考慮需求響應(yīng)和儲能壽命約束的多類型電源協(xié)同調(diào)度

李琳瑋，寧光濤，陳明帆，梁亞峰，何禮鵬，陳皓勇，鄭曉東

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，?？?570203；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的不斷加深，各國紛紛走上以開發(fā)清潔高效的新能源為主的綠色能源發(fā)展道路[1-2]。2020 年12 月，習(xí)總書記在國際氣候雄心峰會上提出“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，我國正在大力發(fā)展以風(fēng)電、光伏等可再生能源為主的低碳能源系統(tǒng)，高比例可再生能源并網(wǎng)將是未來電力系統(tǒng)的基本特征[3]。

風(fēng)電出力具有一定的反調(diào)峰特性，當(dāng)夜間風(fēng)電出力較高時(shí)負(fù)荷處于低谷，而白天負(fù)荷水平較高時(shí)風(fēng)電出力較小，這間接拉大了負(fù)荷峰谷差，增加了調(diào)峰壓力，系統(tǒng)容易面臨靈活性調(diào)節(jié)資源不足的局面。以火電機(jī)組為主的調(diào)峰機(jī)組常常需要頻繁啟停，容易造成火電機(jī)組在負(fù)荷低谷時(shí)負(fù)荷率不高的運(yùn)行狀況，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率[4]。

電化學(xué)儲能具有較強(qiáng)的靈活調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需要進(jìn)行快速充放電，這有助于改善火電機(jī)組頻繁啟停的運(yùn)行狀況。近年來，電化學(xué)儲能發(fā)展較快，建設(shè)成本不斷下降[5]。因此，在電網(wǎng)側(cè)配置一定規(guī)模的電化學(xué)儲能，能夠起到削峰填谷、改善負(fù)荷曲線特性的作用。

同時(shí)，柔性負(fù)荷作為一種雙向互動的靈活性資源，通過需求側(cè)管理，可削峰填谷、平抑間歇性能源波動和提供輔助服務(wù)[6]。利用電化學(xué)儲能的靈活調(diào)節(jié)能力和柔性負(fù)荷的快速響應(yīng)能力，發(fā)揮源-荷-儲聯(lián)合調(diào)度作用，有利于豐富電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)節(jié)手段。

文獻(xiàn)[7]將柔性負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可平移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷3 類，同時(shí)建立考慮3 類柔性負(fù)荷的機(jī)組組合模型。文獻(xiàn)[8]建立了計(jì)及可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、考慮火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的日前調(diào)度方法。文獻(xiàn)[9]在微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化中考慮可中斷負(fù)荷，建立考慮聯(lián)絡(luò)線波動最小的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[10]考慮了實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的隨機(jī)故障，包括發(fā)電機(jī)組的停運(yùn)、輸電線路的故障以及可中斷負(fù)荷的隨機(jī)毀約，建立機(jī)會約束下的含可中斷負(fù)荷的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[11]在光伏和儲能的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型中考慮柔性負(fù)荷，其結(jié)果表明柔性負(fù)荷能夠降低系統(tǒng)所需配置的儲能容量，提高光伏消納率。文獻(xiàn)[12]建立考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)不確定性的多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[13]針對新型智能小區(qū)，提出一種適用于負(fù)荷聚合商的可削減柔性負(fù)荷實(shí)時(shí)需求響應(yīng)調(diào)度策略。文獻(xiàn)[14]建立了以電動汽車退役電池為柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型。然而，以上所建立的模型存在2 個(gè)問題：在考慮電化學(xué)儲能參與電網(wǎng)調(diào)度時(shí)，沒有考慮到儲能電池的放電深度對其壽命帶來的影響，容易導(dǎo)致放電深度過高使得儲能電池的實(shí)際壽命大大縮短；沒有將儲能與柔性負(fù)荷同時(shí)考慮在內(nèi)，沒有考慮電化學(xué)儲能和需求響應(yīng)的協(xié)同作用。

因此，本文建立考慮需求響應(yīng)和儲能壽命約束的多類型電源協(xié)同調(diào)度模型，同時(shí)考慮火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、水電機(jī)組、核電機(jī)組，并且引入需求響應(yīng)（包括可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷），以發(fā)揮電化學(xué)儲能的靈活調(diào)節(jié)能力和柔性負(fù)荷的快速響應(yīng)能力。最后，以某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證所建模型的有效性。

