關(guān)于新能源的電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度分析研究

中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 劉松良

1 引言

為解決當(dāng)下能源危機(jī)問題，社會(huì)各界意識(shí)到新能源價(jià)值，積極使用新能源，如太陽能和風(fēng)能。因?yàn)樾履茉聪鄬?duì)來說有著更低的燃料成本，可以在很多環(huán)境中取代傳統(tǒng)能源，減輕能源使用對(duì)于環(huán)境的負(fù)荷與壓力，是控制電力成本的有效方式。當(dāng)然新能源本身的功率輸出是不穩(wěn)定的，存在間歇、隨機(jī)特征，所以無法保障電力穩(wěn)定運(yùn)行。故在電力系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)采取預(yù)留擴(kuò)充容量的方式，實(shí)現(xiàn)電力功率波動(dòng)平衡目的，在保障新能源可以肩負(fù)起電力系統(tǒng)運(yùn)行功能的同時(shí)，保障電力可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)電電離平衡調(diào)度與不確定性模型

在新能源系統(tǒng)中，風(fēng)電屬于重要構(gòu)成。為了確保不確定條件下的風(fēng)電可以發(fā)揮應(yīng)有作用，在經(jīng)濟(jì)調(diào)度中更加安全使用風(fēng)電，使用區(qū)間描述方式，配合柔性負(fù)荷削峰填谷，創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)調(diào)度的結(jié)構(gòu)。函數(shù)構(gòu)成包括傳統(tǒng)機(jī)組的發(fā)電、負(fù)荷用電、符合補(bǔ)償[1]。

2.1 目標(biāo)

發(fā)電成本方面，函數(shù)結(jié)構(gòu)為：

式中，T是1d，即24h。SG是所有發(fā)電機(jī)組，PGi,t表示在t時(shí)段中的i臺(tái)發(fā)電機(jī)出力情況，成本系數(shù)為a，b，c。

2.2 約束條件

機(jī)組的容量約束條件不可以只考慮協(xié)調(diào)調(diào)度負(fù)荷，風(fēng)電的波動(dòng)性應(yīng)根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)組的容量掌握不確定性問題。風(fēng)電機(jī)組在負(fù)荷最大、出力最小/負(fù)荷最小、出力最大[2]。i臺(tái)機(jī)組備用容量，t時(shí)段至t+1時(shí)段中機(jī)組的爬坡速率。電力的柔性負(fù)荷i節(jié)點(diǎn)t時(shí)段負(fù)荷轉(zhuǎn)移量必須0≤P（1）FLit≤P（1）maxFLi,t。

2.3 風(fēng)電建模

預(yù)測(cè)風(fēng)功率無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電建模，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，之后用風(fēng)速曲調(diào)功率函數(shù)就能掌握功率輸出情況。異步發(fā)動(dòng)機(jī)由風(fēng)帶動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)電功率。原本的機(jī)械能成為電能。風(fēng)速與風(fēng)力為正關(guān)系。風(fēng)力與功率，風(fēng)速與功率都是正關(guān)系。如切入風(fēng)速比風(fēng)速大，則此時(shí)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)陷入停滯無法工作。在切入風(fēng)速比風(fēng)速小，且低于額定的風(fēng)速，在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)以后風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電。高風(fēng)速情況下風(fēng)電系統(tǒng)獲得很大的輸出功率。如額定風(fēng)速低于風(fēng)速，并且風(fēng)速比切除風(fēng)速小，則額定狀態(tài)下風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率也趨于額定。在風(fēng)速比切除風(fēng)速大的情況下，風(fēng)電系統(tǒng)不工作進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

3 太陽能建模

在新能源體系中，太陽能十分重要，這種類型的能源發(fā)電，依靠太陽光照射半導(dǎo)體的表面，引出光伏效應(yīng)。不論是環(huán)境溫度還是光照溫度，太陽能的發(fā)電功率都會(huì)受到影響[3]。為了提高太陽能電力工作能力，需要跟蹤控制最大功率，該過程需要用到DCDC變換器，完成跟蹤控制。使用DCDC變換器輸出電流，之后使用逆變器完成并網(wǎng)控制，最終把電能送至電網(wǎng)體系。

