面向風(fēng)電消納與電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)控的源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化策略

張海亮 王藝博 蔡國(guó)偉 劉 闖 葛維春

面向風(fēng)電消納與電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)控的源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化策略

張海亮1王藝博1蔡國(guó)偉1劉 闖1葛維春2

（1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 吉林 132012 2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 沈陽(yáng) 110006）

風(fēng)電出力具有隨機(jī)和波動(dòng)性特點(diǎn)，其并網(wǎng)容量的增加導(dǎo)致火電機(jī)組調(diào)節(jié)壓力不斷加大，棄風(fēng)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，電力系統(tǒng)調(diào)控難度攀升。為解決系統(tǒng)棄風(fēng)問(wèn)題，該文在火電機(jī)組參與調(diào)度的基礎(chǔ)上，提出利用電熔鎂高載能負(fù)荷的可調(diào)節(jié)特性，將其作為新的調(diào)節(jié)資源，與火電機(jī)組協(xié)同配合，消納受阻風(fēng)電。首先，分析電熔鎂高載能負(fù)荷運(yùn)行特性，建立電熔鎂高載能負(fù)荷參與調(diào)度模型；其次，提出以風(fēng)電消納量最大和系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型；最后，采用優(yōu)化軟件CPLEX進(jìn)行求解，仿真結(jié)果表明：電熔鎂高載能負(fù)荷參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度可有效減少棄風(fēng)、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

電熔鎂高載能負(fù)荷 風(fēng)電消納 運(yùn)行成本 源荷協(xié)調(diào) 雙層優(yōu)化

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電并網(wǎng)容量持續(xù)增加，隨機(jī)、間歇、波動(dòng)與反調(diào)峰特性等使得其大規(guī)模并網(wǎng)后加大了系統(tǒng)等效負(fù)荷[1]（負(fù)荷功率與風(fēng)電出力之差）峰谷差，導(dǎo)致火電機(jī)組調(diào)峰壓力倍增，電網(wǎng)調(diào)控難度增大[2-5]。電熔鎂高載能負(fù)荷具有調(diào)節(jié)容量大、響應(yīng)速度快、自動(dòng)化水平高的特點(diǎn)，可以改善因風(fēng)電并網(wǎng)容量增加帶來(lái)的火電機(jī)組調(diào)節(jié)壓力增大的問(wèn)題，將具有可調(diào)節(jié)特性的電熔鎂高載能負(fù)荷融入電網(wǎng)調(diào)度，就地消納受阻風(fēng)電，既可以減輕火電機(jī)組的調(diào)節(jié)壓力，還可以將消納的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于將負(fù)荷側(cè)資源作為新的調(diào)節(jié)資源，同火電機(jī)組一起參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、消納受阻風(fēng)電進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]綜述了柔性負(fù)荷的運(yùn)行特性，討論了將其作為新的可調(diào)節(jié)資源的可能性，提出了電網(wǎng)調(diào)度柔性負(fù)荷消納風(fēng)電的設(shè)想。文獻(xiàn)[7]提出了一種新的負(fù)荷控制算法，采用住宅恒溫控制設(shè)備，最大限度地利用區(qū)域電網(wǎng)中的風(fēng)電資源。文獻(xiàn)[8]提出了一種改進(jìn)的基于決策樹(shù)的算法，通過(guò)協(xié)調(diào)控制電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電機(jī)組和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)降低住宅配電網(wǎng)的峰值負(fù)荷。但是，以上研究主要從需求響應(yīng)的角度對(duì)負(fù)荷參與風(fēng)電消納進(jìn)行研究，選擇的負(fù)荷容量較小，而且需求側(cè)用戶的用電行為很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[9]結(jié)合電力市場(chǎng)與用戶側(cè)需求響應(yīng)提出，令高耗能負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)，利用尖峰電價(jià)激勵(lì)高耗能負(fù)荷消納受阻風(fēng)電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。文獻(xiàn)[10-11]在考慮負(fù)荷不確定性和風(fēng)電不確定性的基礎(chǔ)上，建立了最小化棄風(fēng)和切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)的魯棒機(jī)組組合模型。文獻(xiàn)[12]建立了一種考慮柔性負(fù)荷的多目標(biāo)安全約束機(jī)組組合優(yōu)化模型，該模型有利于減小負(fù)荷峰谷差，提高風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)[13]利用蓄熱電采暖負(fù)荷消納風(fēng)電，提出風(fēng)電與蓄熱電采暖負(fù)荷聯(lián)合運(yùn)行模式，該模式能夠提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納水平，緩解系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。文獻(xiàn)[14]將電化學(xué)儲(chǔ)能引入蓄熱式電鍋爐消納風(fēng)電的系統(tǒng)中，提出一種儲(chǔ)能融合蓄熱式電鍋爐消納風(fēng)電的多目標(biāo)優(yōu)化控制方法。文獻(xiàn)[15-16]分析了高載能負(fù)荷的可調(diào)節(jié)特性，提出通過(guò)投切高載能負(fù)荷實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的就地消納。上述研究主要是將高耗能負(fù)荷視為可中斷負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度，消納受阻風(fēng)電，并未對(duì)電熔鎂負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行深入研究。