1 考慮電化學(xué)儲能的多類型電源模型

本文結(jié)合火電、水電、風(fēng)電、核電等多類型電源的運(yùn)行特性，建立了考慮電化學(xué)儲能的多類型電源模型。

1.1 火電機(jī)組的相關(guān)約束

式中：Pg，t為火電機(jī)組g 在第t 時(shí)段的出力；Pg，max和Pg，min分別為火電機(jī)組g 出力的最大值和最小值；分別為火電機(jī)組g 向上和向下爬坡速率的限值；Ig，t為火電機(jī)組是否運(yùn)行的指示變量，Ig，t=1 表示火電機(jī)組g 在第t 時(shí)段處于運(yùn)行狀態(tài)；T 為1 個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的時(shí)段總數(shù)；分別為火電機(jī)組g 的最小開機(jī)時(shí)段數(shù)和最小關(guān)機(jī)時(shí)段數(shù)。

式（1）表示火電機(jī)組的出力約束，式（2）表示火電機(jī)組的爬坡速率約束，式（3）表示火電機(jī)組的最小開機(jī)時(shí)段數(shù)約束，式（4）表示火電機(jī)組的最小關(guān)機(jī)時(shí)段數(shù)約束。

1.2 風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)約束

式中：Pw，t為風(fēng)電機(jī)組w 在第t 時(shí)段的出力；為風(fēng)電機(jī)組w 在第t 時(shí)段的預(yù)測出力。

由于風(fēng)電機(jī)組的出力具有隨機(jī)性，在日前計(jì)劃中按照風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測出力進(jìn)行整定，即在考慮風(fēng)電全額消納的基礎(chǔ)上，安排其他機(jī)組發(fā)電計(jì)劃。

1.3 水電機(jī)組的相關(guān)約束

式中：Ph，t為水電機(jī)組h 在第t 時(shí)段的出力；Ph，max和Ph，min分別為水電機(jī)組h 出力的最大值和最小值；分別為水電機(jī)組h 向下和向上爬坡速率的限值；Wh為水電機(jī)組用于發(fā)電的最大水量（已轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電量）。

式（6）表示水電機(jī)組的出力約束，式（7）表示水電機(jī)組的爬坡速率約束，式（8）表示水電機(jī)組用于發(fā)電的水量約束。

1.4 核電機(jī)組的相關(guān)約束

若核電機(jī)組參與調(diào)峰，頻繁調(diào)節(jié)容易造成反應(yīng)堆芯局部溫度過高等安全問題，因此核電機(jī)組一般按照基荷狀態(tài)設(shè)計(jì)運(yùn)行。本次研究考慮核電機(jī)組的2 種工作狀態(tài)[15]：滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G。

式中：Im，t為核電機(jī)組是否運(yùn)行的指示變量，Im，t=1表示核電機(jī)組m 在第t 時(shí)段處于工作狀態(tài)；和分別為核電機(jī)組m 運(yùn)行在滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G 的指示變量，取值為1 時(shí)表示核電機(jī)組處于該種運(yùn)行狀態(tài)；Pm，t為核電機(jī)組m 在第t時(shí)段的發(fā)電功率；分別為核電機(jī)組m 在滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G 下的發(fā)電功率；和分別為核電機(jī)組m 在滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G 下的最小運(yùn)行時(shí)間。

式（9）表示核電機(jī)組只能運(yùn)行在滿功率和低功率的其中一種狀態(tài)，式（10）表示核電機(jī)組的2種工作狀態(tài)只能分別以固定功率運(yùn)行，式（11）和（12）分別表示核電機(jī)組在滿功率和低功率運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)該滿足的最小運(yùn)行時(shí)間約束。

1.5 功率平衡約束

1.6 備用容量約束

式中：Pm，max為核電機(jī)組m 的出力最大值；Rt為第t 時(shí)段系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量。

