李琳瑋，寧光濤，陳明帆，梁亞峰，何禮鵬，陳皓勇，鄭曉東

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海口 570203；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的不斷加深，各國(guó)紛紛走上以開發(fā)清潔高效的新能源為主的綠色能源發(fā)展道路[1-2]。2020 年12 月，習(xí)總書記在國(guó)際氣候雄心峰會(huì)上提出“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)正在大力發(fā)展以風(fēng)電、光伏等可再生能源為主的低碳能源系統(tǒng)，高比例可再生能源并網(wǎng)將是未來電力系統(tǒng)的基本特征[3]。

風(fēng)電出力具有一定的反調(diào)峰特性，當(dāng)夜間風(fēng)電出力較高時(shí)負(fù)荷處于低谷，而白天負(fù)荷水平較高時(shí)風(fēng)電出力較小，這間接拉大了負(fù)荷峰谷差，增加了調(diào)峰壓力，系統(tǒng)容易面臨靈活性調(diào)節(jié)資源不足的局面。以火電機(jī)組為主的調(diào)峰機(jī)組常常需要頻繁啟停，容易造成火電機(jī)組在負(fù)荷低谷時(shí)負(fù)荷率不高的運(yùn)行狀況，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率[4]。

電化學(xué)儲(chǔ)能具有較強(qiáng)的靈活調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需要進(jìn)行快速充放電，這有助于改善火電機(jī)組頻繁啟停的運(yùn)行狀況。近年來，電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展較快，建設(shè)成本不斷下降[5]。因此，在電網(wǎng)側(cè)配置一定規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能，能夠起到削峰填谷、改善負(fù)荷曲線特性的作用。

同時(shí)，柔性負(fù)荷作為一種雙向互動(dòng)的靈活性資源，通過需求側(cè)管理，可削峰填谷、平抑間歇性能源波動(dòng)和提供輔助服務(wù)[6]。利用電化學(xué)儲(chǔ)能的靈活調(diào)節(jié)能力和柔性負(fù)荷的快速響應(yīng)能力，發(fā)揮源-荷-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)度作用，有利于豐富電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)節(jié)手段。

文獻(xiàn)[7]將柔性負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可平移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷3 類，同時(shí)建立考慮3 類柔性負(fù)荷的機(jī)組組合模型。文獻(xiàn)[8]建立了計(jì)及可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、考慮火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的日前調(diào)度方法。文獻(xiàn)[9]在微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化中考慮可中斷負(fù)荷，建立考慮聯(lián)絡(luò)線波動(dòng)最小的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[10]考慮了實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的隨機(jī)故障，包括發(fā)電機(jī)組的停運(yùn)、輸電線路的故障以及可中斷負(fù)荷的隨機(jī)毀約，建立機(jī)會(huì)約束下的含可中斷負(fù)荷的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[11]在光伏和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型中考慮柔性負(fù)荷，其結(jié)果表明柔性負(fù)荷能夠降低系統(tǒng)所需配置的儲(chǔ)能容量，提高光伏消納率。文獻(xiàn)[12]建立考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)不確定性的多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[13]針對(duì)新型智能小區(qū)，提出一種適用于負(fù)荷聚合商的可削減柔性負(fù)荷實(shí)時(shí)需求響應(yīng)調(diào)度策略。文獻(xiàn)[14]建立了以電動(dòng)汽車退役電池為柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型。然而，以上所建立的模型存在2 個(gè)問題：在考慮電化學(xué)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)度時(shí)，沒有考慮到儲(chǔ)能電池的放電深度對(duì)其壽命帶來的影響，容易導(dǎo)致放電深度過高使得儲(chǔ)能電池的實(shí)際壽命大大縮短；沒有將儲(chǔ)能與柔性負(fù)荷同時(shí)考慮在內(nèi)，沒有考慮電化學(xué)儲(chǔ)能和需求響應(yīng)的協(xié)同作用。

因此，本文建立考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能壽命約束的多類型電源協(xié)同調(diào)度模型，同時(shí)考慮火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、水電機(jī)組、核電機(jī)組，并且引入需求響應(yīng)（包括可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷），以發(fā)揮電化學(xué)儲(chǔ)能的靈活調(diào)節(jié)能力和柔性負(fù)荷的快速響應(yīng)能力。最后，以某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證所建模型的有效性。

