一種新的多省區(qū)電網(wǎng)互補(bǔ)運(yùn)行指標(biāo)及其應(yīng)用

傅 旭，李富春，楊攀峰,吳 雄

（1. 中國電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075；2. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)情況下，多省區(qū)電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行是提高電網(wǎng)新能源消納能力的一個(gè)有效措施［1—6］。文獻(xiàn)［7］—文獻(xiàn)［10］從電網(wǎng)調(diào)峰的角度分析了新能源對電網(wǎng)調(diào)峰裕度的影響，提出了各自的數(shù)學(xué)模型和評價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)［11］構(gòu)建了多區(qū)域機(jī)組組合及備用優(yōu)化模型，重點(diǎn)考慮了風(fēng)電不確定性對機(jī)組組合的影響；文獻(xiàn)［12］建立了考慮直流運(yùn)行約束的機(jī)組組合模型和求解方法；文獻(xiàn)［13］對直流聯(lián)絡(luò)線日交換電量、功率曲線階梯化等運(yùn)行特性進(jìn)行了詳細(xì)建模，通過優(yōu)化跨區(qū)直流功率送電曲線促進(jìn)風(fēng)電的消納。國內(nèi)外學(xué)者對高比例新能源電力系統(tǒng)的研究主要是針對已有新能源裝機(jī)規(guī)模的消納問題，包括新能源消納關(guān)鍵因素分析［14］、新能源消納技術(shù)措施［15—16］、國外高比例新能源消納經(jīng)驗(yàn)［17］、區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)消納［18］等。文獻(xiàn)［19］基于不同電網(wǎng)間調(diào)峰能力的差異性，提出一種省間調(diào)峰互濟(jì)交易機(jī)制，分析了低谷交易和峰谷打捆交易兩種交易模式，并在調(diào)峰能力評估的基礎(chǔ)上提出了調(diào)峰不足時(shí)電網(wǎng)的調(diào)峰需求量確定方法。文獻(xiàn)［20］協(xié)調(diào)優(yōu)化多區(qū)域電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，研究了水電、抽水蓄能機(jī)組對受端電網(wǎng)的移峰填谷效益。文獻(xiàn)［21］以運(yùn)行成本和利潤分?jǐn)倿檠芯繉ο螅芯苛嘶ヂ?lián)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［22］為提升互聯(lián)電網(wǎng)安全可靠性，提出共享備用的運(yùn)行策略。文獻(xiàn)［23］針對風(fēng)電的不確定性問題，采用分散協(xié)調(diào)調(diào)度提高聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)對風(fēng)電不確定性的適應(yīng)性。

理論上多省區(qū)電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行可將多個(gè)省區(qū)合并為一個(gè)省區(qū)統(tǒng)一進(jìn)行優(yōu)化求解，但存在如下問題:不符合我國以省為實(shí)體的電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行模式；多省區(qū)合并為一個(gè)省區(qū)優(yōu)化運(yùn)行導(dǎo)致各省區(qū)火電開機(jī)不均，即某省區(qū)火電開機(jī)過多，而其他省區(qū)火電開機(jī)過少；由開機(jī)方式的不均衡導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線功率交換過大。

針對上述情況，本文提出一種適應(yīng)我國“省為實(shí)體”調(diào)度模式的多省區(qū)電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行指標(biāo)，該指標(biāo)首先采用8 760 h 生產(chǎn)模擬計(jì)算各省區(qū)的功率交換需求，模型中考慮了光熱、水電等跨日、跨周的調(diào)節(jié)能力。然后通過將各省區(qū)電網(wǎng)對周邊電網(wǎng)的互補(bǔ)能力分為自然互補(bǔ)、定開機(jī)互補(bǔ)和增開機(jī)互補(bǔ)3 個(gè)層次。該指標(biāo)既保證各省獨(dú)立性，又保證各省電力互濟(jì)性，避免了火電開機(jī)規(guī)模不均勻等問題，在求解方法上則大大簡化，物理意義明確、操作簡單。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 互補(bǔ)能力指標(biāo)及計(jì)算方法

將省間電網(wǎng)的互補(bǔ)能力分為自然互補(bǔ)、定開機(jī)互補(bǔ)和增開機(jī)互補(bǔ)3個(gè)層次的互補(bǔ)能力。

1.1.1 自然互補(bǔ)

自然互補(bǔ)指各省區(qū)獨(dú)立運(yùn)行情況下得出的功率交換需求曲線所具有的互補(bǔ)性，功率交換需求實(shí)際上就是各個(gè)時(shí)刻各省區(qū)的新能源棄電或電力不足。記A 省和Q 省獨(dú)立運(yùn)行情況下，t時(shí)刻的功率交換需求分別為

