路曉敏 ，陳 磊 ，徐 飛 ，李則衡 ，王小海 ，侯佑華 ，齊 軍 ，郭 琦

（1.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；3.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

近年來(lái)，由于清潔供電和供暖的需求，我國(guó)北方地區(qū)風(fēng)電等可再生能源和熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展迅速，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)很大變化。由于可再生能源自身很強(qiáng)的隨機(jī)波動(dòng)性，其代替常規(guī)火電降低化石能源消耗的同時(shí)，還需要大量的常規(guī)電源在靈活性上進(jìn)行支持調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電和負(fù)荷之間的平衡［1-5］。但是，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電出力受其熱出力約束，限制了其功率調(diào)節(jié)能力，擠壓了系統(tǒng)中的靈活調(diào)節(jié)資源，不利于可再生能源消納［6-7］。因此，系統(tǒng)各類電源之間是相互制約、相互關(guān)聯(lián)的，存在容量配比的優(yōu)化問(wèn)題。電、熱系統(tǒng)之間也是相互關(guān)聯(lián)的［8］，電力、熱力系統(tǒng)之間通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)、熱泵、電制熱等發(fā)生耦合，從而使得2個(gè)系統(tǒng)在時(shí)間和空間上是互補(bǔ)的，它們的運(yùn)行相互影響，將電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)中形成電熱綜合能源系統(tǒng)。在電熱綜合能源系統(tǒng)框架下，可以通過(guò)優(yōu)化常規(guī)電源、可再生能源、熱電聯(lián)產(chǎn)和其他熱源容量的配比關(guān)系，在滿足供電供熱約束的條件下使得供電供熱的總化石能源消耗最少，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效益最大化。

電源規(guī)劃在電力系統(tǒng)發(fā)展中具有重要的地位。傳統(tǒng)的電源規(guī)劃模型通常都以總費(fèi)用值最小為目標(biāo)函數(shù)，總費(fèi)用包括與發(fā)電廠裝機(jī)容量相關(guān)的投資費(fèi)用和與實(shí)際出力相關(guān)的運(yùn)行費(fèi)用，計(jì)及的約束條件有電力電量平衡、最小開機(jī)容量等，采用生產(chǎn)模擬方法計(jì)算目標(biāo)值［9］。文獻(xiàn)［10-13］介紹了考慮目標(biāo)成本最小的電源規(guī)劃建模和求解方法。文獻(xiàn)［14-16］考慮了不確定性因素對(duì)電源規(guī)劃的影響，在目標(biāo)函數(shù)中計(jì)及了負(fù)荷預(yù)測(cè)不確定性、電價(jià)等的影響。文獻(xiàn)［17-18］在規(guī)劃中考慮環(huán)保效益，分析了各類機(jī)組排放物對(duì)環(huán)境的危害并建立了總費(fèi)用現(xiàn)值最小、CO2排放量最小的多目標(biāo)電源優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［19］提出在市場(chǎng)環(huán)境下追求各發(fā)電公司利潤(rùn)最大化的電源規(guī)劃模型。電源規(guī)劃問(wèn)題是高維非凸的非線性優(yōu)化問(wèn)題，求解比較復(fù)雜。在求解算法上有啟發(fā)式算法、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法及人工智能方法。但是現(xiàn)有方法更多從總費(fèi)用值和利潤(rùn)出發(fā)，以效益成本為中心，很少將可再生能源對(duì)電網(wǎng)的影響考慮在內(nèi)，對(duì)高比例可再生能源接入的系統(tǒng)中各類電源的相互關(guān)聯(lián)機(jī)理分析不夠清晰，而且傳統(tǒng)電源規(guī)劃主要局限在電力系統(tǒng)范疇，未能從供電、供熱2個(gè)系統(tǒng)的整體角度進(jìn)行考慮。本文借助電源優(yōu)化模型，以化石能源消耗最小為目標(biāo)，考慮了常規(guī)電源和可再生電源各自的出力特性，計(jì)算了各種約束條件下各類電源的最優(yōu)容量配比，對(duì)高比例可再生能源接入的系統(tǒng)中常規(guī)電源與可再生能源之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，更好地規(guī)劃和指導(dǎo)電源的發(fā)展和配比。