1 考慮電化學(xué)儲(chǔ)能的多類型電源模型

本文結(jié)合火電、水電、風(fēng)電、核電等多類型電源的運(yùn)行特性，建立了考慮電化學(xué)儲(chǔ)能的多類型電源模型。

1.1 火電機(jī)組的相關(guān)約束

式中：Pg，t為火電機(jī)組g 在第t 時(shí)段的出力；Pg，max和Pg，min分別為火電機(jī)組g 出力的最大值和最小值；分別為火電機(jī)組g 向上和向下爬坡速率的限值；Ig，t為火電機(jī)組是否運(yùn)行的指示變量，Ig，t=1 表示火電機(jī)組g 在第t 時(shí)段處于運(yùn)行狀態(tài)；T 為1 個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的時(shí)段總數(shù)；分別為火電機(jī)組g 的最小開機(jī)時(shí)段數(shù)和最小關(guān)機(jī)時(shí)段數(shù)。

式（1）表示火電機(jī)組的出力約束，式（2）表示火電機(jī)組的爬坡速率約束，式（3）表示火電機(jī)組的最小開機(jī)時(shí)段數(shù)約束，式（4）表示火電機(jī)組的最小關(guān)機(jī)時(shí)段數(shù)約束。

1.2 風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)約束

式中：Pw，t為風(fēng)電機(jī)組w 在第t 時(shí)段的出力；為風(fēng)電機(jī)組w 在第t 時(shí)段的預(yù)測(cè)出力。

由于風(fēng)電機(jī)組的出力具有隨機(jī)性，在日前計(jì)劃中按照風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)出力進(jìn)行整定，即在考慮風(fēng)電全額消納的基礎(chǔ)上，安排其他機(jī)組發(fā)電計(jì)劃。

1.3 水電機(jī)組的相關(guān)約束

式中：Ph，t為水電機(jī)組h 在第t 時(shí)段的出力；Ph，max和Ph，min分別為水電機(jī)組h 出力的最大值和最小值；分別為水電機(jī)組h 向下和向上爬坡速率的限值；Wh為水電機(jī)組用于發(fā)電的最大水量（已轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電量）。

式（6）表示水電機(jī)組的出力約束，式（7）表示水電機(jī)組的爬坡速率約束，式（8）表示水電機(jī)組用于發(fā)電的水量約束。

1.4 核電機(jī)組的相關(guān)約束

若核電機(jī)組參與調(diào)峰，頻繁調(diào)節(jié)容易造成反應(yīng)堆芯局部溫度過高等安全問題，因此核電機(jī)組一般按照基荷狀態(tài)設(shè)計(jì)運(yùn)行。本次研究考慮核電機(jī)組的2 種工作狀態(tài)[15]：滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G。

式中：Im，t為核電機(jī)組是否運(yùn)行的指示變量，Im，t=1表示核電機(jī)組m 在第t 時(shí)段處于工作狀態(tài)；和分別為核電機(jī)組m 運(yùn)行在滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G 的指示變量，取值為1 時(shí)表示核電機(jī)組處于該種運(yùn)行狀態(tài)；Pm，t為核電機(jī)組m 在第t時(shí)段的發(fā)電功率；分別為核電機(jī)組m 在滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G 下的發(fā)電功率；和分別為核電機(jī)組m 在滿功率狀態(tài)A 和低功率狀態(tài)G 下的最小運(yùn)行時(shí)間。

式（9）表示核電機(jī)組只能運(yùn)行在滿功率和低功率的其中一種狀態(tài)，式（10）表示核電機(jī)組的2種工作狀態(tài)只能分別以固定功率運(yùn)行，式（11）和（12）分別表示核電機(jī)組在滿功率和低功率運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)該滿足的最小運(yùn)行時(shí)間約束。

1.5 功率平衡約束

1.6 備用容量約束

式中：Pm，max為核電機(jī)組m 的出力最大值；Rt為第t 時(shí)段系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量。

1.7 線路潮流約束

式中：γgl，γwl，γhl，γbl，γdl分別為火電機(jī)組g、風(fēng)電機(jī)組w、水電機(jī)組h、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)b、負(fù)荷d對(duì)輸電線路l 的功率分布因子[16]；Pl，max為輸電線路l 的傳輸功率上限值。