1.7 線路潮流約束

式中：γgl，γwl，γhl，γbl，γdl分別為火電機(jī)組g、風(fēng)電機(jī)組w、水電機(jī)組h、儲能電池系統(tǒng)b、負(fù)荷d對輸電線路l 的功率分布因子[16]；Pl，max為輸電線路l 的傳輸功率上限值。

1.8 儲能電池模型

在機(jī)組組合中考慮儲能電池參與電網(wǎng)調(diào)度，有利于提升系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，但儲能電池的頻繁充放電行為將大大降低儲能電池的使用壽命。忽略儲能電池的壽命約束將導(dǎo)致對調(diào)度方案的運(yùn)行成本計(jì)算偏低。放電深度和日循環(huán)次數(shù)會對儲能電池的使用壽命帶來影響。因此儲能電池的實(shí)際壽命Tcalendar由電池的浮充壽命Tfloat和循環(huán)壽命Tcycle中的較小值確定，即：

式中：浮充壽命Tfloat是出廠時(shí)的服務(wù)年限；循環(huán)壽命Tcycle反映了電池在達(dá)到壽命終點(diǎn)之前的充放電次數(shù)，是電池儲能達(dá)到失效時(shí)的實(shí)際工作年限。

工程上常用雨流計(jì)數(shù)法確定電池儲能的放電深度[17]。按照雨流計(jì)數(shù)法確定循環(huán)放電深度之后，電池的循環(huán)壽命可以擬合為：

式中：Nlife為電池儲能達(dá)到實(shí)際壽命時(shí)的循環(huán)次數(shù)；dcycle為電池儲能每次充放電循環(huán)的放電深度；N0為電池儲能以100%放電深度充放電時(shí)的循環(huán)次數(shù)；kp為擬合參數(shù)。通常電池廠家會提供相關(guān)參數(shù)。

由式（17）可知，儲能電池每次充放電過程的放電深度越大，電池的循環(huán)壽命減少得越多。雨流計(jì)數(shù)法包括非凸的復(fù)雜計(jì)算，非線性程度較高，為了簡化計(jì)算，本文采用基于充放電功率的壽命模型?；诔浞烹姽β实膲勖Ｐ屯ㄟ^給儲能電池每次的充放電功率分?jǐn)傄欢ǖ恼蹞p成本，可以較為準(zhǔn)確地刻畫儲能電池產(chǎn)生的運(yùn)行成本。在調(diào)度計(jì)劃中引入儲能電池的折損成本可以限制儲能電池的充放電深度和次數(shù)，避免電池由于過度充放電損耗太快而減少壽命。因此電池儲能的折損成本Fb可以表示為：

儲能電池的單位折損成本為：

式中：Lb，T為儲能電池系統(tǒng)b 全壽命周期內(nèi)的總充放電量；Cb，APV為儲能電池系統(tǒng)b 投資和運(yùn)行維護(hù)成本的年值；Tb，float為儲能電池系統(tǒng)b 的浮充壽命。

儲能電池投資和運(yùn)維成本的年值：

式中：Cb，inv為儲能電池系統(tǒng)b 的投資成本，由單位投資成本乘以儲能電池容量得到；Cb，op為儲能電池系統(tǒng)b 的年運(yùn)維成本；r 為貼現(xiàn)率。在本文中，N0取1 591，kp取2.09，Tfloat取10 年，r 取5%。

儲能電池在運(yùn)行過程中應(yīng)該滿足充放電功率上下限、荷電量上下限、相鄰時(shí)段的荷電量耦合等約束條件：

式（21）和式（22）分別表示儲能電池的充放電功率約束，式（23）表示儲能電池只能運(yùn)行在充電和放電2 種狀態(tài)，式（24）表示儲能電池系統(tǒng)相鄰時(shí)段荷電量的耦合約束，式（25）表示儲能電池系統(tǒng)荷電量的上下限約束，式（26）保證儲能電池系統(tǒng)調(diào)度周期始末的荷電量相等。

2 柔性負(fù)荷模型

面對不斷提高的風(fēng)電滲透率帶來的調(diào)峰壓力，柔性負(fù)荷和電化學(xué)儲能的協(xié)同優(yōu)化能夠更好地提升系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。本文將系統(tǒng)中的負(fù)荷分為固定負(fù)荷和柔性負(fù)荷，其中柔性負(fù)荷還包括可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷。顯然，用戶d 在第t 時(shí)段的負(fù)荷Pd，t為：