目前針對(duì)電熔鎂高載能負(fù)荷電極電流控制已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[17]提出一種簡(jiǎn)化的電極電流飽和約束一步最優(yōu)控制方法，并驗(yàn)證了該方法的最優(yōu)性。文獻(xiàn)[18]提出一種帶輸出補(bǔ)償?shù)腜ID控制器，可以在所有運(yùn)行時(shí)間內(nèi)將電流值控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[19]將電熔鎂爐電流控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換成可以用序貫法求解的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，利用該方法可以將電熔鎂爐三相電流值保持在設(shè)定值范圍之內(nèi)。上述文獻(xiàn)研究了幾種電熔鎂爐電極電流的控制方法，通過(guò)設(shè)定電熔鎂爐的三相電流值可以調(diào)節(jié)電熔鎂爐的有功功率，配合火電機(jī)組共同平抑風(fēng)電出力波動(dòng)，改善火電機(jī)組調(diào)節(jié)能力不足的問(wèn)題。

本文利用電熔鎂高載能負(fù)荷配合火電機(jī)組源荷協(xié)調(diào)共同參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，在系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納最大化。文中在電熔鎂高載能負(fù)荷運(yùn)行特性、模型與風(fēng)電消納原理分析基礎(chǔ)上，考慮火電機(jī)組和電熔鎂高載能負(fù)荷間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，建立了面向風(fēng)電消納與電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)控的源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，并采用成熟的商業(yè)優(yōu)化軟件CPLEX進(jìn)行了算例求解分析，驗(yàn)證了模型的有效性與合理性。

1 電熔鎂高載能負(fù)荷消納風(fēng)電原理分析

1.1 電熔鎂高載能負(fù)荷運(yùn)行特性

目前，我國(guó)電熔鎂企業(yè)生產(chǎn)電熔鎂砂的方法主要是利用三相交流電熔鎂爐（簡(jiǎn)稱電熔鎂爐）通過(guò)電弧加熱熔煉以菱鎂礦石為主的粉末狀原料。電熔鎂爐主要包括電源系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、送料系統(tǒng)和爐體六部分。電源系統(tǒng)由爐用變壓器和短網(wǎng)構(gòu)成，自動(dòng)化系統(tǒng)由電壓變送器、電流互感器和電流變送器構(gòu)成，操控系統(tǒng)由拖動(dòng)電機(jī)、電極升降立柱、電極夾持臂和電極構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，送料系統(tǒng)由原料倉(cāng)和電振給料機(jī)構(gòu)成。

電熔鎂爐在工作過(guò)程中需要對(duì)其施加恒定的電壓和極大的電流，生產(chǎn)過(guò)程中首先通過(guò)送料系統(tǒng)向爐內(nèi)加料，待原料鋪滿爐底后，電熔鎂爐接收由供電系統(tǒng)輸送的電壓及電流，由于電流很大，A、B、C三相電極末端會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧放出熱量使?fàn)t底的原料熔化，待爐內(nèi)的原料全部熔化后形成熔池。通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)可以觀測(cè)電熔鎂爐的電壓和電流數(shù)值。通過(guò)操控系統(tǒng)控制電極上下移動(dòng)改變電極電流大小，使電極電流值始終保持在設(shè)定值附近。在形成熔池后，送料系統(tǒng)會(huì)不斷加入原料，隨著原料的不斷熔化，熔池液面的高度也不斷升高，當(dāng)升高到爐口時(shí)，熔煉結(jié)束。結(jié)束后，電熔鎂爐的爐體會(huì)被拉出熔煉工位，經(jīng)過(guò)冷卻和處理后，獲得電熔鎂砂產(chǎn)品。