1.8 儲(chǔ)能電池模型

在機(jī)組組合中考慮儲(chǔ)能電池參與電網(wǎng)調(diào)度，有利于提升系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，但儲(chǔ)能電池的頻繁充放電行為將大大降低儲(chǔ)能電池的使用壽命。忽略儲(chǔ)能電池的壽命約束將導(dǎo)致對(duì)調(diào)度方案的運(yùn)行成本計(jì)算偏低。放電深度和日循環(huán)次數(shù)會(huì)對(duì)儲(chǔ)能電池的使用壽命帶來影響。因此儲(chǔ)能電池的實(shí)際壽命Tcalendar由電池的浮充壽命Tfloat和循環(huán)壽命Tcycle中的較小值確定，即：

式中：浮充壽命Tfloat是出廠時(shí)的服務(wù)年限；循環(huán)壽命Tcycle反映了電池在達(dá)到壽命終點(diǎn)之前的充放電次數(shù)，是電池儲(chǔ)能達(dá)到失效時(shí)的實(shí)際工作年限。

工程上常用雨流計(jì)數(shù)法確定電池儲(chǔ)能的放電深度[17]。按照雨流計(jì)數(shù)法確定循環(huán)放電深度之后，電池的循環(huán)壽命可以擬合為：

式中：Nlife為電池儲(chǔ)能達(dá)到實(shí)際壽命時(shí)的循環(huán)次數(shù)；dcycle為電池儲(chǔ)能每次充放電循環(huán)的放電深度；N0為電池儲(chǔ)能以100%放電深度充放電時(shí)的循環(huán)次數(shù)；kp為擬合參數(shù)。通常電池廠家會(huì)提供相關(guān)參數(shù)。

由式（17）可知，儲(chǔ)能電池每次充放電過程的放電深度越大，電池的循環(huán)壽命減少得越多。雨流計(jì)數(shù)法包括非凸的復(fù)雜計(jì)算，非線性程度較高，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用基于充放電功率的壽命模型?；诔浞烹姽β实膲勖Ｐ屯ㄟ^給儲(chǔ)能電池每次的充放電功率分?jǐn)傄欢ǖ恼蹞p成本，可以較為準(zhǔn)確地刻畫儲(chǔ)能電池產(chǎn)生的運(yùn)行成本。在調(diào)度計(jì)劃中引入儲(chǔ)能電池的折損成本可以限制儲(chǔ)能電池的充放電深度和次數(shù)，避免電池由于過度充放電損耗太快而減少壽命。因此電池儲(chǔ)能的折損成本Fb可以表示為：

儲(chǔ)能電池的單位折損成本為：

式中：Lb，T為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)b 全壽命周期內(nèi)的總充放電量；Cb，APV為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)b 投資和運(yùn)行維護(hù)成本的年值；Tb，float為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)b 的浮充壽命。

儲(chǔ)能電池投資和運(yùn)維成本的年值：

式中：Cb，inv為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)b 的投資成本，由單位投資成本乘以儲(chǔ)能電池容量得到；Cb，op為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)b 的年運(yùn)維成本；r 為貼現(xiàn)率。在本文中，N0取1 591，kp取2.09，Tfloat取10 年，r 取5%。

儲(chǔ)能電池在運(yùn)行過程中應(yīng)該滿足充放電功率上下限、荷電量上下限、相鄰時(shí)段的荷電量耦合等約束條件：

式（21）和式（22）分別表示儲(chǔ)能電池的充放電功率約束，式（23）表示儲(chǔ)能電池只能運(yùn)行在充電和放電2 種狀態(tài)，式（24）表示儲(chǔ)能電池系統(tǒng)相鄰時(shí)段荷電量的耦合約束，式（25）表示儲(chǔ)能電池系統(tǒng)荷電量的上下限約束，式（26）保證儲(chǔ)能電池系統(tǒng)調(diào)度周期始末的荷電量相等。

2 柔性負(fù)荷模型

面對(duì)不斷提高的風(fēng)電滲透率帶來的調(diào)峰壓力，柔性負(fù)荷和電化學(xué)儲(chǔ)能的協(xié)同優(yōu)化能夠更好地提升系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。本文將系統(tǒng)中的負(fù)荷分為固定負(fù)荷和柔性負(fù)荷，其中柔性負(fù)荷還包括可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷。顯然，用戶d 在第t 時(shí)段的負(fù)荷Pd，t為：

