計及靈活性供需匹配的耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

吳雪翚， 王強鋼， 吳曉政， 李 哲， 楊龍杰

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)， 重慶 400044； 2.浙江八達電子儀表有限公司， 浙江 金華 321018； 3.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院， 重慶 401120)

1 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境污染的日趨嚴重，可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源進行發(fā)電將是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[1]。隨著風、光等可再生能源的裝機容量持續(xù)增長，電力系統(tǒng)面臨消納大規(guī)?？稍偕茉吹奶魬?zhàn)[2,3]?？稍偕茉词芴鞖猸h(huán)境影響導致輸出功率的間歇性和波動性，給電力系統(tǒng)安全運行帶來了極大沖擊[4]。因此，可再生能源高比例接入需要靈活性供給設備為其提供運行靈活性。

在我國東北地區(qū)，風、光等資源豐富，可再生能源裝機容量快速增長，但該地區(qū)水電、燃機等可調電源少，可再生能源接入帶來的不確定性主要依靠火電機組調節(jié)[5]。而火電機組與可再生能源在同一并網(wǎng)點下對外形成一個運營主體的場景普遍存在[5,6]。可再生能源與火電集成的耦合系統(tǒng)作為應對可再生能源出力不確定性的有效組織形式，能夠減少可再生能源出力不確定性對大電網(wǎng)造成的影響，實現(xiàn)可再生能源的高比例消納。

目前，對于可再生能源與火力發(fā)電集成的耦合系統(tǒng)相關研究中，文獻[5]根據(jù)火電機組參與調峰輔助服務的深度調峰運行特性，提出了考慮火電機組階梯式爬坡率的耦合系統(tǒng)優(yōu)化調度方法。文獻[6]建立了針對可再生能源與火電集成耦合系統(tǒng)的多維協(xié)同性能評價體系，提出了耦合潛力的辨識方法。文獻[7]針對耦合系統(tǒng)的控制和實時運行狀態(tài)評估進行研究，提出了有關操作安全域的耦合系統(tǒng)狀態(tài)感知方法。對于耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置相關研究中，文獻[8]基于多代理系統(tǒng)建立耦合系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型，其中上層為配電網(wǎng)規(guī)劃模型，下層為系統(tǒng)優(yōu)化運行模型；文獻[9]以天然氣與電力耦合的能源系統(tǒng)為研究對象，以投資和運行成本最優(yōu)為目標，通過多階段規(guī)劃得出優(yōu)化配置方案。文獻[10]以系統(tǒng)的年投資與運行總費用最優(yōu)為目標，采用雙層規(guī)劃模型對多能源耦合系統(tǒng)與能量樞紐進行聯(lián)合規(guī)劃建模。對于電力系統(tǒng)中火力發(fā)電單向應對可再生能源出力的不確定性已有諸多研究，但目前對于可再生能源與火力發(fā)電耦合成一個發(fā)電主體如何優(yōu)化配置以更好地應對風光出力不確定性的方法尚未有深入研究。

耦合系統(tǒng)在實際運行中不僅要保證負荷的供電可靠性和系統(tǒng)運行的安全性，還要盡可能實現(xiàn)可再生能源的高比例消納。在耦合系統(tǒng)中，可再生能源的大規(guī)模接入導致的靈活性需求主要靠火電機組提供靈活性資源進行供給。因此，考慮耦合系統(tǒng)的靈活性供需匹配對其優(yōu)化配置研究具有重要意義。目前關于系統(tǒng)靈活性的研究，文獻[11]建立了評價風電場并網(wǎng)系統(tǒng)靈活性的指標，定量研究了不同因素對靈活性指標的影響,提出了增加系統(tǒng)備用來提高系統(tǒng)靈活性的方法。文獻[12,13]基于靈活性平均不足度、靈活性供應充裕率等指標，分別提出了滿足系統(tǒng)經(jīng)濟性和靈活性的規(guī)劃和調度模型，通過算例分析得出了最優(yōu)規(guī)劃方案和最優(yōu)調度方案。本文基于現(xiàn)有對系統(tǒng)靈活性的研究，提出靈活性供需匹配指標。該指標可應用于可再生能源與火力發(fā)電集成的耦合系統(tǒng)靈活性評價中，可直觀評價耦合系統(tǒng)的靈活性需求與靈活性供給的匹配程度。