損耗電阻是光伏電池自帶的，在構(gòu)建等效光伏電池模型的時(shí)候，需要考慮損耗電阻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏電池特性的精準(zhǔn)描述。在等效模型中存在三個(gè)電阻與一個(gè)二極管VD。分子的極化可以用二極管VD描述。線路的電阻損耗可以用RS進(jìn)行代表，漏電損耗電阻使用Rsh，負(fù)載電阻使用RL表示。光照電流為光生電流，是光照在光伏電池產(chǎn)生的，為ISC，二極管反向飽和電流為IVD，光伏電池漏電流為Ish，負(fù)載輸出電流為II，負(fù)載輸出電壓為UL，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 等效光伏電池

4 新能源電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度

因?yàn)樾履茉从兄己玫那鍧嵭?、污染性比較低、發(fā)電成本不高，所以被廣泛使用，應(yīng)用極廣。當(dāng)然新能源缺點(diǎn)也非常顯著，其間歇性與隨機(jī)性問題必須注意[4]?？紤]到新能源需要，電力經(jīng)濟(jì)的調(diào)度必須考慮其多重影響。在發(fā)揮優(yōu)越價(jià)值的同時(shí)，消除弊端帶來的束縛和問題[5]。

4.1 經(jīng)濟(jì)調(diào)度

負(fù)荷水平、電能質(zhì)量以及安全指標(biāo)在達(dá)標(biāo)以后，需要用低成本前提體現(xiàn)發(fā)電價(jià)值。對(duì)此電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度在設(shè)計(jì)模型時(shí)，需要充分滿足各種前提約束條件，經(jīng)濟(jì)調(diào)度中發(fā)電燃料是重要目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)函數(shù)為：

式中，∑Ci（PGi）為機(jī)組發(fā)電成本，CS為太陽能發(fā)電成本，CW為風(fēng)電機(jī)組發(fā)電成本。

4.2 容量擴(kuò)展

在太陽能強(qiáng)度與風(fēng)速?zèng)]有達(dá)到相應(yīng)預(yù)期水平的情況下，太陽能機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組的功率會(huì)比預(yù)期值低，此時(shí)需要通過增加火電機(jī)組功率的方式平衡功率，此時(shí)就需要用到電力系統(tǒng)正擴(kuò)展容量。如果太陽能強(qiáng)度與風(fēng)速比預(yù)期值高，則太陽能機(jī)組與風(fēng)力機(jī)組功率輸出就會(huì)比預(yù)期值高，此時(shí)需要通過減小火力機(jī)組的方式控制功率輸出情況，平衡功率，該部分為負(fù)擴(kuò)展，具有平衡功率，穩(wěn)定電力運(yùn)行的目的。

4.3 電力調(diào)度模型

對(duì)電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度來說，其目標(biāo)位以約束條件完成電力運(yùn)行成本控制。自然界有很多新能源燃料，燃料成本很低，所以一般不需要考慮電力運(yùn)行成本。經(jīng)濟(jì)調(diào)度函數(shù)：

式中，C為電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中發(fā)電成本，∑CFi為火電成本，Cgas為發(fā)電污染成本，Kws為擴(kuò)展成本容量，Cws為擴(kuò)展容量。約束條件中，功率平衡方面，火電機(jī)組的加減載速率說的是在特定時(shí)間內(nèi)功率的減少或是增加。不同發(fā)電機(jī)組有著不同約束條件，應(yīng)考慮不同機(jī)組的額定功率情況，包括上限與下限。

5 案例分析

為了更好地掌握電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度情況，科學(xué)設(shè)計(jì)電能結(jié)構(gòu)分配方法，以某地的風(fēng)電機(jī)組、火力發(fā)電機(jī)組、太陽能發(fā)電機(jī)組使用情況為例。

