調(diào)節(jié)電力負(fù)荷。調(diào)度協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)垃圾焚燒電廠出力、新能源上網(wǎng)出力、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷和傳統(tǒng)火電機(jī)組出力。

垃圾焚燒電廠服從系統(tǒng)調(diào)度中心的調(diào)度，電廠發(fā)電和煙氣處理由廠內(nèi)進(jìn)行調(diào)度，其參與調(diào)度的系統(tǒng)如圖1 所示。圖中，帶箭頭虛線表示交互通信控制網(wǎng)絡(luò)，聚集了垃圾焚燒電廠并網(wǎng)功率、新能源出力、含需求側(cè)響應(yīng)的系統(tǒng)負(fù)荷和傳統(tǒng)火電機(jī)組出力。垃圾焚燒電廠并網(wǎng)功率是發(fā)電功率和煙氣處理功率之差。為方便后文推導(dǎo)協(xié)整關(guān)系和優(yōu)化計(jì)算，在圖1中將垃圾焚燒電廠分為發(fā)電和煙氣處理負(fù)荷兩部分。

圖1 垃圾焚燒電廠參與調(diào)度的系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of waste incineration power plant participating in dispatch

1.2 考慮氣泵能耗和煙氣處理效率的改進(jìn)煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)

當(dāng)將煙氣處理系統(tǒng)視為柔性負(fù)荷時，有必要在傳統(tǒng)煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)［12］的基礎(chǔ)上，通過增加進(jìn)出煙氣的氣泵能耗和煙氣處理的單位能耗函數(shù)，詳細(xì)刻畫煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)，從而更加精準(zhǔn)地調(diào)用該柔性負(fù)荷。

煙氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行過程為：燃燒垃圾產(chǎn)生的煙氣分流進(jìn)入儲氣裝置和反應(yīng)塔，通過調(diào)節(jié)煙氣進(jìn)入儲氣裝置與反應(yīng)塔的比例，實(shí)現(xiàn)煙氣處理與發(fā)電之間的解耦，煙氣在反應(yīng)塔中經(jīng)過處理除去其中的污染氣體，然后通過除塵裝置后排放至空氣中。煙氣處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見文獻(xiàn)［12］。

煙氣分流比λt為流入反應(yīng)塔的煙氣量與垃圾焚燒電廠發(fā)電產(chǎn)生煙氣總量的比值，通過調(diào)節(jié)λt即可調(diào)節(jié)進(jìn)入儲氣罐的煙氣量［12］。

其中，αt為t 時段垃圾焚燒電廠發(fā)電產(chǎn)生的煙氣總量；α1，t、α2，t分別為t 時段焚燒產(chǎn)生的煙氣分別進(jìn)入反應(yīng)塔與儲氣罐中的煙氣量；PG，t為t 時段垃圾焚燒電廠的出力；eα為垃圾焚燒電廠單位發(fā)電產(chǎn)生的煙氣量；T為調(diào)度周期時段總數(shù)。

不同于文獻(xiàn)［12］，本文增加考慮儲氣罐進(jìn)出煙氣時的氣泵能耗PS，t，定義如下：

其中，w1為氣泵的單位能耗系數(shù)；α3，t為t時段從儲氣罐進(jìn)入反應(yīng)塔的煙氣量。

則煙氣處理系統(tǒng)能耗Pα，t表示為t 時段用于進(jìn)出煙氣的氣泵能耗和處理煙氣消耗的電功率之和：

其中，t=1，2，…，T；wα，t為煙氣處理的單位能耗函數(shù)，其隨煙氣處理量增加而減少；wα為煙氣處理的固定單位能耗系數(shù)；θ為單位時段最大煙氣處理量。

同時，進(jìn)入儲氣罐的煙氣量總和與離開儲氣罐的煙氣量總和應(yīng)當(dāng)相等，儲氣罐的煙氣量不能大于最大儲氣量，且進(jìn)出煙氣管道有最大流量限制。

其中，η 為儲氣罐容量；δ為煙氣管道最大流量；Δt為調(diào)度時段間隔。

綜上，改進(jìn)的煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)在傳統(tǒng)煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)的基礎(chǔ)上增加了進(jìn)出儲氣罐的氣泵能耗和煙氣處理的單位能耗函數(shù)，即式（2）—（4），從而能更精確地調(diào)度該柔性負(fù)荷。

2 系統(tǒng)調(diào)峰中源荷線性協(xié)整關(guān)系及其檢驗(yàn)

