劉 闖,孫 傲,王藝博,賀 歡,張海亮,寧遼逸
(1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司,遼寧 鞍山 114009)
煤、石油等化石能源的短缺以及大量化石能源的使用導(dǎo)致的環(huán)境污染問題,使得人類對新能源的發(fā)展產(chǎn)生了足夠的重視。我國能源消費總量十分突出,所以建設(shè)一個安全、清潔和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)成為我國能源發(fā)展的必然要求[1]。截至2019年年底,我國風電累計裝機達2.1×108kW,光伏發(fā)電累計裝機達2.04×108kW,裝機占比達到20.6%。但新能源并網(wǎng)容量大規(guī)模增加,其波動性和反調(diào)峰特性導(dǎo)致電力運行成本呈現(xiàn)增長態(tài)勢。當采用傳統(tǒng)調(diào)度方法時,需要火電平抑新能源所帶來的功率波動,若繼續(xù)采取傳統(tǒng)調(diào)度方法,則新能源如何進行消納將成為難題,同時會對火電機組的運行造成巨大壓力[2-4]。
為了提高系統(tǒng)新能源的消納水平,有關(guān)需求側(cè)負荷調(diào)控的研究日益興起,利用現(xiàn)有的負荷端資源參與新能源的就地消納是解決棄風問題的新思路,通過增強需求側(cè)與電源側(cè)的互動,為電網(wǎng)調(diào)峰模式的轉(zhuǎn)變提供了前提條件[5]。目前國內(nèi)外關(guān)于需求側(cè)負荷調(diào)控的研究已經(jīng)取得了一定成果。文獻[6]建立了電熱水器集群溫控負荷的模型,研究了其在頻率響應(yīng)下的控制策略。文獻[7]提出了具有儲能特性的空調(diào)負荷快速參與需求響應(yīng)的方案,并建立了空調(diào)負荷總功率與環(huán)境溫度、室外溫度的關(guān)系模型,實現(xiàn)了對空調(diào)負荷可調(diào)度潛力的評估。文獻[8-9]首先分析了電動汽車隨機接入電網(wǎng)時參加系統(tǒng)需求響應(yīng)的可行性,提出了一種適用于電動汽車的分布式需求響應(yīng)算法,以降低系統(tǒng)負荷最大峰值。文獻[10]定義了“源-網(wǎng)-荷”互動協(xié)調(diào)的概念,利用可控負荷調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的運行,并以風電消納為目標給出了相關(guān)的控制研究框架。將負荷側(cè)中具有代表性的高耗能負荷作為參加需求響應(yīng)的主體控制對象有著明顯的優(yōu)勢。首先高耗能負荷具有更高的單體負荷容量,比商業(yè)和住宅負荷具有更大的調(diào)節(jié)潛力;其次,高耗能負荷的自動化生產(chǎn)水平較高,更易于實現(xiàn)負荷控制[11]。因此,研究以高耗能負荷為需求響應(yīng)主體的協(xié)調(diào)調(diào)度方法具有較強的工程意義與應(yīng)用價值[12]。
高耗能負荷參與對電網(wǎng)調(diào)峰的作用在國內(nèi)外已有研究。文獻[13]提出了一種高耗能-風電協(xié)調(diào)調(diào)度策略;文獻[14]提出了一種源荷協(xié)調(diào)控制的多目標優(yōu)化算法;文獻[15]構(gòu)建了一種考慮風電消納成本的源荷協(xié)調(diào)2 層優(yōu)化模型;文獻[16]研究了綜合考慮風電價格約束和電網(wǎng)調(diào)峰約束下高耗能企業(yè)內(nèi)部轉(zhuǎn)移負荷和增加負荷,利用優(yōu)化預(yù)測函數(shù)控制尋優(yōu)算法求解風電出力波動數(shù)值;文獻[17]綜合考慮源、網(wǎng)、荷三方利益,引入電價競爭機制,提出了風電消納模型,以實現(xiàn)降低風電出力波動、減少受阻風電功率的目的。綜合而言,大多數(shù)研究僅集中在利用可調(diào)節(jié)負荷參與系統(tǒng)的可再生能源消納方面,隨著需求響應(yīng)和儲能技術(shù)的成熟和成本的降低,研究含儲能與高耗能負荷參與系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)峰的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法具有重要意義。