本文將首先在電熱綜合能源系統(tǒng)框架下分析常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)及可再生能源在煤耗、靈活性上的性能，以及熱電聯(lián)產(chǎn)及燃煤鍋爐在供熱煤耗上的性能，進(jìn)而分析不同類型電源設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)制約關(guān)系；以供電供熱總化石能源消耗最少為目標(biāo)，建立電熱綜合能源系統(tǒng)的電源容量配比優(yōu)化模型，為可再生能源和常規(guī)電源的協(xié)調(diào)有序發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 電熱綜合能源系統(tǒng)中機(jī)組的性能與相互關(guān)聯(lián)關(guān)系

從我國(guó)北方電網(wǎng)實(shí)際情況出發(fā)，常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)和風(fēng)電是主要電源類型，熱電聯(lián)產(chǎn)和燃煤鍋爐是主要熱源類型。3類電源在靈活性和環(huán)保性方面的表現(xiàn)不同。機(jī)組的靈活性和環(huán)保性是重要性能，直接影響了機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)組的靈活性是指當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生快速大幅功率波動(dòng)時(shí)機(jī)組通過(guò)功率調(diào)節(jié)以維持系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行的能力［20-22］。靈活性越高的機(jī)組越有利于跟隨可再生能源波動(dòng)。環(huán)保性主要反映機(jī)組的化石能源消耗量以及排放物的污染程度。煤耗率是反映機(jī)組環(huán)保性能的重要指標(biāo)，指供電或供熱設(shè)備提供單位電量和熱量所需的煤耗量。常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)和風(fēng)電在靈活性和環(huán)保性上各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，在互相競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)相互牽制、相互扶持。目前，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)和熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)的規(guī)劃缺乏考慮與系統(tǒng)其他機(jī)組之間的關(guān)聯(lián)。本文從我國(guó)北方電網(wǎng)實(shí)際情況出發(fā)，梳理各類電源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在電熱綜合能源系統(tǒng)框架下建立電源容量配比的優(yōu)化模型，通過(guò)優(yōu)化結(jié)果評(píng)估現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)的合理性，并為各類電源的規(guī)劃提供指導(dǎo)。

2 電源容量配比的數(shù)學(xué)模型

本文提出的電源容量配比模型為考慮一定的電熱負(fù)荷下，分析供電、供熱系統(tǒng)總體效益最優(yōu)的機(jī)組配比關(guān)系的模型，如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體效益是關(guān)鍵。本文以煤耗量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，煤耗量一方面可以反映各類發(fā)電供熱設(shè)備的運(yùn)行成本，與經(jīng)濟(jì)性相關(guān)聯(lián)；另一方面直接對(duì)應(yīng)著污染氣體的排放量，與環(huán)保效益相關(guān)聯(lián)，可以作為研究電源容量配比時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)效益的指標(biāo)。因此本文從環(huán)境效益出發(fā)，以供電、供熱總化石能源消耗最小為目標(biāo)進(jìn)行分析，分析電熱綜合能源系統(tǒng)中不同類型電源的容量配比關(guān)聯(lián)關(guān)系。

常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)和風(fēng)電是我國(guó)北方電網(wǎng)的主要電源類型。由于氣電、水電和抽水蓄能的發(fā)展受資源限制很大，光伏的數(shù)量和發(fā)展速度相比風(fēng)電而言較小，因此在本文中只考慮了它們現(xiàn)有的運(yùn)行容量，而未在優(yōu)化模型中作為決策變量進(jìn)行考慮。本文模型的決策變量如下：常規(guī)火電裝機(jī)容量Shuo、供熱機(jī)組裝機(jī)容量Sre、風(fēng)電裝機(jī)容量Swind、常規(guī)火電每日開機(jī)容量Chuo、熱電聯(lián)產(chǎn)每日開機(jī)容量（供熱季）Cre、各時(shí)段常規(guī)火電出力Phuo、各時(shí)段供熱機(jī)組出力（供熱季）Pre、各時(shí)段風(fēng)電出力Pwind、熱電聯(lián)產(chǎn)供熱比例（供熱季）Kre。其中直接待求的變量為常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)及風(fēng)電的裝機(jī)容量，起輔助作用的決策變量為各類機(jī)組的開機(jī)容量及出力值、熱電聯(lián)產(chǎn)在供熱季的供熱比例等。需要說(shuō)明的是，由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在非供熱季只承擔(dān)電負(fù)荷，沒(méi)有熱負(fù)荷約束，其電性能與常規(guī)火電相同，因此本文模型的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組只在供熱季進(jìn)行供熱并滿足對(duì)應(yīng)的供熱約束，在非供熱季熱電聯(lián)產(chǎn)性能與常規(guī)火電相同，視為常規(guī)火電。因此本文在運(yùn)行模擬時(shí)將供熱季和非供熱季分開進(jìn)行。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