由于任意t時(shí)刻不能既缺電又棄電，因此有

若t時(shí)刻A省和Q省的功率交換需求存在如下關(guān)系

則A 省和Q 省存在了互補(bǔ)性，即在t時(shí)刻A 省需電力送出時(shí)正好Q省需要受入。

當(dāng)上式成立時(shí)，t時(shí)刻A 省和Q 省可完成的功率交換為

式中:符號 |·| 表示絕對值。

時(shí)段T（本研究為8 760 h）內(nèi)，A 省和Q 省通過自然互補(bǔ)可完成的互濟(jì)電量為

1.1.2 定開機(jī)互補(bǔ)

主動定開機(jī)互補(bǔ)指在自然互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，增加或降低A 省和Q 省正在運(yùn)行的可調(diào)整電源（本研究中指火電）出力后，A省和Q省具備的互補(bǔ)能力。這里的“主動”是相對于前面“自然”而言的，“定開機(jī)”是相對于后面的“增開機(jī)”而言的。主動定開機(jī)互補(bǔ)能力的計(jì)算步驟如下:

（1）記A省和Q省在8 760 h任意t時(shí)刻的功率交換需求為IAt和IQt，如式（1）所示。

（2）統(tǒng)計(jì)A 省8 760 h火電開機(jī)狀態(tài)（0/1變量）和火電實(shí)際出力。

（3）計(jì)算任意t時(shí)刻的A省可調(diào)節(jié)電源的可調(diào)出力為

式中:為A省t時(shí)刻可調(diào)節(jié)電源的正向可調(diào)出力，為A 省t時(shí)刻可調(diào)節(jié)電源的負(fù)向可調(diào)出力，utj為t時(shí)刻電源j的開機(jī)狀態(tài)，為0 或1變量，0表示關(guān)機(jī)，1表示開機(jī)；gtj為t時(shí)刻電源j的出力；為電源j的出力上限；為電源j的出力下限；N為可調(diào)電源個(gè)數(shù)。

同理，可計(jì)算出任意t時(shí)刻的Q 省火電j的可調(diào)出力為

式中:為Q省t時(shí)刻可調(diào)節(jié)電源的正向可調(diào)出力，為Q省t時(shí)刻可調(diào)節(jié)電源的負(fù)向可調(diào)出力，

（4）計(jì)算A省和Q省t時(shí)刻電力補(bǔ)充能力范圍為

（5）根據(jù)A 省和Q 省逐時(shí)互補(bǔ)能力和方向，確定A省和Q省實(shí)際完成的互補(bǔ)電量。

若t時(shí)刻IAt＞0 且IQt＜0，或IAt＜0 且IQi＞0，則 A省和Q省可完成電力交換It為

時(shí)段T內(nèi)，A省和Q省可完成的互濟(jì)電量EAQ為

1.1.3 增開機(jī)互補(bǔ)

增開機(jī)互補(bǔ)是主動定開機(jī)互補(bǔ)的進(jìn)一步深化，定開機(jī)互補(bǔ)中的互補(bǔ)能力計(jì)算均在固定的開機(jī)方式下。增開機(jī)互補(bǔ)指的是在滿足檢修約束前提下，逐月判斷A 省和Q 省能增加的火電開機(jī)規(guī)模，進(jìn)而調(diào)整開機(jī)方式增加A省和Q省的互補(bǔ)能力。

增加開機(jī)互補(bǔ)有2 個(gè)約束，不能增加A 省和Q省的開機(jī)規(guī)模，不能為了Q 省或A 省而改變A 省或Q 省的全年最大的開機(jī)規(guī)模；保證A 省和Q 省的火電機(jī)組檢修空間滿足需求。計(jì)算A省主動增開機(jī)互補(bǔ)能力步驟如下。

（1）統(tǒng)計(jì)全年A 省年最大開機(jī)，計(jì)算A 各月火電仍可增加的開機(jī)容量為

式中:ki為 A 省第i月的開機(jī)容量；kmax為 A 省全年最大開機(jī)容量；ri為A省第i月火電未開機(jī)容量。

（2）判斷Q 省是否存在電力不足月份，若有則在Q 省電力不足月份i增開A 省火電機(jī)組容量mi，i=1,2,…,12。

（3）計(jì)算A省火電增開機(jī)后的檢修空間J是否滿足要求，即

式中:Jcr為火電檢修面積的最小值。一般要求火電檢修面積J大于1.5，即取Jcr=1.5。若檢修面積不滿足，則返回步驟（2），重新修正A 省第i月增開機(jī)組容量mi。