氧化鎂作為一種高溫耐火材料,在航天、水泥、化工及電子工業(yè)等中都得到了應(yīng)用。我國遼寧省中部菱鎂礦資源豐富,制備氧化鎂的方法主要是利用電熔鎂爐產(chǎn)生電弧進行高溫灼燒,將菱鎂礦石加熱到熔融狀態(tài),以獲取高純度的氧化鎂晶體[18]。電熔鎂負荷是一種高能耗的工業(yè)負荷,由于電熔鎂負荷的容量為幾十兆瓦級或數(shù)百兆瓦級,即使只進行部分功率調(diào)節(jié),也能作為火電機組調(diào)節(jié)能力的補充,降低火電機組的調(diào)節(jié)次數(shù)和調(diào)峰深度。目前相關(guān)研究大多數(shù)集中在電熔鎂爐運行控制方面。關(guān)于電熔鎂用能的研究,文獻[19]提出了一種基于改進粒子群優(yōu)化算法的電弧爐供電模型,可以達到縮減電熔鎂熔煉時間、降低單位用能的效果;文獻[20]考慮了在電熔鎂負荷運行過程中的不同運行狀態(tài),實現(xiàn)了在不同工況下電熔鎂熔煉過程中全廠電能分配的實時多目標優(yōu)化。
針對上述火電機組和新能源發(fā)展中的問題,本文將高耗能負荷中具有代表性的電熔鎂負荷作為負荷側(cè)調(diào)控的主體對象,在電熔鎂負荷側(cè)配置電池儲能裝置,共同參與系統(tǒng)的風電消納??紤]到不同調(diào)峰主體參與電力系統(tǒng)調(diào)峰的時間尺度不同,使各參與主體分別參與到相應(yīng)時段的調(diào)峰過程中,對風電預(yù)測誤差與負荷預(yù)測誤差進行逐步消除,形成計及電熔鎂負荷和儲能的聯(lián)合調(diào)峰方法。通過深入分析電熔鎂負荷和儲能參與系統(tǒng)調(diào)峰的機理,建立以電力系統(tǒng)運行成本最小為目標的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法,實現(xiàn)了負荷側(cè)調(diào)峰主體和源側(cè)機組的協(xié)調(diào)運行,仿真結(jié)果表明該方法能有效提高系統(tǒng)調(diào)峰靈活性,降低系統(tǒng)的運行成本,提升風電的消納能力。
1.1.1 電熔鎂負荷運行方式
電熔鎂爐的工作原理圖如圖1 所示。圖中1—4 分別為電熔鎂爐接入降壓變壓器的短網(wǎng)、電極升降裝置、電熔鎂爐爐體、可升降電極。在電熔鎂的生產(chǎn)過程中,主要通過電熔鎂爐進行制備。從爐體結(jié)構(gòu)上,電熔鎂爐屬于一種交流電弧爐。從生產(chǎn)工藝上,電熔鎂爐是利用交流電弧產(chǎn)生的熱量對電熔鎂礦石進行加熱,使礦石達到熔融狀態(tài),進而可以得到氧化鎂晶體。電熔鎂爐可以通過電極控制器對電極進行升降,達到控制爐內(nèi)電流,進而控制電熔鎂爐消耗功率的效果。
圖1 電熔鎂爐原理示意圖Fig.1 Principle diagram of fused magnesium furnace
1.1.2 電熔鎂負荷調(diào)節(jié)特性模型
電熔鎂負荷在生產(chǎn)過程中受到多種生產(chǎn)工藝的限制,故在電熔鎂負荷調(diào)節(jié)過程中應(yīng)考慮以下約束。
1)調(diào)節(jié)容量約束。
式(4)表示在電熔鎂爐的一個完整生產(chǎn)周期T內(nèi),每臺電熔鎂爐的調(diào)節(jié)次數(shù)不應(yīng)超過所設(shè)定的最大調(diào)節(jié)次數(shù)M,這樣可以避免單臺電熔鎂爐進行多次調(diào)節(jié),影響該臺電熔鎂爐的產(chǎn)品純度與產(chǎn)量。
3)電熔鎂負荷功率調(diào)節(jié)時間約束。
單臺電熔鎂爐不宜在連續(xù)的幾個時間段內(nèi)進行持續(xù)上調(diào),否則會導(dǎo)致電熔鎂爐中熔融的液體溫度持續(xù)升高,造成噴爐等事故。另外,如果電熔鎂爐功率持續(xù)下調(diào)時間過長,則會導(dǎo)致爐內(nèi)溫度不滿足反應(yīng)要求,影響電熔鎂產(chǎn)品純度。所以對電熔鎂負荷功率調(diào)節(jié)時間約束為:
式中:λ1—λ3分別為功率上調(diào)狀態(tài)、功率下調(diào)狀態(tài)、額定功率狀態(tài)下的電熔鎂產(chǎn)率;ΔT為電熔鎂負荷的調(diào)度周期;Wm為電熔鎂的預(yù)計產(chǎn)量值。
目前,由于儲能技術(shù)的不斷成熟和成本降低,其能廣泛參與到電力工程的實際應(yīng)用中。在多種儲能技術(shù)中,電池儲能集成度水平高、響應(yīng)速度快,成為了最受關(guān)注的儲能技術(shù)之一。當負荷側(cè)配置集中式電池儲能時,儲能裝置可以參與電網(wǎng)調(diào)峰與新能源消納,提高電網(wǎng)接納新能源水平,降低火電機組調(diào)峰負擔。
荷電狀態(tài)SOC(State Of Charge)為評價電池儲能裝置剩余能量的參數(shù),其計算公式為:
通過整合需求側(cè)的可調(diào)控資源與電網(wǎng)進行“雙向互動”,是應(yīng)對日益增長且多樣化的電力需求和緩解電力供需不平衡的有效手段。
在傳統(tǒng)調(diào)度方式下,電力系統(tǒng)的凈負荷為:
圖2 為3 種調(diào)度方式的系統(tǒng)日凈負荷對比圖。由圖可見,在電熔鎂負荷進行調(diào)峰的基礎(chǔ)上,電池儲能在棄風時段吸收風電功率,并在后續(xù)出現(xiàn)負荷高峰時段釋放功率。這說明電熔鎂負荷和電池儲能聯(lián)合調(diào)峰方式使系統(tǒng)凈負荷峰谷差進一步減小,緩解了火電機組調(diào)峰壓力。
圖2 3種調(diào)度方式的凈負荷對比Fig.2 Comparison of net load among three kinds of dispatching modes
隨著碳達峰、碳中和目標的逐步推進,新能源機組將會大規(guī)模接入電力系統(tǒng),電源側(cè)將呈現(xiàn)出多能互補的局面,為了提高電力系統(tǒng)新能源占比,火電需要進行頻繁調(diào)節(jié)并增大調(diào)峰寬度來平抑新能源的功率波動,這將增加火電機組的運行成本。本節(jié)將從經(jīng)濟性角度,以火電機組為研究對象,對大規(guī)模新能源接入電力系統(tǒng)后的火電機組運行成本進行分析,基于此針對調(diào)峰過程的不同階段進行細化,建立火電機組運行成本模型。
由于電源側(cè)呈現(xiàn)多能互補的趨勢,為更大程度地消納新能源,需要火電機組降低出力,運行在深度調(diào)峰模式,為新能源讓出更大的上網(wǎng)空間。但隨著火電機組出力的下降,機組效率也會隨之降低,因此有必要對深度調(diào)峰過程中的火電機組運行成本進行分析。
在不投油的深度調(diào)峰階段,除考慮式(16)所示的煤耗成本外,還應(yīng)考慮在交變應(yīng)力作用下機組壽命衰減所導(dǎo)致的機組壽命損耗成本。本文選擇Manson-Coffin 公式對火電機組的壽命損耗成本fs進行定量計算[21],如式(17)所示。式中:poil為單位油價;moil為投油深度調(diào)峰階段使用的油量。
綜上所述,不同調(diào)峰階段的火電機組成本fsd如表1所示。
表1 不同調(diào)峰階段的火電機組成本Table 1 Cost of thermal power generators in different peaking stages
隨著風電等新能源的裝機容量逐年提升,其消納問題也愈發(fā)突出。雖然對風電進行功率預(yù)測可以對后續(xù)系統(tǒng)調(diào)度提供幫助,但是風電預(yù)測結(jié)果仍存有一定偏差,并且風電功率的預(yù)測準確度隨著時間尺度的減小而提高,所以為了達到更好的風電消納效果,考慮分為日前與日內(nèi)2 種時間尺度對電力系統(tǒng)內(nèi)可調(diào)度資源進行控制,建立日前和日內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度模型。