2.1 垃圾焚燒電廠參與的源荷線性協(xié)整關(guān)系

2.1.1 垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰的協(xié)整關(guān)系

垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰相當(dāng)于在系統(tǒng)中加入柔性負(fù)荷和柔性電源。由于系統(tǒng)負(fù)荷和新能源出力呈明顯峰谷特性，即其時間序列均為非平穩(wěn)序列，通過功率平衡表現(xiàn)為傳統(tǒng)機(jī)組出力非平穩(wěn)，即機(jī)組出力調(diào)節(jié)頻繁［1］。將煙氣處理能耗計(jì)入系統(tǒng)負(fù)荷作為系統(tǒng)總負(fù)荷，垃圾焚燒電廠發(fā)電和新能源出力計(jì)為柔性總電源出力，通過調(diào)節(jié)柔性負(fù)荷和柔性電源的大小和時段，使系統(tǒng)總負(fù)荷和柔性總電源時間序列形成特定協(xié)整關(guān)系，從而使兩者的線性組合即系統(tǒng)功率平衡式中的傳統(tǒng)機(jī)組出力為平穩(wěn)時間序列。

2.1.2 源荷協(xié)整關(guān)系的定義

（1）含波動偏差的功率平衡方程。

電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)功率平衡關(guān)系式如式（8）所示，其平衡中必然因負(fù)荷或新能源的波動而存在功率差額，因此可將其描述為式（9）。

其中，t=1，2，…，T；Pg，t為t 時段傳統(tǒng)火電機(jī)組出力；PW，t為t 時段新能源出力；PL，t為t 時段系統(tǒng)負(fù)荷；Pα，t為t 時段煙氣處理能耗；μt為隨機(jī)擾動項(xiàng)，又稱為非均衡誤差，|μt|≤ζ，ζ 為與系統(tǒng)容量有關(guān)的設(shè)定值，系統(tǒng)容量越大，其值越大，反之亦然。

可將式（9）整理為式（10），用于協(xié)整關(guān)系的分析和應(yīng)用。

（2）源荷協(xié)整關(guān)系的定義和推導(dǎo)。

根據(jù)協(xié)整關(guān)系的定義［14］，當(dāng)非平穩(wěn)同階單整時間序列X1t與X2t間存在如式（11）所示關(guān)系時，如果μt為平穩(wěn)序列，則稱X1t與X2t協(xié)整。

其中，(1，?α0，?α1)為協(xié)整向量。為了檢驗(yàn)2 個非平穩(wěn)單整時間序列是否協(xié)整，Engle 和Granger 于1987年提出兩步檢驗(yàn)法，即EG檢驗(yàn)［14］，在此不再贅述。

因PG，t為可調(diào)電源，故可設(shè)柔性總電源出力為：

PL，t和Pα，t組合為可部分響應(yīng)的系統(tǒng)總負(fù)荷：

分別將PN，t、PLoad，t簡稱為源、荷，其分別對應(yīng)于式（11）中的X1t和X2t。

將式（12）和式（13）代入式（10），由于希望傳統(tǒng)機(jī)組出力Pg，t為一平穩(wěn)序列，即不頻繁調(diào)節(jié)，如在第k 個連續(xù)時段內(nèi)為一常數(shù)，Pg，t=?α0，k。為平穩(wěn)序列時，可得到源荷協(xié)整關(guān)系表達(dá)式為：

其中，Tk為將調(diào)度周期按峰谷平運(yùn)行階段分為K 個子周期后的時段數(shù)，k 為整數(shù)且k ∈[1，K]；α0，k為常數(shù)。式中協(xié)整向量為(1，?α0，k，?1)。

將式（14）稱為垃圾焚燒電廠參與系統(tǒng)調(diào)峰的源荷協(xié)整關(guān)系，其實(shí)質(zhì)為當(dāng)功率波動偏差平穩(wěn)和傳統(tǒng)機(jī)組出力為常數(shù)時的功率平衡方程。若波動偏差μtk表示為傳統(tǒng)機(jī)組出力的一部分，則：

即當(dāng)源荷之間滿足協(xié)整關(guān)系時，PN，t和PLoad，t兩者的線性組合為含波動偏差系統(tǒng)功率平衡下的傳統(tǒng)機(jī)組出力序列，其為一平穩(wěn)時間序列。

