“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置研究

周保中，劉敦楠，張繼廣，李憶，徐爾豐，畢圣

（1. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市昌平區(qū) 102206；3. 浙江浙能能源服務(wù)有限公司，浙江省 杭州市 310002）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)，需要控制化石能源總量，大力發(fā)展新能源，提升能源清潔利用水平，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1-2]。多能互補(bǔ)項(xiàng)目立足于系統(tǒng)觀念，能夠充分發(fā)揮不同類型電源之間協(xié)調(diào)互濟(jì)能力，是安全高效利用新能源、推進(jìn)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的實(shí)施路徑之一，包括供給側(cè)“風(fēng)光水火儲(chǔ)”多能互補(bǔ)系統(tǒng)和需求側(cè)綜合能源系統(tǒng)2種模式[3-5]?！帮L(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目是其重要技術(shù)方案之一，也是碳中和、碳達(dá)峰背景下火電的轉(zhuǎn)型發(fā)展路線之一。在“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目中，風(fēng)電和光伏等新能源將成為主力電源，火電將向提供靈活調(diào)節(jié)能力為主的支撐電源轉(zhuǎn)變[6]。如何合理配比火電、風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量以及輸電容量，利用火電調(diào)節(jié)能力實(shí)現(xiàn)不同類型電源協(xié)調(diào)互濟(jì)和優(yōu)化運(yùn)行，促進(jìn)風(fēng)電和光伏全額消納和高效利用，是“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目的核心問題。

目前，已有學(xué)者[7-15]對(duì)多能互補(bǔ)開展一定研究。文獻(xiàn)[11]以風(fēng)電送出最大化為目標(biāo)，提出一種特高壓直流風(fēng)火聯(lián)合外送電源容量優(yōu)化方法，確定解配套電源規(guī)模。文獻(xiàn)[12]在既定風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量條件下，根據(jù)特高壓直流工程核定利用時(shí)間和電量，提出配套火電裝機(jī)容量優(yōu)化計(jì)算方法。文獻(xiàn)[13]在傳統(tǒng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型基礎(chǔ)上，以外送風(fēng)光最大化消納為目標(biāo)，構(gòu)建特高壓直流外送風(fēng)光火電力一體化調(diào)度計(jì)劃模型。文獻(xiàn)[14]基于變分自編碼器生成多種新能源出力場景，建立風(fēng)光水互補(bǔ)短期優(yōu)化運(yùn)行模型，采用分段線性化方法實(shí)現(xiàn)模型快速求解。文獻(xiàn)[15]綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，增加可再生能源消納權(quán)重、節(jié)能減排等約束條件，構(gòu)建風(fēng)光火聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型。多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置是涉及不同類型電源裝機(jī)容量和輸電容量配比規(guī)劃，以及不同時(shí)間尺度調(diào)度運(yùn)行的綜合問題，而以上研究主要以棄風(fēng)棄光、總成本最小化等為目標(biāo)，未綜合考慮規(guī)劃和運(yùn)行層面的優(yōu)化配置，以及外送曲線對(duì)受端地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰影響。

因此，本文在分析不同類型電源出力特性和多能互補(bǔ)特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置模型，在規(guī)劃層面優(yōu)化風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量以及輸電容量，在運(yùn)行層面優(yōu)化火電運(yùn)行方式、出力曲線以及外送曲線，保障風(fēng)電、光伏全額消納和高效利用，使外送曲線對(duì)受端地區(qū)電網(wǎng)更加友好，實(shí)現(xiàn)橫向多能互補(bǔ)、縱向源荷協(xié)調(diào)。

1 電源出力特性和多能互補(bǔ)特性

1.1 電源出力特性

1.1.1 風(fēng)電出力特性

風(fēng)電出力主要受風(fēng)速等因素影響，其出力模型[16-17]表示如下：

式中：LW，t為時(shí)段t風(fēng)電出力；Vt為時(shí)段t風(fēng)速；VI為切入風(fēng)速；VR為額定風(fēng)速；VO為切出風(fēng)速；LW，R為風(fēng)電額定出力。

