電力市場環(huán)境下水電站優(yōu)化調(diào)度運行決策研究

王 偉 劉小靖

一、引言

隨著我國新一輪電力體制改革的全面鋪開，售電市場改革、增量配網(wǎng)改革、現(xiàn)貨市場、輸配電定價、輔助服務(wù)市場等多交易品種協(xié)同發(fā)展。在新的電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下，水電企業(yè)經(jīng)營的關(guān)鍵目標就是如何在考慮各種約束的前提下使盈利最大化。在壟斷經(jīng)營模式和賣方市場條件下，水電站優(yōu)化調(diào)度模型的目標函數(shù)經(jīng)常被描述為“發(fā)電量最大”“無益棄水量最小”或“發(fā)電耗水率最小”，其目的就是要使有限的水量盡可能轉(zhuǎn)化成更多的電量，在耗水量最小的同時發(fā)電量最大。

國內(nèi)外許多學者開展了這方面的研究。文獻［1］基于研究汛期、枯期交易電量和電價之間的量價關(guān)系規(guī)律與關(guān)系曲線建立了以發(fā)電效益最大為目標的數(shù)學模型，并在模型中考慮了優(yōu)先電量、集中撮合交易電量和外送電量。文獻［2］基于獨立儲能在調(diào)頻輔助服務(wù)市場上的收益優(yōu)勢，提出了包含獨立儲能的市場出清模型，分析了獨立儲能參與市場的效益、儲能行為及收益，并將該模型方法擴展至包含備用輔助服務(wù)市場的場景。文獻［3］研究了水電系統(tǒng)短期和長期的競價調(diào)度問題，構(gòu)建了大規(guī)模混合整數(shù)線性規(guī)劃的模型，計算分析得出水電站側(cè)競價曲線，實現(xiàn)了短期和長期發(fā)電計劃的聯(lián)合優(yōu)化。文獻［4］在由32 臺不同類型、非線性發(fā)電特性的水力發(fā)電機組組成的大型、復雜水力發(fā)電系統(tǒng)上，考慮了機組發(fā)電期間凈水頭變化對功率輸出的影響及發(fā)電機組的非線性發(fā)電函數(shù)，基于成本最低目標函數(shù)提出了一種優(yōu)化水力機組組合方法。文獻［5］考慮了基于省域內(nèi)電網(wǎng)供需平衡，結(jié)合區(qū)域控制性能評價指標，綜合考慮網(wǎng)內(nèi)新能源電源、同步發(fā)電機發(fā)電計劃、負荷需求等因素，得到合理的省域電網(wǎng)內(nèi)總體AGC 調(diào)頻容量需求，提高了電網(wǎng)側(cè)輔助市場的經(jīng)濟性。

目前關(guān)于電量和輔助服務(wù)市場的研究多單獨從電網(wǎng)側(cè)或電站側(cè)角度出發(fā)，面對復雜、多元的電力市場環(huán)境，水力發(fā)電企業(yè)如何更加靈活地協(xié)調(diào)各臺機組的出力，在提供電能和輔助調(diào)頻服務(wù)的電力市場競爭中獲得更大優(yōu)勢，贏得更多利潤，是目前亟待解決的問題。本文在電力市場環(huán)境下結(jié)合電網(wǎng)側(cè)與水電站的需求，綜合考慮水庫運行優(yōu)化調(diào)度、電能與調(diào)頻輔助市場三個方面，以某大型水電站實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行算例分析，提出以收益最大為目標函數(shù)的水電廠站優(yōu)化調(diào)度運行數(shù)學模型，根據(jù)該數(shù)學模型提出水電廠站優(yōu)化調(diào)度運行決策流程，在保障水輪機組工作在最佳運行區(qū)的前提下，使得電站工作在安全性最優(yōu)、效益最優(yōu)的環(huán)境下，最大化水電站在電力市場環(huán)境下的收益。

二、水電站優(yōu)化調(diào)度運行數(shù)學模型

在電力市場環(huán)境下，水電廠站提供電能交易商品與調(diào)頻輔助服務(wù)，受發(fā)電機組自身運行特性影響，電能與調(diào)頻輔助服務(wù)存在耦合性［6］，發(fā)電量最大不代表收益最大。因此，應(yīng)將電力市場環(huán)境下的市場需求納入水電廠優(yōu)化調(diào)度運行的研究范圍內(nèi)，不能忽視市場電價、營收效益等經(jīng)濟因素所發(fā)揮的市場作用。在此背景下，本文構(gòu)建考慮基于電能與調(diào)頻輔助服務(wù)耦合特性的以收益最大為目標函數(shù)的水電廠站優(yōu)化調(diào)度運行數(shù)學模型。

（一）問題描述

考慮水電站電能收益與在輔助服務(wù)市場上獲得的收益，給定發(fā)電功率報價、調(diào)頻輔助服務(wù)市場出清價、全廠耗水量與機組耗水量，綜合考慮常規(guī)水力電力調(diào)度約束條件，通過控制機組出力與規(guī)劃水電站開停機數(shù)量，使水電站在調(diào)度期內(nèi)綜合收益最大。