在系統(tǒng)的電力供應(yīng)中，部分負(fù)荷的用電量不受電網(wǎng)調(diào)度控制，發(fā)電部門需要按照這部分負(fù)荷的出力曲線制定發(fā)電計(jì)劃，本文稱這部分負(fù)荷為固定負(fù)荷。

2.1 可中斷負(fù)荷

按照電網(wǎng)與用戶簽訂的合約，電網(wǎng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行要求，向簽約用戶下達(dá)電力中斷的指令，同時(shí)給予用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，可中斷負(fù)荷的實(shí)際負(fù)荷值與最大可中斷次數(shù)、中斷負(fù)荷量的關(guān)系為：

可中斷負(fù)荷發(fā)生負(fù)荷中斷可以獲取一定的補(bǔ)償費(fèi)用Fil，可以表示為：

式中：λil為可中斷負(fù)荷發(fā)生中斷的單位補(bǔ)償成本。

2.2 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的負(fù)荷特性靈活，可根據(jù)運(yùn)行需要靈活調(diào)節(jié)各時(shí)段的用電量，在一個(gè)調(diào)度周期（如24 h）內(nèi)保持總用電量不變，如電動汽車換電站、冰蓄冷以及工商業(yè)用戶的部分負(fù)荷等[18]。

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用Fsl可以表示為：

式中：λsl為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的單位補(bǔ)償成本；為用戶d 在第t 時(shí)段調(diào)整前的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

式（31）為包含絕對值的表達(dá)式，一般沒有辦法直接求解，故引入輔助變量，式（31）轉(zhuǎn)換為：

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的相關(guān)約束為：

式（33）表示可轉(zhuǎn)移負(fù)荷在調(diào)度周期內(nèi)的總量保持不變，各時(shí)段的負(fù)荷可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。式（34）對調(diào)整后的各時(shí)段可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行限制，本文取可轉(zhuǎn)移負(fù)荷最小值，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷最大值。式（35）描述可轉(zhuǎn)移負(fù)荷調(diào)整前后的關(guān)系。

3 考慮需求響應(yīng)和儲能壽命約束的多類型電源優(yōu)化運(yùn)行

考慮需求響應(yīng)和儲能壽命約束的多類型電源優(yōu)化運(yùn)行以系統(tǒng)在調(diào)度周期內(nèi)的運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)，同時(shí)考慮火電機(jī)組和核電機(jī)組發(fā)電所需的燃料費(fèi)用、火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用、柔性負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用和儲能電池的折損成本。

系統(tǒng)的運(yùn)行總費(fèi)用F 可以表示為：

式（36）—（40）中：Fn為火電機(jī)組和核電機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用；F1（Pg，t）為火電機(jī)組的燃料費(fèi)用；為火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用；F2（Pm，t）為核電機(jī)組的燃料費(fèi)用；ag，bg和cg分別為火電機(jī)組g 燃料費(fèi)用與發(fā)電功率的二次函數(shù)關(guān)系式的二次項(xiàng)、一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；bm和cm分別為核電機(jī)組m 燃料費(fèi)用與發(fā)電功率的一次函數(shù)關(guān)系式的一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；分別為火電機(jī)組g 的單次開機(jī)、停機(jī)費(fèi)用。

表示火電機(jī)組燃料費(fèi)用的二次函數(shù)可以通過分段線性化[19-20]的方法進(jìn)行處理。假設(shè)火電機(jī)組的出力區(qū)間為[Pmin，Pmax]，用n+1 個(gè)點(diǎn)x0≤x1≤…≤xk≤…≤xn（其中x0=Pmin，xn=Pmax）將該區(qū)間等分為n 個(gè)小區(qū)間，如圖1 所示。

圖1 燃料成本二次函數(shù)線性化示意圖

對于每個(gè)小區(qū)間內(nèi)的二次函數(shù)值可以用割線進(jìn)行近似線性化：

式中：xk≤x≤xk+1。

采用數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件GAMS 的SOS2 型變量可以將橫坐標(biāo)x 表示為：