電熔鎂爐熔煉過(guò)程中，消耗的有功功率很大，屬于高耗能負(fù)荷，其消耗的有功功率主要受熔煉電流影響，通過(guò)調(diào)節(jié)熔煉電流即可改變電熔鎂爐熔煉功率，因此，電熔鎂負(fù)荷具備可調(diào)節(jié)的特性。綜上分析，電熔鎂爐具備功率可調(diào)性與速動(dòng)性等特點(diǎn)。

1.2 電熔鎂高載能負(fù)荷模型

電熔鎂高載能負(fù)荷的有功功率為

由于電熔鎂爐為三相交流供電，所以三相電極電流之間存在一定的相互關(guān)系。當(dāng)其中某一相電極電流發(fā)生變化時(shí)，其他兩相電極電流也會(huì)受到影響發(fā)生相應(yīng)變化，即三相電極電流間存在耦合關(guān)系，即[20-22]

式中，Δ為工作電流變化值；=1,2,3為電流的相序；Δ為工作電阻變化值；j為相互使工作電阻發(fā)生變化的相序；為工作電流值；為工作電阻值；為相互作用系數(shù)，相互作用系數(shù)越大，電流改變的比例越大。

電熔鎂爐在熔煉過(guò)程中，為保證操作人員的人身安全，避免因功率過(guò)大導(dǎo)致噴爐事故的發(fā)生，其有功功率不能過(guò)大，同時(shí)，為保證生產(chǎn)的電熔鎂產(chǎn)品質(zhì)量，電熔鎂爐的有功功率不能過(guò)小，其約束為[23-25]

調(diào)節(jié)次數(shù)約束為

式中，為調(diào)度周期的時(shí)段數(shù)。式（6）表示在電熔鎂爐生產(chǎn)過(guò)程中，為保證電熔鎂產(chǎn)品的質(zhì)量，每臺(tái)電熔鎂爐不能無(wú)限制地調(diào)節(jié)，對(duì)其調(diào)節(jié)次數(shù)應(yīng)該有一定的約束，應(yīng)小于其最大調(diào)節(jié)次數(shù)。

1.3 基于電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)控的風(fēng)電消納原理分析

當(dāng)系統(tǒng)中火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電出力的波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組調(diào)節(jié)壓力增加，當(dāng)火電機(jī)組調(diào)節(jié)能力無(wú)法平抑風(fēng)電波動(dòng)時(shí)，需要通過(guò)調(diào)控電熔鎂高載能負(fù)荷功率，緩解火電機(jī)組的調(diào)節(jié)壓力，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納能力提升，提高風(fēng)電利用率。基于電熔鎂高載能負(fù)荷的風(fēng)電消納原理分析示意圖如圖1所示。

圖1 基于電熔鎂高載能負(fù)荷的風(fēng)電消納原理分析示意圖

圖1中，火電出力范圍為區(qū)域I，火電機(jī)組出力最大值和最小值分別為G,max和G,min。風(fēng)電接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)的等效負(fù)荷為

式中，L為系統(tǒng)內(nèi)的常規(guī)負(fù)荷功率；W為風(fēng)電出力。

當(dāng)風(fēng)電出力波動(dòng)過(guò)大，火電機(jī)組無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)平抑波動(dòng)時(shí)（如1～2、3～4時(shí)段），若系統(tǒng)全額接納該部分風(fēng)電，火電機(jī)組將被迫停機(jī)。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，棄風(fēng)限電發(fā)生，風(fēng)電消納受阻（如區(qū)域Ⅱ、區(qū)域Ⅴ所示），棄風(fēng)電量為