在系統(tǒng)的電力供應(yīng)中，部分負(fù)荷的用電量不受電網(wǎng)調(diào)度控制，發(fā)電部門需要按照這部分負(fù)荷的出力曲線制定發(fā)電計(jì)劃，本文稱這部分負(fù)荷為固定負(fù)荷。

2.1 可中斷負(fù)荷

按照電網(wǎng)與用戶簽訂的合約，電網(wǎng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行要求，向簽約用戶下達(dá)電力中斷的指令，同時(shí)給予用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，可中斷負(fù)荷的實(shí)際負(fù)荷值與最大可中斷次數(shù)、中斷負(fù)荷量的關(guān)系為：

可中斷負(fù)荷發(fā)生負(fù)荷中斷可以獲取一定的補(bǔ)償費(fèi)用Fil，可以表示為：

式中：λil為可中斷負(fù)荷發(fā)生中斷的單位補(bǔ)償成本。

2.2 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的負(fù)荷特性靈活，可根據(jù)運(yùn)行需要靈活調(diào)節(jié)各時(shí)段的用電量，在一個(gè)調(diào)度周期（如24 h）內(nèi)保持總用電量不變，如電動(dòng)汽車換電站、冰蓄冷以及工商業(yè)用戶的部分負(fù)荷等[18]。

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用Fsl可以表示為：

式中：λsl為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的單位補(bǔ)償成本；為用戶d 在第t 時(shí)段調(diào)整前的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

式（31）為包含絕對(duì)值的表達(dá)式，一般沒有辦法直接求解，故引入輔助變量，式（31）轉(zhuǎn)換為：

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的相關(guān)約束為：

式（33）表示可轉(zhuǎn)移負(fù)荷在調(diào)度周期內(nèi)的總量保持不變，各時(shí)段的負(fù)荷可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。式（34）對(duì)調(diào)整后的各時(shí)段可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行限制，本文取可轉(zhuǎn)移負(fù)荷最小值，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷最大值。式（35）描述可轉(zhuǎn)移負(fù)荷調(diào)整前后的關(guān)系。

3 考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能壽命約束的多類型電源優(yōu)化運(yùn)行

考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能壽命約束的多類型電源優(yōu)化運(yùn)行以系統(tǒng)在調(diào)度周期內(nèi)的運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)，同時(shí)考慮火電機(jī)組和核電機(jī)組發(fā)電所需的燃料費(fèi)用、火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用、柔性負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用和儲(chǔ)能電池的折損成本。

系統(tǒng)的運(yùn)行總費(fèi)用F 可以表示為：

式（36）—（40）中：Fn為火電機(jī)組和核電機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用；F1（Pg，t）為火電機(jī)組的燃料費(fèi)用；為火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用；F2（Pm，t）為核電機(jī)組的燃料費(fèi)用；ag，bg和cg分別為火電機(jī)組g 燃料費(fèi)用與發(fā)電功率的二次函數(shù)關(guān)系式的二次項(xiàng)、一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；bm和cm分別為核電機(jī)組m 燃料費(fèi)用與發(fā)電功率的一次函數(shù)關(guān)系式的一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；分別為火電機(jī)組g 的單次開機(jī)、停機(jī)費(fèi)用。

表示火電機(jī)組燃料費(fèi)用的二次函數(shù)可以通過分段線性化[19-20]的方法進(jìn)行處理。假設(shè)火電機(jī)組的出力區(qū)間為[Pmin，Pmax]，用n+1 個(gè)點(diǎn)x0≤x1≤…≤xk≤…≤xn（其中x0=Pmin，xn=Pmax）將該區(qū)間等分為n 個(gè)小區(qū)間，如圖1 所示。

圖1 燃料成本二次函數(shù)線性化示意圖

對(duì)于每個(gè)小區(qū)間內(nèi)的二次函數(shù)值可以用割線進(jìn)行近似線性化：

式中：xk≤x≤xk+1。

采用數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件GAMS 的SOS2 型變量可以將橫坐標(biāo)x 表示為：

式（43）只有2 個(gè)相鄰的SOS2 型變量之和為1，其余變量為0。因此，通過SOS2 型變量可以識(shí)別出火電機(jī)組的出力位于哪個(gè)分段區(qū)間內(nèi)，從而采用相應(yīng)的割線進(jìn)行線性計(jì)算。