（4）統(tǒng)計(jì)A 省各月的增開火電機(jī)組規(guī)模，計(jì)算A省增加開機(jī)后時(shí)刻i的互補(bǔ)能力為

（5）根據(jù)A 省和Q 省的逐時(shí)的互補(bǔ)能力和方向，確定A省對Q省的互補(bǔ)電力/電量。

從上述互補(bǔ)能力的指標(biāo)可以看出:求出各省獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的功率功率交換需求（逐時(shí)的新能源棄電或電力不足）是計(jì)算省間互補(bǔ)能力的關(guān)鍵；指標(biāo)從不同層次給出了省間的互補(bǔ)能力，既保證了各省區(qū)的運(yùn)行獨(dú)立性，又實(shí)現(xiàn)了各省區(qū)間的互濟(jì)性，在求解方法上則大大簡化，物理意義明確、操作簡單。

1.2 全時(shí)段生產(chǎn)仿真模擬

在滿足負(fù)荷需求約束下，盡量減少新能源棄電量和系統(tǒng)發(fā)電煤耗，目標(biāo)函數(shù)可以描述為

式中:fit為火電機(jī)組i在t時(shí)刻的發(fā)電成本函數(shù)為火電機(jī)組i在t時(shí)刻的有功出力；Qit,up和Qit,off分別為火電機(jī)組i在t時(shí)刻的啟動和停機(jī)費(fèi)用；Uit和Ui,t-1分別為火電機(jī)組i在t和(t-1)時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)；λ1、λ2、λ3分別為棄風(fēng)、棄光、棄水的懲罰因子；λ4為失負(fù)荷懲罰；λ5為失備用懲罰；Wbt為t時(shí)刻內(nèi)風(fēng)電場b的出力為t時(shí)刻內(nèi)風(fēng)電場b的預(yù)測出力；Sbt為t時(shí)刻內(nèi)光伏電站b的出力為t時(shí)刻內(nèi)光伏電站b的預(yù)測出力；Eit為水電機(jī)組i在t時(shí)刻的棄水；lb,t和hb,t分別為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)b的失負(fù)荷量和失備用量；G為所有火電機(jī)組的集合；M為所有水電機(jī)組的集合；T為所有時(shí)段的集合；B為所有節(jié)點(diǎn)的集合；t取整點(diǎn)時(shí)刻。

目標(biāo)函數(shù)（14）的約束條件包括系統(tǒng)電力平衡約束、系統(tǒng)負(fù)荷備用約束、系統(tǒng)調(diào)峰平衡約束、系統(tǒng)保安開機(jī)約束、電站發(fā)電出力上、下限約束、電站承擔(dān)系統(tǒng)備用容量上下限約束、水電站電量平衡約束、抽水蓄能電站日電量平衡約束、電站啟停調(diào)峰運(yùn)行時(shí)最短開機(jī)、停機(jī)時(shí)間約束、光熱電站熱平衡約束、省間聯(lián)絡(luò)線功率約束等。各約束的具體表述見文獻(xiàn)［24］—文獻(xiàn)［25］。

1.3 計(jì)算流程

省區(qū)間互補(bǔ)能力指標(biāo)計(jì)算流程如圖1所示。

（1）計(jì)算各省區(qū)獨(dú)立運(yùn)行情況下的全年8 760 h運(yùn)行方式，確定各省開機(jī)方式，逐時(shí)功率交換需求；

（2）根據(jù)各省區(qū)獨(dú)立運(yùn)行生產(chǎn)情況下的功率交換需求，計(jì)算省區(qū)間的自然互補(bǔ)率；

（3）判斷自然互補(bǔ)率是否滿足需求，若滿足則停止計(jì)算；

（4）在各省區(qū)開機(jī)方式不變情況下，確定各省區(qū)的正向和負(fù)向調(diào)節(jié)能力，計(jì)算各省區(qū)定開機(jī)互補(bǔ)能力；

（5）判斷定開機(jī)互補(bǔ)是否滿足需求，若滿足則停止計(jì)算；

（6）計(jì)算檢修空間，在功率交換不滿足需求月份，增開空閑機(jī)組；

（7）計(jì)算增開機(jī)互補(bǔ)能力，并判斷是否滿足需求，若滿足則停止計(jì)算；

圖1 互補(bǔ)能力指標(biāo)計(jì)算流程Fig.1 Computation process of complementary ability index

（8）統(tǒng)計(jì)省區(qū)間自然互補(bǔ)率、定開機(jī)互補(bǔ)率和增開機(jī)互補(bǔ)率指標(biāo)。

2 青海電網(wǎng)案例分析

2.1 邊界條件

青海電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行生產(chǎn)模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。青海逐月長期購電需求如圖2 所示，全年購電需求為40.2 億kWh，逐月購電曲線如圖3 所示?？鄢L期購電，青海短期電力不足概率0.674%，短期（臨時(shí)）購電需求為0.2 億kWh。青海短期購電時(shí)刻分布如圖4所示。全年新能源棄電量為79.2億kWh，火電利用小時(shí)為6 081 h。

