典型高耗能工業(yè)用戶發(fā)用電經(jīng)濟(jì)優(yōu)化建模及調(diào)節(jié)潛力研究

張海靜，周 穎，王為帥，鞠文杰，馬 磊，陳宋宋，李志鑫，吳英俊，高賜威

（1. 國網(wǎng)山東省電力有限公司，濟(jì)南 250002；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；3. 國網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830063；4. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100；5. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096）

0 引言

高耗能企業(yè)在生產(chǎn)過程中需消耗大量電能，常配備有自備電廠。為充分發(fā)掘工業(yè)用戶發(fā)用電資源的調(diào)節(jié)潛力保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，需求側(cè)管理得到了越來越多的關(guān)注［1］。分時電價常用于引導(dǎo)工業(yè)用戶進(jìn)行合理的發(fā)用電生產(chǎn)管理。

在目前的研究中大工業(yè)用戶存在很大的需求彈性，但生產(chǎn)關(guān)系建模簡單，難以發(fā)掘工業(yè)用戶真正的調(diào)節(jié)潛力。文獻(xiàn)［2］從博弈角度優(yōu)化分時電價的制定，促進(jìn)削峰填谷工作，但是對用戶的發(fā)用電行為構(gòu)建過于簡單。文獻(xiàn)［3］構(gòu)建智能用電管理系統(tǒng)模型用以降低工業(yè)用戶生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)［4］在連續(xù)時間框架下，建立高能耗企業(yè)自備電廠發(fā)電調(diào)度模型，但未對企業(yè)用電側(cè)進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)［5］將用戶行為與負(fù)荷預(yù)測納入分時電價的制定去引導(dǎo)用戶進(jìn)行需求側(cè)管理。文獻(xiàn)［6］利用聚類算法，建立大用戶響應(yīng)分時電價的負(fù)荷概率模型，但未對大用戶發(fā)電側(cè)出力行為進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［7］分別建立售電公司最大收益與工業(yè)用戶最小用電成本兩層模型，研究電網(wǎng)的價格制定。文獻(xiàn)［8］同時考慮了高能耗企業(yè)發(fā)電側(cè)與用電側(cè)的響應(yīng)行為，但發(fā)電側(cè)建?；\統(tǒng)未考慮不同類型機(jī)組的調(diào)節(jié)約束問題，同時負(fù)荷側(cè)僅考慮連續(xù)性負(fù)荷，實(shí)際上大工業(yè)用戶存在大量的可中斷負(fù)荷，對降低企業(yè)的運(yùn)行成本有重大作用。

針對以上問題，本文圍繞分時電價，首先研究不同工業(yè)用戶發(fā)用電設(shè)備的運(yùn)行特性、調(diào)節(jié)特性，建立工業(yè)用戶在分時電價下發(fā)用電聯(lián)合一體化經(jīng)濟(jì)調(diào)度通用模型。其次，根據(jù)工業(yè)用戶生產(chǎn)工藝的不同，建立3 類具有代表性企業(yè)的發(fā)用電設(shè)備調(diào)節(jié)模型。最后，在算例中討論上網(wǎng)電價改變時，不同工業(yè)用戶的發(fā)用電響應(yīng)行為，并分析不同類型工業(yè)用戶的調(diào)節(jié)潛力。

1 工業(yè)用戶通用建模

1.1 發(fā)電通用模型

高能耗企業(yè)按照行業(yè)特性的不同，發(fā)電側(cè)裝設(shè)有不同類型及不同數(shù)量的燃煤機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與資源綜合利用機(jī)組。因此，建立發(fā)電設(shè)備的通用模型需要考慮不同機(jī)組的運(yùn)行特性。

自備電廠通用的發(fā)電成本模型如式（1）

式中:k為調(diào)度時段；m、n、u分別為燃煤機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、資源綜合利用機(jī)組的臺數(shù)；ai、bi、ci分別為燃煤機(jī)組的發(fā)電煤耗系數(shù)；Pi,k為燃煤機(jī)組i在k時刻的發(fā)電出力；br、cr分別為資源綜合利用機(jī)組的發(fā)電成本系數(shù)為綜合資源利用機(jī)組r在k時刻的發(fā)電出力；aj、bj、cj分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電成本系數(shù)；dj、fj、hj分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱成本系數(shù)分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電功率、平均熱功率。