2.1.3 考慮傳統(tǒng)機(jī)組爬坡運(yùn)行的源荷線性協(xié)整關(guān)系

考慮到傳統(tǒng)機(jī)組出力允許有一定爬坡或較為平緩的調(diào)整，本文在源荷協(xié)整關(guān)系的基礎(chǔ)上疊加一線性函數(shù)，提出考慮傳統(tǒng)機(jī)組爬坡運(yùn)行的源荷線性協(xié)整關(guān)系，由此擴(kuò)展時間序列協(xié)整理論的內(nèi)涵。

源荷線性協(xié)整關(guān)系是在式（14）所示源荷協(xié)整關(guān)系的基礎(chǔ)上疊加隨時間線性變化的分段負(fù)荷函數(shù)，即在Pg，t=?α0，k的基礎(chǔ)上增加分段線性出力，以表達(dá)傳統(tǒng)機(jī)組在子周期時段Tk內(nèi)隨時間線性變化的出力。

其中，tk=1，2，…，Tk為分段負(fù)荷斜率。

將式（17）稱為考慮傳統(tǒng)機(jī)組爬坡運(yùn)行的源荷線性協(xié)整關(guān)系。若將波動偏差計(jì)入傳統(tǒng)機(jī)組出力，則傳統(tǒng)機(jī)組平穩(wěn)出力計(jì)為：即PN，t和PLoad，t兩者的線性組合為含波動偏差系統(tǒng)功率平衡下的考慮傳統(tǒng)機(jī)組爬坡運(yùn)行的傳統(tǒng)機(jī)組出力時間序列，其為一平穩(wěn)時間序列。

2.1.4 源荷線性協(xié)整關(guān)系的物理意義

綜上，源荷協(xié)整關(guān)系為系統(tǒng)功率平衡下的一種固有協(xié)整關(guān)系［1］。通過棄風(fēng)棄光和垃圾焚燒電廠發(fā)電調(diào)整柔性總電源出力PN，t，通過需求側(cè)響應(yīng)和煙氣處 理 負(fù) 荷 調(diào) 整 系 統(tǒng) 總 負(fù) 荷PLoad，t，從 而 使 得PN，t和PLoad，t均為同階單整時間序列，且波動偏差時間序列μt平穩(wěn)，則最終PN，t和PLoad，t滿足協(xié)整關(guān)系，得到平穩(wěn)的傳統(tǒng)機(jī)組出力時間序列。若PN，t和PLoad，t不滿足同階單整，即不滿足2 個時間序列協(xié)整的前提條件，則傳統(tǒng)機(jī)組出力不平穩(wěn)。協(xié)整關(guān)系檢驗(yàn)流程見2.2節(jié)。

考慮到傳統(tǒng)機(jī)組良好的爬坡性能，在模型中求取分段系統(tǒng)負(fù)荷的斜率，使傳統(tǒng)機(jī)組出力跟隨負(fù)荷線性趨勢，使其不僅具有平穩(wěn)性還具有線性特性，拓展傳統(tǒng)協(xié)整關(guān)系為疊加線性函數(shù)的線性協(xié)整關(guān)系。最后在滿足該協(xié)整關(guān)系的前提下，通過優(yōu)化目標(biāo)即可確定系統(tǒng)中最優(yōu)功率分配。

2.2 源荷線性協(xié)整關(guān)系及其檢驗(yàn)流程

圖2 源荷線性協(xié)整關(guān)系的檢驗(yàn)流程Fig.2 Test flowchart of source-load linear cointegration relationship

3 垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰的源荷線性協(xié)整優(yōu)化模型

綜上，本文建立含源荷線性協(xié)整約束的優(yōu)化模型，即源荷線性協(xié)整優(yōu)化模型，模型以預(yù)測新能源和負(fù)荷曲線為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行日前調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化，以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行成本包括傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行成本CG(Pgi，t)、需求側(cè)響應(yīng)成本CD(ΔPt)和棄風(fēng)棄光成本CW(ΔPw，t)。

其中，Ng為常規(guī)機(jī)組臺數(shù)；Ui，t、Ui，t?1分別表示機(jī)組i在t、t ?1時段的啟停狀態(tài)；ai、bi、ci為機(jī)組i的燃料成本參數(shù)；σi、ωi、τi為機(jī)組i的啟停成本參數(shù)；τ 為常規(guī)機(jī)組的連續(xù)開機(jī)或停機(jī)時間；di為機(jī)組i出力調(diào)節(jié)成本；Pgi，t為機(jī)組i 在t 時段的出力；ρ 為需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的單位補(bǔ)償成本；ΔPt為t 時段系統(tǒng)中的需求側(cè)響應(yīng)量，即優(yōu)化得到的PL，t與預(yù)測負(fù)荷的差值；ω 為棄風(fēng)棄光懲罰參數(shù)；ΔPw，t為t 時段的棄風(fēng)棄光功率，即優(yōu)化得到的PW，t與預(yù)測新能源出力的差值。