根據(jù)第1、2 節(jié)的分析可知,對于電力系統(tǒng)內(nèi)不同類型的調(diào)峰資源,有著不同的控制方式,電熔鎂負荷在響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度需求時,需考慮調(diào)節(jié)時間約束,調(diào)節(jié)速度和范圍有限。相比于電熔鎂負荷,電池儲能集成度水平高、響應(yīng)速度快,能靈活響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)度需求。將電熔鎂負荷和電池儲能在其適宜的時間尺度內(nèi)進行調(diào)度,可最大限度地發(fā)揮兩者的作用。下面從經(jīng)濟性角度,分別對日前和日內(nèi)電熔鎂負荷和電池儲能聯(lián)合調(diào)峰經(jīng)濟調(diào)度模型進行說明。
對于日前調(diào)度階段,電源側(cè)考慮常規(guī)火電機組、深度調(diào)峰火電機組和風電,負荷側(cè)考慮電熔鎂負荷參與電網(wǎng)調(diào)峰,日前調(diào)度以后續(xù)的24 h 為1 個調(diào)度周期,以1 h 為時間間隔進行調(diào)度,以系統(tǒng)日前24 h內(nèi)的總運行成本最低為目標,確定系統(tǒng)風電接入量、火電機組啟停情況、深度調(diào)峰機組出力和電熔鎂負荷的調(diào)節(jié)情況。
日前經(jīng)濟調(diào)度模型目標函數(shù)為:
在日前調(diào)度中,需要考慮的約束條件包含風電出力約束、火電機組約束、系統(tǒng)運行約束和電熔鎂負荷調(diào)節(jié)約束,其中電熔鎂負荷調(diào)節(jié)約束如式(1)—(7)所示。
1)風電出力約束。
風電出力的上、下限約束為:
通過對日前優(yōu)化調(diào)度模型進行求解,可以得到各臺火電機組在各個時刻的啟停情況、電熔鎂負荷在各個時刻的功率調(diào)節(jié)情況、深度調(diào)峰機組的出力大小,并將上述求得的日前調(diào)度參考值代入日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型中做進一步求解。
在日內(nèi)優(yōu)化階段,以1 h 為調(diào)度周期,安排未來1 h 的火電機組出力情況和儲能功率變化情況。因此,可以構(gòu)建以下一個調(diào)度周期內(nèi)的系統(tǒng)總運行成本最小的日內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度模型,系統(tǒng)的總運行成本主要考慮火電機組運行成本和啟停成本、電熔鎂負荷調(diào)節(jié)成本、儲能電池運行成本和棄風成本。且在系統(tǒng)運行約束中也需要考慮系統(tǒng)正負旋轉(zhuǎn)備用、機組爬坡約束和儲能電池運行約束。
日內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度模型目標函數(shù)為:
通過對日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型的求解,調(diào)整下一調(diào)度周期內(nèi)的火電機組的出力情況和風電出力情況,并確定電池儲能的充放電情況。日前-日內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度方法的流程圖如附錄A圖A1所示。
基于改進的IEEE 30 節(jié)點系統(tǒng)對本文所提出的兩階段日前-日內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化模型進行驗證。改進后的IEEE 30 節(jié)點系統(tǒng)中含有1 座裝機容量為1 500 MW 的風電場、4 臺常規(guī)火電機組、1 臺可以進行深度調(diào)峰的火電機組,其中參考實際電網(wǎng)中風電上網(wǎng)電價,將棄風成本設(shè)置為200 元/(MW·h),火電機組參數(shù)如附錄A 表A1 所示。模型求解問題屬于一種混合整數(shù)規(guī)劃問題,本文考慮采用遺傳算法進行求解。在日前調(diào)度模型中,設(shè)置遺傳算法的最大迭代次數(shù)為1 500次,種群規(guī)模為500,變異概率為0.7,交叉概率為0.3;相較于日前調(diào)度模型,日內(nèi)調(diào)度模型中變量數(shù)量明顯減少,故在日內(nèi)調(diào)度模型中設(shè)置遺傳算法的最大迭代次數(shù)為500 次,種群規(guī)模為100,變異概率為0.7,交叉概率為0.3。