為了提升可再生能源的整體消納水平，進一步發(fā)掘可再生能源與火力發(fā)電在同一并網(wǎng)點形成耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢。本文考慮耦合系統(tǒng)中消納大量可再生能源帶來的不確定性，提出了計及靈活性需求和供給的靈活性供需匹配指標，并在此基礎上建立了一個包含可再生能源和火力發(fā)電的耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型；最后，以滿足耦合系統(tǒng)定義的某局域電網(wǎng)為例進行仿真分析，驗證了本文所提耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的有效性。

2 耦合系統(tǒng)靈活性供需匹配

系統(tǒng)的靈活性是指在供需發(fā)生變動時，快速地優(yōu)化調配現(xiàn)有靈活性資源，保持供需平衡的應對能力[14]。而可再生能源與火電集成的耦合系統(tǒng)在實際運行中受到可再生能源輸入、負荷需求等不確定性因素影響而導致系統(tǒng)內供需平衡發(fā)生改變。為保證配置系統(tǒng)在實際運行中的供需平衡，要求在進行耦合系統(tǒng)配置時，留有一定的靈活性裕度，來滿足系統(tǒng)的靈活性需求，以應對系統(tǒng)可能發(fā)生的不確定性。而準確預測耦合系統(tǒng)的靈活性需求、構建合理的靈活性資源供給模型、提出有效的靈活性評價指標是對耦合系統(tǒng)配置方案進行合理評價的基礎。

2.1 耦合系統(tǒng)的靈活性需求

耦合系統(tǒng)的靈活性需求主要來自于可再生能源輸入和負荷不可預測帶來的不確定性所引起系統(tǒng)內功率的變化。

2.1.1 光伏發(fā)電的靈活性需求

(1)

(2)

2.1.2 風力發(fā)電的靈活性需求

(3)

(4)

2.1.3 負荷的靈活性需求

(5)

(6)

2.1.4 凈負荷的靈活性需求

(7)

其中，凈負荷實際值為負荷實際值減去風、光出力實際值：

(8)

(9)

2.1.5 耦合系統(tǒng)的靈活性需求

(10)

(11)

(12)

2.2 耦合系統(tǒng)靈活性供給

靈活性資源是在系統(tǒng)發(fā)出靈活性需求時，作用在相應的時間尺度和方向上，能夠快速準確地響應該靈活性需求，實現(xiàn)靈活性供給和需求的平衡[8,11]。耦合系統(tǒng)中應用最廣泛的靈活性資源是火電機組。

火電機組可根據(jù)其運行狀態(tài)，迅速調節(jié)出力以提供上、下調靈活性。

(13)

2.3 靈活性供需匹配指標

為更好評估耦合系統(tǒng)內可用的靈活性資源與靈活性需求之間的匹配程度，本文建立靈活性供需匹配指標。根據(jù)耦合系統(tǒng)內靈活性需求和靈活性資源供給的匹配程度對其進行靈活性評估，即評估每個時段內系統(tǒng)內可用的靈活性資源是否滿足其靈活性需求，如圖1所示。

圖1 靈活性供需匹配示意圖Fig.1 Diagram of flexible supply and demand matching

由圖1可以看出，本文建立的靈活性供需匹配指標主要通過靈活性供給覆蓋靈活性需求的比例得出。當靈活性供給能夠完全覆蓋靈活性需求時，耦合系統(tǒng)的靈活性充足；當靈活性供給不能夠完全覆蓋靈活性需求時，耦合系統(tǒng)需棄風、棄光來滿足靈活性需求，以保證系統(tǒng)內部的供需平衡。

因此，可根據(jù)靈活性總供給覆蓋靈活性總需求的比例，建立靈活性供需匹配指標。而靈活性總供給和靈活性總需求可根據(jù)圖1通過積分求得各自的覆蓋面積。

為了簡化計算，可將靈活性總供給和總需求以一定的時間尺度劃分為若干區(qū)間，每個區(qū)間可視為以上、下靈活性供給(需求)之和為底，時間尺度為高的曲邊梯形，通過計算所有曲邊梯形面積之和，可近似得到總靈活性供給和總需求的覆蓋面積。通過兩者覆蓋面積之比，可得耦合系統(tǒng)靈活性供需匹配系數(shù)FCS為：

(14)

(15)