常規(guī)機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力上下限約束為

常規(guī)機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組爬坡約束為

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電聯(lián)耦約束為

式中:PCHP、RCHP分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電功率與發(fā)熱功率分別為機(jī)組純凝工況下最大、最小發(fā)電功率；μv、μm分別為機(jī)組進(jìn)氣量與背壓值為最大發(fā)熱功率。

1.2 負(fù)荷通用模型

負(fù)荷由可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和不可轉(zhuǎn)移的固定負(fù)荷組成，其中可轉(zhuǎn)移負(fù)荷又可細(xì)分為連續(xù)性負(fù)荷與可中斷負(fù)荷。

在第k個運(yùn)行時段內(nèi)，自備電廠的總負(fù)荷可以表示為

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷時序性約束條件為式（6）至式（10）。

工作時長約束為

連續(xù)性負(fù)荷不可中斷性約束為

負(fù)荷c運(yùn)行結(jié)束后，負(fù)荷b才能運(yùn)行即前置負(fù)荷約束為

前置負(fù)荷c恰好完成任務(wù)后負(fù)荷b必須開始運(yùn)行即強(qiáng)關(guān)聯(lián)性負(fù)荷約束為

負(fù)荷b、c運(yùn)行狀態(tài)相同即同步負(fù)荷約束為

式中:n為完成任務(wù)所需要的全部運(yùn)行時段；θc,k為負(fù)荷c狀態(tài)變量，運(yùn)行時值為1，否則為0；Tc,n為負(fù)荷工作時長；tc,min,tc,max分別為負(fù)荷c運(yùn)行時間上下限制，即負(fù)荷c只能工作在[tc,min,tc,max] 內(nèi)；K為全部調(diào)度時段。

轉(zhuǎn)移功率約束條件為

某些負(fù)荷的轉(zhuǎn)移會產(chǎn)生成本費(fèi)用，通常與負(fù)荷轉(zhuǎn)移時間成正比?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷c的轉(zhuǎn)移成本如式（12）所示

1.3 凈電費(fèi)通用模型

自備電廠與電網(wǎng)交互的過程中，存在購電費(fèi)用與售電收益。其中購電費(fèi)用等于購電電價乘以購電電量；售電收益等于上網(wǎng)電價乘以售電量。在同一個時段內(nèi)，不允許購電費(fèi)用與售電收益同時存在。

凈電費(fèi)通用模型如式（13）

功率平衡約束

式中:Dk為自備電廠外購功率。

交換功率約束

1.4 工業(yè)用戶通用模型

工業(yè)用戶總用電成本包括3 個部分，分別為發(fā)電成本Ck、負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本凈電費(fèi)成本Qk。因此建立在分時電價下，工業(yè)用戶最優(yōu)發(fā)用電響應(yīng)的最小運(yùn)行成本模型。目標(biāo)函數(shù)為

約束條件包括式（2）至式（4）、式（6）至式（11）、式（14）至式（15）。

2 典型行業(yè)建模

2.1 鋼鐵行業(yè)

鋼鐵企業(yè)屬于典型的流程工業(yè)，主要生產(chǎn)過程包括煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼4 個步驟。該類企業(yè)常配備有燃煤發(fā)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組；部分鋼鐵企業(yè)裝設(shè)有儲氣裝置并通過綜合利用機(jī)組發(fā)電。其可轉(zhuǎn)移負(fù)荷主要工作在連鑄與軋鋼階段。連鑄與軋鋼階段中的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷屬于連續(xù)性負(fù)荷，該類負(fù)荷一經(jīng)啟動，就不能中斷，否則將會嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對鋼鐵行業(yè)可建立以下模型

負(fù)荷啟動時間約束為

任務(wù)c需要在任務(wù)c′完成后等待Tc′才能開始運(yùn)行，負(fù)荷時序耦合約束為

任務(wù)c啟停時間約束為

式中:τ為時段長度；為任務(wù)c在k時段的開機(jī)狀態(tài)，開機(jī)時

任務(wù)c啟停狀態(tài)在時段間的取值約束為

式中:為任務(wù)c在k時段的停機(jī)狀態(tài)。

任務(wù)c在k時段內(nèi)的持續(xù)時間γc,k取值范圍約束為

任務(wù)c的運(yùn)行時間約束為

另外，發(fā)電約束由式（2）—式（4）組成。

2.2 水泥行業(yè)