本文假設(shè)電熔鎂企業(yè)在安排生產(chǎn)計劃時,采用全天生產(chǎn)方式。且為了避免由于連續(xù)調(diào)節(jié)時間過長對電熔鎂產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響,假設(shè)電熔鎂負荷最長的持續(xù)上調(diào)時間不超過6 h,最長的持續(xù)下調(diào)時間不超過4 h,則電熔鎂負荷具體的調(diào)節(jié)參數(shù)如表2所示。
表2 電熔鎂負荷調(diào)節(jié)參數(shù)Table 2 Regulation parameters of fused magnesium load
系統(tǒng)中除電熔鎂負荷外,常規(guī)負荷的日前預(yù)測曲線如附錄A 圖A2 所示,并假設(shè)常規(guī)負荷的日前、日內(nèi)的預(yù)測結(jié)果相同。電熔鎂企業(yè)內(nèi)裝配的儲能電池采用磷酸鐵鋰電池,容量為200 MW·h,儲能電池的具體參數(shù)如附錄A 表A2 所示。設(shè)儲能電池的運行成本為50元/(MW·h)。
為了驗證本文所提出的日前-日內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度方法的有效性,設(shè)定以下場景進行對比分析。
1)場景1:僅依靠常規(guī)火電機組進行調(diào)峰。
2)場景2:僅依靠火電機組和電熔鎂負荷進行日前調(diào)峰。根據(jù)日前風電預(yù)測數(shù)據(jù),充分考慮電熔鎂的運行約束的同時,使電熔鎂負荷主動參與系統(tǒng)調(diào)峰。
3)場景3:依靠火電機組,聯(lián)合電熔鎂負荷與儲能電池進行日前-日內(nèi)聯(lián)合調(diào)峰。
結(jié)合風電日前-日內(nèi)的預(yù)測數(shù)據(jù),得出3 種場景下的系統(tǒng)運行成本情況如表3 所示,各場景下的棄風量對比如附錄A圖A3所示。
表3 不同場景下電力系統(tǒng)運行總成本對比Table 3 Comparison of total operating costs of electric power system among different scenarios
從表3 中所示不同場景下的系統(tǒng)運行各項成本對比可知,采用傳統(tǒng)調(diào)度方式時,系統(tǒng)棄風情況最為嚴重。在場景2 中,將電熔鎂負荷作為一種調(diào)峰資源后,系統(tǒng)棄風成本有了顯著降低。進而在場景3中,采用電熔鎂和儲能聯(lián)合調(diào)峰方式后,相較于場景2,系統(tǒng)的棄風成本又降低了29.2%,且儲能和電熔鎂負荷的總調(diào)節(jié)成本僅占系統(tǒng)總運行成本的1.41%。由此可見,使用儲能電池對降低系統(tǒng)運行成本有更好的效果。采用本文所提出的電熔鎂和儲能聯(lián)合調(diào)峰模式能夠降低系統(tǒng)運行成本,緩解火電機組調(diào)峰壓力,提高風電消納水平。
圖3 和圖4 分別為采用電熔鎂負荷和儲能聯(lián)合調(diào)峰策略后,各個時刻的風電出力情況和電熔鎂負荷的調(diào)節(jié)情況。由圖4 可見,在棄風率較高的時刻(如01:00—04:00 和20:00—24:00),電熔鎂負荷均進行了功率上調(diào),以幫助系統(tǒng)消納風電,且當風電功率降低時(如12:00)電熔鎂負荷進行了功率下調(diào),以滿足系統(tǒng)源側(cè)與荷側(cè)的供需平衡,避免了火電機組進行頻繁調(diào)節(jié)。