4 算例仿真

4.1 算例描述

以某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析。該地區(qū)共有9 臺(tái)火電機(jī)組、3 臺(tái)水電機(jī)組、5 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、2 臺(tái)核電機(jī)組，各類電源的裝機(jī)容量及占比見表1。系統(tǒng)風(fēng)電滲透率達(dá)到25%，屬于高滲透率可再生能源電力系統(tǒng)。火電機(jī)組和核電機(jī)組的基本參數(shù)見表2、表3。此外，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入3 套儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的基本參數(shù)見表4。旋轉(zhuǎn)備用設(shè)置為總負(fù)荷的10%。固定負(fù)荷占總負(fù)荷的90%，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷分別占總負(fù)荷的5%，見表5?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷的單位補(bǔ)償費(fèi)用分別為50 元/MWh 和400 元/MWh。本文所建模型本質(zhì)上是一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃問題，可以通過成熟的商用求解器進(jìn)行求解。本文通過數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件GAMS 調(diào)用CPLEX 求解器進(jìn)行求解，運(yùn)行環(huán)境為Core（TM）i5-8250U CPU 1.80 GHz，內(nèi)存為8 GB。

表1 系統(tǒng)各類電源的裝機(jī)容量及比例

表2 火電機(jī)組的基本參數(shù)

表3 核電機(jī)組的基本參數(shù)

表4 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的基本參數(shù)

表5 系統(tǒng)各時(shí)段的總負(fù)荷和柔性負(fù)荷

4.2 4 種運(yùn)行場(chǎng)景的優(yōu)化對(duì)比

為了探究柔性負(fù)荷與儲(chǔ)能電池協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化效用，下面分為4 種場(chǎng)景進(jìn)行仿真計(jì)算：

場(chǎng)景1：系統(tǒng)沒有儲(chǔ)能電池和柔性負(fù)荷。

場(chǎng)景2：系統(tǒng)有儲(chǔ)能電池，沒有柔性負(fù)荷。

場(chǎng)景3：系統(tǒng)沒有儲(chǔ)能電池，只有柔性負(fù)荷。

場(chǎng)景4：系統(tǒng)既有儲(chǔ)能電池，又有柔性負(fù)荷。

根據(jù)給定的各項(xiàng)參數(shù)和設(shè)置的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，如表6 所示。

表6 不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

1）場(chǎng)景1：基礎(chǔ)場(chǎng)景運(yùn)行分析。

該系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電各時(shí)段的出力曲線如圖2所示，負(fù)荷最高時(shí)段為時(shí)段11 至?xí)r段12，風(fēng)電最大出力時(shí)段為時(shí)段5 至?xí)r段6，風(fēng)電出力呈現(xiàn)出一定程度的反調(diào)峰特性，增加了部分火電機(jī)組及水電機(jī)組的調(diào)峰壓力，影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 各時(shí)段系統(tǒng)的風(fēng)電出力和負(fù)荷曲線

在場(chǎng)景1 中，由于系統(tǒng)沒有電化學(xué)儲(chǔ)能和柔性負(fù)荷，只能完全依靠火電機(jī)組和水電機(jī)組發(fā)揮調(diào)峰作用。水電機(jī)組雖然調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，能夠快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，但其每天的發(fā)電量受到庫(kù)容的限制；火電機(jī)組受自身的爬坡速率和最小開停機(jī)時(shí)間約束；核電機(jī)組出于安全穩(wěn)定運(yùn)行的考慮一般不參與調(diào)峰。因此，系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力不足，無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的全額消納。在時(shí)段5 和時(shí)段6，棄風(fēng)量分別達(dá)到306.57 MW 和271.06 MW，棄風(fēng)率達(dá)到4.0%。同時(shí)，由于缺乏柔性負(fù)荷的響應(yīng)能力，無法將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至風(fēng)電富余時(shí)段，造成風(fēng)電資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，增加了火電機(jī)組的燃料費(fèi)用，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，經(jīng)濟(jì)性較差。場(chǎng)景1 的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃如圖3 所示。