式中，Δ為時(shí)段的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度。

由此可知，電熔鎂高載能負(fù)荷能夠利用其可調(diào)節(jié)特性消納受阻風(fēng)電，風(fēng)電受阻電量由區(qū)域Ⅱ減少至區(qū)域Ⅲ、區(qū)域Ⅴ減少至區(qū)域Ⅳ。同理，在5～6時(shí)段，風(fēng)電出力處于最小值，可以通過(guò)向下調(diào)節(jié)電熔鎂高載能負(fù)荷有功功率平衡風(fēng)電出力波動(dòng)，緩解火電機(jī)組的調(diào)節(jié)壓力。

2 計(jì)及電熔鎂高載能負(fù)荷的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型

雙層優(yōu)化是一種包含兩層優(yōu)化任務(wù)的嵌套優(yōu)化，其兩層優(yōu)化任務(wù)間具有遞階關(guān)系，下層優(yōu)化在上層決策給定方案的基礎(chǔ)上優(yōu)化自己的目標(biāo)函數(shù)。考慮到文中的火電各機(jī)組優(yōu)化調(diào)度是以電熔鎂高載能負(fù)荷的調(diào)節(jié)功率和風(fēng)電計(jì)劃出力為前提，進(jìn)而完成火電機(jī)組總出力、風(fēng)電出力和電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率的求解，在求解出火電機(jī)組總出力和風(fēng)電出力的基礎(chǔ)上求解系統(tǒng)的運(yùn)行成本。該求解過(guò)程屬于雙層優(yōu)化研究的范疇，因此，本文建立雙層優(yōu)化模型描述電熔鎂高載能負(fù)荷參與消納風(fēng)電的源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化問(wèn)題。

2.1 上層優(yōu)化模型

上層優(yōu)化模型以系統(tǒng)風(fēng)電消納量最大為目標(biāo)，在滿足火電機(jī)組、風(fēng)電和負(fù)荷等各種約束條件的基礎(chǔ)上，對(duì)火電機(jī)組出力、風(fēng)電出力和電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率進(jìn)行優(yōu)化。上層優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為

式中，W為風(fēng)電場(chǎng)個(gè)數(shù)；為風(fēng)電場(chǎng)在時(shí)段的出力。

約束條件包括系統(tǒng)約束、火電機(jī)組運(yùn)行相關(guān)約束、風(fēng)電出力上下限約束和電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率約束等。

2.1.1 系統(tǒng)約束條件

（1）功率平衡約束

（2）旋轉(zhuǎn)備用約束

由于風(fēng)電獨(dú)特的出力特性，風(fēng)電預(yù)測(cè)出力與實(shí)際出力之間存在誤差。為有效應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差，保證模型的有效性，本文增加了正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量約束。

2.1.2 風(fēng)電出力約束條件

2.1.3 火電機(jī)組運(yùn)行約束條件

輸出功率上下限約束

爬坡速度約束

式中，G1為常規(guī)機(jī)組在1時(shí)段的總有功出力；Gup和Gdown分別為火電機(jī)組的上爬坡速率和下爬坡速率。

2.1.4 電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率約束條件

調(diào)節(jié)功率約束

式中，Hmax、Hmin分別為電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率上、下限。

調(diào)節(jié)次數(shù)約束

2.2 下層優(yōu)化模型

利用上層模型求出的火電機(jī)組總功率和風(fēng)電出力，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，在上層優(yōu)化模型最優(yōu)調(diào)度方案基礎(chǔ)上，計(jì)及火電機(jī)組運(yùn)行成本和系統(tǒng)棄風(fēng)懲罰成本，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，即火電機(jī)組運(yùn)行成本和系統(tǒng)棄風(fēng)懲罰成本之和為最小，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行優(yōu)化，其數(shù)學(xué)描述為

約束條件包括火電機(jī)組的功率平衡約束、火電機(jī)組的爬坡速度約束和火電機(jī)組的輸出功率上、下限約束。

（1）火電機(jī)組的功率平衡約束

（2）火電機(jī)組的爬坡速度約束

（3）火電機(jī)組的輸出功率約束

式中，Gjmax和Gjmin分別為火電機(jī)組的輸出功率上限和下限。

2.3 模型優(yōu)化求解方法

本文所建立的雙層優(yōu)化問(wèn)題屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃（Mixed Integer Linear Programming, MILP）問(wèn)題，針對(duì)此類問(wèn)題的求解方法較多，本文采用CPLEX求解器進(jìn)行求解，具體流程如圖2所示。MILP問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)形式為[26]

