電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下抽水蓄能機(jī)組實(shí)時(shí)調(diào)度原則及輔助決策算法研究

廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 邱丹驊 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 黎嘉明

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，是電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)電源。2021年5月國家發(fā)展改革委印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格形成機(jī)制的意見》，明確提出今后一段時(shí)期加快發(fā)展抽水蓄能電站是提升電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要方式，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求，對(duì)保障電力供應(yīng)、確保電網(wǎng)安全、促進(jìn)新能源消納、推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義?！赌戏诫娋W(wǎng)公司建設(shè)新型電力系統(tǒng)行動(dòng)方案（2021-2030年）》提出要大力發(fā)展抽水蓄能，“十四五”和“十五五”期間分別投產(chǎn)500萬和1500萬千瓦抽水蓄能，2030年抽水蓄能裝機(jī)達(dá)到2800萬千瓦左右。

可以預(yù)見抽水蓄能將成為今后一段時(shí)期電力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，抽水蓄能機(jī)組容量占電源裝機(jī)比例將進(jìn)一步上升。因此，如何做好抽水蓄能與電力市場建設(shè)發(fā)展的銜接是一個(gè)必須考慮的問題，特別是在當(dāng)前市場機(jī)制尚未完善、抽水蓄能電站尚未作為獨(dú)立市場主體參與市場的背景下，調(diào)度機(jī)構(gòu)如何科學(xué)、規(guī)范使用蓄能機(jī)組，避免蓄能開停對(duì)電力現(xiàn)貨市場運(yùn)行邊界產(chǎn)生過大影響顯得尤為重要。

以目前已開展電力現(xiàn)貨市場全月結(jié)算試運(yùn)行的廣東省為例，廣東省內(nèi)的抽水蓄能電站均為電網(wǎng)公司資產(chǎn)，根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)貨市場規(guī)則，蓄能機(jī)組視為A類機(jī)組（指暫未獲得與用戶側(cè)直接交易資格的發(fā)電機(jī)組），不參與市場競爭，蓄能日前發(fā)電計(jì)劃由調(diào)度機(jī)構(gòu)方式策劃專業(yè)根據(jù)系統(tǒng)需求安排，實(shí)時(shí)層面由調(diào)度專業(yè)負(fù)責(zé)調(diào)整，蓄能發(fā)電計(jì)劃作為日前和實(shí)時(shí)市場出清的邊界條件使用。截至2020年底，廣東電網(wǎng)調(diào)管的抽水蓄能總裝機(jī)為6680MW（單機(jī)均為300MW左右），容量十分可觀，蓄能發(fā)電計(jì)劃調(diào)整對(duì)電網(wǎng)斷面調(diào)控、競價(jià)空間影響較大，進(jìn)而對(duì)市場出清結(jié)果產(chǎn)生重大影響。本文通過分析2020年8月廣東電力現(xiàn)貨市場全月結(jié)算試運(yùn)行期間相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下抽水蓄能機(jī)組的應(yīng)用場景、實(shí)時(shí)調(diào)度原則、輔助決策算法進(jìn)行研究。

1 蓄能使用場景分析

1.1 負(fù)荷低谷時(shí)段配合系統(tǒng)調(diào)峰

廣東電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大，谷峰比可低至0.62以下，燃機(jī)、煤機(jī)、核電機(jī)組可調(diào)空間有限，為配合西電等清潔能源消納，在負(fù)荷低谷期需要增開蓄能抽水工況（以下簡稱“開泵”）配合調(diào)峰。2020年8月上旬（8月1～10日）廣東電網(wǎng)實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)顯示，夜間低谷全省調(diào)峰缺口最小為463MW，最大為4748MW，所有日期均需要安排蓄能開泵配合系統(tǒng)調(diào)峰，開泵需求最小為2臺(tái)，最大為16臺(tái)。

1.2 負(fù)荷高峰時(shí)期提供發(fā)電側(cè)備用容量

抽水蓄能機(jī)組能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供可快速調(diào)用的發(fā)電側(cè)備用容量，2020年8月上旬廣東電網(wǎng)實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)顯示，10天中共有7天需由蓄能機(jī)組補(bǔ)充提供備用容量，其中不計(jì)蓄能時(shí)全省備用缺口最小為134MW，最大為6577MW，對(duì)應(yīng)的蓄能發(fā)電工況（以下簡稱“開機(jī)”）需求最小為1臺(tái)、最大為22臺(tái)。應(yīng)注意，為保證蓄能所提供的備用容量在發(fā)生事故時(shí)可足量調(diào)出，蓄能上庫可發(fā)電庫容必須滿足蓄能機(jī)組持續(xù)提供相應(yīng)發(fā)電功率所對(duì)應(yīng)的水量。

1.3 負(fù)荷急升急降段補(bǔ)充常規(guī)機(jī)組的調(diào)節(jié)速率缺口

廣東電網(wǎng)在8:00、12:00等負(fù)荷急升急降段負(fù)荷變化速率最大可以達(dá)到1000MW/min，需大量運(yùn)行機(jī)組同步充分調(diào)用其負(fù)荷調(diào)節(jié)能力配合調(diào)整。但實(shí)際各機(jī)組的調(diào)節(jié)速率并不能完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致實(shí)際在運(yùn)機(jī)組無法完全滿足負(fù)荷變化需求，需調(diào)度員通過遙控蓄能啟停機(jī)泵輔助調(diào)節(jié)。

