李雪芹，吳文嫻，張誠敏，歐陽順，周任軍

(1.長沙理工大學(xué)湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410114；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心(計量中心)，湖南 長沙 410004)

近年來因風(fēng)電的“反調(diào)峰”和“隨機”等特性，電網(wǎng)調(diào)峰容量不足，棄風(fēng)現(xiàn)象常有發(fā)生[1-2]。占中國火電總裝機容量比重高達13%的燃煤自備電廠，裝機容量小，響應(yīng)速度快，具有一定的調(diào)控能力，但目前并未充分發(fā)揮其參與電網(wǎng)調(diào)控的潛能。同時自備電廠對沖了較大部分工業(yè)負荷的容量，減少了風(fēng)電等新能源的發(fā)電上網(wǎng)空間[3]。自備電廠是特殊時期的歷史產(chǎn)物，管理水平相比公用電廠低，早期發(fā)展沒有被重視，未被納入公平參與市場競爭的對象，因此，其參與電網(wǎng)調(diào)控等輔助服務(wù)的潛能沒有被充分挖掘。隨著自備電廠相關(guān)文件出臺，自備電廠規(guī)范發(fā)展，被認定為參與電力市場交易的主體[4]。在新的政策引導(dǎo)下，自備電廠有更多機會參與市場交易，充分發(fā)揮其容量小、靈活、分布廣泛的優(yōu)勢，積極參與電網(wǎng)調(diào)峰和清潔能源消納等輔助服務(wù)。針對以上情況，目前，已有部分地區(qū)出臺了自備電廠參與替代交易的相關(guān)政策，通過自備電廠參與調(diào)峰前提下的風(fēng)電等新能源企業(yè)替代自備電廠發(fā)電，實質(zhì)性提高新能源的發(fā)電上網(wǎng)電量。從技術(shù)層面分析自備電廠參與替代交易，量化風(fēng)電消納量、自備電廠機組燃煤消耗量、自備電廠運行成本等，有利于促進自備電廠參與市場替代交易的進一步實施，減少棄風(fēng)、降低燃煤消耗，實現(xiàn)電能清潔替代。

在現(xiàn)有研究中，自備電廠將發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓給新能源發(fā)電企業(yè)，是其參與市場交易承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰和消納風(fēng)電的有效措施。從政策和市場的角度，自備電廠參與發(fā)電權(quán)交易是可行且必要的，建立新能源企業(yè)與自備電廠的中長期電量置換模型，可以實現(xiàn)交易雙方共贏[5-6]；采用效用函數(shù)和CVaR方法，結(jié)合考慮電量、電價、燃料成本等風(fēng)險因素建立自備電廠參與發(fā)電權(quán)交易的風(fēng)險—評估—決策模型[7]；在發(fā)電權(quán)交易的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方面，基于隨機生產(chǎn)模擬的發(fā)電權(quán)交易可以實現(xiàn)促進風(fēng)電消納效果的快速定量評估[8]。然而，目前關(guān)于自備電廠參與風(fēng)電消納的研究主要集中在市場屬性上，交易的方式以中長期電量交易為主。對于熱電聯(lián)產(chǎn)自備電廠(簡稱“自備電廠”)參與促進風(fēng)電消納的發(fā)電權(quán)替代交易，受其機組運行特性、風(fēng)電出力情況影響，中長期合同在日內(nèi)實際執(zhí)行中，發(fā)電權(quán)實時供需關(guān)系存在較大偏差，使得自備電廠采用中長期合同的發(fā)電權(quán)交易在實際優(yōu)化調(diào)度中不能很好被落實。此外，中長期合同發(fā)電權(quán)交易多以固定單價進行交易，不能體現(xiàn)發(fā)電權(quán)出售方和購買方短時間尺度的發(fā)電權(quán)供需關(guān)系。因此，考慮自備電廠短時間尺度發(fā)電權(quán)交易更能符合實際需求，有必要深入研究。