式中，x為待優(yōu)化變量，包括火電機(jī)組出力、風(fēng)電計(jì)劃功率、電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率、火電機(jī)組的運(yùn)行成本和系統(tǒng)的棄風(fēng)懲罰成本。y為火電機(jī)組的啟停狀態(tài)。約束條件包括等式約束和不等式約束，其中，系統(tǒng)功率平衡約束、火電機(jī)組功率平衡約束屬于等式約束。風(fēng)電出力約束、火電機(jī)組運(yùn)行約束和電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率約束屬于不等式約束。

3 算例分析

3.1 算例概述

為驗(yàn)證模型的有效與合理性，在此進(jìn)行仿真分析，具體條件與參數(shù)為：火電機(jī)組選用文獻(xiàn)[27]中的9個(gè)火電機(jī)組，總?cè)萘繛? 207MW，火電機(jī)組最大出力max、最小出力min以及運(yùn)行成本參數(shù)（）見(jiàn)表1；風(fēng)電總裝機(jī)容量為200MW，單位棄風(fēng)懲罰成本為350元/(MW·h)，風(fēng)電預(yù)測(cè)功率和常規(guī)負(fù)荷預(yù)測(cè)功率如圖3所示。電熔鎂高載能負(fù)荷總功率為200MW，通過(guò)實(shí)地調(diào)研遼寧省某電熔鎂企業(yè)，電熔鎂高載能負(fù)荷一般24h不間斷生產(chǎn)，電熔鎂高載能負(fù)荷可上調(diào)功率為額定功率的20%，下調(diào)功率為額定功率的15%。調(diào)度周期為24h。

表1 火電機(jī)組部分運(yùn)行參數(shù)

Tab.1 Part of operation parameters of thermal units

圖3 常規(guī)負(fù)荷預(yù)測(cè)功率和風(fēng)電預(yù)測(cè)功率曲線

從圖3風(fēng)電功率預(yù)測(cè)曲線中可以看出，風(fēng)電出力波動(dòng)特性明顯，出力范圍在10～160MW區(qū)間內(nèi)變化，出力高峰在1:00～6:00時(shí)段，相比于常規(guī)負(fù)荷功率預(yù)測(cè)曲線，常規(guī)負(fù)荷功率在這段時(shí)間正處于低谷；同時(shí)，在常規(guī)負(fù)荷功率處于高峰的9:00～12:00、18:00～23:00時(shí)段，風(fēng)電出力恰好處于低谷，由此可見(jiàn)，風(fēng)電出力反調(diào)峰特性明顯，此種情況增大了火電機(jī)組調(diào)節(jié)壓力，導(dǎo)致棄風(fēng)限電嚴(yán)重。

3.2 結(jié)果分析

采用本文所提出的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型對(duì)風(fēng)電出力、火電機(jī)組出力、電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率和系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行綜合優(yōu)化，將本文所提出的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型設(shè)定為方案一，將不考慮電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)的雙層模型設(shè)定為方案二，對(duì)兩種方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在不考慮電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)節(jié)功率的雙層模型中，電熔鎂高載能負(fù)荷的調(diào)節(jié)功率為0，其他條件與本文所提模型一致。

兩種優(yōu)化方案求得的火電機(jī)組運(yùn)行情況如圖4和圖5所示。

圖4 方案一中各火電機(jī)組出力

圖5 方案二中各火電機(jī)組出力

在方案一中，火電機(jī)組運(yùn)行在最小出力的時(shí)段數(shù)為4個(gè)，如圖4所示。在方案二中，火電機(jī)組前6個(gè)時(shí)段均運(yùn)行在最小出力，如圖5所示。對(duì)比圖4和圖5，火電機(jī)組運(yùn)行在最小出力的時(shí)段數(shù)減少了2個(gè)，由于前兩個(gè)時(shí)段風(fēng)電出力處于上升趨勢(shì)并未達(dá)到最大值，此時(shí)為了最大程度地消納風(fēng)電，電熔鎂高載能負(fù)荷已經(jīng)上調(diào)功率，需要火電機(jī)組提高出力補(bǔ)足風(fēng)電功率的缺失。同時(shí)，在風(fēng)電出力較小而系統(tǒng)負(fù)荷功率較大的時(shí)段（如18:00～21:00時(shí)段），電熔鎂負(fù)荷下調(diào)功率，可以有效降低火電機(jī)組出力。因此，采用方案一使火電機(jī)組整體出力曲線更加平滑，有效降低負(fù)荷峰谷差，提高火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力。