根據(jù)8月廣東實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，可計(jì)算出每日8:00、12:00前后的最大負(fù)荷變化速率。再根據(jù)全省常規(guī)機(jī)組及外送電負(fù)荷變化速率得到必須由蓄能補(bǔ)充的調(diào)節(jié)速率缺口，以及對(duì)應(yīng)的需配合快速調(diào)節(jié)的蓄能機(jī)組臺(tái)數(shù)。從表1可見，除去周末負(fù)荷爬坡速率減緩以外，其余時(shí)間廣東電網(wǎng)在8:00負(fù)荷急升段需要3～4臺(tái)蓄能機(jī)組配合停泵/開機(jī)，在12:00負(fù)荷急降段需要4～6臺(tái)蓄能機(jī)組配合停機(jī)/開泵。

1.4 蓄能水庫水量調(diào)整

為實(shí)現(xiàn)蓄能電站庫容的可持續(xù)循環(huán)利用，一般在夜間開泵抽水后需在日間開機(jī)重新釋放蓄能上庫庫容，實(shí)現(xiàn)蓄能庫容的“按日復(fù)位”。應(yīng)注意到，8月上旬部分日期夜間負(fù)荷低谷期調(diào)峰盈余較大，但次日高峰往往備用緊張，因此仍需提前安排開泵抽水備足可發(fā)電庫容；反之，夜間調(diào)峰困難的日期可能開泵較多，次日高峰時(shí)段一般無需蓄能機(jī)組補(bǔ)充備用容量，但仍需安排機(jī)組開機(jī)以釋放庫容。

2 抽水蓄能機(jī)組實(shí)時(shí)調(diào)度原則

基于抽水蓄能機(jī)組的使用場景，以確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電力現(xiàn)貨市場平穩(wěn)有序運(yùn)轉(zhuǎn)為目標(biāo)，提出抽水蓄能機(jī)組實(shí)時(shí)調(diào)度原則：在保障系統(tǒng)運(yùn)行安全、保證西電等清潔能源消納的情況下，以最少調(diào)用、實(shí)時(shí)/日前計(jì)劃偏差最小化為目標(biāo)使用省內(nèi)蓄能機(jī)組，以實(shí)現(xiàn)對(duì)市場干預(yù)最小化、蓄能損耗最小化；夜間根據(jù)蓄能剩余水量、低谷調(diào)峰缺口、次日需提供的發(fā)電側(cè)備用容量對(duì)應(yīng)最低水量制定蓄能計(jì)劃；日間根據(jù)高峰時(shí)段備用需求、斷面頂峰需要制定蓄能計(jì)劃，剩余時(shí)段根據(jù)蓄能庫容均勻安排開機(jī)放水，實(shí)現(xiàn)蓄能庫容的每日復(fù)位；負(fù)荷急升急降時(shí)段根據(jù)超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)確定常規(guī)機(jī)組調(diào)峰速率缺口，定量安排蓄能機(jī)組啟停進(jìn)行補(bǔ)充；除蓄能水位異常、備用/調(diào)峰盈余緊張等情況，當(dāng)與蓄能強(qiáng)相關(guān)的斷面重載時(shí)不安排蓄能的啟停計(jì)劃，避免蓄能計(jì)劃安排觸發(fā)異常電價(jià)；蓄能計(jì)劃安排應(yīng)盡量根據(jù)負(fù)荷走勢(shì)逐步變化，避免由于階躍式的蓄能計(jì)劃跳變?cè)斐墒袌龀銮宄霈F(xiàn)不平衡量。應(yīng)注意，精準(zhǔn)落實(shí)以上原則需比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和安全校核，僅依賴人工經(jīng)驗(yàn)很難嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)，因此需研究抽水蓄能機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行的輔助決策算法。

3 抽水蓄能機(jī)組輔助決策算法

3.1 電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下抽水蓄能機(jī)組輔助決策算法主要邏輯

3.2 混合整數(shù)線性規(guī)劃問題

計(jì)算以下混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，兼顧水量、平滑各時(shí)段出力即可優(yōu)化得出蓄能發(fā)電計(jì)劃。

約束條件2，調(diào)峰最小開泵容量約束，t時(shí)段蓄能電站的開泵容量應(yīng)大于該時(shí)刻的最小調(diào)峰開泵容量：

約束條件3，負(fù)荷急升急降段補(bǔ)充調(diào)節(jié)速率約束，t時(shí)段蓄能出力絕對(duì)值應(yīng)大于對(duì)應(yīng)時(shí)段需要蓄能輔助調(diào)節(jié)的容量：；約束條件4，最小抽水容量約束，蓄能初始水量疊加出力計(jì)劃對(duì)應(yīng)的水量應(yīng)大于最小庫容儲(chǔ)備：式中為蓄能00:00時(shí)刻的初始水量。

約束條件5，庫容按日復(fù)位約束，即抽水蓄能電站24:00的水量與00:00初始水量保持一致：式中為蓄能24:00時(shí)刻的水量；約束條件6，功率平滑約束，相鄰時(shí)段（15分鐘）的蓄能計(jì)劃值變化不超過900MW（3臺(tái)機(jī)組），避免由于階躍式的蓄能計(jì)劃跳變?cè)斐墒袌龀銮宄霈F(xiàn)不平衡量：≤900。

通過以上蓄能輔助決策算法，可在盡量減少對(duì)日前計(jì)劃干預(yù)的情況下自動(dòng)生成實(shí)時(shí)蓄能出力計(jì)劃，基本滿足調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用、水量平衡等安全要求，為調(diào)度員實(shí)時(shí)調(diào)控蓄能機(jī)組提供決策支撐。