由于垃圾焚燒電廠發(fā)電燃料為城市垃圾，且發(fā)電量基本為定值，一般不計(jì)入系統(tǒng)運(yùn)行成本，而其碳排放成本一般僅與發(fā)電量有關(guān)，故在此不考慮該成本。

3.2 含源荷線性協(xié)整關(guān)系的系統(tǒng)運(yùn)行約束

約束條件包括系統(tǒng)功率平衡約束的協(xié)整表達(dá)即源荷線性協(xié)整約束、傳統(tǒng)機(jī)組出力約束、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷約束、垃圾焚燒電廠和新能源出力相關(guān)約束。

（1）功率平衡約束和源荷線性協(xié)整約束。

電力系統(tǒng)中功率平衡關(guān)系式（8）及其考慮負(fù)荷或新能源波動功率差額的功率平衡式（9），經(jīng)源荷線性協(xié)整關(guān)系推導(dǎo)和驗(yàn)證得到式（17），進(jìn)一步描述為垃圾焚燒電廠參與系統(tǒng)調(diào)峰的源荷線性協(xié)整約束：

（2）傳統(tǒng)機(jī)組約束。

傳統(tǒng)機(jī)組參與調(diào)度主要受到出力約束、爬坡約束、啟停時間約束和出力波動性控制約束：

其中，Pgmax、Pgmin分別為傳統(tǒng)火電機(jī)組出力上、下限值；Pgc為最大爬坡功率限制值；toff，i，t?1為已停運(yùn)的機(jī)組i到t?1 時段連續(xù)停運(yùn)時間；toff，i為機(jī)組i最小停運(yùn)時間；ton，i，t?1為機(jī)組i 到t?1 時段連續(xù)運(yùn)行時間；ton，i為機(jī)組i一次開機(jī)最小運(yùn)行時間。

（3）需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷約束。

各個時段可供調(diào)用的需求側(cè)負(fù)荷是有限的：

其中，PDmax、PDmin分別為需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的上、下限；Spmax、Spmin分別為需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷在調(diào)度周期內(nèi)的總?cè)萘可?、下限?/p>

（4）垃圾焚燒電廠和新能源出力相關(guān)約束。

a. 垃圾焚燒電廠總出力約束。

垃圾焚燒電廠具有恒定的總出力，可以安排其每個時間間隔的出力大小［12］。

b. 改進(jìn)的煙氣處理系統(tǒng)的約束見式（1）—（7）。c. 其余相關(guān)約束見文獻(xiàn)［12］。

3.3 源荷線性協(xié)整優(yōu)化模型

垃圾焚燒電廠參與系統(tǒng)調(diào)峰的含源荷線性協(xié)整約束的優(yōu)化模型，即源荷線性協(xié)整優(yōu)化模型為：

其中，g表示等式約束；h表示不等式約束。

該模型為混合整數(shù)非線性凸優(yōu)化模型，其中決策變量為新能源出力、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷、傳統(tǒng)機(jī)組出力、垃圾焚燒電廠出力和煙氣處理系統(tǒng)能耗。

4 算例分析

4.1 算例及參數(shù)

混合整數(shù)非線性問題的求解已有穩(wěn)定的求解器可直接使用，本文使用OPTI toolbox 工具箱中opti函數(shù)，該函數(shù)利用分支定界算法求解混合整數(shù)非線性凸優(yōu)化模型。選取某風(fēng)電-光伏-火電-垃圾焚燒電廠聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)作為分析對象，系統(tǒng)圖見圖1，其包含3臺500 MW火電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1500 MW，傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)［1］，風(fēng)電裝機(jī)容量為150 MW，光伏裝機(jī)容量為50 MW。垃圾焚燒電廠參數(shù)如下：裝機(jī)容量為200 MW，日總發(fā)電量為4 000 MW，最大出力為200 MW，煙氣排放強(qiáng)度eα=0.96，固定煙氣處理能耗系數(shù)wα=0.6；氣泵的單位能耗系數(shù)w1=0.8；一個時段的最大煙氣處理量θ=180 m3；儲氣罐最大容量η=600 m3；儲氣罐初始儲氣量為200 m3；煙氣管道最大流量δ=100 m3／h。設(shè)一個調(diào)度周期為24 h，各調(diào)度時段為30 min。系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測曲線和風(fēng)光聯(lián)合出力預(yù)測曲線圖見附錄中圖A1。需求側(cè)響應(yīng)的出力限制、3 臺火電機(jī)組運(yùn)行成本和啟停參數(shù)見附錄中表A1—A3。需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)成本和棄風(fēng)棄光懲罰參數(shù)取值為180元／（MW·h），最小停運(yùn)和啟動時間toff，i=ton，i=4 h。