電熔鎂高載能負(fù)荷參與調(diào)節(jié)后功率曲線如圖6所示。

圖6 方案一電熔鎂高載能負(fù)荷功率曲線

在方案一中，當(dāng)系統(tǒng)處于風(fēng)電出力較大的1:00～6:00時(shí)段時(shí)，常規(guī)負(fù)荷功率較小，火電機(jī)組出力接近最小出力，為最大程度消納風(fēng)電，同時(shí)避免火電機(jī)組出現(xiàn)無(wú)法向下調(diào)節(jié)出力的情況，電熔鎂高載能負(fù)荷全部上調(diào)功率；當(dāng)系統(tǒng)處于風(fēng)電出力較小的7:00～11:00時(shí)段時(shí)，常規(guī)負(fù)荷功率較大，火電機(jī)組需提高出力，為避免棄風(fēng)，同時(shí)維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電熔鎂高載能負(fù)荷仍然全部上調(diào)功率；當(dāng)系統(tǒng)處于風(fēng)電出力上升而常規(guī)負(fù)荷功率下降的13:00～17:00時(shí)段時(shí)，火電機(jī)組下調(diào)出力，電熔鎂高載能負(fù)荷全部上調(diào)功率；當(dāng)系統(tǒng)處于風(fēng)電出力最小的18:00～21:00時(shí)段時(shí)，常規(guī)負(fù)荷功率最大，為保持系統(tǒng)功率平衡，火電機(jī)組運(yùn)行在接近最大出力的位置，為減小火電機(jī)組的調(diào)節(jié)壓力，電熔鎂高載能負(fù)荷全部下調(diào)功率。在方案二中，由于缺乏電熔鎂高載能負(fù)荷參與調(diào)節(jié)，火電機(jī)組在1:00～6:00時(shí)段均運(yùn)行在最小出力位置，風(fēng)電出力波動(dòng)全部由火電機(jī)組承擔(dān)，大大增加了火電機(jī)組的調(diào)節(jié)壓力。

兩種方案對(duì)應(yīng)的風(fēng)電出力情況和棄風(fēng)量如圖7和圖8所示。圖7展示了兩種方案下風(fēng)電計(jì)劃出力情況，從圖7中可以看出，采用方案一時(shí)，風(fēng)電計(jì)劃出力受限時(shí)段為3個(gè)，最大受阻功率為104.2MW，棄風(fēng)率為9.6%，總計(jì)受限電量為164.6MW·h；采用方案二時(shí)，風(fēng)電計(jì)劃出力在1天24個(gè)時(shí)段中受限時(shí)段為5個(gè)，最大受阻功率為144.2MW，棄風(fēng)率為19.3%，總計(jì)受限電量為330MW·h。圖8展示了兩種方案下系統(tǒng)的棄風(fēng)情況，采用方案二時(shí)系統(tǒng)棄風(fēng)率為19.3%，采用方案一時(shí)，由于電熔鎂負(fù)荷參與調(diào)節(jié)，系統(tǒng)棄風(fēng)率為9.6%，較方案二降低了9.7%，棄風(fēng)電量減少了一半。綜上所述，采用本文的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型后，風(fēng)電消納水平得到了顯著提高，有效減少了棄風(fēng)量。

圖7 風(fēng)電出力對(duì)比示意圖

圖8 不同方案下的棄風(fēng)量對(duì)比

方案二不考慮電熔鎂高載能負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力，只依靠火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力對(duì)風(fēng)電波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是由于火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)棄風(fēng)嚴(yán)重。采用方案一時(shí)，不僅僅依靠火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)考慮電熔鎂高載能負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力，利用源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化的方式對(duì)風(fēng)電波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。兩種方案下的系統(tǒng)運(yùn)行成本和火電機(jī)組單位運(yùn)行成本見(jiàn)表2和表3，火電機(jī)組單位運(yùn)行成本對(duì)比如圖9所示。