模型的目標(biāo)函數(shù)為：在滿足系統(tǒng)電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求的前提下，系統(tǒng)在運(yùn)行期間的總煤耗量最小。系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)可表述為：

其中，H∑為系統(tǒng)的供電供熱總煤耗，由所有供電供熱設(shè)備的電煤耗和熱煤耗組成；P為電源電出力；Q為設(shè)備供熱量。系統(tǒng)總煤耗由供電煤耗和供熱煤耗組成，系統(tǒng)中的供電機(jī)組有常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)和風(fēng)電，其消耗的電化石能源用發(fā)電量和煤耗率的乘積表示，其中風(fēng)電的煤耗率為0。供熱的化石能源消耗量由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱耗煤量和燃煤鍋爐的耗煤量組成。系統(tǒng)總煤耗可以表述為：

其中，γhuo、γre分別為常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)電出力煤耗率；λre、λmei分別為熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤鍋爐熱出力煤耗率；Phuo，t、Pre，t分別為 t時(shí)刻常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)出力；Qre、Qmei分別為熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤鍋爐的供熱量。

2.2 約束條件［23-26］

需要滿足的約束條件有電力／熱力需求約束、機(jī)組利用率約束、運(yùn)行約束和裝機(jī)約束。

2.2.1 電力／熱力需求約束

系統(tǒng)的電力／熱力需求約束包括功率平衡約束、熱負(fù)荷約束和系統(tǒng)備用約束。

a.功率平衡約束。

任意時(shí)刻各類電源的出力總和應(yīng)與電負(fù)荷需求相等。

其中，Phuo，t、Pre，t、Pwind，t、Pload分別為 t時(shí)刻常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)電的功率及電負(fù)荷的功率。

b.熱負(fù)荷約束。

在供熱季，系統(tǒng)中有2種供熱方式：熱電聯(lián)產(chǎn)供熱和燃煤鍋爐供熱，系統(tǒng)熱負(fù)荷約束為供熱量與供熱需求相等。

其中，Qr為系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求。

c.系統(tǒng)備用約束。

系統(tǒng)開機(jī)的電源在滿足負(fù)荷需求之余需要留有一定的備用，同時(shí)機(jī)組檢修等因素使得機(jī)組可用率小于1，裝置容量和開機(jī)容量之間要考慮一定可用率。

其中，μw，c為風(fēng)電置信系數(shù)；μres為備用系數(shù)；η 為機(jī)組裝機(jī)的可用率，本文中取80%。

2.2.2 機(jī)組利用率約束

機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)可以用來(lái)衡量機(jī)組利用率，反映了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。如果利用小時(shí)數(shù)過(guò)低，電源建設(shè)無(wú)法收回成本，這種情況也是不合適的。式（7）表示各類機(jī)組都需要滿足最低利用率要求。

其中，Tx為機(jī)組的最低利用小時(shí)數(shù)要求。常規(guī)火電和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組均為煤電機(jī)組，其利用率要求往往是一致的，即有 Thuo＝Tre。