圖3 場(chǎng)景1 的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃

2）場(chǎng)景2：引入儲(chǔ)能的優(yōu)化結(jié)果分析。

場(chǎng)景2 的儲(chǔ)能電池充放電功率如圖4 所示。在場(chǎng)景2 中，電化學(xué)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)度，能有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力的反調(diào)峰特性，在風(fēng)電富余而負(fù)荷低谷時(shí)將電能儲(chǔ)存起來，用于緩解系統(tǒng)負(fù)荷高峰而風(fēng)電出力水平較低時(shí)的運(yùn)行壓力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率的轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，提升風(fēng)電消納率。對(duì)于場(chǎng)景2，時(shí)段5 和時(shí)段6 的棄風(fēng)量分別為46.57 MW 和11.06 MW，相比基礎(chǔ)場(chǎng)景，棄風(fēng)率從4.0%下降至0.4%。由于棄風(fēng)率的降低，系統(tǒng)的燃料費(fèi)用相比場(chǎng)景1 從5 034 358 元下降至5 004 613 元，同比下降0.59%，系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

圖4 場(chǎng)景2 的儲(chǔ)能電池充放電功率

引入電化學(xué)儲(chǔ)能后得到的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃如圖5 所示。對(duì)比圖3 和圖5 可知，時(shí)段1 至?xí)r段6 的負(fù)荷水平較低，此時(shí)開啟的機(jī)組在整個(gè)調(diào)度周期都處于運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入負(fù)荷水平較高的時(shí)段7 至?xí)r段24，系統(tǒng)配置的儲(chǔ)能電池參與到多類型電源調(diào)度，能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，因此對(duì)火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力需求降低，系統(tǒng)不需開啟爬坡速率較大但費(fèi)用較高的火電機(jī)組G4，而傾向于開啟爬坡速率較小但費(fèi)用較低的火電機(jī)組G7，這有利于減少火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用，提升整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

圖5 場(chǎng)景2 的火電機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃

3）場(chǎng)景3：實(shí)施需求響應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果分析。

實(shí)施需求響應(yīng)后柔性負(fù)荷的響應(yīng)情況見表7。從表7 可知，高峰時(shí)段（時(shí)段9 至?xí)r段12）的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段（時(shí)段4 至?xí)r段7），必要時(shí)進(jìn)行部分負(fù)荷中斷。在風(fēng)電富余的時(shí)段5 和時(shí)段6，火電機(jī)組和水電機(jī)組都已經(jīng)下調(diào)至最小技術(shù)出力，但可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量受到限制，且系統(tǒng)的向下調(diào)節(jié)能力不足，系統(tǒng)無法繼續(xù)降出力來消納更多的風(fēng)電出力，因此系統(tǒng)無法完全消納風(fēng)電。在時(shí)段5 和時(shí)段6，棄風(fēng)量分別達(dá)到42.05 MW 和5.12 MW，相比基礎(chǔ)場(chǎng)景，棄風(fēng)率由4.0%下降至0.33%。因此，在多類型電源電力系統(tǒng)中實(shí)施需求響應(yīng)，能夠改善負(fù)荷曲線特性，緩解系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，場(chǎng)景3 的運(yùn)行費(fèi)用相比場(chǎng)景1 從6 734 358 元下降至6 520 223 元。

表7 實(shí)施需求響應(yīng)后柔性負(fù)荷的響應(yīng)情況

4）場(chǎng)景4：需求響應(yīng)與儲(chǔ)能協(xié)同優(yōu)化的結(jié)果分析。

場(chǎng)景4 實(shí)施需求響應(yīng)后的負(fù)荷曲線如圖6 所示。在考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能壽命約束的協(xié)同優(yōu)化下，負(fù)荷峰谷差由調(diào)整前的1 387.65 MW 降低至調(diào)整后的1 121.88 MW，同比下降19.15%。場(chǎng)景4 中儲(chǔ)能電池的充放電次數(shù)和放電深度相比場(chǎng)景2 有所降低，這表明較小的負(fù)荷峰谷差有利于制定更為經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)能充放電計(jì)劃。