由式(14)對圖2(a)、圖2(b)進行計算，可得圖2(a)、圖2(b)靈活性供需匹配系數(shù)FCS均為1.18。

圖2(a)中靈活性供給完全滿足靈活性需求，而圖2(b)中靈活性供給無法完全滿足靈活性需求。由此可見，當靈活性供需匹配系數(shù)FCS越大時，不能代表系統(tǒng)靈活性供給越充足。

(16)

(17)

用式(16)重新計算圖2(a)、圖2(b)的靈活性供需匹配系數(shù)FCS，可得到圖3(a)、圖3(b)的優(yōu)化后的靈活性供給與靈活性需求匹配示意圖。

從圖3可以看出，該指標可直觀通過靈活性總供給和靈活性總需求曲線兩者覆蓋區(qū)域匹配程度準確反映靈活性供需匹配程度。所得結論如下：

(1)圖3(a)中的靈活性供需匹配系數(shù)FCS=1，表征系統(tǒng)內靈活性需求和供給完全匹配。

(2)圖3(b)的靈活性供需匹配系數(shù)FCS=0.86，表征系統(tǒng)內靈活性供給不足以完全滿足靈活性需求。

由此可見，該指標能夠直觀判斷系統(tǒng)內的靈活性供給和需求的匹配程度。FCS的取值越接近于1，表征系統(tǒng)的靈活性供需匹配程度越高，系統(tǒng)內靈活性資源越充足。

3 耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

本文以可再生能源和火電機組在同一并網(wǎng)點對外形成的耦合系統(tǒng)為研究對象，以耦合系統(tǒng)參與調峰輔助服務的綜合收益最優(yōu)為目標，考慮系統(tǒng)受靈活性供需匹配指標約束，建立耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。

3.1 目標函數(shù)

耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置以一年內的綜合收益為目標描述系統(tǒng)配置的經(jīng)濟性，綜合收益Ctotal由發(fā)電收益CE、配置投資成本CI、運維折損成本CP、環(huán)境成本CEN和靈活性調用成本CFE組成，其表達式為：

Ctotal=CE-CI-CP-CEN-CFE

(18)

3.1.1 發(fā)電收益

耦合系統(tǒng)的發(fā)電收益由可再生能源和火電上網(wǎng)收益組成，計算如下：

(19)

3.1.2 配置投資成本

(20)

式中，m、M分別為設備種類及總種類數(shù)量；rm為年利率；ym為設備的預期使用年限；sm為設備容量；λm為設備投資成本；τm為設備的二進制變量，1為設備配置，0為設備未配置。

3.1.3 運維折損成本

(21)

式中，φm為第m種設備的運行成本；Pm,t為第m種設備在t時段內的運行功率。

3.1.4 環(huán)境成本

(22)

3.1.5 靈活性調用成本

(23)

3.2 約束

3.2.1 靈活性供需匹配指標約束

對耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置中考慮充足的靈活性，可以減小或消除可再生能源波動和負荷需求等不確定因素帶來的負面影響，更符合實際需要。靈活性供需匹配指標作為衡量系統(tǒng)應對不確定性能力的有效方式之一，在優(yōu)化配置中考慮該指標作為約束，對耦合系統(tǒng)的配置具有重要意義[11,12,17]。

FCS≥FCS,m

(24)

式中,FCS,m為靈活性供需匹配系數(shù)的閾值。

3.2.2 功率平衡約束

(25)

3.2.3 儲能約束

(26)

3.2.4 可再生能源發(fā)電約束

(27)

3.2.5 靈活性供需平衡約束

(28)

3.2.6 火電機組最小啟停時間約束

(29)

3.2.7 計及靈活性的火電機組出力范圍約束

在系統(tǒng)實時運行時，火電機組能夠預留一定的靈活性裕度，來應對系統(tǒng)每個時段因凈負荷預測誤差產生的靈活性需求，同時滿足系統(tǒng)自身的功率平衡需求，火電機組的出力范圍約束如下：

(30)

3.2.8 計及靈活性的火電機組爬坡約束

計及靈活性的火電機組的爬坡約束不僅與當前時段系統(tǒng)的靈活性需求有關，還與上一時段系統(tǒng)的靈活性需求有關。因此，計及靈活性的爬坡約束可表示為：

(31)