（二）目標函數(shù)

式（1）中，S為全廠發(fā)電總收益（即收益運行計劃下的全廠收益）（元）；Ni為i時段的全廠總出力（MW）；Ci，Creg，i分別為i時段的發(fā)電功率報價（元/MW·h）和i時段的調(diào)頻輔助服務(wù)市場出清價（元/MW）；T為調(diào)度內(nèi)時段數(shù)（h）；Mt為i時段內(nèi)小時數(shù)，若T＝96，則Mt＝0.25h；Q為全廠總耗水量（m3/MW）；Qk（Nk，H）為第k臺機組在出力Nk與水頭H時的耗水量（m3/MW）；n為機組臺數(shù)。

式（1）中Qk（Nk，H）、Ni、Nk計算函數(shù)如下：

式（2）中，a2、a1、a0分別為第k臺機組的出力-耗水量特性參數(shù)，用最小二乘法，在某水頭下機組出力與相應(yīng)耗水量的對比關(guān)系數(shù)據(jù)繪制二次多項式曲線Qk（Nk，H）得到。a2、a1、a0即為該多項式的系數(shù)；Nk為第k臺機組的出力（MW）；Hi為i時段的水頭（m）；qi為i時段的引用流量（m3/s）；i第k臺機組的效率。

（三）約束條件

1.水量平衡約束：

2.庫水位約束：

式（4）中，Zm，t為電站在第t時段內(nèi)，滿足規(guī)定范圍的最低水位，一般為死水位或綜合利用要求的最低水位；為電站在第t時段滿足規(guī)定范圍的最高水位或水位上限，在非汛期時取值通常為正常高水位，汛期則取汛限水位，單位均取m。

3.庫容約束：

式（5）中，為電站在第t時段內(nèi)滿足規(guī)定范圍的最小庫容，一般為死庫容或綜合利用要求的最小庫容；為電站在第t時段滿足規(guī)定范圍的庫容上限，通常非汛期取正常高水位庫容，汛期取汛限庫容，單位均取m3。

4.發(fā)電流量約束：

式（6）中，為電站在第t時段滿足規(guī)定范圍的最小發(fā)電流量，以保證機組正常出力；為電站站在第t時段滿足規(guī)定范圍的最大發(fā)電流量，單位均取m/s。

5.出庫流量約束：

式（7）中，為電站在第t時段滿足規(guī)定范圍的最小出庫流量，以保證機組正常出力；為電站在第t時段滿足規(guī)定范圍的最大允許出庫流量，單位均取m3/s。

6.出力平衡約束：

式（8）中，Nt為t時段內(nèi)的全廠總負荷，等于t時段內(nèi)水電站內(nèi)所有開機機組出力的總和，MW；Nt，k為當前t時段內(nèi)第k臺機組所帶負荷值大小，MW；rk代表第k臺機組的運行狀態(tài)，當?shù)趉臺機組處于發(fā)電運行狀態(tài)時rk取1，當?shù)趉臺機組處于停機狀態(tài)時rk取0。

7.出力約束：

式（9）中，Nt，kmin、Nt，kmax分別為t時段內(nèi)第k臺機組負荷的下限值和上限值，也可稱為出力的最大值和最小值，單位均取MW。

8.水頭約束：

式（10）中，Hmin、Hmax分別為水電站的最低、最高允許水頭（m）；Hup、Hdown分別為上、下游水位（m）。

9.調(diào)頻約束：

式（11）中，Nplan，i為第i個點的96 點計劃出力曲線取值，i=1，2，……，96。

10.非負約束：以上所提變量均為大于零的正數(shù)。

三、電力市場環(huán)境下水電站優(yōu)化調(diào)度運行決策流程

水電站收益包含發(fā)電功率收益與參與輔助服務(wù)市場調(diào)峰調(diào)頻獲得的收益，以水電站收益最大為目標函數(shù)的數(shù)學模型優(yōu)化運行流程，應(yīng)考慮水量約束、出力約束等約束條件控制機組出力與規(guī)劃水電站運行機組數(shù)量，使機組工作在最優(yōu)工作區(qū)間的同時耗水量最小。綜合優(yōu)化水電站運行模式、提升收益率的考慮，本文提出了一種基于電力市場環(huán)境下水電站優(yōu)化調(diào)度運行決策流程，如圖1 所示。