4.2 煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)對比分析

將本文提出的改進(jìn)煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)與文獻(xiàn)［12］中函數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 煙氣處理系統(tǒng)能耗對比Fig.3 Comparison of energy consumption between flue gas treatment systems

由圖3 可以看出，文獻(xiàn)［12］中的處理系統(tǒng)能耗和煙氣處理量成正比，但是由于實(shí)際中處理效率并非常數(shù)，因此文獻(xiàn)［12］中的煙氣處理函數(shù)無法精確描述處理系統(tǒng)能耗，低估了煙氣處理系統(tǒng)的整體能耗。而本文提出的改進(jìn)煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)則更能反映出實(shí)際處理系統(tǒng)能耗趨勢：當(dāng)煙氣處理量較低時，改進(jìn)煙氣處理系統(tǒng)能耗比未改進(jìn)系統(tǒng)的能耗高，當(dāng)煙氣處理量較高時，改進(jìn)煙氣處理系統(tǒng)能耗反而比較低，并且本文計(jì)及煙氣處理系統(tǒng)氣泵能耗，其最大值為80 MW，這使得煙氣處理系統(tǒng)在作為柔性負(fù)荷時能被更精確地調(diào)用。

4.3 4種運(yùn)行方式仿真及分析

本文選取如下4 種運(yùn)行方式：方式1，系統(tǒng)調(diào)度資源僅考慮傳統(tǒng)火電機(jī)組和需求側(cè)響應(yīng)的傳統(tǒng)運(yùn)行方式；方式2，系統(tǒng)調(diào)度資源包括傳統(tǒng)火電機(jī)組、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷和垃圾焚燒電廠的源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行方式；方式3，系統(tǒng)調(diào)度資源包括傳統(tǒng)火電機(jī)組、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷和垃圾焚燒電廠的源荷協(xié)整運(yùn)行方式；方式4，系統(tǒng)調(diào)度資源包括傳統(tǒng)火電機(jī)組、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷和垃圾焚燒電廠的源荷線性協(xié)整運(yùn)行方式。

4 種運(yùn)行方式的仿真結(jié)果如圖4 所示。由圖中可見，各機(jī)組的出力波動情況與總出力曲線是一致的，為了便于觀察，圖中給出的為3 臺火電機(jī)組的總出力曲線。風(fēng)光新能源棄用曲線見附錄中圖A2。機(jī)組啟停時段見附錄中表A4。

圖4 4種運(yùn)行方式仿真結(jié)果Fig.4 Simulative results of four operation modes

圖4（a）方式1 中，僅通過傳統(tǒng)火電機(jī)組出力調(diào)整和需求側(cè)響應(yīng)來適應(yīng)新能源的波動，傳統(tǒng)火電機(jī)組爬坡約束使其出力無法完全適應(yīng)新能源的波動，并且在負(fù)荷低谷時新能源出力大，導(dǎo)致棄風(fēng)棄光較多（見附錄中圖A2）。

圖4（b）方式2 中，引入垃圾焚燒電廠可調(diào)度資源與傳統(tǒng)機(jī)組共同適應(yīng)新能源和負(fù)荷的波動，調(diào)節(jié)垃圾焚燒電廠即可調(diào)節(jié)負(fù)荷和柔性電源出力，其調(diào)節(jié)能力大幅增加，因此火電機(jī)組出力在時段0—16的波動及新能源棄用情況均有所改善。由于安排垃圾焚燒電廠調(diào)峰，電廠可增加調(diào)峰收益。