在已有研究基礎(chǔ)上，本文設(shè)計自備電廠參與短時間尺度發(fā)電權(quán)交易模式，自備電廠內(nèi)部利用電加熱裝置解耦機組“以熱定電”約束，以自備電廠運行成本最低為目標(biāo)，構(gòu)建風(fēng)電廠清潔替代自備電廠調(diào)度模型。仿真結(jié)果表明，該方法有效提升風(fēng)電消納水平，降低自備電廠運行成本，促進自備電廠參與市場替代交易，具有良好的社會經(jīng)濟價值。

1 短時間尺度發(fā)電權(quán)交易模式

1.1 考慮短時間尺度供需關(guān)系的發(fā)電權(quán)交易模式

文獻[6]實行的中長期電量交易，而考慮到調(diào)度的時間跨度以及自備電廠熱電機組“以熱定電”的運行約束，導(dǎo)致在該交易模式下，按照初定的交易計劃執(zhí)行時風(fēng)電廠的新增上網(wǎng)功率與自備電廠的降低出力在時間上的匹配度較低。因此，本文設(shè)計了風(fēng)電廠與自備電廠進行短時間尺度發(fā)電權(quán)交易模式，將中長期的電量交易轉(zhuǎn)化為在短時間尺度內(nèi)交易并落實執(zhí)行，即風(fēng)電廠與自備電廠達成中長期的合作意向，具體日內(nèi)交易執(zhí)行，則由日前預(yù)測的風(fēng)電廠次日各時刻出力、基礎(chǔ)負荷以及預(yù)棄風(fēng)情況等來確定；同時考慮短時間尺度內(nèi)各個時刻風(fēng)電廠與自備電廠發(fā)電權(quán)的供需關(guān)系，發(fā)電權(quán)交易量和單價以小時為時間尺度，結(jié)算以天為時間尺度。

風(fēng)電—自備電廠短時間尺度發(fā)電權(quán)交易模式中，以雙邊協(xié)商交易方式進行，電網(wǎng)調(diào)度部門在日前編制雙方發(fā)電計劃。風(fēng)電廠根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)以及歷史負荷情況預(yù)測次日風(fēng)電出力、預(yù)上網(wǎng)電量(與自備電廠企業(yè)交易之前的基礎(chǔ)負荷)，作為已知基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上報給調(diào)度中心；自備電廠企業(yè)則根據(jù)生產(chǎn)線規(guī)劃確定次日熱負荷及電負荷，并上報給調(diào)度中心。交易中心作為樞紐站，在保證系統(tǒng)運行安全并且滿足企業(yè)內(nèi)部電、熱負荷供應(yīng)的前提下，調(diào)節(jié)風(fēng)電廠與自備電廠發(fā)電權(quán)交易時間、功率，以自備電廠企業(yè)的日運行成本最低為調(diào)度目標(biāo)，做出相關(guān)調(diào)度計劃并上報。風(fēng)電—自備電廠短時間尺度發(fā)電權(quán)交易模式如圖1所示。

圖1 風(fēng)電—自備電廠短時間尺度發(fā)電權(quán)交易模式Figure 1 Schematic diagram of WPP-SPP short-time scale trading model of power generation rights

1.2 風(fēng)電—自備電廠短時間尺度發(fā)電權(quán)交易實現(xiàn)電能清潔替代

風(fēng)電—自備電廠發(fā)電權(quán)交易模式，包括二者發(fā)電權(quán)的交易和供電的交易。發(fā)電權(quán)交易是指自備電廠企業(yè)將享有的規(guī)定發(fā)電量指標(biāo)轉(zhuǎn)讓給風(fēng)電廠，風(fēng)電廠向自備電廠企業(yè)支付發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓費用；供電交易是指風(fēng)電廠對自備電廠企業(yè)供電，替代自備電廠的部分自發(fā)電量，自備電廠支付用電費用給風(fēng)電廠。根據(jù)文獻[5]的結(jié)論，當(dāng)發(fā)電權(quán)交易價格滿足一定關(guān)系時，風(fēng)電廠和自備電廠進行發(fā)電權(quán)交易，可以實現(xiàn)雙方共贏。在該交易模式下，自備電廠將發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓給風(fēng)電廠，降低機組出力，減少燃煤消耗；同時風(fēng)電廠增加上網(wǎng)電量，減少棄風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電替代燃煤發(fā)電，實現(xiàn)了電能的清潔替代。

