樊國旗,劉桂龍,樊國偉,劉昌東,王鶴群,段青熙,朱子民
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司,浙江 金華 321001;2.中國海誠工程科技股份有限公司,上海 200031;3.國網(wǎng)新疆電力公司,烏魯木齊 830011;4.中建八局第二建設(shè)有限公司,濟南 250001)
新能源在促進可持續(xù)發(fā)展和低碳社會轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用[1-2],但是由于新能源波動性對電力系統(tǒng)調(diào)峰帶來巨大壓力,造成系統(tǒng)因調(diào)峰能力不足導(dǎo)致新能源限電的問題[3-4]。通過現(xiàn)貨交易可增加系統(tǒng)調(diào)峰能力,從而應(yīng)對新能源波動[5-6]。
柔性負(fù)荷和自備電廠均可直接調(diào)用,參與現(xiàn)貨交易,且成本更低;柔性負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度可實現(xiàn)從“源隨荷動”到“源荷互動”轉(zhuǎn)變,促進多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)。文獻[7]在含風(fēng)電系統(tǒng)中加入儲能,提高機組組合調(diào)節(jié)能力;文獻[8]結(jié)合機組特性和報價,根據(jù)現(xiàn)貨市場規(guī)則對機組組合策略進行優(yōu)化;文獻[9]考慮風(fēng)電出力置信水平,對中期機組組合進行優(yōu)化。文獻[10]通過制定不同的電力套餐促進負(fù)荷主動參與調(diào)用,提高電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟性;文獻[11]通過控制可中斷負(fù)荷提高系統(tǒng)削峰填谷能力。
目前調(diào)度方法研究中,較少從現(xiàn)貨交易方面考慮提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的方法。因此本文提出考慮現(xiàn)貨交易下的日前開機方式調(diào)度方法;針對系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的問題,通過現(xiàn)貨交易提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力;針對限負(fù)荷成本高問題,通過計劃調(diào)用柔性負(fù)荷和自備電廠減少系統(tǒng)運行成本;進而達(dá)到減少機組開機臺數(shù)、促進新能源消納的目的。
電力系統(tǒng)首要目標(biāo)為保障系統(tǒng)安全,因此開機方式由系統(tǒng)等效負(fù)荷Pel,t最大值確定,等效負(fù)荷為系統(tǒng)負(fù)荷Pl,t減去新能源Pn,t差值。
式中:n 為火電機組開機臺數(shù)。
不同調(diào)度方法下的出力范圍和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力如圖1 所示。僅靠火電調(diào)節(jié)的原開機方式安排調(diào)度方法,當(dāng)系統(tǒng)火電開機不變時,系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不變,其調(diào)節(jié)能力Pc為系統(tǒng)最大功率和系統(tǒng)最小功率差值。
限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法仍僅靠火電調(diào)節(jié),切除尖峰負(fù)荷減小等效負(fù)荷最大值,從而減少開機臺數(shù),系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不變。
現(xiàn)貨交易方法充分挖掘系統(tǒng)中自備電廠、柔性負(fù)荷調(diào)節(jié)能力,通過在等效負(fù)荷高峰時段減少柔性負(fù)荷、增大自備電廠火電機組出力,避免非計劃限負(fù)荷,降低系統(tǒng)等效負(fù)荷,減少火電機組開機臺數(shù);在等效負(fù)荷低谷時段減少自備電廠機組出力和增加柔性負(fù)荷,減少新能源限電。
圖1 不同調(diào)度方法下出力范圍和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力