式（43）只有2 個(gè)相鄰的SOS2 型變量之和為1，其余變量為0。因此，通過SOS2 型變量可以識別出火電機(jī)組的出力位于哪個(gè)分段區(qū)間內(nèi)，從而采用相應(yīng)的割線進(jìn)行線性計(jì)算。

4 算例仿真

4.1 算例描述

以某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析。該地區(qū)共有9 臺火電機(jī)組、3 臺水電機(jī)組、5 臺風(fēng)電機(jī)組、2 臺核電機(jī)組，各類電源的裝機(jī)容量及占比見表1。系統(tǒng)風(fēng)電滲透率達(dá)到25%，屬于高滲透率可再生能源電力系統(tǒng)?；痣姍C(jī)組和核電機(jī)組的基本參數(shù)見表2、表3。此外，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入3 套儲能電池系統(tǒng)，儲能電池系統(tǒng)的基本參數(shù)見表4。旋轉(zhuǎn)備用設(shè)置為總負(fù)荷的10%。固定負(fù)荷占總負(fù)荷的90%，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷分別占總負(fù)荷的5%，見表5?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷的單位補(bǔ)償費(fèi)用分別為50 元/MWh 和400 元/MWh。本文所建模型本質(zhì)上是一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃問題，可以通過成熟的商用求解器進(jìn)行求解。本文通過數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件GAMS 調(diào)用CPLEX 求解器進(jìn)行求解，運(yùn)行環(huán)境為Core（TM）i5-8250U CPU 1.80 GHz，內(nèi)存為8 GB。

表1 系統(tǒng)各類電源的裝機(jī)容量及比例

表2 火電機(jī)組的基本參數(shù)

表3 核電機(jī)組的基本參數(shù)

表4 儲能電池系統(tǒng)的基本參數(shù)

表5 系統(tǒng)各時(shí)段的總負(fù)荷和柔性負(fù)荷

4.2 4 種運(yùn)行場景的優(yōu)化對比

為了探究柔性負(fù)荷與儲能電池協(xié)調(diào)運(yùn)行對系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化效用，下面分為4 種場景進(jìn)行仿真計(jì)算：

場景1：系統(tǒng)沒有儲能電池和柔性負(fù)荷。

場景2：系統(tǒng)有儲能電池，沒有柔性負(fù)荷。

場景3：系統(tǒng)沒有儲能電池，只有柔性負(fù)荷。

場景4：系統(tǒng)既有儲能電池，又有柔性負(fù)荷。

根據(jù)給定的各項(xiàng)參數(shù)和設(shè)置的運(yùn)行場景進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同場景下的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，如表6 所示。

表6 不同場景下的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

1）場景1：基礎(chǔ)場景運(yùn)行分析。

該系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電各時(shí)段的出力曲線如圖2所示，負(fù)荷最高時(shí)段為時(shí)段11 至?xí)r段12，風(fēng)電最大出力時(shí)段為時(shí)段5 至?xí)r段6，風(fēng)電出力呈現(xiàn)出一定程度的反調(diào)峰特性，增加了部分火電機(jī)組及水電機(jī)組的調(diào)峰壓力，影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 各時(shí)段系統(tǒng)的風(fēng)電出力和負(fù)荷曲線

在場景1 中，由于系統(tǒng)沒有電化學(xué)儲能和柔性負(fù)荷，只能完全依靠火電機(jī)組和水電機(jī)組發(fā)揮調(diào)峰作用。水電機(jī)組雖然調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，能夠快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，但其每天的發(fā)電量受到庫容的限制；火電機(jī)組受自身的爬坡速率和最小開停機(jī)時(shí)間約束；核電機(jī)組出于安全穩(wěn)定運(yùn)行的考慮一般不參與調(diào)峰。因此，系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力不足，無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的全額消納。在時(shí)段5 和時(shí)段6，棄風(fēng)量分別達(dá)到306.57 MW 和271.06 MW，棄風(fēng)率達(dá)到4.0%。同時(shí)，由于缺乏柔性負(fù)荷的響應(yīng)能力，無法將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至風(fēng)電富余時(shí)段，造成風(fēng)電資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，增加了火電機(jī)組的燃料費(fèi)用，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，經(jīng)濟(jì)性較差。場景1 的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃如圖3 所示。