2 短時間尺度發(fā)電權(quán)交易的能量供應(yīng)關(guān)系

2.1 風(fēng)電—自備電廠供能關(guān)系

在考慮短時間尺度發(fā)電權(quán)交易的風(fēng)電—自備電廠供能關(guān)系中，自備電廠熱源包括熱電聯(lián)產(chǎn)機組和電加熱裝置，其中熱電聯(lián)產(chǎn)機組是采用“以熱定電”運行方式[9]，具體如圖2所示。自備電廠企業(yè)在未參與交易之前其所發(fā)電量全部自發(fā)自用，電網(wǎng)購電量極少；在參與發(fā)電權(quán)交易后，自備電廠機組出力不足部分由風(fēng)電廠對自備電廠企業(yè)通過大用戶直購供應(yīng)。風(fēng)電—自備電廠供能關(guān)系為

(1)

式中Pchp、Hchp分別為自備電廠熱電機組的供電、供熱功率；Pw為風(fēng)電供電功率；PL、HL分別為自備電廠企業(yè)電、熱負荷；Peh、Qeh分別為電加熱裝置的用電、產(chǎn)熱功率。

圖2 考慮短時間尺度發(fā)電權(quán)交易風(fēng)電—自備電廠供能關(guān)系Figure 2 WPP-SPP energy supply relationship considering the short-time scale generation rights trading

2.2 自備電廠內(nèi)部運行特性

在自備電廠內(nèi)部，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求，采用抽凝式熱電機組供熱、供電，針對負荷的變化，機組出力有一定的調(diào)節(jié)范圍[10-11]，但受機組熱電耦合約束，調(diào)節(jié)范圍有一定限制。因此，考慮利用電加熱裝置將熱負荷轉(zhuǎn)換為電負荷，通過降低機組的熱出力來達到降低其“以熱定電”的必發(fā)電功率的效果。其供熱數(shù)學(xué)模型[10]為

Qeh,t=γPeh,t

(2)

式中Qeh,t為電加熱裝置t時段的制熱功率；Peh,t為電加熱裝置t時段輸入電功率；γ為電加熱裝置制熱效率。

2.3 自備電廠消納風(fēng)電率

自備電廠的電、熱負荷主要受主營企業(yè)生產(chǎn)計劃影響，可通過日前預(yù)知。由自備電廠內(nèi)部運行特性分析可知，抽凝式機組電熱出力可以在一定范圍調(diào)節(jié)，當(dāng)存在電加熱裝置時，可進一步擴大自備電廠機組的熱電出力調(diào)節(jié)范圍[12]，從而增加發(fā)電權(quán)交易的量。風(fēng)電廠預(yù)調(diào)度后的棄風(fēng)功率是自備電廠轉(zhuǎn)讓發(fā)電權(quán)的關(guān)鍵因素，歷史數(shù)據(jù)中風(fēng)電廠的棄風(fēng)時段主要在夜間23點至次日上午8點，若調(diào)度部門在該時段減少自備電廠機組出力，可以有效增加風(fēng)電上網(wǎng)功率。風(fēng)電—自備電廠系統(tǒng)風(fēng)電消納功率包括2個部分：①電加熱裝置作為用電負荷消納風(fēng)電功率；②電加熱裝置參與聯(lián)合供熱后，機組因熱電耦合產(chǎn)生的必發(fā)電功率的減少部分。自備電廠企業(yè)對風(fēng)電廠預(yù)調(diào)度后剩余功率的消納率為

(3)

3 風(fēng)電廠清潔替代熱電聯(lián)產(chǎn)自備電廠優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