原開機方式調(diào)度方法是根據(jù)系統(tǒng)最大等效負(fù)荷來確定開機臺數(shù),當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷小于最小技術(shù)出力時新能源限電。開機為17 臺時的調(diào)度結(jié)果如圖2 所示。
圖2 原開機方式下調(diào)度結(jié)果
考慮限負(fù)荷機組組合調(diào)度方法,切除等效負(fù)荷的尖峰負(fù)荷,降低最大等效負(fù)荷功率,減小開機臺數(shù),降低最小技術(shù)出力,減小新能源限電。當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷大于最大技術(shù)出力時限負(fù)荷,當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷小于最小技術(shù)出力時新能源限電。限負(fù)荷后開機為14 臺的調(diào)度結(jié)果如圖3 所示。
圖3 限負(fù)荷方式下調(diào)度結(jié)果
考慮現(xiàn)貨交易機組組合調(diào)度方法,柔性負(fù)荷在等效負(fù)荷高峰時段主動降低功率減少需求,自備電廠增加發(fā)電功率增大供給,減少了系統(tǒng)總開機臺數(shù),降低了最小技術(shù)出力。柔性負(fù)荷在等效負(fù)荷低谷時段主動增大功率提高需求,自備電廠減少發(fā)電功率減少供給,減少了新能源限電?,F(xiàn)貨交易功率為1 500 MW 時,調(diào)度結(jié)果如圖4 所示。
圖4 考慮現(xiàn)貨市場方式下調(diào)度結(jié)果
調(diào)度目標(biāo):新能源限電、限負(fù)荷和現(xiàn)貨調(diào)用總成本Cs最小。
式中:Cn,a為新能源限電成本;C1,s為限負(fù)荷成本;Cv為自備電廠交易成本;Cf為柔性負(fù)荷交易成本。
新能源限電成本:
式中:Pn,a,t為新能源限電功率;cn,a為新能源限電單位成本;T 為新能源限電時間。
限負(fù)荷成本:
式中:Pl,s,t為限負(fù)荷功率;cl,s為限負(fù)荷單位成本;T′為限負(fù)荷時間。限負(fù)荷針對尖峰部分切除,由于不能確定尖峰負(fù)荷組成,因此根據(jù)度電GDP計算限負(fù)荷成本。
自備電廠交易成本:
式中:Pv,t為自備電廠交易功率;cv為自備電廠交易單位成本;T″為自備電廠交易時間。
柔性負(fù)荷交易成本:
式中:Pf,t為柔性負(fù)荷交易功率;cf柔性負(fù)荷交易單位成本;T3為柔性負(fù)荷交易時間。采用基于激勵需求非價格需求響應(yīng),可進行直接控制,避免新能源限電和非計劃限負(fù)荷。
系統(tǒng)功率平衡約束:
火電機組出力Pf,i,t約束:
某地區(qū)負(fù)荷、新能源、自備負(fù)荷、公用負(fù)荷和公用等效負(fù)荷典型日曲線如圖5 所示,公用負(fù)荷為負(fù)荷減去自備負(fù)荷,公用等效負(fù)荷為公用負(fù)荷減去新能源;公用火電機組深度調(diào)峰負(fù)荷率40%~50%調(diào)用成本為200 元/MWh,負(fù)荷率30%~40%調(diào)用成本為400 元/MWh,柔性負(fù)荷調(diào)用成本為152.5 元/MWh,自備電廠的調(diào)用成本為50元/MWh,新能源限電成本為500 元/MWh,限負(fù)荷成本為5 700 元/MWh[12-13]。
圖5 負(fù)荷和新能源曲線
為簡化運算,火電機組容量均為600 MW,火電機組參數(shù)如表1 所示,柔性負(fù)荷最大調(diào)用功率為2 000 MW,調(diào)用時間不受限制。
表1 火電機組參數(shù)
自備負(fù)荷和非自備等效負(fù)荷最大功率和原調(diào)度方法開機臺數(shù)如表2 所示,自備電廠開機和自備負(fù)荷功率有關(guān),因此自備電廠開機臺數(shù)不變。
表2 最大功率和開機臺數(shù)
原開機方式調(diào)度方法根據(jù)最大公用等效負(fù)荷確定開機臺數(shù),最大公用等效負(fù)荷9 796 MW,開機臺數(shù)為17 臺,火電機組功率及新能源限電如圖6 所示。
由圖6 可知,公用等效負(fù)荷小于火電最小技術(shù)出力時新能源限電,限電量為15 455.7 MW,限電率為6.2%,限電懲罰成本為772.8 萬元。
圖6 原開機方式調(diào)度方法
限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法切除尖峰負(fù)荷,從而減少最大公用等效負(fù)荷,進而減小開機臺數(shù)。以開15 機切2 機為例,新能源限電和限負(fù)荷如圖7 所示。