圖2 逐月長期購電電量Fig.2 The long-term purchase of electricity in every month

圖3 逐月長期購電曲線Fig.3 The long-term electricity purchase curve in every month

對于青海的長期購電需求，本文考慮通過新疆滿足，短期購電需求則通過青海和陜西調(diào)峰互濟(jì)滿足。

圖4 青海電網(wǎng)短期購電需求時(shí)刻分布Fig.4 Time distribution of temporary power purchases in Qinghai power grid

表1 青海生產(chǎn)模擬結(jié)果Table 1 The simulation results of Qinghai production

2.2 青海長期購電研究

新疆、青海逐月自然互補(bǔ)率如圖5 所示。青?？蓮男陆@得電量補(bǔ)充約13億kWh，青海電量缺額的受入互補(bǔ)率為27.5%。在自然互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整新疆在運(yùn)可調(diào)電源的出力，增加對青海的電量補(bǔ)充，青海從新疆獲得的主動定開機(jī)互補(bǔ)電量約36億kWh，青海電量缺額的總受入互補(bǔ)率為89.5%，青海逐月的長期購電互補(bǔ)率如圖6所示。

圖5 新疆-青海省間的自然互補(bǔ)性Fig.5 Natural month complemention rate of Xinjiang-Qinghai province

圖6 新疆和青海省逐月主動定開機(jī)互補(bǔ)率Fig.6 Xinjiang-Qinghai province monthly initiative fixed boot complemention rate

進(jìn)一步的，以不影響新疆火電檢修為約束，新疆在青海季節(jié)性缺電月份增開部分空閑火電機(jī)組，新疆火電檢修面積如表2 所示，青海逐月受入電量互補(bǔ)率如圖7 所示。即通過新疆增開機(jī)互補(bǔ)，青海長期購電需求可以獲得滿足，青海電量缺額的互補(bǔ)率為100%。

表2 新疆新增開機(jī)后的檢修面積Table 2 Maintenance area after new start-up in Xinjiang province萬kW

上述互補(bǔ)率計(jì)算中，個(gè)別月份的互補(bǔ)率為0，如6 月和9 月，這并不是說6 月和9 月新疆電網(wǎng)沒有補(bǔ)充能力，而是青海沒有購電需求（如圖2所示）。

圖7 新疆-青海省逐月主動增開機(jī)互補(bǔ)率Fig.7 Xinjiang-Qinghai province monthly initiative increased boot complemention rate

2.3 青海與陜西調(diào)峰互濟(jì)研究

青海-陜西電網(wǎng)互濟(jì)運(yùn)行結(jié)果如表3 所示。青海短期電力不足的互補(bǔ)率為100%，青海新能源棄電的互補(bǔ)率為44%。陜西-青海逐月電量交換結(jié)果如表4所示。

表3 陜西-青海逐月互補(bǔ)率Table 3 Monthly complementarity rate from Shaanxi to Qinghai%

青海送出電量多，而受入電量少，是因?yàn)榍嗪２捎瞄L期交易形式輔以其水電調(diào)節(jié)能力基本將電量缺額抹平，因此臨時(shí)交易幾乎沒有。在這種情況下的陜西-青海電網(wǎng)調(diào)峰互濟(jì)運(yùn)行，主要是陜西在有接納能力的時(shí)候（非棄光、棄風(fēng)時(shí)段），接納青海便宜的棄風(fēng)、棄光電量。而在青海需要臨時(shí)購電的晚間，則少量的送出火電或棄電，電力流向上呈現(xiàn)出西電東送的趨勢。

表4 陜西-青海逐月電量交換結(jié)果Table 4 Monthly electricity exchange from Shaanxi to Qinghai 108kWh

3 結(jié)束語

提出了多省區(qū)電網(wǎng)多能互補(bǔ)運(yùn)行指標(biāo)即自然互補(bǔ)、定開機(jī)互補(bǔ)和增開機(jī)互補(bǔ)。應(yīng)用所提指標(biāo)對青海電網(wǎng)與周邊電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行了驗(yàn)證，并得出如下結(jié)果。

（1）新疆對青海進(jìn)行季節(jié)性缺電補(bǔ)償，青海可從新疆獲得電量補(bǔ)償率為90%左右。新疆新增部分開機(jī)后，新疆可以補(bǔ)償青海的季節(jié)性缺電99%左右。

（2）陜西和青海具有調(diào)峰困難時(shí)刻的差異性和互補(bǔ)性，青海和陜西調(diào)峰互濟(jì)后，青海有44%的青海新能源棄電可以為陜西接納，而陜西可以補(bǔ)償青海約100%的臨時(shí)交易。