圖4（c）方式3 中，考慮系統(tǒng)調(diào)峰的源荷協(xié)整關(guān)系，通過協(xié)調(diào)調(diào)整源荷等多條功率曲線出力，使源荷曲線達(dá)到協(xié)整狀態(tài)，減少火電機(jī)組的調(diào)節(jié)。由附錄中圖A2 可見棄風(fēng)棄光減少。但圖4（c）中傳統(tǒng)機(jī)組出力雖然滿足平穩(wěn)性，但出力曲線在子周期內(nèi)幾乎為一常數(shù)，導(dǎo)致發(fā)電成本和需求側(cè)響應(yīng)增加，且沒有利用傳統(tǒng)機(jī)組出力的爬坡特性契合負(fù)荷增減趨勢。

圖4（d）方式4中，考慮實(shí)際中傳統(tǒng)機(jī)組出力在較小范圍內(nèi)爬坡，使得傳統(tǒng)機(jī)組出力不僅滿足平穩(wěn)性而且還具有線性爬坡特性，減少了機(jī)組調(diào)節(jié)，需求側(cè)響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的削峰填谷規(guī)律，提高了新能源利用率（見附錄中圖A2），由此棄風(fēng)棄光成本進(jìn)一步下降。

分別比較4 種不同系統(tǒng)運(yùn)行方式下各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用及新能源消納情況，如表1、2所示。

表1 4種運(yùn)行方式下的運(yùn)行費(fèi)用Table 1 Operation costs under four operation modes

表2 4種運(yùn)行方式下的新能源消納情況Table 2 Consumption condition of renewable energy under four operation modes

由表1、2 知：方式1 下除需求側(cè)響應(yīng)成本外，其余成本均最大，新能源消納量最??；方式2 加入垃圾焚燒電廠，調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，且能為傳統(tǒng)機(jī)組分擔(dān)調(diào)節(jié)成本，減少棄風(fēng)棄光，總成本最低；方式3 增加傳統(tǒng)機(jī)組出力平穩(wěn)約束，雖然增加了一定的需求側(cè)響應(yīng)成本，但機(jī)組調(diào)節(jié)成本下降，同時由于2 號火電機(jī)組啟停成本較3號火電機(jī)組低，因此減少了機(jī)組啟停成本，且減少了棄風(fēng)棄光；方式4 下傳統(tǒng)機(jī)組出力跟隨日負(fù)荷變化規(guī)律，減少了需求側(cè)響應(yīng)成本，且傳統(tǒng)機(jī)組爬坡出力范圍較小，無需機(jī)組啟停，從而系統(tǒng)總運(yùn)行成本較方式3有所降低，同時新能源消納率最大。

4.4 垃圾焚燒電廠裝機(jī)容量的影響

垃圾焚燒電廠裝機(jī)容量不同會對源荷線性協(xié)整優(yōu)化產(chǎn)生影響。圖5 為垃圾焚燒電廠裝機(jī)容量為400 MW下的源荷線性協(xié)整優(yōu)化。由圖可見，當(dāng)垃圾焚燒電廠容量增加時，因系統(tǒng)柔性電源和柔性負(fù)荷增加，且垃圾焚燒電廠無需燃料成本，因此可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

圖5 垃圾焚燒電廠裝機(jī)容量為400 MW下的源荷線性協(xié)整優(yōu)化Fig.5 Source-load linear cointegration optimization with waste incineration power plant of 400 MW installed capacity

5 結(jié)論

（1）本文提出垃圾焚燒電廠發(fā)電-煙氣處理解耦后模型中改進(jìn)的煙氣處理系統(tǒng)能耗函數(shù)，能更準(zhǔn)確地反映煙氣處理系統(tǒng)能耗，使垃圾焚燒電廠作為柔性負(fù)荷時被精確地調(diào)用。

（2）本文提出垃圾焚燒電廠參與調(diào)峰的源荷協(xié)整關(guān)系，進(jìn)一步通過協(xié)整關(guān)系疊加傳統(tǒng)機(jī)組爬坡性能的線性特點(diǎn)，提出源荷線性協(xié)整關(guān)系，擴(kuò)展了協(xié)整的內(nèi)涵?；诖耍岢隼贌姀S參與調(diào)峰的源荷線性協(xié)整優(yōu)化模型，擴(kuò)展了時間序列協(xié)整關(guān)系在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（3）垃圾焚燒電廠隨著裝機(jī)容量的增加，可參加電力輔助服務(wù)，通過參與調(diào)峰獲得更高效益。垃圾焚燒電廠的靈活運(yùn)行、系統(tǒng)調(diào)峰和對煙氣處理負(fù)荷的調(diào)控，也是增加需求側(cè)響應(yīng)能力和消納新能源的可行措施。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。