根據(jù)風(fēng)速變化特性，風(fēng)電出力在月、日等時(shí)間尺度上具有以下特性：

1）月出力特性。受季風(fēng)氣候等因素影響，不同月份風(fēng)速不同，春季和冬季風(fēng)電出力高，夏季風(fēng)電出力低，具有一定季節(jié)性[18]。系統(tǒng)負(fù)荷夏季和冬季處于高峰，與風(fēng)電出力之間存在一定電力供需不匹配矛盾[19]。

2）日出力特性。受天氣、地形等因素影響，風(fēng)電出力預(yù)測偏差大，極端情況下波動(dòng)幅度可達(dá)到裝機(jī)容量的80%，具有強(qiáng)隨機(jī)性和波動(dòng)性。一般情況下，夜間系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電出力高，白天系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段風(fēng)電出力低，系統(tǒng)凈負(fù)荷峰谷差進(jìn)一步拉大，具有一定反調(diào)峰特性[20-21]。

1.1.2 光伏出力特性

光伏出力主要受光照強(qiáng)度、溫度等因素影響，其出力模型[16,22]表示如下：

式中：LP，t為時(shí)段t光伏出力；LP，R為標(biāo)準(zhǔn)條件下(光照強(qiáng)度IR=1 000 W/m2，溫度TR=25 ℃)光伏額定出力；It為時(shí)段t光照強(qiáng)度；Tt為時(shí)段t溫度；ε為功率溫度系數(shù)，一般為0.003 9 ℃-1。

根據(jù)光照強(qiáng)度、溫度等變化特性，光伏出力在月、日等時(shí)間尺度上具有以下特性：

1）月出力特性。受季風(fēng)氣候等因素影響，不同月份光照強(qiáng)度和溫度不同，春季和夏季光伏出力高，秋季和冬季光伏出力低，具有一定的季節(jié)性[23]。系統(tǒng)負(fù)荷夏季和冬季處于高峰，與光伏出力之間存在一定電力供需不匹配矛盾。

2）日出力特性。受天氣、云層遮擋等因素影響，光伏出力具有一定隨機(jī)性和波動(dòng)性。中午時(shí)段光伏出力高，系統(tǒng)凈負(fù)荷呈現(xiàn)“鴨型曲線”，隨著光伏裝機(jī)容量不斷增加，系統(tǒng)凈負(fù)荷最小值將從夜間轉(zhuǎn)至中午；晚上時(shí)段光伏無出力，與系統(tǒng)負(fù)荷晚高峰時(shí)段之間具有一定反調(diào)峰特性[24]。

1.1.3 火電出力特性

火電以煤炭、天然氣等化石能源作為燃料。化石能源具有可存儲(chǔ)性，火電出力在一定范圍內(nèi)能夠靈活調(diào)節(jié)，不受天氣等條件影響，具有良好可調(diào)、可控特性[25]。通過靈活性改造，火電最小技術(shù)出力可以達(dá)到裝機(jī)容量的30%以下，部分火電熱電解耦后甚至可以100%參與調(diào)峰[26]。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)逐步推進(jìn)，風(fēng)電和光伏接入電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷增大，這將對(duì)火電調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)速率等調(diào)節(jié)能力提出更高的要求。

1.2 多能互補(bǔ)特性

多能互補(bǔ)特性是指火電、風(fēng)電和光伏等不同類型電源出力能夠相互補(bǔ)充、協(xié)調(diào)互濟(jì)。根據(jù)時(shí)間尺度不同，多能互補(bǔ)特性包括中長期月互補(bǔ)特性和短期日互補(bǔ)特性。

1）月互補(bǔ)特性。優(yōu)化燃料采購和庫存，發(fā)揮火電調(diào)節(jié)能力，對(duì)不同月份風(fēng)電、光伏出力以及受端地區(qū)負(fù)荷不平衡電量進(jìn)行互補(bǔ)互濟(jì)，緩解送端地區(qū)和受端地區(qū)電力供需不匹配矛盾，提高輸電通道利用水平。