使用特定程序分析新能源系統(tǒng)對(duì)于電力的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。在該電廠投入所有火力發(fā)電機(jī)以后，根據(jù)發(fā)電機(jī)組功率輸出能力、加減載速率就能了解電力系統(tǒng)最終的發(fā)電成本。在新能源接入電力系統(tǒng)之后，可以忽略燃料成本，此時(shí)靠著火力發(fā)電可以有效降低電力成本，獲得顯著發(fā)電效益。如新能源為0輸出功率情況下，只靠火力發(fā)電，成本將不會(huì)變化。新能源發(fā)電有著顯著經(jīng)濟(jì)效益，有著極強(qiáng)的互補(bǔ)性。

5.1 光熱電站補(bǔ)償分析

使用光熱電站的方式，以光熱電站的轉(zhuǎn)換率和上網(wǎng)電價(jià)明確機(jī)組在調(diào)峰時(shí)候出現(xiàn)的損失。在基本調(diào)峰為固定出力條件下，在降低機(jī)組出力以后，機(jī)組成本的損失數(shù)據(jù)為先漲后減。當(dāng)機(jī)組有著較高出力條件下，會(huì)獲得較高的熱電轉(zhuǎn)換率，不會(huì)出現(xiàn)很多的電能損失。在機(jī)組低處理情況下，熱電轉(zhuǎn)換的運(yùn)作效率也會(huì)變低，浪費(fèi)大量的電能，不過此時(shí)出力差值會(huì)很大。有償調(diào)峰的基準(zhǔn)增加以后，范圍內(nèi)損失成本降低。

調(diào)峰輔助中，光熱電站中午時(shí)，光伏發(fā)電獲得上網(wǎng)空間，減少光熱電站運(yùn)行處理。此時(shí)儲(chǔ)熱罐會(huì)增加許熱量，會(huì)出現(xiàn)一定熱量損失。在光熱電站輔助服務(wù)調(diào)峰以后，光熱電站本來的很多出力都會(huì)被存放到儲(chǔ)熱罐，此時(shí)增加了儲(chǔ)熱罐中的熱量，會(huì)有相應(yīng)熱量損失問題。對(duì)光熱電站進(jìn)行計(jì)算，在調(diào)峰輔助下，電能運(yùn)作成本的損失達(dá)到15元/MWh。

按照上述敘述，調(diào)峰輔助服務(wù)中光熱電站成本內(nèi)，其效率損失應(yīng)當(dāng)采用平均值對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)熱量耗散的成本計(jì)算之后，了解最終整體成本。以合理收益與補(bǔ)償成本原則，使用成本加成的定價(jià)思路，并按照調(diào)峰報(bào)價(jià)利潤(rùn)，掌握補(bǔ)償費(fèi)用情況。因?yàn)楫?dāng)前有償調(diào)峰基本都是機(jī)組50%的額定功率，故在計(jì)算時(shí)候應(yīng)當(dāng)將其作為基準(zhǔn)。以某地區(qū)早7時(shí)到下午4時(shí)的時(shí)段進(jìn)行分析。調(diào)峰需求不大的時(shí)候光熱電站會(huì)有比較低的時(shí)段報(bào)價(jià)，午間調(diào)峰會(huì)有比較大的需求，此時(shí)電價(jià)會(huì)升高。

由此不難得出，在深度調(diào)峰條件下，光熱發(fā)電電價(jià)和調(diào)峰需求有直接關(guān)系。在調(diào)峰輔助補(bǔ)償服務(wù)的制定中，需要根據(jù)地區(qū)電力系統(tǒng)與電價(jià)政策測(cè)算調(diào)峰數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)分析確定補(bǔ)償價(jià)格。

5.2 優(yōu)化運(yùn)行分析

不同條件下的分析需要體現(xiàn)模型優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)此本文共計(jì)設(shè)置三種場(chǎng)景，在對(duì)比分析中確定成本。

第一個(gè)場(chǎng)景深度調(diào)峰中只有火電機(jī)組，光熱電站負(fù)責(zé)基本調(diào)峰。第二個(gè)場(chǎng)景，火電機(jī)組與光熱電站共同作用完成調(diào)峰輔助使用2500MWh儲(chǔ)熱罐。第三個(gè)場(chǎng)景，火電機(jī)組與光熱電站一同參與調(diào)峰輔助，使用3000MWh儲(chǔ)熱罐。