圖3 場景1 的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃

2）場景2：引入儲能的優(yōu)化結(jié)果分析。

場景2 的儲能電池充放電功率如圖4 所示。在場景2 中，電化學(xué)儲能參與電網(wǎng)調(diào)度，能有效應(yīng)對風(fēng)電出力的反調(diào)峰特性，在風(fēng)電富余而負(fù)荷低谷時(shí)將電能儲存起來，用于緩解系統(tǒng)負(fù)荷高峰而風(fēng)電出力水平較低時(shí)的運(yùn)行壓力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率的轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，提升風(fēng)電消納率。對于場景2，時(shí)段5 和時(shí)段6 的棄風(fēng)量分別為46.57 MW 和11.06 MW，相比基礎(chǔ)場景，棄風(fēng)率從4.0%下降至0.4%。由于棄風(fēng)率的降低，系統(tǒng)的燃料費(fèi)用相比場景1 從5 034 358 元下降至5 004 613 元，同比下降0.59%，系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

圖4 場景2 的儲能電池充放電功率

引入電化學(xué)儲能后得到的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃如圖5 所示。對比圖3 和圖5 可知，時(shí)段1 至?xí)r段6 的負(fù)荷水平較低，此時(shí)開啟的機(jī)組在整個(gè)調(diào)度周期都處于運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入負(fù)荷水平較高的時(shí)段7 至?xí)r段24，系統(tǒng)配置的儲能電池參與到多類型電源調(diào)度，能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，因此對火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力需求降低，系統(tǒng)不需開啟爬坡速率較大但費(fèi)用較高的火電機(jī)組G4，而傾向于開啟爬坡速率較小但費(fèi)用較低的火電機(jī)組G7，這有利于減少火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用，提升整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

圖5 場景2 的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃

3）場景3：實(shí)施需求響應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果分析。

實(shí)施需求響應(yīng)后柔性負(fù)荷的響應(yīng)情況見表7。從表7 可知，高峰時(shí)段（時(shí)段9 至?xí)r段12）的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段（時(shí)段4 至?xí)r段7），必要時(shí)進(jìn)行部分負(fù)荷中斷。在風(fēng)電富余的時(shí)段5 和時(shí)段6，火電機(jī)組和水電機(jī)組都已經(jīng)下調(diào)至最小技術(shù)出力，但可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量受到限制，且系統(tǒng)的向下調(diào)節(jié)能力不足，系統(tǒng)無法繼續(xù)降出力來消納更多的風(fēng)電出力，因此系統(tǒng)無法完全消納風(fēng)電。在時(shí)段5 和時(shí)段6，棄風(fēng)量分別達(dá)到42.05 MW 和5.12 MW，相比基礎(chǔ)場景，棄風(fēng)率由4.0%下降至0.33%。因此，在多類型電源電力系統(tǒng)中實(shí)施需求響應(yīng)，能夠改善負(fù)荷曲線特性，緩解系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，場景3 的運(yùn)行費(fèi)用相比場景1 從6 734 358 元下降至6 520 223 元。

表7 實(shí)施需求響應(yīng)后柔性負(fù)荷的響應(yīng)情況

4）場景4：需求響應(yīng)與儲能協(xié)同優(yōu)化的結(jié)果分析。

場景4 實(shí)施需求響應(yīng)后的負(fù)荷曲線如圖6 所示。在考慮需求響應(yīng)和儲能壽命約束的協(xié)同優(yōu)化下，負(fù)荷峰谷差由調(diào)整前的1 387.65 MW 降低至調(diào)整后的1 121.88 MW，同比下降19.15%。場景4 中儲能電池的充放電次數(shù)和放電深度相比場景2 有所降低，這表明較小的負(fù)荷峰谷差有利于制定更為經(jīng)濟(jì)高效的儲能充放電計(jì)劃。