在風(fēng)電替代自備電廠發(fā)電模型中，主要考慮自備電廠企業(yè)供能成本的經(jīng)濟性，增強其參與消納風(fēng)電的動力，暫不考慮電加熱裝置的初始投資成本，故日前調(diào)度模型中以自備電廠運行成本最低為目標(biāo)函數(shù)：

MinL=LG+LF+LC+LW

(4)

式中LG為自備電廠熱電機組煤耗成本[10]；LF為機組發(fā)電國家征收的基金與附加費補貼費用；LC碳排放成本[13]；LW為風(fēng)電消納成本[6]。

(5)

式中Pchpi,t、Hchpi,t分別為t時刻第i臺機組的電、熱功率；N1為機組臺數(shù)；ai、bi、ci均為自備電廠機組的耗能函數(shù)系數(shù)；βchpi為機組熱出力等效為電出力系數(shù)；T為計量周期；cfj為自備電廠單位發(fā)電量需要交的基金費用和附加費用補貼等；Kc、ξ、Ef分別為碳交易價格、單位電量對應(yīng)的CO2排放量、免費享有的碳排放額度；Cex,t為t時刻自備電廠轉(zhuǎn)讓發(fā)電權(quán)的單價；Cw,t為風(fēng)電廠向自備電廠企業(yè)供電單價。

3.2 約束條件

3.2.1 功率平衡約束

1)系統(tǒng)電功率平衡約束。

(6)

式中PL,t為自備電廠企業(yè)t時刻的電負荷；N2為電加熱裝置臺數(shù)。

2)系統(tǒng)熱功率平衡約束。

(7)

式中HL,t為t時刻系統(tǒng)中自備電廠企業(yè)的熱負荷。

3.2.2 參與發(fā)電權(quán)交易的風(fēng)電功率上下限約束

(8)

(9)

3.2.3 自備電廠熱電機組

1)等效電出力上下限約束。

Pmin≤Pchpi,t+βchpiHchpi,t≤Pmax

(10)

式中Pmin、Pmax分別為自備電廠機組的最小和最大電、熱負荷之和。

2)熱電比。

(11)

式中 ?chp,min、?chp,max為機組熱電比的最小值、最大值。

3)自備電廠熱電機組運行特性約束。

(12)

4)爬坡約束。

(13)

式中Dchpi,max、Uchpi,max分別為系統(tǒng)內(nèi)第i臺機組的爬坡率下限、上限。

3.2.4 電加熱裝置

1)耗電功率上、下限約束。

Peh,min≤Pehi,t≤Peh,max

(14)

式中Peh,max、Peh,min分別為電加熱裝置的耗電功率上限、下限。

2)響應(yīng)速率約束。

(15)

式中Ueh,max、Deh,max分別為電加熱裝置用電功率的上、下爬坡功率的最大值。

3.2.5 發(fā)電權(quán)交易價格

發(fā)電權(quán)交易價格約束[5]為

Cw,t-Cw0≥Cex,t≥Cw,t-Cs0

(16)

式中Cw0為風(fēng)電廠的單位發(fā)電變動成本；Cs0為自備電廠企業(yè)的單位發(fā)電變動成本。

約束式(6)～(16)與常規(guī)的功率平衡約束基本相同，但是隨著風(fēng)電—自備電廠發(fā)電權(quán)交易的進一步深入，風(fēng)電供電功率會增大，自備電廠機組出力會降低。

4 算例分析

4.1 算例情景設(shè)定

考慮風(fēng)電—自備電廠短時間尺度發(fā)電權(quán)交易、電加熱裝置對提高風(fēng)電消納能力和減少燃煤消耗以及降低自備電廠企業(yè)用能成本的有效性，通過仿真對比3種不同運行情景下各設(shè)備出力情況、風(fēng)電消納量、耗煤量以及運行成本。設(shè)定3種運行情景：①無短時間尺度發(fā)電權(quán)交易，無電加熱裝置；②有短時間尺度發(fā)電權(quán)交易，無電加熱裝置；③有短時間尺度發(fā)電權(quán)交易，有電加熱裝置。