由實(shí)際工況可知，水泥3 個階段的生產(chǎn)具有較弱的時序約束，影響水泥質(zhì)量的主要因素是生產(chǎn)材料。所以水泥企業(yè)中柔性負(fù)荷可以在滿足用電時長不變的情況下，采取非連續(xù)性生產(chǎn)方式。因此，對水泥行業(yè)可建立以下模型

約束條件包括工作時長與運(yùn)行時間約束式（6），前置負(fù)荷約束式（8），轉(zhuǎn)移功率約束式（11），功率平衡約束式（14），交換功率約束式（15）；發(fā)電約束由式（2）—式（4）組成。

2.3 電解鋁行業(yè)

電解鋁行業(yè)在電解環(huán)節(jié)需要消耗大量的電力且電解過程不能中斷否則對產(chǎn)品和設(shè)備造成極大的影響；鋁材加工再生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有一定的可轉(zhuǎn)移特性。因此，電解鋁行業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷主要由連續(xù)性負(fù)荷與可中斷負(fù)荷組成，對電解鋁行業(yè)可建立以下模型

約束條件主要包括工作時長與運(yùn)行時間約束式（6），連續(xù)性負(fù)荷不可中斷性約束式（7），前置負(fù)荷約束式式（8），強(qiáng)關(guān)聯(lián)性負(fù)荷約束式（9），同步負(fù)荷約束約束式（10），轉(zhuǎn)移功率約束式（11），功率平衡約束式（14），交換功率約束式（15）；發(fā)電約束由式（2）—式（4）組成。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

原始數(shù)據(jù)來自國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)、某水泥企業(yè)、某電解鋁企業(yè)自備電廠。裝機(jī)容量分別為15 萬kW、3.5 萬 kW、1.2 萬 kW；ai、bi、ci煤耗系數(shù)分別為0.000 45、0.228 5、47.620 6；aj、bj、cj、dj、fj、hj、br、cr均為0；峰、平、谷時段購電電價分別為0.88元/kWh、0.6 元/kWh、0.31 元/kWh；各時段上網(wǎng)電價均為0.3 元/kWh。以6個時段的調(diào)度為例，每個時段長度為1 h，鋼鐵、水泥、電解鋁企業(yè)各時段的基礎(chǔ)負(fù)荷分別為110 MW、120 MW、130 MW、110 MW、120 MW、100 MW；10 MW、15 MW、20 MW、15 MW、20 MW、10 MW；4 MW、7 MW、10 MW、7 MW、9 MW、4 MW；鋼鐵、水泥、電解鋁企業(yè)最大發(fā)電功率分別為150MW、35 MW、12 MW，最小發(fā)電功率分別為100 MW、10 MW、5 MW；時段1、6為谷時段，時段2、4為平時段，時段3、5為峰時段。3類工業(yè)用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參數(shù)分別如表1、表2、表3所示。

表1 鋼鐵行業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參數(shù)Table 1 Transferable load parameters of the steel industry

表2 水泥行業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參數(shù)Table 2 Transferable load parameters of the cement industry

任務(wù)3和任務(wù)5之間存在時序耦合關(guān)系，任務(wù)5在任務(wù)3停止后0.2 h才能開始工作。

任務(wù)1至任務(wù)5均為可中斷負(fù)荷。

表3 電解鋁行業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參數(shù)Table 3 Transferable load parameters of the electrolytic aluminum industry

任務(wù)1至任務(wù)3為連續(xù)性負(fù)荷，任務(wù)4、5為可中斷負(fù)荷。3類企業(yè)原始發(fā)用電出力曲線如圖1所示。

圖1 3類企業(yè)發(fā)用電出力曲線Fig.1 The output curves of three types of enterprises’generation