2.2.3 運(yùn)行約束

a.常規(guī)機(jī)組爬坡約束。

其中分別為常規(guī)火電和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的上、下調(diào)節(jié)速率。水電機(jī)組調(diào)節(jié)速率是最快的，可以達(dá)到每分鐘50%～100%；燃?xì)鈾C(jī)組也比較快，可以達(dá)到每分鐘20%；聯(lián)合循環(huán)和汽輪機(jī)的熱效率高，但爬坡率較低，一般只有每分鐘2%～5%［7］。

b.常規(guī)機(jī)組出力約束。

其中，Lhuo、Uhuo和 Lre、Ure分別為常規(guī)火電和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力的最小、最大限制百分比。

c.風(fēng)電出力約束。

風(fēng)電具有隨機(jī)波動(dòng)的出力特性，其出力約束與常規(guī)機(jī)組不同，可用典型出力曲線來(lái)約束。風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模改變后的出力曲線難以預(yù)測(cè)，可以依據(jù)歷史典型出力進(jìn)行調(diào)整。歷史典型風(fēng)電出力曲線是根據(jù)典型風(fēng)場(chǎng)景篩選并經(jīng)過(guò)修正后的曲線，它與風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模及風(fēng)場(chǎng)景有關(guān)，能夠反映當(dāng)?shù)仫L(fēng)水平。在容量配比優(yōu)化分析中，可假設(shè)風(fēng)電裝機(jī)發(fā)生改變后的風(fēng)電出力是歷史風(fēng)電出力的比例伸縮，如式（10）所示。

其中為典型風(fēng)電出力為當(dāng)前風(fēng)電裝機(jī)容量為當(dāng)前風(fēng)電裝機(jī)水平下的典型風(fēng)電出力。

風(fēng)電的出力約束為每一時(shí)刻的風(fēng)電出力不能大于該時(shí)刻的最大典型出力值。

2.2.4 裝機(jī)約束

常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)和風(fēng)電的裝機(jī)容量是本模型的待決策變量。若是在已有裝機(jī)水平上對(duì)電網(wǎng)機(jī)組進(jìn)行配比優(yōu)化，則機(jī)組裝機(jī)量不能低于其當(dāng)前裝機(jī)水平，如式（12）所示。若不考慮當(dāng)前裝機(jī)現(xiàn)狀，則該約束條件可以舍棄。

其中為待決策電源的當(dāng)前裝機(jī)容量。

2.3 求解方法

為了減少計(jì)算量，本文在求解時(shí)采用典型日運(yùn)行模擬的方法，即從全年數(shù)據(jù)中選擇典型日進(jìn)行電力電量計(jì)算。典型日的選取需要考慮到負(fù)荷和風(fēng)資源的季節(jié)性和周期性。本文的選取方法為［27］：逐月選取與該月工作日（非工作日）平均負(fù)荷最為接近的曲線為典型工作日（非工作日）負(fù)荷場(chǎng)景。以典型負(fù)荷曲線為基礎(chǔ)，分別篩選出風(fēng)場(chǎng)景中正調(diào)峰特性和反調(diào)峰特性最強(qiáng)的曲線并加以修正作為典型風(fēng)場(chǎng)景。通過(guò)選擇多個(gè)典型風(fēng)場(chǎng)景，考慮了風(fēng)電的不確定性和隨時(shí)間的波動(dòng)性。利用典型風(fēng)場(chǎng)景進(jìn)行配比規(guī)劃研究雖然在計(jì)算精度上具有一定的誤差，但是該誤差不會(huì)影響到電源容量配比結(jié)果，并且大幅降低了計(jì)算量。此外，考慮到蒙西電網(wǎng)供熱季和非供熱季的期間運(yùn)行特性差異較大，構(gòu)造的典型場(chǎng)景中考慮到了供熱季和非供熱季的區(qū)別，并在運(yùn)行約束中有所體現(xiàn)。

本文對(duì)常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)和風(fēng)電分別按照其特性進(jìn)行建模，將系統(tǒng)的電和熱聯(lián)合在一起構(gòu)建配比優(yōu)化模型。該模型通過(guò)CPLEX優(yōu)化包求解，簡(jiǎn)單易行，得到的結(jié)果可用于分析實(shí)際系統(tǒng)電源配比的合理性，能夠反映各類機(jī)組的關(guān)聯(lián)關(guān)系。需要注意的是，本文的電源配比規(guī)劃模型建立在電網(wǎng)配套建設(shè)足夠強(qiáng)的假設(shè)下，將同類電源看作整體進(jìn)行計(jì)算，未考慮電源的空間分布特性，減少了一定的計(jì)算量。考慮電源空間分布特性的分析仍有待后續(xù)展開。

