樊國(guó)旗，劉桂龍，樊國(guó)偉，劉昌東，王鶴群，段青熙，朱子民

（1.國(guó)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(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 200031；3.國(guó)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(jì)南 250001）

0 引言

新能源在促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和低碳社會(huì)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用[1-2]，但是由于新能源波動(dòng)性對(duì)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(duì)新能源波動(dòng)[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(shí)現(xiàn)從“源隨荷動(dòng)”到“源荷互動(dòng)”轉(zhuǎn)變，促進(jìn)多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)。文獻(xiàn)[7]在含風(fēng)電系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能，提高機(jī)組組合調(diào)節(jié)能力；文獻(xiàn)[8]結(jié)合機(jī)組特性和報(bào)價(jià)，根據(jù)現(xiàn)貨市場(chǎng)規(guī)則對(duì)機(jī)組組合策略進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[9]考慮風(fēng)電出力置信水平，對(duì)中期機(jī)組組合進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]通過制定不同的電力套餐促進(jìn)負(fù)荷主動(dòng)參與調(diào)用，提高電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[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?gòu)默F(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(jī)方式調(diào)度方法；針對(duì)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(duì)限負(fù)荷成本高問題，通過計(jì)劃調(diào)用柔性負(fù)荷和自備電廠減少系統(tǒng)運(yùn)行成本；進(jìn)而達(dá)到減少機(jī)組開機(jī)臺(tái)數(shù)、促進(jìn)新能源消納的目的。

1 考慮現(xiàn)貨交易下日前開機(jī)方式及調(diào)度研究

電力系統(tǒng)首要目標(biāo)為保障系統(tǒng)安全，因此開機(jī)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(jī)組開機(jī)臺(tái)數(shù)。

1.1 系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

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(jī)方式安排調(diào)度方法，當(dāng)系統(tǒng)火電開機(jī)不變時(shí)，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(jī)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(jī)臺(tái)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(shí)段減少柔性負(fù)荷、增大自備電廠火電機(jī)組出力，避免非計(jì)劃限負(fù)荷，降低系統(tǒng)等效負(fù)荷，減少火電機(jī)組開機(jī)臺(tái)數(shù)；在等效負(fù)荷低谷時(shí)段減少自備電廠機(jī)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

1.2 原開機(jī)方式調(diào)度方法

原開機(jī)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(jī)臺(tái)數(shù)，當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷小于最小技術(shù)出力時(shí)新能源限電。開機(jī)為17 臺(tái)時(shí)的調(diào)度結(jié)果如圖2 所示。

圖2 原開機(jī)方式下調(diào)度結(jié)果

1.3 考慮限負(fù)荷開機(jī)方式調(diào)度方法

考慮限負(fù)荷機(jī)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(jī)臺(tái)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(shí)限負(fù)荷，當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷小于最小技術(shù)出力時(shí)新能源限電。限負(fù)荷后開機(jī)為14 臺(tái)的調(diào)度結(jié)果如圖3 所示。

1.4 考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)方式調(diào)度方法

圖3 限負(fù)荷方式下調(diào)度結(jié)果

考慮現(xiàn)貨交易機(jī)組組合調(diào)度方法，柔性負(fù)荷在等效負(fù)荷高峰時(shí)段主動(dòng)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(jī)臺(tái)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(shí)段主動(dòng)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(shí)，調(diào)度結(jié)果如圖4 所示。

圖4 考慮現(xiàn)貨市場(chǎng)方式下調(diào)度結(jié)果

2 調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

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(shí)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(shí)間。限負(fù)荷針對(duì)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(jì)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(shí)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(shí)間。采用基于激勵(lì)需求非價(jià)格需求響應(yīng)，可進(jìn)行直接控制，避免新能源限電和非計(jì)劃限負(fù)荷。

2.2 約束條件

系統(tǒng)功率平衡約束：

火電機(jī)組出力Pf，i，t約束：

3 算例分析

3.1 地區(qū)情況

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(jī)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(jiǎn)化運(yùn)算，火電機(jī)組容量均為600 MW，火電機(jī)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(shí)間不受限制。