3.2 算例結(jié)果與分析

按照所述模型，求得3 類企業(yè)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移時間圖如圖2所示。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，3類企業(yè)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷由峰時段3、5 向平時段與谷時段按照約束條件進(jìn)行轉(zhuǎn)移；同時，由于3類企業(yè)都存在著較大的負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本系數(shù)，因此鋼鐵企業(yè)任務(wù)5、水泥企業(yè)任務(wù)3、電解鋁企業(yè)任務(wù)3 的啟動時間均未發(fā)生變化，水泥企業(yè)任務(wù)3進(jìn)行可中斷生產(chǎn)。

按照圖2 進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，可以得到優(yōu)化后3 類企業(yè)的發(fā)用電出力曲線圖如圖3所示。

對比圖1 與圖3 可以發(fā)現(xiàn)，3 類企業(yè)的峰、谷時段負(fù)荷差減小，3 類企業(yè)的負(fù)荷更加平穩(wěn)；同時3 類企業(yè)在尖峰時段的負(fù)荷得到了有效的削減；并且由發(fā)電成本與分時電價的關(guān)系可知，在谷時段發(fā)電成本大于購電電價，3 類企業(yè)均采取最小發(fā)電出力，峰、平時段發(fā)電成本低于購電電價，3類企業(yè)的發(fā)電出力均在滿足約束情況下跟蹤負(fù)荷變化；因此3 類企業(yè)總的運(yùn)行成本均降低。

圖2 3類企業(yè)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移時間圖Fig.2 Load-shifting time diagram for three type industries

圖3 優(yōu)化后3類企業(yè)發(fā)用電出力曲線Fig.3 Optimized output curves for the three types of enterprises

3.3 上網(wǎng)電價影響分析

將峰時段上網(wǎng)電價由0.3 元/kWh 增加至0.35元/kWh時，3類企業(yè)發(fā)用電出力曲線如圖4所示。

峰時段上網(wǎng)電價改變后，3類企業(yè)的負(fù)荷變化情況與圖3類似；但在峰時段發(fā)電成本低于上網(wǎng)電價，企業(yè)在保證供電可靠性的情況下，均采用最大出力方式運(yùn)行，向電網(wǎng)售電以降低企業(yè)總的運(yùn)行成本。

圖4 改變上網(wǎng)電價后三類企業(yè)發(fā)用電出力曲線Fig.4 Three types of enterprises after the change in feedin tariff power generation curve

改變峰時段上網(wǎng)電價前后，3 類企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及調(diào)節(jié)潛力對比如表4 所示。3 類企業(yè)總用電量不變；鋼鐵、水泥企業(yè)峰時段負(fù)荷大部分均轉(zhuǎn)移至谷時段，電解鋁企業(yè)平時段負(fù)荷也向谷時段轉(zhuǎn)移，因此其填谷負(fù)荷大于削峰負(fù)荷；3 類企業(yè)在峰時段將多余電量上網(wǎng)以降低運(yùn)行成本；總發(fā)電量變化不大是因?yàn)楣葧r段企業(yè)以最小發(fā)電出力運(yùn)行，不足電量從電網(wǎng)購入。3類企業(yè)在6個調(diào)度時段內(nèi)，運(yùn)行成本分別降低1.12萬元、0.39萬元、0.16萬元。需要注意的是，隨著企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模時，采用本方法運(yùn)行成本會降低的更加明顯；對比3類企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)，電解鋁企業(yè)調(diào)節(jié)性能弱，因?yàn)槠溆秒娂性陔娊猸h(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)性能差。

表4 各自備電廠調(diào)節(jié)對照表Table 4 Control table of self-contained power plant

4 結(jié)束語

本文著重考慮高能耗企業(yè)發(fā)用電調(diào)節(jié)約束條件，提出工業(yè)用戶通用發(fā)用電調(diào)節(jié)模型，并提出3類典型行業(yè)的調(diào)節(jié)模型。通過算例證明了高能耗企業(yè)發(fā)用電調(diào)節(jié)策略受自發(fā)電成本、負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本、購電電價與上網(wǎng)電價的影響。因此，為發(fā)掘工業(yè)用戶的調(diào)節(jié)潛力，需要充分了解企業(yè)的自發(fā)電成本與負(fù)荷響應(yīng)成本，并以合適的價格信號去引導(dǎo)工業(yè)用戶進(jìn)行發(fā)用電調(diào)節(jié)。