2）日互補(bǔ)特性。調(diào)整燃料消耗量和出力，發(fā)揮火電調(diào)節(jié)能力，降低風(fēng)電、光伏出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和反調(diào)峰特性，跟蹤風(fēng)電、光伏出力曲線以及受端地區(qū)負(fù)荷曲線之間不平衡部分，使外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線更加匹配，對(duì)受端地區(qū)電網(wǎng)更加友好。

2 “風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置模型

2.1 整體框架

“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目主要依托存量火電建設(shè)，充分利用火電調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化配比風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量以及輸電容量，最大程度地提高風(fēng)電和光伏消納利用水平。因此，“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置就是在既定火電裝機(jī)容量基礎(chǔ)上，根據(jù)送端地區(qū)資源稟賦條件和受端地區(qū)負(fù)荷需求，基于優(yōu)化配置模型，在規(guī)劃層面優(yōu)化確定風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量和輸電容量，在運(yùn)行層面優(yōu)化確定四季典型日火電運(yùn)行方式、出力曲線以及外送曲線。

“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置模型整體框架如圖1 所示。其中，模型輸入包括四季典型日送端地區(qū)風(fēng)電、光伏出力曲線，受端地區(qū)負(fù)荷曲線，以及不同類型電源成本、輸電成本等。模型優(yōu)化變量包括規(guī)劃層面風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量以及輸電容量，運(yùn)行層面四季典型日火電開機(jī)狀態(tài)、出力曲線以及外送曲線?；谇蠼馑惴?，求解輸出模型優(yōu)化變量，形成“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置方案。

圖1 “風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置模型整體框架圖Fig.1 Overall framework of optimal allocation model for multi-energy complementary project of wind-solar-thermal integration

2.2 目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化目標(biāo)包括總成本最小，以及外送曲線、受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度最大2 個(gè)目標(biāo)，其為多目標(biāo)優(yōu)化問題。不同“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目邊界條件不同，2 個(gè)目標(biāo)權(quán)重需根據(jù)目標(biāo)優(yōu)先級(jí)、量綱和數(shù)量級(jí)綜合平衡確定：

式中：F為目標(biāo)函數(shù)；C為總成本；α為總成本權(quán)重；D為外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度；β為外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度權(quán)重。

2.2.2 總成本

總成本包括火電成本、風(fēng)電成本、光伏成本和輸電成本。其中，風(fēng)電成本、光伏成本和輸電成本主要為固定成本，其變動(dòng)成本占比小，可忽略不計(jì)。為更利于構(gòu)建和求解優(yōu)化配置模型，將投資成本、運(yùn)維成本等全壽命周期成本折算為年度單位容量成本[27]?；痣姵杀景娔艹杀竞烷_機(jī)成本?？偝杀究杀硎救缦拢?/p>

式中：CC，i為火電i成本；CW為風(fēng)電成本；CP為光伏成本；CT為輸電成本；Nt為時(shí)段t相應(yīng)天數(shù)；UC，i，t為時(shí)段t火電i開機(jī)狀態(tài)，取值1表示開機(jī)，取值0 表示停機(jī)；CE，i，t為時(shí)段t火電i電能成本；CS，i為火電i開機(jī)成本；LC，i，t為時(shí)段t火電i出力；ai、bi、ci為火電i電能成本二次項(xiàng)、一次項(xiàng)、常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；AW為風(fēng)電年度單位容量成本；GW為風(fēng)電裝機(jī)容量；AP為光伏年度單位容量成本；GP為光伏裝機(jī)容量；AT為輸電年度單位容量成本；GT為輸電容量。

2.2.3 曲線匹配程度

“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目的主要定位為大規(guī)模新能源大范圍、高效配置和利用，在此基礎(chǔ)上，兼顧外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度，外送曲線對(duì)受端地區(qū)電網(wǎng)更加友好，盡可能不增加額外調(diào)峰壓力。曲線匹配程度以歐式距離D表示，歐氏距離越小，曲線匹配程度越好。