以某地區(qū)的風(fēng)電廠和某個熱電聯(lián)產(chǎn)自備電廠為例，該風(fēng)電廠與自備電廠之間實行短時間尺度發(fā)電權(quán)交易。其中,風(fēng)電裝機容量為300 MW，自備電廠總裝機容量為160 MW，機組臺數(shù)N1=2，電加熱裝置N2=1，T取24 h。當(dāng)?shù)胤謺r電價時段劃分：選取01:00—06:00、23:00—24:00為用電低谷、09:00—11:00、19:00—22:00為用電高峰，其余為平時段。風(fēng)電廠日前預(yù)測出力和預(yù)上網(wǎng)曲線、風(fēng)電價格和發(fā)電權(quán)交易單價曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)電廠預(yù)調(diào)度與價格曲線Figure 3 Wind power plant pre-dispatch and its price curve

4.2 算例仿真結(jié)果分析

4.2.1 各情景風(fēng)電消納率

各情景下自備電廠企業(yè)對風(fēng)電廠預(yù)調(diào)度后剩余功率的消納情況如表1所示。情景1中自備電廠與風(fēng)電廠未進行替代交易，自備電廠企業(yè)對風(fēng)電消納率為0；情景2中自備電廠與風(fēng)電廠進行了替代交易，在風(fēng)電廠預(yù)調(diào)度后，自備電廠企業(yè)對風(fēng)電廠剩余功率的消納率平均值為0.632；情景3中在加入電加熱裝置供熱后，解耦了自備電廠機組熱電運行約束，對風(fēng)電廠預(yù)調(diào)度后的剩余功率的消納率平均值為0.977。通過對比可知，本文所提方法可以有效地促進自備電廠企業(yè)參與市場，參與風(fēng)電消納，實現(xiàn)電能清潔替代。

表1 各情景下自備電廠企業(yè)風(fēng)電率消納Table 1 Wind power absorptive rate of self-contained power plant under different scenarios

4.2.2 各情景運行成本

各情景下自備電廠運行成本如表2所示，可知在調(diào)度周期內(nèi)，情景2、3相比于情景1，總成本分別降低了2.38%、7.40% ；燃煤成本分別降低了2.49%、10.51% ；風(fēng)電廠收益分別增加了40 338、66 000元。在降低自備電廠運行成本的同時，減少了燃煤的消耗，增加了風(fēng)電的上網(wǎng)空間，具有較大的社會經(jīng)濟效益。

表2 各情景下自備電廠運行成本Table 2 Operation cost of self-contained power plant under different scenarios 元

4.2.3 各情景電、熱功率平衡

情景1在調(diào)度周期內(nèi)，自備電廠與風(fēng)電廠未實施短時間尺度發(fā)電權(quán)交易，自備電廠主營企業(yè)內(nèi)部的電負荷、熱負荷僅由自備電廠機組提供，如圖4所示。

圖4 電、熱功率平衡(情景1)Figure 4 Electricity and heating power balance(Scenario 1)

結(jié)合表1、2數(shù)據(jù)分析，受熱電機組“以熱定電”約束，機組出力情況要時刻根據(jù)生產(chǎn)線的熱負荷變化，機組自主供電調(diào)節(jié)能力較差，自備電廠機組單一供應(yīng)企業(yè)電、熱負荷，機組耗煤量較大，所交發(fā)電附加費用較多，因此運行成本較高。該情景下自備電廠沒有與風(fēng)電廠進行發(fā)電權(quán)交易來參與消納風(fēng)電，則風(fēng)電廠的棄風(fēng)量也會較高。

情景2下電、熱功率平衡如圖5所示，可知風(fēng)電廠與自備電廠共同承擔(dān)企業(yè)的電負荷，熱負荷僅由自備電廠機組承擔(dān)，即圖5中的自備電廠機組熱出力曲線與熱負荷曲線重合。

圖5 電、熱功率平衡(情景2)Figure 5 Electricity and heating power balance(Scenario 2)