3 蒙西電網(wǎng)機(jī)組容量配比的分析和優(yōu)化

以蒙西電網(wǎng)為例，對(duì)蒙西電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。本文選取了2015年蒙西電網(wǎng)48個(gè)典型日負(fù)荷來(lái)代表全年負(fù)荷數(shù)據(jù)，取每小時(shí)為一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，典型日負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 蒙西電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線Fig.1 Typical daily load curve of West Inner Mongolia Power Grid

系統(tǒng)參數(shù)及邊界條件見表1，表中調(diào)節(jié)范圍為標(biāo)幺值。各類機(jī)組的參數(shù)和煤耗率為蒙西電網(wǎng)機(jī)組的實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，蒙西電網(wǎng)對(duì)各類機(jī)組的利用率要求為煤電3000 h、風(fēng)電2000 h。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters

下面對(duì)3個(gè)算例進(jìn)行分析：算例1，固定各類機(jī)組的當(dāng)前容量，考察當(dāng)前裝機(jī)水平下系統(tǒng)的煤耗量及各類機(jī)組利用率的情況；算例2，從當(dāng)前裝機(jī)水平出發(fā)，進(jìn)行機(jī)組容量?jī)?yōu)化，考察各類機(jī)組的未來(lái)裝機(jī)空間；算例3，不考慮當(dāng)前裝機(jī)的實(shí)際水平，計(jì)算目前負(fù)荷水平下的最優(yōu)裝機(jī)，考察蒙西電網(wǎng)當(dāng)前裝機(jī)比例的合理性和優(yōu)化空間。算例的結(jié)果和分析如下。

算例 1：將裝機(jī)約束式（12）改寫為固定機(jī)組容量如表2所示，并不考慮機(jī)組利用率約束式（7）。

表2 3個(gè)算例的結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of results among three cases

計(jì)算結(jié)果顯示，最優(yōu)運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)煤耗量為7.5141×107t，常規(guī)火電的利用率為3722 h，熱電聯(lián)產(chǎn)的利用率為4422 h，風(fēng)電的利用率為1817 h。若強(qiáng)行提高對(duì)風(fēng)電的利用率需求，則會(huì)導(dǎo)致模型無(wú)解，即蒙西電網(wǎng)現(xiàn)有的裝機(jī)配比和容量下風(fēng)電的利用小時(shí)數(shù)最高為1817 h，無(wú)法達(dá)到2000 h的要求。

算例2：從當(dāng)前裝機(jī)水平出發(fā)，并考慮各機(jī)組利用率約束進(jìn)行機(jī)組容量?jī)?yōu)化，即考慮式（7）和（12）。

計(jì)算結(jié)果顯示，系統(tǒng)最小煤耗量為7.5751×107t，各類機(jī)組裝機(jī)如表2所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前裝機(jī)的基礎(chǔ)上，風(fēng)電和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的裝機(jī)空間已經(jīng)飽和，常規(guī)火電還有4758 MW的上升空間，各類機(jī)組的實(shí)際利用率為常規(guī)火電3342 h、熱電聯(lián)產(chǎn)3511h、風(fēng)電2000 h。與算例1中各類機(jī)組的利用率相比，煤電機(jī)組的利用率下降，風(fēng)電利用率在限值上?？梢姙榱藵M足風(fēng)電的利用率要求，一方面需要增大常規(guī)火電裝機(jī)，另一方面降低煤電機(jī)組的利用率以提供靈活調(diào)節(jié)能力進(jìn)行風(fēng)電消納，此時(shí)的系統(tǒng)煤耗量比當(dāng)前要大。