圖3 采用日前-日內(nèi)調(diào)峰策略后的棄風情況Fig.3 Amount of wind curtailment after adopting day-ahead and intra-day peak shaving strategy
圖4 電熔鎂負荷調(diào)節(jié)曲線Fig.4 Regulation curve of fused magnesium load
圖5 為電池儲能充放電功率情況,通過電熔鎂負荷和電池儲能的功率動態(tài)調(diào)整后,場景2和場景3中系統(tǒng)的凈負荷對比情況如圖6 所示。由圖可見,經(jīng)日前-日內(nèi)兩階段的優(yōu)化調(diào)度后,系統(tǒng)凈負荷的日峰谷差降低了30.98 MW。綜上所述,電熔鎂負荷和電池儲能聯(lián)合調(diào)峰策略能夠降低系統(tǒng)的凈負荷峰谷差值,同時可以充分接納風電,具有良好的實用價值。
圖5 電池儲能充放電功率情況Fig.5 Charging and discharging power of battery energy storage
圖6 場景2和場景3中系統(tǒng)凈負荷對比Fig.6 Comparison of net load in electric power system between Scenario 2 and Scenario 3
當采用本文所提出的電熔鎂負荷與儲能聯(lián)合調(diào)峰的運行模式時,系統(tǒng)中的火電機組出力情況如圖7 所示。由圖7 可知:當風電消納存在困難時(如01:00—04:00 和20:00—24:00),深度調(diào)峰機組會降低出力,為風電上網(wǎng)提供更大空間;且當系統(tǒng)風電有降低趨勢時(如07:00—08:00),深度調(diào)峰機組可以補足風電功率的缺失。由此可見,深度調(diào)峰機組可以進一步提高系統(tǒng)調(diào)峰的靈活性,配合電熔鎂負荷和電池儲能共同參與系統(tǒng)調(diào)度,提高系統(tǒng)風電消納水平。
圖7 火電機組出力情況Fig.7 Output of thermal power units
本文提出了一種計及需求側(cè)電熔鎂負荷和電池儲能的聯(lián)合調(diào)峰調(diào)度方法,得到主要結(jié)論如下。
1)從需求側(cè)中的電熔鎂負荷和電池儲能模型入手,討論了二者在電力系統(tǒng)調(diào)峰中的作用,從理論上揭示了通過合理調(diào)節(jié)電熔鎂負荷和配置電池儲能可以幫助系統(tǒng)提高風電消納量。
2)火電機組中的深度調(diào)峰火電機組由于有著更寬的調(diào)節(jié)裕度,可以進一步提升電力系統(tǒng)風電功率的接入能力。通過聯(lián)合電熔鎂負荷以及儲能進行輔助調(diào)峰,在提高系統(tǒng)靈活性的同時可以進一步降低系統(tǒng)棄風水平。由算例分析結(jié)果可知,本文所提優(yōu)化調(diào)度策略相較于僅考慮電熔鎂負荷調(diào)峰的場景,日平均棄風功率降低了29.2%,系統(tǒng)凈負荷的日峰谷差降低了30.98 MW。在未來,隨著儲能的成本的降低,本文所提出的調(diào)度策略將有更為廣闊的應(yīng)用前景。
3)本文以系統(tǒng)總運行成本最低為目標,提出了一種日前-日內(nèi)兩階段經(jīng)濟調(diào)度方法,使各調(diào)峰主體在不同時間尺度上發(fā)揮各自優(yōu)勢,靈活響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)度需求。該方法可以用于分析風火系統(tǒng)中,利用電熔鎂負荷和儲能在不同模式下參與電力系統(tǒng)調(diào)峰的運行成本,為電力系統(tǒng)調(diào)度和電熔鎂企業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃提供了一種有效的決策信息。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.epae.cn)。