表1 火電機(jī)組參數(shù)

3.2 開機(jī)方式安排方法及調(diào)度成本分析

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(jī)臺(tái)數(shù)如表2 所示，自備電廠開機(jī)和自備負(fù)荷功率有關(guān)，因此自備電廠開機(jī)臺(tái)數(shù)不變。

表2 最大功率和開機(jī)臺(tái)數(shù)

原開機(jī)方式調(diào)度方法根據(jù)最大公用等效負(fù)荷確定開機(jī)臺(tái)數(shù)，最大公用等效負(fù)荷9 796 MW，開機(jī)臺(tái)數(shù)為17 臺(tái)，火電機(jī)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(shí)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(jī)方式調(diào)度方法

限負(fù)荷開機(jī)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(jìn)而減小開機(jī)臺(tái)數(shù)。以開15 機(jī)切2 機(jī)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(jī)方式調(diào)度方法

限負(fù)荷為連續(xù)變化過程，但對(duì)應(yīng)開機(jī)臺(tái)數(shù)為離散變化過程，因此通過開機(jī)臺(tái)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(jī)臺(tái)數(shù)為16 臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)總成本最小，為682.6 萬元，相比原開機(jī)方式調(diào)度方法減少成本90.2 萬元；開機(jī)臺(tái)數(shù)由16 臺(tái)減為13 臺(tái)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(jī)方式調(diào)度方法通過柔性負(fù)荷、自備電廠和火電機(jī)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(tái)數(shù)為14 臺(tái)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(jī)方式調(diào)度方法

考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)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(jī)臺(tái)數(shù)減少過程中，呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)；開機(jī)臺(tái)數(shù)為14臺(tái)時(shí)總成本最小，為58.4 萬元；開機(jī)臺(tái)數(shù)為12臺(tái)時(shí)，達(dá)到開機(jī)臺(tái)數(shù)減少極限，此時(shí)總成本為103.1 萬元；開機(jī)11 臺(tái)時(shí)，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(jī)14 臺(tái)時(shí)總調(diào)用成本最小，開機(jī)12臺(tái)時(shí)為最小開機(jī)臺(tái)數(shù)。

原開機(jī)方式調(diào)度方法火電機(jī)組開機(jī)臺(tái)數(shù)不變，因此不加入比較，限負(fù)荷開機(jī)方式調(diào)度方法和考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)方式調(diào)度方法，不同開機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)成本對(duì)比如圖10 所示。

圖10 開機(jī)方式和成本對(duì)比

對(duì)比原開機(jī)方式調(diào)度方法、限負(fù)荷開機(jī)方式調(diào)度方法和考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)方式調(diào)度方法，限負(fù)荷開機(jī)方式調(diào)度方法開機(jī)臺(tái)數(shù)為16 臺(tái)成本最小，相比考慮現(xiàn)貨交易最少費(fèi)用多624.2 萬元，相比考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)方式調(diào)度方法同樣開機(jī)臺(tái)數(shù)為16 臺(tái)費(fèi)用多617 萬元?？紤]現(xiàn)貨交易開機(jī)方式調(diào)度方法最小成本更低，而且相同開機(jī)臺(tái)數(shù)下成本仍然更低，能夠促進(jìn)電網(wǎng)精益化管理。

此外考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)方式調(diào)度方法最少開機(jī)為12 臺(tái)，相比其他2 種方式開機(jī)臺(tái)數(shù)更少；以此開機(jī)方式調(diào)度方法對(duì)電力規(guī)劃建設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)，可以減少投資成本，提升社會(huì)綜合效能。

4 結(jié)論

原有的僅依靠火電調(diào)節(jié)的調(diào)度方法會(huì)產(chǎn)生較大新能源限電，限負(fù)荷開機(jī)方式調(diào)度方法會(huì)降低總成本，但隨著限負(fù)荷量增大總成本會(huì)超過原調(diào)度方法；考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)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(jìn)新能源消納。

表3 考慮現(xiàn)貨交易開機(jī)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(duì)多元融合高彈電網(wǎng)進(jìn)行探討研究，具有一定實(shí)用價(jià)值。