圖1 電力市場環(huán)境下水電站優(yōu)化調(diào)度運行決策流程

根據(jù)前一日調(diào)度下發(fā)的日負荷計劃將24 個小時分為96 個時段（即96 點計劃），首先在提取計劃中同時輸入的電廠原96 點計劃曲線與根據(jù)歷史調(diào)頻輔助服務(wù)市場數(shù)據(jù)修正的96 點數(shù)據(jù)，根據(jù)機組出力上下限、機組震動區(qū)、機組最優(yōu)工作區(qū)等機組穩(wěn)定性運行區(qū)域作為限制條件，以約束在當前總出力條件下工作機組臺數(shù)；根據(jù)全廠總負荷、工作機組臺數(shù)，優(yōu)先按照平均原則分配各臺工作機組所承擔的負荷，保障工作機組在最優(yōu)運行工況內(nèi)。其次繼續(xù)考察平均分配的負荷是否滿足機組最優(yōu)運行條件，如果滿足則計算此時的純電量收益S有功（即電量優(yōu)先運行計劃下的全廠收益），或式（1）所示的參與調(diào)頻輔助市場情況下的總收益S，如不滿足機組最優(yōu)運行工況，則進行小負荷分配。小負荷分配是指將一臺工作機組的總負荷分配到兩臺工作機組上，繼續(xù)考察這兩臺機組的運行工況是否滿足機組運行條件，如果滿足則計算純電量收益S有功或S，如不滿足則退出流程或返回原96 點計劃輸入重新計算。如果此時電站內(nèi)的所有機組均已開機，在原96點計劃輸入情況下，則直接退出流程；在修正96點計劃輸入情況下，則返回原96 點計劃輸入，重新計算開機數(shù)量、各機組承擔負荷。最后比較S有功與S的大小，如果S＞S有功，則執(zhí)行收益優(yōu)先運行計劃，對應(yīng)輸出機組的出力分配方案與開機臺數(shù)、中標時間段、參與市場的總收益等結(jié)果數(shù)據(jù)；如果S＜S有功，則執(zhí)行電量優(yōu)先運行計劃，輸出開機臺數(shù)與機組負荷分配方案、耗水量、電量收益等結(jié)果數(shù)據(jù)。兩種計劃最終得到的結(jié)果數(shù)據(jù)均可作用于指導運行值班人員制訂N+1 日機組開停機計劃，運行人員可進行最終審核并擇優(yōu)執(zhí)行最終計劃。

四、算例分析

為了驗證本文所提方法的有效性，采用總裝機容量4900MW 的某大型水電站一段時間內(nèi)的實測數(shù)據(jù)作為算例進行分析研究，該大型水電站共安裝7 臺單機額定容量為700MW 的水輪發(fā)電機組。

水電站優(yōu)化調(diào)度運行是一組集合了多種組合優(yōu)化的課題，具有強約束、非線性、多目標、多約束等特點，常規(guī)線性計算方法難以較快求得最優(yōu)解。作為一種優(yōu)化算法，遺傳算法有較長的發(fā)展歷史，在各項優(yōu)化算法中發(fā)展成熟且穩(wěn)定，因其搜索能力快、比較能力強、過程簡單等優(yōu)點在求解復雜組合優(yōu)化問題中具有明顯優(yōu)勢。本文使用遺傳算法作為目標函數(shù)的求解方法，根據(jù)96點計劃，每個時段設(shè)置一個全廠總出力，根據(jù)水頭、機組穩(wěn)定性運行區(qū)域和調(diào)頻裕度等實際情況約束，使每臺機組的出力不大于當日調(diào)度下發(fā)的單機最大出力。

輸入數(shù)據(jù)后經(jīng)決策流程可得如圖2―圖4 所示的結(jié)果。由于加上電量收益后結(jié)果趨勢不明顯，故本文在結(jié)果分析部分去掉電量固定收益，只保留電廠在調(diào)頻輔助服務(wù)市場上的收益結(jié)果，如圖2所示，可以看出，隨著遺傳算法迭代次數(shù)的增多，電廠在輔助服務(wù)市場上的收益越多；此時全廠的24 小時耗水量如圖3 所示，可以看出，與計劃值對比，由于參與調(diào)頻輔助市場，耗水量曲線呈波動狀態(tài)；24 小時的全廠出力情況圖4 所示，可以看出，由于參與調(diào)頻輔助市場，根據(jù)水輪NHQ特性曲線，全廠總出力曲線與耗水量曲線波動趨勢基本相同。

圖2 電廠在調(diào)頻輔助服務(wù)市場的收益

圖3 全廠耗水量情況

圖4 全廠總出力情況

五、結(jié)語

面對交易品種協(xié)同發(fā)展的電力市場環(huán)境，計劃電力經(jīng)濟思維中“發(fā)電量最大=發(fā)電效益最大”的目標已無法滿足當前環(huán)境下發(fā)電企業(yè)經(jīng)營目標所需。由于水力、電力調(diào)度運行的多種約束因素，水電站的電量交易、調(diào)度運行與市場化交易存在耦合關(guān)系，本文綜合考慮電力市場環(huán)境下水電站的安全生產(chǎn)與發(fā)展需求，提出了以電量收益與輔助服務(wù)市場收益之和最高的目標函數(shù)，兼顧運行調(diào)度、機組工況約束與水量約束等常規(guī)限制條件，基于收益最大目標函數(shù)提出了電力市場環(huán)境下水電站優(yōu)化調(diào)度運行決策流程，分別討論了不同情況下水電站調(diào)度運行的決策過程。最后，采用遺傳算法對某大型水電站實測數(shù)據(jù)進行算例分析，結(jié)果表明，本文所提目標函數(shù)、決策流程可以有效提升水電站總收益，同時使機組工作在最優(yōu)工況的同時耗水量最小。