圖7 限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法
限負(fù)荷為連續(xù)變化過程,但對應(yīng)開機臺數(shù)為離散變化過程,因此通過開機臺數(shù)反應(yīng)新能源限電量、限負(fù)荷量及限負(fù)荷和新能源限電總成本關(guān)系,其關(guān)系如圖8 所示。
圖8 限負(fù)荷和新能源限電量、限負(fù)荷量及總成本
由圖8 可知,開機臺數(shù)為16 臺時,系統(tǒng)總成本最小,為682.6 萬元,相比原開機方式調(diào)度方法減少成本90.2 萬元;開機臺數(shù)由16 臺減為13 臺過程中,新能源限電率分別為5.3%,4.3%,3.5%和2.8%。
考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法通過柔性負(fù)荷、自備電廠和火電機組深度調(diào)峰提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,從而減少最大公用等效負(fù)荷并增大最小公用等效負(fù)荷。以開臺數(shù)為14 臺為例,考慮自備電廠調(diào)用后可達(dá)到最大最小功率,以及需調(diào)用柔性負(fù)荷功率如圖9 所示。
圖9 考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法
考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法如表3 所示。
由表3 可知,總調(diào)用成本隨開機臺數(shù)減少過程中,呈現(xiàn)先下降后上升趨勢;開機臺數(shù)為14臺時總成本最小,為58.4 萬元;開機臺數(shù)為12臺時,達(dá)到開機臺數(shù)減少極限,此時總成本為103.1 萬元;開機11 臺時,調(diào)用柔性負(fù)荷功率需2 039.4 MW,超過該地區(qū)柔性負(fù)荷最大調(diào)用功率。
因此開機14 臺時總調(diào)用成本最小,開機12臺時為最小開機臺數(shù)。
原開機方式調(diào)度方法火電機組開機臺數(shù)不變,因此不加入比較,限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法和考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法,不同開機臺數(shù)時成本對比如圖10 所示。
圖10 開機方式和成本對比
對比原開機方式調(diào)度方法、限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法和考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法,限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法開機臺數(shù)為16 臺成本最小,相比考慮現(xiàn)貨交易最少費用多624.2 萬元,相比考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法同樣開機臺數(shù)為16 臺費用多617 萬元??紤]現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法最小成本更低,而且相同開機臺數(shù)下成本仍然更低,能夠促進電網(wǎng)精益化管理。
此外考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法最少開機為12 臺,相比其他2 種方式開機臺數(shù)更少;以此開機方式調(diào)度方法對電力規(guī)劃建設(shè)進行指導(dǎo),可以減少投資成本,提升社會綜合效能。
原有的僅依靠火電調(diào)節(jié)的調(diào)度方法會產(chǎn)生較大新能源限電,限負(fù)荷開機方式調(diào)度方法會降低總成本,但隨著限負(fù)荷量增大總成本會超過原調(diào)度方法;考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法可有效降低調(diào)用自備電廠和柔性負(fù)荷總成本,促進新能源消納。
表3 考慮現(xiàn)貨交易開機方式調(diào)度方法成本及調(diào)用電量
本文通過現(xiàn)貨交易下自備電廠、柔性負(fù)荷和深度調(diào)峰對多元融合高彈電網(wǎng)進行探討研究,具有一定實用價值。