含柔性負荷的火電機組深度調(diào)峰的源荷分層優(yōu)化調(diào)度

樊國旗，劉海南，黃 健，樊國偉，段青熙，潘偉東，宋朋飛，柳慶豐

(1.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017；2.國網(wǎng)石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000；3. 國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；

0 引 言

風電在促進可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略發(fā)揮著重要作用[1-2]，但風電反調(diào)峰特性對電力系統(tǒng)調(diào)峰帶來巨大挑戰(zhàn)，需要優(yōu)化系統(tǒng)運行促進風電消納[3-4]。

針對此類問題，文獻[5]通過預留部分負荷資源，在需要消納新能源時，調(diào)用該預留負荷提高風電利用率；文獻[6-7]通過調(diào)用高載能負荷實現(xiàn)削峰填谷作用；文獻[8-9]通過火電深度調(diào)峰等多種途徑促進新能源消納；文獻[10]在新能源出力高峰時段，通過抽水蓄能增大系統(tǒng)負荷，減少火電機組深度調(diào)峰功率；在新能源出力低谷時段，則由抽水蓄能電站放水發(fā)電減小火電機組發(fā)電壓力。

上述文獻多是針對源側(cè)或負荷側(cè)進行研究，較少綜合考慮負荷和電源分層優(yōu)化調(diào)度進行研究。因此，提出了一種含柔性負荷的火電機組深度調(diào)峰的源荷分層優(yōu)化調(diào)度方法，通過上層優(yōu)化減小系統(tǒng)峰谷差，減少系統(tǒng)開機臺數(shù)，降低常規(guī)調(diào)峰最小技術(shù)出力；通過下層優(yōu)化減小系統(tǒng)成本，確定火電機組出力和棄風功率。通過某地區(qū)電力系統(tǒng)實際算例，驗證所提分層調(diào)度方法可有效促進風電消納，降低系統(tǒng)成本。

1 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)特性影響

風電具有逆調(diào)峰特點，并網(wǎng)后會加大電網(wǎng)等效負荷峰谷差。當?shù)刃ж摵尚∮诨痣姍C組最小技術(shù)出力時，會導致棄風。等效負荷峰谷差計算如式(1)、式(2)所示。

Pe1,原始，t=P1,原始,t-Pwind,t

(1)

(2)

圖1為某日風電、原始負荷、原始等效負荷和未深度調(diào)峰時棄風情況?？芍L電等效負荷峰谷差為3 611.1 MW，不含風電等效負荷峰谷差2713 MW，增加了系統(tǒng)調(diào)峰負擔893.1 MW；最大棄風功率1128 MW，充風量為5 066.7 MWh，棄風率為24.8%，棄風較為嚴重。因此需要考慮調(diào)用其他資源減小系統(tǒng)調(diào)峰壓力，減少棄風。

圖1 風電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響

2 柔性負荷、火電機組深度調(diào)峰分析

2.1 火電機組深度調(diào)峰

火電機組常規(guī)調(diào)峰由于受到最小技術(shù)出力(50%PN，PN為機組最大技術(shù)出力)限制，其調(diào)峰空間小。系統(tǒng)因調(diào)峰能力不足導致棄風，因此需要增加系統(tǒng)調(diào)峰能力。通過技術(shù)改造，火電機組最小出力可先降低至不投油火電機組最小技術(shù)出力(40%PN)，然后再降低至投油火電機組最小技術(shù)出力(30%PN)，這樣可以增大火電機組調(diào)峰空間，進而接納更多風電。火電機組出力變化如圖2所示。

圖2 火電機組出力變化

火電機組深度調(diào)峰主要產(chǎn)生機組損耗成本、投油成本。其深度調(diào)峰增加的成本為10～50元/MWh[11]，而深度調(diào)峰補償價格約為200元/MWh[12]，由于增加火電機組收益，因此火電機組愿意參與深度調(diào)峰。

火電機組深度調(diào)峰機組損耗成本為

(3)