結(jié)合表1、2數(shù)據(jù)分析，在01:00—08:00、23:00—24:00風(fēng)電廠存在棄風(fēng)，此時自備電廠將發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓給風(fēng)電廠，利用風(fēng)電供電成本相比自備電廠發(fā)電成本要低，可以降低自備電廠企業(yè)用能成本，自備電廠有動力參與風(fēng)電消納。但是受制于機組熱電約束，需要優(yōu)先滿足企業(yè)生產(chǎn)線上的供熱需求，此時機組會有必發(fā)電功率，剩余的電功率缺額再利用風(fēng)電供應(yīng)，消納風(fēng)電的范圍有一定限制。

情景3下電負荷由自備電廠與風(fēng)電廠承擔(dān)，企業(yè)的熱負荷則由自備電廠單一供應(yīng)變?yōu)殡娂訜嵫b置與自備電廠機組共同承擔(dān)，如圖6所示。

圖6 電、熱功率平衡(情景3)Figure 6 Electricity and heating power balance(Scenario 3)

結(jié)合表1、2數(shù)據(jù)分析，與情景2相同，只有在01:00—08:00、23:00—24:00風(fēng)電廠存在棄風(fēng)，且在這些時段自備電廠與風(fēng)電廠進行交易可以降低企業(yè)用能成本。加入電加熱裝置聯(lián)合參與供熱后，電加熱裝置不僅作為電負荷增大風(fēng)電的消納量，同時電加熱裝置承擔(dān)部分供熱任務(wù)，降低熱電機組的熱出力，發(fā)電功率也隨之減少，為風(fēng)電騰讓了更多的上網(wǎng)空間。

4.2.4 未來風(fēng)電與自備電廠發(fā)電權(quán)交易的發(fā)展

仿真結(jié)果表明，自備電廠轉(zhuǎn)讓發(fā)電權(quán)給風(fēng)電廠的時段主要集中在系統(tǒng)用電谷值時期。通過分析，當(dāng)自備電廠消納風(fēng)電的成本低于自發(fā)自用成本時，就會傾向選擇轉(zhuǎn)讓發(fā)電權(quán)給風(fēng)電廠。特別是未來隨著現(xiàn)貨市場的深入發(fā)展，交易時間尺度越密集，在按小時的分時電價下，自備電廠與風(fēng)電廠的發(fā)電權(quán)交易會更加的靈活與頻繁。當(dāng)出現(xiàn)更大的峰谷電價差，發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓的單價差也將隨之變化，在谷值時期自備電廠更加傾向轉(zhuǎn)讓發(fā)電權(quán)給風(fēng)電廠；峰值時期，發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓的單價也會更高，若風(fēng)力資源還有富余，自備電廠同樣會傾向?qū)l(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓給風(fēng)電廠，若風(fēng)力資源不足，自備電廠則可以多發(fā)電，參與系統(tǒng)調(diào)峰，并獲得相關(guān)收益。未來隨著市場機制更加完善，對參與市場的主體管理更規(guī)范，自備電廠與風(fēng)電廠實行發(fā)電權(quán)交易，將會豐富交易機制在現(xiàn)實中的應(yīng)用。

5 結(jié)語

以中國當(dāng)前市場交易機制為基礎(chǔ)，自備電廠參與短時間尺度內(nèi)促進風(fēng)電消納的替代交易模式, 利用電加熱裝置消耗風(fēng)電參與聯(lián)合供熱，可以促進風(fēng)電消納，實現(xiàn)電能清潔替代。

在系統(tǒng)棄風(fēng)時段，自備電廠與風(fēng)電廠實行發(fā)電權(quán)替代交易，自備電廠減少燃煤消耗，獲得發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓收益，降低了運行成本；風(fēng)電廠增大上網(wǎng)電量，減少棄風(fēng)。

隨著自備電廠參與市場交易的政策、技術(shù)發(fā)展完善，考慮市場價格和風(fēng)功率隨機性，則自備電廠參與發(fā)電權(quán)交易和消納風(fēng)電的研究和應(yīng)用更有意義。