式中：LS，t為時(shí)段t外送出力；LR，t為時(shí)段t受端地區(qū)負(fù)荷。

2.3 約束條件

2.3.1 火電技術(shù)出力約束

火電出力應(yīng)在最大、最小技術(shù)出力之間，即

2.3.4 新能源電量約束

為提高新能源消納利用水平和消費(fèi)比重，外送電量中新能源電量應(yīng)高于一定比例，即

式中η為輸電容量裕度。

2.4 求解算法

優(yōu)化配置模型優(yōu)化變量包含連續(xù)型變量和0-1整數(shù)型變量(火電開機(jī)狀態(tài))，目標(biāo)函數(shù)和約束條件包含歐氏距離、二次函數(shù)、最大值、最小值等非線性函數(shù)，因此優(yōu)化配置模型為非線性混合整數(shù)優(yōu)化模型?；诜种Фń绶?branch and bound，BB)、廣義Benders 分解法、擴(kuò)展割平面法等算法，對(duì)可行解空間進(jìn)行迭代搜索，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置模型求解[28]。

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)

送端地區(qū)A大型能源基地包含8臺(tái)600 MW存量火電，通過火電靈活性改造，以及新能源和輸電通道配套，建設(shè)“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目，向受端地區(qū)B 送電。根據(jù)送端地區(qū)A 歷史風(fēng)速、光照強(qiáng)度和溫度等數(shù)據(jù)，四季典型日風(fēng)電和光伏出力曲線如圖2所示。

圖2 送端地區(qū)A四季典型日風(fēng)電和光伏出力曲線Fig.2 Typical daily wind power and photovoltaic output curves of four seasons in sending end area A

參照目前國內(nèi)電力行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)和電力市場運(yùn)行參數(shù)等，火電電能成本和開機(jī)成本(冷態(tài)啟動(dòng))如表1 所示?；痣娚舷抡{(diào)節(jié)速率為每分鐘裝機(jī)容量的1.5%，火電最短開機(jī)時(shí)間和最短停機(jī)時(shí)間均為48 h。風(fēng)電和光伏年度單位容量成本分別為0.5、0.3元/W，輸電年度單位容量成本為0.4元/W，新能源電量比例下限為50%。正、負(fù)備用容量均為200 MW，輸電容量裕度為15%?；谏鲜龌A(chǔ)參數(shù)，綜合平衡目標(biāo)優(yōu)先級(jí)、量綱和數(shù)量級(jí)后，確定目標(biāo)權(quán)重為α=1，β=10。

表1 火電電能成本和開機(jī)成本Tab.1 Thermal power cost and start-up cost

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化配置模型計(jì)算結(jié)果，在6臺(tái)600 MW存量火電基礎(chǔ)上，“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目需配套建設(shè)風(fēng)電7 889 MW、光伏2 096 MW、輸電通道7 894 MW。不同類型電源裝機(jī)容量、年發(fā)電量和利用時(shí)間如表2所示。

表2 不同類型電源裝機(jī)容量、年發(fā)電量和利用時(shí)間Tab.2 Install capacity,annual power and utilization time of different generations

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，基于優(yōu)化配置模型，火電、風(fēng)電和光伏出力在月、日等時(shí)間尺度能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)互濟(jì)和多能互補(bǔ)。

1）月多能互補(bǔ)。根據(jù)送端地區(qū)A風(fēng)電、光伏電量以及受端地區(qū)B 負(fù)荷，火電調(diào)整不同月份開機(jī)狀態(tài)和運(yùn)行方式，如表3 所示。其中，春季送端地區(qū)A風(fēng)電和光伏出力高，受端地區(qū)B負(fù)荷低，火電減少開機(jī)、降低出力，為風(fēng)電和光伏“讓路”，保障風(fēng)電、光伏全額消納和高效利用；夏季送端地區(qū)A 風(fēng)電和光伏出力低，受端地區(qū)B 負(fù)荷高，火電增加開機(jī)、提高出力，保障電力安全穩(wěn)定供應(yīng)。

表3 不同季節(jié)外送電量及其占比和火電運(yùn)行方式Tab.3 Sending power and its proportion and operation mode of thermal power