表2 不同優(yōu)化方案下的系統(tǒng)運(yùn)行成本計(jì)算結(jié)果

Tab.2 Results of system operation cost under different optimization schemes

表3 不同優(yōu)化方案下的火電機(jī)組單位運(yùn)行成本計(jì)算結(jié)果

Tab.3 Results of operating costs of thermal power units under different optimization schemes

圖9 不同優(yōu)化方案下的火電機(jī)組單位運(yùn)行成本對(duì)比

由表2可知，兩種方案下的火電機(jī)組運(yùn)行成本相差不大，但由于采用方案一使系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，風(fēng)電消納量顯著提升，導(dǎo)致系統(tǒng)的棄風(fēng)成本明顯下降，相較于方案二，系統(tǒng)運(yùn)行的總成本更小，利用電熔鎂高載能負(fù)荷參與調(diào)峰、消納受阻風(fēng)電取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。由表3可知，不同優(yōu)化方案對(duì)火電機(jī)組的單位運(yùn)行成本影響不大。對(duì)于表中火電機(jī)組成本的增加，一方面是由于本文所提源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型的目標(biāo)是系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小，即火電運(yùn)行成本和風(fēng)電棄風(fēng)懲罰成本之和最小；再者，面向風(fēng)電消納的電熔鎂高載能負(fù)荷調(diào)控使得部分火電機(jī)組出力增加，火電機(jī)組的單位運(yùn)行成本與系統(tǒng)內(nèi)火電機(jī)組出力相關(guān)。綜上分析，本文所提方法能夠有效緩解火電機(jī)組調(diào)節(jié)壓力、提高風(fēng)電利用率和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文將需求側(cè)電熔鎂高載能負(fù)荷作為調(diào)控對(duì)象與火電機(jī)組共同參與系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，建立了以風(fēng)電消納電量最大和系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型，并通過(guò)算例仿真得到以下結(jié)論：

1）采用本文的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型，風(fēng)電棄風(fēng)率減小了9.7%，風(fēng)電受限電量減少了一半，風(fēng)電消納水平得到顯著提高。

2）在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)而常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力不足的情況下，將電熔鎂高載能負(fù)荷作為調(diào)節(jié)手段融入系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，能夠有效消納受阻風(fēng)電，提高風(fēng)電利用率。

3）采用本文的源荷協(xié)調(diào)雙層優(yōu)化模型，統(tǒng)籌兼顧了源荷協(xié)調(diào)對(duì)風(fēng)電消納和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響，在保證系統(tǒng)最大化消納風(fēng)電的同時(shí)，又能使系統(tǒng)的運(yùn)行成本最小。

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Source-Load Coordination Optimization Strategy for Wind Power Accommodation and High Energy Load Regulation of Electric Fused Magnesium

Zhang Hailiang1Wang Yibo1Cai Guowei1Liu Chuang1Ge Weichun2

（1. School of Electrical Engineering Northeast Electric Power University Jilin 132012 China 2. State Grid Liaoning Electric Power Company Shenyang 110006 China）

Wind power output has the characteristics of randomness and volatility. With the increase of its grid connected capacity, the regulation pressure of thermal power units is increasing, wind curtailment problem is becoming more and more serious, and the difficulty of power system regulation is rising. In order to solve the problem of system wind abandonment, this paper proposed to take the high energy load of electric fused magnesium with adjustable characteristics as a new way of wind power consumption, which could participate in the optimal dispatching of power grid together with thermal power units, and formed a dispatching mode of source-load coordinated and optimal operation. Firstly, the high energy load operation model of fused magnesium was established; Secondly, a dual-level optimization model of source-load coordination was proposed to maximize wind power consumption and minimize system operation cost; Finally, the optimization software CPLEX was used to solve the problem. The simulation results show that the participation of fused magnesium high energy load in the optimal dispatching of power grid can effectively reduce the wind curtailment and the operation cost of the system.

High energy load of electric fused magnesium, wind power accommodation, operation cost, source-load coordination, dual-level optimization

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211113

TM73

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019YFB1505400）。

2021-07-20

2021-12-20

張海亮 男，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樵春蓞f(xié)調(diào)優(yōu)化、風(fēng)電消納。

王藝博 男，1989年生，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹苯邮紸C-AC變換、配電網(wǎng)柔性調(diào)控、電力市場(chǎng)交易。E-mail：wangyibofangyuan@126.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）