圖6 場景4 實(shí)施需求響應(yīng)后的負(fù)荷曲線

場景4 各類型電源的出力曲線如圖7 所示。在考慮需求響應(yīng)和儲能電池的多類型電源協(xié)同調(diào)度方案中：核電機(jī)組作為基荷機(jī)組按照A 模式運(yùn)行；按照優(yōu)先消納新能源的原則，風(fēng)電機(jī)組的出力用于消納轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段的負(fù)荷和儲能電池系統(tǒng)充電；火電機(jī)組出力平緩，承擔(dān)大部分腰荷；水電機(jī)組和部分火電機(jī)組作為調(diào)峰機(jī)組；水電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力較快，能夠快速響應(yīng)風(fēng)電的隨機(jī)出力和負(fù)荷變化；電化學(xué)儲能和其他調(diào)峰機(jī)組協(xié)同發(fā)揮削峰填谷作用。

圖7 場景4 各類型電源的出力曲線

不同場景下的火電機(jī)組負(fù)荷率見表8。可以看出，在考慮需求響應(yīng)和儲能電池協(xié)同調(diào)度的運(yùn)行場景中，火電機(jī)組的平均負(fù)荷率相比基礎(chǔ)場景從74.46%提升至80.67%，并且減少了一臺火電機(jī)組投入運(yùn)行。這表明儲能參與調(diào)度運(yùn)行有助于提升火電機(jī)組的運(yùn)行效率，減少火電機(jī)組的開停機(jī)次數(shù)，降低火電機(jī)組的調(diào)峰壓力。因此，儲能和需求響應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化能夠降低火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用，提升系統(tǒng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。場景4 的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為4 種運(yùn)行場景中最優(yōu)。

表8 不同場景下的火電機(jī)組負(fù)荷率

4.3 考慮電池壽命模型的優(yōu)化對比

為了探究在考慮需求響應(yīng)和儲能電池的多類型電源協(xié)同調(diào)度中考慮電池壽命對調(diào)度方案帶來的影響，本文設(shè)置2 種不同場景——考慮儲能運(yùn)行成本和不考慮儲能運(yùn)行成本，仿真計(jì)算得到的結(jié)果如表9 和圖8 所示。

圖8 儲能電池的充放電功率

表9 考慮電池壽命模型的優(yōu)化結(jié)果

在不考慮儲能運(yùn)行成本的場景中，由于在優(yōu)化過程中不需考慮儲能電池的折損成本，儲能電池的放電深度較大，最大的放電深度達(dá)到80%。采用式（17）對不考慮儲能電池折損成本的場景進(jìn)行估算，其儲能電池實(shí)際能夠運(yùn)行的壽命只有6.95年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲能電池的浮充壽命10 年?？紤]儲能運(yùn)行成本后，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本增加了1.0%。因此，在優(yōu)化運(yùn)行中考慮儲能電池的折損成本，能夠更加準(zhǔn)確地反映調(diào)度計(jì)劃的運(yùn)行成本。在安排儲能電池運(yùn)行方式時(shí)考慮儲能電池的折損成本，得到的調(diào)度方案中儲能電池的放電深度有所降低，因此能夠延長儲能電池的使用壽命?，F(xiàn)階段儲能的單位建設(shè)成本依然較高，折算到單位充放電功率會產(chǎn)生較高的折損成本，隨著儲能成本的降低，電化學(xué)儲能將能夠更大程度地提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

針對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的火電機(jī)組頻繁開停機(jī)問題，建立了考慮需求響應(yīng)和儲能壽命約束的多類型電源日前協(xié)同調(diào)度模型。以某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）儲能電池參與調(diào)度能夠應(yīng)對風(fēng)電出力的反調(diào)峰特性，對風(fēng)電出力進(jìn)行“高充低放”，減輕系統(tǒng)調(diào)峰壓力，提升風(fēng)電消納率，從而減少火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用和燃料費(fèi)用。儲能電池在運(yùn)行階段產(chǎn)生的折損成本在運(yùn)行總費(fèi)用中的占比不可忽略，制定調(diào)度計(jì)劃時(shí)考慮折損成本有利于延長儲能電池的使用壽命。

2）通過與用戶簽約的方式設(shè)定可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷，能夠使系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要將部分高峰時(shí)段的負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移和中斷，這有助于降低系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差?？紤]需求響應(yīng)和儲能壽命約束的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度能夠使系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性達(dá)到更優(yōu)。