圖6 場(chǎng)景4 實(shí)施需求響應(yīng)后的負(fù)荷曲線

場(chǎng)景4 各類型電源的出力曲線如圖7 所示。在考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能電池的多類型電源協(xié)同調(diào)度方案中：核電機(jī)組作為基荷機(jī)組按照A 模式運(yùn)行；按照優(yōu)先消納新能源的原則，風(fēng)電機(jī)組的出力用于消納轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段的負(fù)荷和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)充電；火電機(jī)組出力平緩，承擔(dān)大部分腰荷；水電機(jī)組和部分火電機(jī)組作為調(diào)峰機(jī)組；水電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力較快，能夠快速響應(yīng)風(fēng)電的隨機(jī)出力和負(fù)荷變化；電化學(xué)儲(chǔ)能和其他調(diào)峰機(jī)組協(xié)同發(fā)揮削峰填谷作用。

圖7 場(chǎng)景4 各類型電源的出力曲線

不同場(chǎng)景下的火電機(jī)組負(fù)荷率見表8?？梢钥闯?，在考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能電池協(xié)同調(diào)度的運(yùn)行場(chǎng)景中，火電機(jī)組的平均負(fù)荷率相比基礎(chǔ)場(chǎng)景從74.46%提升至80.67%，并且減少了一臺(tái)火電機(jī)組投入運(yùn)行。這表明儲(chǔ)能參與調(diào)度運(yùn)行有助于提升火電機(jī)組的運(yùn)行效率，減少火電機(jī)組的開停機(jī)次數(shù)，降低火電機(jī)組的調(diào)峰壓力。因此，儲(chǔ)能和需求響應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化能夠降低火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用，提升系統(tǒng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。場(chǎng)景4 的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為4 種運(yùn)行場(chǎng)景中最優(yōu)。

表8 不同場(chǎng)景下的火電機(jī)組負(fù)荷率

4.3 考慮電池壽命模型的優(yōu)化對(duì)比

為了探究在考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能電池的多類型電源協(xié)同調(diào)度中考慮電池壽命對(duì)調(diào)度方案帶來的影響，本文設(shè)置2 種不同場(chǎng)景——考慮儲(chǔ)能運(yùn)行成本和不考慮儲(chǔ)能運(yùn)行成本，仿真計(jì)算得到的結(jié)果如表9 和圖8 所示。

圖8 儲(chǔ)能電池的充放電功率

表9 考慮電池壽命模型的優(yōu)化結(jié)果

在不考慮儲(chǔ)能運(yùn)行成本的場(chǎng)景中，由于在優(yōu)化過程中不需考慮儲(chǔ)能電池的折損成本，儲(chǔ)能電池的放電深度較大，最大的放電深度達(dá)到80%。采用式（17）對(duì)不考慮儲(chǔ)能電池折損成本的場(chǎng)景進(jìn)行估算，其儲(chǔ)能電池實(shí)際能夠運(yùn)行的壽命只有6.95年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能電池的浮充壽命10 年?？紤]儲(chǔ)能運(yùn)行成本后，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本增加了1.0%。因此，在優(yōu)化運(yùn)行中考慮儲(chǔ)能電池的折損成本，能夠更加準(zhǔn)確地反映調(diào)度計(jì)劃的運(yùn)行成本。在安排儲(chǔ)能電池運(yùn)行方式時(shí)考慮儲(chǔ)能電池的折損成本，得到的調(diào)度方案中儲(chǔ)能電池的放電深度有所降低，因此能夠延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命。現(xiàn)階段儲(chǔ)能的單位建設(shè)成本依然較高，折算到單位充放電功率會(huì)產(chǎn)生較高的折損成本，隨著儲(chǔ)能成本的降低，電化學(xué)儲(chǔ)能將能夠更大程度地提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的火電機(jī)組頻繁開停機(jī)問題，建立了考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能壽命約束的多類型電源日前協(xié)同調(diào)度模型。以某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）儲(chǔ)能電池參與調(diào)度能夠應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力的反調(diào)峰特性，對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行“高充低放”，減輕系統(tǒng)調(diào)峰壓力，提升風(fēng)電消納率，從而減少火電機(jī)組的開停機(jī)費(fèi)用和燃料費(fèi)用。儲(chǔ)能電池在運(yùn)行階段產(chǎn)生的折損成本在運(yùn)行總費(fèi)用中的占比不可忽略，制定調(diào)度計(jì)劃時(shí)考慮折損成本有利于延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命。

2）通過與用戶簽約的方式設(shè)定可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷，能夠使系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要將部分高峰時(shí)段的負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移和中斷，這有助于降低系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差。考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能壽命約束的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度能夠使系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性達(dá)到更優(yōu)。