2）日多能互補(bǔ)。兼顧風(fēng)電、光伏消納以及受端地區(qū)B 電網(wǎng)調(diào)峰，火電跟蹤受端地區(qū)B 負(fù)荷曲線，以及送端地區(qū)A 風(fēng)電、光伏出力曲線之間不平衡部分，如圖3 所示。其中：冬季夜間至中午送端地區(qū)A 風(fēng)電和光伏出力高，火電降低出力，實(shí)現(xiàn)全額消納和高效利用；下午至晚上送端地區(qū)A 風(fēng)電和光伏出力低，火電增加出力，滿足受端地區(qū)B用電需求。

圖3 四季典型日“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目出力曲線Fig.3 Output curves of multi-energy complementary project of wind-solar-thermal integration on typical days of four seasons

優(yōu)化配置模型目標(biāo)函數(shù)中已考慮外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度最大化，春、夏、秋、冬季典型日送端地區(qū)A 外送曲線和受端地區(qū)B 負(fù)荷曲線之間相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.86、0.99 和0.92，具有高相關(guān)性，如圖4所示?？梢姡投说貐^(qū)A 外送曲線對(duì)受端地區(qū)B 電網(wǎng)更加友好，盡可能不增加額外調(diào)峰壓力，能夠進(jìn)一步提高運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)互動(dòng)和電力資源優(yōu)化配置。

圖4 四季典型日送端地區(qū)A外送曲線和受端地區(qū)B負(fù)荷曲線Fig.4 Sending curves in sending area A and load curves in receiving area B on typical days of four seasons

若未以“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目的形式建設(shè)和運(yùn)行，即7 889 MW 風(fēng)電、2 096 MW 光伏分別獨(dú)立建設(shè)和運(yùn)行，火電以歷史典型出力曲線獨(dú)立運(yùn)行，在保證新能源全額消納的前提下，對(duì)比分析2 種場景下配套建設(shè)輸電通道容量、總成本和曲線匹配程度，結(jié)果如表4所示。

表4 2種場景對(duì)比分析Tab.4 Comparative analysis of two scenarios

通過對(duì)比分析可知，相比于“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目，風(fēng)電、光伏、火電獨(dú)立運(yùn)行，需配套建設(shè)輸電通道8 540 MW，輸電通道年利用時(shí)間減少440 h，外送單價(jià)提高20.5 元/(MW·h)，且外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度降低，受端地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰壓力進(jìn)一步增大。

4 結(jié)論

“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目是安全高效利用新能源及實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)施路徑之一。在分析不同類型電源出力特性和多能互補(bǔ)特性基礎(chǔ)上，構(gòu)建了“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目優(yōu)化配置模型，并進(jìn)行了案例分析，得到以下結(jié)論：

1）基于優(yōu)化配置模型，在規(guī)劃層面能夠優(yōu)化風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量和輸電容量，在運(yùn)行層面能夠優(yōu)化火電運(yùn)行方式和出力曲線，充分利用火電的調(diào)節(jié)能力，使火電和風(fēng)電、光伏在月、日等時(shí)間尺度上協(xié)調(diào)互濟(jì)，保障新能源全額消納和高效利用，更好實(shí)現(xiàn)橫向多能互補(bǔ)。

2）在總成本基礎(chǔ)上，優(yōu)化配置模型的目標(biāo)函數(shù)考慮了“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目外送曲線和受端地區(qū)負(fù)荷曲線匹配程度，利用火電的調(diào)節(jié)能力，使外送曲線對(duì)受端地區(qū)電網(wǎng)更加友好，盡可能不增加額外調(diào)峰壓力，進(jìn)一步提高綜合利用效率，更好實(shí)現(xiàn)縱向源荷協(xié)調(diào)。

“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目中，風(fēng)電和光伏承擔(dān)發(fā)電職責(zé)，但是不承擔(dān)調(diào)節(jié)職責(zé)；火電不僅承擔(dān)發(fā)電職責(zé)，而且承擔(dān)調(diào)節(jié)職責(zé)。因此，在多能互補(bǔ)優(yōu)化配置基礎(chǔ)上，下一步需研究“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目內(nèi)部責(zé)任分?jǐn)偤屠娣峙錂C(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同類型電源互利共贏和“風(fēng)光火一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展。