算例3：不考慮當(dāng)前裝機(jī)實(shí)際水平的情況下進(jìn)行優(yōu)化，即改寫式（12）為 Shuo≥0，Sre≥0，Swind≥0。

計(jì)算結(jié)果顯示，目標(biāo)最優(yōu)時(shí)的系統(tǒng)煤耗量為7.5322×107t，最優(yōu)機(jī)組容量如表2所示。對(duì)比當(dāng)前與最優(yōu)裝機(jī)可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)火電和熱電聯(lián)產(chǎn)分別有933 MW和2857 MW的上升空間，風(fēng)電裝機(jī)則需要減少1409 MW，常規(guī)火電實(shí)際利用率為3457 h，熱電聯(lián)產(chǎn)為3760 h，風(fēng)電為2000 h。優(yōu)化結(jié)果顯示，系統(tǒng)通過(guò)增加煤電裝機(jī)降低風(fēng)電裝機(jī)來(lái)滿足風(fēng)電的利用率要求，煤耗與算例1相比略有上升，說(shuō)明當(dāng)前蒙西電網(wǎng)中高風(fēng)電裝機(jī)和高風(fēng)電利用率要求不利于系統(tǒng)的目標(biāo)最優(yōu)。

通過(guò)分析3個(gè)算例的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蒙西電網(wǎng)中當(dāng)前的風(fēng)電裝機(jī)比例較高，熱電聯(lián)產(chǎn)比例相對(duì)較大，系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足；為達(dá)到風(fēng)電高利用率的要求，一方面可以增加煤電裝機(jī)以增大消納風(fēng)電的能力，但是會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)煤耗的增加，另一方面可以降低對(duì)風(fēng)電的利用率需求，必要的棄風(fēng)也是提高系統(tǒng)靈活性充裕度的手段；在蒙西電網(wǎng)的當(dāng)前負(fù)荷水平和風(fēng)電利用率需求下，最優(yōu)方案為常規(guī)火電增裝933MW，熱電聯(lián)產(chǎn)增裝2857 MW，風(fēng)電減少1409 MW。該方案煤耗低、投資少、更經(jīng)濟(jì)方便；風(fēng)電是清潔能源，能夠降低系統(tǒng)的煤耗，但是風(fēng)電的高利用率要求反而增加了系統(tǒng)煤耗和建設(shè)投資，可見，從社會(huì)效益最大化出發(fā)，合理的風(fēng)電建設(shè)和適當(dāng)?shù)臈夛L(fēng)是必要的。

4 不同類型電源容量配比和關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

本節(jié)在配比模型和第3節(jié)基礎(chǔ)算例的基礎(chǔ)上，探究蒙西電網(wǎng)常規(guī)電源和風(fēng)電的關(guān)聯(lián)關(guān)系及改變熱電機(jī)組供熱比例對(duì)其他機(jī)組利用率和系統(tǒng)煤耗的影響。

4.1 風(fēng)電消納與常規(guī)機(jī)組之間的關(guān)系

風(fēng)電消納需要系統(tǒng)中的煤電機(jī)組提供靈活性功率，煤電機(jī)組的裝機(jī)水平和利用率需求都會(huì)影響其發(fā)揮靈活性的能力。以下通過(guò)計(jì)算分析風(fēng)電消納與煤電機(jī)組利用率和裝機(jī)水平的關(guān)系。

在當(dāng)前裝機(jī)水平下，改變煤電機(jī)組（常規(guī)火電和熱電）的利用率要求，觀察風(fēng)電利用率和系統(tǒng)總體煤耗的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同煤電利用率要求下的風(fēng)電利用率和系統(tǒng)煤耗量Fig.2 Curves of wind power utilization and system coal consumption vs.coal power utilization required

由圖2可見，在當(dāng)前裝機(jī)水平下，提高對(duì)煤電機(jī)組的利用率會(huì)減小系統(tǒng)中的可調(diào)功率空間，降低靈活性和消納風(fēng)電的能力，從而導(dǎo)致風(fēng)電的利用率直線下降，并伴隨著系統(tǒng)的總體煤耗不斷上升。

固定風(fēng)電裝機(jī)為當(dāng)前水平，觀察風(fēng)電利用率要求發(fā)生變化時(shí)煤電機(jī)組的裝機(jī)和系統(tǒng)總煤耗的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)電利用率要求下的機(jī)組裝機(jī)和系統(tǒng)煤耗量Fig.3 Curves of energy capacities and system coal consumption vs.wind power utilization required