式中：β為機組損耗系數(shù)；SJ為機組購機成本；NF,t為機組t時刻的轉(zhuǎn)子致裂周次，和火電機組出力大小有關(guān)。

火電機組深度調(diào)峰機組投油成本為

(4)

式中：Qoil,t為深度調(diào)峰投油量；coil為投油成本單價。

2.2 柔性負荷

柔性負荷可以改變生產(chǎn)時間，從而優(yōu)化電網(wǎng)等效負荷，改善峰谷差特性。當需要柔性負荷(如電解鋁)調(diào)峰時，首先采用電壓調(diào)節(jié)功率，利用電解鋁額定工作電壓在±10%范圍內(nèi)變化不會影響產(chǎn)品質(zhì)量特性進行調(diào)節(jié)；當所需參與調(diào)峰功率增加(減少)超過30 MW時，采用投入(退出)一組電解鋁負荷(30 MW)進行調(diào)節(jié)，使電壓恢復至額定工作電壓，以此類推，從而可以實現(xiàn)柔性負荷連續(xù)調(diào)峰效果。柔性負荷參與調(diào)用如圖3所示。

圖3 柔性負荷參與調(diào)用

電解鋁耗能大，因此對電價成本比較敏感，但轉(zhuǎn)移負荷本身較為容易且不會增加成本，而獲得的調(diào)用補償可以減少生產(chǎn)費用。因此電解鋁負荷參與調(diào)度意愿較強。

調(diào)用容量約束為

(5)

調(diào)用時間約束為

(6)

3 分層優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 分層優(yōu)化調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

分層優(yōu)化調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 分層優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)

上層模型以優(yōu)化等效負荷峰谷差最小為目標，提高火電機組低谷時間出力，減少深度調(diào)峰調(diào)用功率，進而減少深度調(diào)峰調(diào)用成本；降低火電機組高峰時間出力，增大火電機組向上調(diào)節(jié)能力(火電機組最大技術(shù)出力和當前出力差值)，從而提高火電機組面對風電缺額或者其他火電機組故障時的風險能力。柔性負荷參與調(diào)峰后能夠優(yōu)化等效負荷曲線。

下層模型以系統(tǒng)成本最小為目標，系統(tǒng)成本包括火電機組成本、棄風成本和柔性負荷調(diào)用成本?；痣姍C組容量越大成本越低，所以首先調(diào)用大容量機組深度調(diào)峰，其次調(diào)用小容量機組深度調(diào)峰。

3.2 分層優(yōu)化調(diào)度模型目標函數(shù)

上層優(yōu)化模型以優(yōu)化等效負荷峰谷差最小為目標，即

(7)

總調(diào)用柔性負荷成本Cfl為

(8)

式中：ΔPfl,t為調(diào)用柔性負荷功率,ΔPfl,t為正表示增大柔性負荷功率， ΔPfl,t為負表示減小柔性負荷功率;T為調(diào)用柔性負荷時間;cfl為調(diào)用柔性負荷單位成本。

下層優(yōu)化模型以系統(tǒng)成本最小為目標。

min(Cw,a+Cf)

(9)

式中:Cw,a為棄風成本；Cf為火電機組成本。

(10)

(11)

式中：T″為火電運行的時間總數(shù)；N為火電機組的數(shù)量；Pf,i,t代表第i臺火電機組t時刻的功率大??；ai、bi、ci分別為第i臺火電機組發(fā)電成本的二次、一次和常數(shù)系數(shù)；Cf,深度為火電機組深度調(diào)峰成本[10]。

3.3 約束條件

約束條件包括系統(tǒng)備用約束、系統(tǒng)功率平衡、火電機組常規(guī)調(diào)峰和深度調(diào)峰出力上下限約束，分別如式(12)至式(15)所示。

(12)

(13)

(14)

(15)