通過分析優(yōu)化結(jié)果可以得出，凌晨0時(shí)至上午10時(shí)風(fēng)電為高發(fā)段，進(jìn)入中午12時(shí)一直到下午7時(shí)，風(fēng)電出力比較少。上午10時(shí)到下午6時(shí)光伏有著比較高的出力，可見光電與風(fēng)電二者的發(fā)電高峰時(shí)間不一樣，可以用來互補(bǔ)，讓電力系統(tǒng)以穩(wěn)定條件運(yùn)行。當(dāng)然因?yàn)轱L(fēng)電本身是不穩(wěn)定的，并且中午有著比較高的光伏發(fā)電量，所以調(diào)峰容量需求比較大。

在場(chǎng)景1的情況下，光熱電站沒有在深度調(diào)峰中有任何參與，此時(shí)可調(diào)電源只有火電資源，無法保障電源調(diào)峰效果，棄光、棄風(fēng)嚴(yán)重。第二個(gè)場(chǎng)景中，因?yàn)槭褂玫膬?chǔ)熱罐是2500MWh的容量，所以無法保障穩(wěn)定，儲(chǔ)熱容量限制性比較大。正常條件下深度調(diào)峰時(shí)段需要光熱電站正常作用，但是第二個(gè)場(chǎng)景中的一些時(shí)間段受限于儲(chǔ)熱罐問題，導(dǎo)致仍有部分棄光和棄風(fēng)問題。第三個(gè)場(chǎng)景中，預(yù)測(cè)曲線與上網(wǎng)曲線之間的重合，沒有棄電情況。上午1時(shí)至上午8時(shí)，有著最高的風(fēng)電出力效果，火電機(jī)組與光熱電站此時(shí)需要減少處理，負(fù)責(zé)基本調(diào)峰，這樣才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的并網(wǎng)高比例效果。在下午6時(shí)至凌晨0時(shí)的時(shí)候，此時(shí)風(fēng)電上網(wǎng)的電量相對(duì)較低，并且此時(shí)光伏不再發(fā)電，會(huì)出現(xiàn)比較大的電力法帶你需要。

光熱電站中儲(chǔ)熱罐內(nèi)熱量會(huì)變成電能，可以用于發(fā)電側(cè)的出力缺額彌補(bǔ)，完成火電機(jī)組出力的降低，可以有效完成碳排放控制。上午9時(shí)至下午5時(shí)期間，會(huì)有比較大的光伏發(fā)電，能夠獲得更多上網(wǎng)空間與條件。此時(shí)光熱電站負(fù)責(zé)深度調(diào)峰，控制出力運(yùn)行大小，并把光場(chǎng)中多余熱量吸收送到儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)，可以讓電力系統(tǒng)更穩(wěn)定運(yùn)行。正因如此，在第三個(gè)場(chǎng)景中沒有棄光與棄風(fēng)情況出現(xiàn)。

6 結(jié)語

新能源才是未來社會(huì)的能源使用趨勢(shì)，太陽能與風(fēng)能有著經(jīng)濟(jì)化、低污染、可再生等諸多優(yōu)勢(shì)。但也要明白新能源并非沒有缺點(diǎn)，隨機(jī)性和間歇性問題導(dǎo)致其無法穩(wěn)定供應(yīng)電力。所以在使用新能源的時(shí)候，有必要充分考慮與傳統(tǒng)火力發(fā)電的配合，創(chuàng)建調(diào)度模型，合理使用電力資源，體現(xiàn)新能源與傳統(tǒng)能源各自價(jià)值。利用電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度管理辦法，讓電力系統(tǒng)能夠用低成本的方式完成可靠、穩(wěn)定且安全運(yùn)行。本文分析了新能源優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，通過創(chuàng)建模型的方式得出在使用并網(wǎng)發(fā)電中，電力發(fā)電成本可以得到較好的控制。在使用新能源的過程中，需要將各種能源混合使用，實(shí)現(xiàn)不同能源的特點(diǎn)與價(jià)值互補(bǔ)，保障功率穩(wěn)定輸出。