由圖3可見，隨著風(fēng)電利用率要求的提高，系統(tǒng)煤電的總裝機(jī)不發(fā)生變化，但是常規(guī)火電的裝機(jī)上升，熱電聯(lián)產(chǎn)的裝機(jī)下降，靈活性好的機(jī)組代替靈活性差的機(jī)組，并伴隨著系統(tǒng)的總煤耗不斷上升。

4.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)其他機(jī)組利用率及系統(tǒng)煤耗的影響

基于算例3，當(dāng)其他條件和參數(shù)不變時(shí)，改變熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱比例，即改變熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)，優(yōu)化其他機(jī)組的容量，觀察常規(guī)火電裝機(jī)、風(fēng)電裝機(jī)和系統(tǒng)煤耗的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)下的機(jī)組裝機(jī)和系統(tǒng)煤耗量Fig.4 Curves of energy capacities and system coal consumption vs.CHP capacity required

由圖4可見，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量增加，常規(guī)火電和風(fēng)電裝機(jī)先下降再平穩(wěn)再下降，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)煤耗為先下降再平穩(wěn)再上升。常規(guī)火電和風(fēng)電裝機(jī)下降的原因一方面是熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)增多擠壓了常規(guī)火電和風(fēng)電的空間，另一方面是常規(guī)火電裝機(jī)下降，系統(tǒng)靈活性降低，不利于消納風(fēng)電，進(jìn)一步導(dǎo)致風(fēng)電裝機(jī)下降。煤耗先下降的原因是熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本低于燃煤鍋爐，熱煤耗降低；再上升的原因是熱電聯(lián)產(chǎn)限制風(fēng)電消納，電煤耗增加。

5 結(jié)論

本文在電熱綜合能源系統(tǒng)的層面，分析了高比例可再生能源接入系統(tǒng)中各類電源在靈活性和環(huán)保性上的性能，并建立了以供電供熱總化石能源消耗最少為目標(biāo)的各類機(jī)組容量配比的優(yōu)化模型，分析了高比例可再生能源接入下各類電源的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系?？稍偕茉措m然能降低系統(tǒng)煤耗，但在缺乏大規(guī)模儲(chǔ)能的情況下需要常規(guī)機(jī)組提供靈活性支持，存在容量配比優(yōu)化問(wèn)題；熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電供熱綜合煤耗低，但降低了系統(tǒng)靈活性，影響可再生能源消納，比例過(guò)高時(shí)反而會(huì)增加系統(tǒng)煤耗，存在最優(yōu)容量。

基于蒙西電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了其各類機(jī)組當(dāng)前裝機(jī)的合理性及優(yōu)化調(diào)整空間，分析結(jié)果表明：

a.風(fēng)電裝機(jī)容量偏大會(huì)造成風(fēng)電消納困難、利用小時(shí)數(shù)偏低，為了達(dá)到風(fēng)電消納要求，可以通過(guò)增加常規(guī)火電以提高系統(tǒng)的靈活性；

b.常規(guī)機(jī)組的靈活性能與機(jī)組類型、機(jī)組的利用率要求密切相關(guān)，常規(guī)機(jī)組利用率要求升高，其提供的靈活性下降，消納風(fēng)電能力下降；

c.熱電聯(lián)產(chǎn)替代燃煤鍋爐供熱有利于降低熱煤耗，但同時(shí)替代了常規(guī)火電的發(fā)電空間，降低了系統(tǒng)的靈活性，不利于消納可再生能源，存在最優(yōu)容量。

本文基于蒙西電網(wǎng)分析得到的機(jī)組關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)我國(guó)其他類似電網(wǎng)有借鑒意義，可用于評(píng)價(jià)電源結(jié)構(gòu)的合理性，有利于指導(dǎo)電網(wǎng)更科學(xué)地規(guī)劃可再生能源、常規(guī)火電、熱電聯(lián)產(chǎn)容量，實(shí)現(xiàn)各種電源的協(xié)調(diào)發(fā)展，降低系統(tǒng)的總體煤耗，提高社會(huì)總體效益。后續(xù)工作將考慮電源投資、可再生能源空間分布、網(wǎng)絡(luò)約束等因素，從電熱綜合能源系統(tǒng)的角度研究更加完善的電源容量配比方法。

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