4 算例分析

4.1 參數(shù)設定

本文以我國東北地區(qū)某局域電網(wǎng)為例進行仿真，如圖4所示，該局域網(wǎng)以火電廠、光伏場、風電場和儲能系統(tǒng)在同一并網(wǎng)點對外形成耦合系統(tǒng)，其中包含1 200 MW火電廠、100 MW光伏場和300 MW風電場。

圖4 耦合系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of coupled system

根據(jù)該局域電網(wǎng)的歷史能源數(shù)據(jù)，利用場景削減[18,19]，分別獲得冬季、夏季和過渡季典型日供電場景，具體削減方法見文獻[19]。其中，光伏和風電功率預測曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 光伏功率預測曲線Fig.5 Forecasting curve of PV

圖6 風電功率預測曲線Fig.6 Forecasting curve of wind power

本算例中各設備裝置參數(shù)[20]見表1，耦合系統(tǒng)中污染物排放系數(shù)和環(huán)境懲罰價值[21]見表2。

表1 裝置參數(shù)Tab.1 Parameters of devices

表2 主要污染物環(huán)境成本Tab.2 Environmental costs of major pollutant

根據(jù)東北電力輔助服務市場運營規(guī)則，火電機組提供實時深度調峰服務，通過在日內調減出力，使火電機組平均負荷率小于或等于有償調峰基準。其中火電和風電、光伏上網(wǎng)電價與平均負荷率的關系見表3。

表3 火電和風電、光伏上網(wǎng)電價Tab.3 Price of thermal power, wind power and PV

4.2 優(yōu)化配置結果分析

在對耦合系統(tǒng)進行優(yōu)化配置時，分別對考慮和不考慮靈活性供需匹配的兩種場景進行仿真。兩種場景下系統(tǒng)配置的儲能設備容量結果和系統(tǒng)年度綜合收益對比結果分別見表4、表5。

表4 兩種場景下系統(tǒng)配置Tab.4 System allocation in two scenarios

表4給出了考慮靈活性供需匹配和不考慮靈活性供需匹配的耦合系統(tǒng)中儲能設備的配置結果。當對耦合系統(tǒng)考慮靈活性供需匹配進行優(yōu)化配置時，儲能設備的配置容量相較于不考慮靈活性供需匹配時減少14 671.98 kW。這是由于對耦合系統(tǒng)配置時考慮靈活性供需匹配，火電機組作為系統(tǒng)中主要的靈活性資源供給設備，滿足系統(tǒng)中的靈活性需求，風光及負荷的不確定性得到平抑，所以儲能設備的配置容量相對減小。

表5 兩種場景下年度綜合收益Tab.5 Annual comprehensive income under two scenarios

表5給出了兩種場景下的年度綜合收益，其中考慮靈活性供需匹配和不考慮靈活性供需匹配的耦合系統(tǒng)年度綜合收益分別為400 703.71萬元和392 573.57萬元。在收益中，火電機組上網(wǎng)收益所占比例最高，其次是風電上網(wǎng)收益，光伏上網(wǎng)收益所占比例相對較低。在成本中，運維折損成本所占比例最高，其次是靈活性調用成本，配置投資成本和環(huán)境成本占比相對較低。

在考慮對耦合系統(tǒng)進行靈活性供需匹配的優(yōu)化配置時，火電機組作為靈活性資源對系統(tǒng)內出現(xiàn)的風光及負荷的不確定性帶來的靈活性需求進行供給，因此系統(tǒng)內可消納大量光伏發(fā)電及風電，光伏收益和風電收益均較不考慮靈活性供需匹配的耦合系統(tǒng)增加5.73%和5.45%。由于耦合系統(tǒng)內有靈活性供給與靈活性需求，所以靈活性調用成本占比較高，其用于調用火電機組的靈活性出力滿足系統(tǒng)內風光及負荷波動帶來的靈活性需求。系統(tǒng)配置投資成本的變化主要與儲能設備配置容量有關，所以考慮靈活性供需匹配的耦合系統(tǒng)配置投資成本較低。運維折損成本與系統(tǒng)運行過程中各設備出力相關，考慮靈活性供需匹配的場景中，風機、光伏設備出力較多，所以運維折損成本高于不考慮靈活性供需匹配的場景。

考慮靈活供需平衡的目標是系統(tǒng)內預留的靈活性資源在滿足系統(tǒng)靈活性需求的基礎上，經(jīng)濟性達到最優(yōu)。為了驗證本文所提靈活性供需匹配系數(shù)的有效性，基于耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，得到了不同靈活性供需匹配系數(shù)下的綜合收益和系統(tǒng)配置見表6。