4 算例分析

4.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計

以圖1所示的風電并網(wǎng)數(shù)據(jù)和表1所示的火電機組參數(shù)進行仿真?；痣姍C組最小技術(shù)出力為額定容量的50%。

表1 火電機組參數(shù)

風電上網(wǎng)電價為250元/MWh,補貼電價為350元/MWh,棄風單位成本為600元/MWh；柔性調(diào)用單位成本為153元/MWh，柔性負荷參與調(diào)度每組容量為30 MW，最大可調(diào)用20組。

4.2 仿真驗證結(jié)果

1)經(jīng)仿真該日原始等效負荷、柔性負荷優(yōu)化等效負荷、柔性負荷調(diào)用功率如圖5所示。

由圖5可知，在原始負荷低谷期增加調(diào)用柔性負荷為1 820.86 MWh，在原始負荷高峰期減小柔性負荷為1 148.3 MWh，總調(diào)用柔性負荷為2 969.17 MWh；柔性負荷優(yōu)化后等效負荷峰谷差為2 571.8 MW，峰谷差降低28.78%；優(yōu)化前最大等效負荷為4553 MW，優(yōu)化后最大等效負荷為4113 MW，減小了440 MW；優(yōu)化前最小等效負荷為1 541.8 MW，優(yōu)化后最小等效負荷為941.9 MW，增大最小等效負荷599.9 MW。

圖5 柔性負荷優(yōu)化等效負荷與原始等效負荷對比

2)柔性負荷優(yōu)化等效負荷前后開機臺數(shù)對比如表2所示。

表2 柔性負荷優(yōu)化等效負荷前后開機數(shù)對比 單位：臺

由表2可知，柔性負荷優(yōu)化等效負荷后可減少200 MW機組開機兩臺。

3)柔性負荷優(yōu)化前后等效負荷火電機組出力對比如圖6所示。

圖6 柔性負荷優(yōu)化前后火電機組出力對比

由圖6可知：柔性負荷優(yōu)化后提高火電機組平均出力，其中600 MW、300 MW和200 MW單臺機組平均出力分別提高21.84 MW、15.51 MW和5.93 MW；提高了火電機組平均利用小時。

4)柔性負荷優(yōu)化前后火電機組深度調(diào)峰和棄風功率對比如圖7所示。

圖7 柔性負荷優(yōu)化前后火電機組深度調(diào)峰與棄風對比

由圖7計算可知，柔性負荷優(yōu)化前火電機組深度調(diào)峰為6 293.4 MWh,而優(yōu)化后為4 285.9 MWh,減少火電機組深度調(diào)峰2 007.5 MWh；柔性負荷優(yōu)化后沒有棄風，而優(yōu)化前棄風1 413.4 MWh，減少棄風1 413.4 MWh。

5)柔性負荷優(yōu)化前后成本對比如表3所示。

表3 柔性負荷優(yōu)化前后成本對比

可以看出，柔性負荷優(yōu)化后火電機組運行成本減小了46.99萬元，火電機組深度調(diào)峰成本降低了4.51萬元，棄風成本降低了84.8萬元，雖然柔性負荷調(diào)用成本增加了45萬元，但總成本仍降低91.3萬元。由于增加的柔性負荷成本45萬元補償給了柔性負荷企業(yè)，達到了柔性負荷企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)雙贏的目的。

5 結(jié) 語

針對風電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰能力不足問題，提出含柔性負荷的火電機組深度調(diào)峰的分層優(yōu)化調(diào)度方法；上層優(yōu)化等效負荷，可減小系統(tǒng)峰谷差；下層優(yōu)化系統(tǒng)成本，減少火電機組深度調(diào)峰成本、新能源限電成本以及系統(tǒng)總成本。

通過仿真驗證，所提柔性負荷優(yōu)化火電機組深度調(diào)峰可以減少火電機組開機臺數(shù)，提高單臺火電機組平均利用小時。同時可以降低柔性負荷企業(yè)成本，達到電網(wǎng)企業(yè)和柔性負荷企業(yè)雙贏的目的。