表6 不同靈活性供需匹配系數(shù)下的綜合收益和配置Tab.6 Comprehensive income and allocation under different flexible supply and demand matching

由表6數(shù)據(jù)可以看出，滿足不同的靈活性供需匹配系數(shù)，系統(tǒng)的綜合收益和配置都有明顯差異。隨著靈活性供需匹配系數(shù)的增加，系統(tǒng)內的綜合收益和靈活性調用成本隨之增加。耦合系統(tǒng)內的綜合收益主要受火電機組、光伏設備和風機發(fā)電上網(wǎng)收益及靈活性調用成本影響。雖然靈活性調用成本隨著靈活性供需匹配系數(shù)的增加而增加，但是隨著靈活性供需匹配系數(shù)的增加，火電機組作為系統(tǒng)內靈活性供給資源而出力增加，所以火電收益上網(wǎng)收益增加；且隨著系統(tǒng)內越來越多的靈活性需求得到滿足，意味著系統(tǒng)內消納了越來越多的風光出力，所以風電、光伏上網(wǎng)收益顯著增加，綜合收益也隨之增加。但是當靈活性供需匹配系數(shù)到達0.96時，系統(tǒng)內綜合收益較靈活性供需匹配系數(shù)0.9時有所降低。這是由于系統(tǒng)內火電機組能夠提供的靈活性已到達靈活性供給上限，只能通過棄風、棄光實現(xiàn)系統(tǒng)內靈活性供需平衡。所以在場景4中，火電收益相較于場景3基本保持不變，而風光收益相較減少，系統(tǒng)的綜合收益也隨之減少。

考慮靈活性供需匹配系數(shù)為0.90時的耦合系統(tǒng)配置情況，得到此時系統(tǒng)的靈活性供需匹配結果，如圖7所示。系統(tǒng)內的靈活性供給能夠滿足大部分時段的靈活性需求，但在某些時段存在靈活性供給不足的場景。例如，在6～9 h、18～23 h出現(xiàn)上調靈活性不足，10～16 h出現(xiàn)下調靈活性不足。可以從靈活性供需匹配圖7中直觀看到任意時刻靈活性供需匹配的情況。靈活性供給不足的這些時段均是處于系統(tǒng)凈負荷的向上峰值和向下峰值時段，火電機組作為靈活性資源供給設備已到達自身出力最大值，無法提供額外的靈活性出力。此時，若想要進一步提高耦合系統(tǒng)內靈活性供需匹配，可配置更多數(shù)量或者更大容量的靈活性資源供給設備。

圖7 匹配系數(shù)0.90下的系統(tǒng)靈活性供需匹配Fig.7 Flexibility supply and demand matching under index 0.90

因此，在系統(tǒng)優(yōu)化配置中根據(jù)實際需要合理選擇靈活性供需匹配系數(shù)，在滿足經(jīng)濟性的基礎上進一步滿足系統(tǒng)所需的靈活性，從而更好地應對風光的隨機波動性和負荷需求的不確定性，避免過度投資和資源浪費，更加符合工程實際需要。

5 結論

對于可再生能源和火電機組在同一并網(wǎng)點對外形成一個統(tǒng)一運營主體的耦合系統(tǒng)，本文針對耦合系統(tǒng)中可再生能源接入和負荷需求波動帶來的不確定性問題，提出了靈活性供需匹配指標，在滿足系統(tǒng)內一定的靈活性供給與需求匹配的基礎上，進一步建立了耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。所得結論如下：

(1)為了提升耦合系統(tǒng)應對可再生能源接入和負荷需求不確定性的能力，提出靈活性供需匹配指標，該指標具有通用性，能夠直觀有效地評價系統(tǒng)的靈活性供給與靈活性需求的匹配程度。在耦合優(yōu)化配置中考慮該指標作為約束，使系統(tǒng)配置具有充足的靈活性以應對不確定性問題，使系統(tǒng)配置結果更加合理。

(2)以東北某局域電網(wǎng)為例進行了仿真，仿真結果表明，考慮耦合系統(tǒng)內靈活性供需匹配來指導系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，系統(tǒng)能夠獲得較優(yōu)經(jīng)濟性的同時提升系統(tǒng)應對不確定性的能力，更加符合工程實際需要。