杜善周，黃涌波，劉瑞平，韓碩，唐建玲，劉緒斌，吳晉波

(1．神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2．中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3．國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

0 引言

在我國(guó)推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，單一種類能源的利用已受到多方掣肘，建設(shè)高效、靈活的綜合能源體系將成為能源發(fā)展的重點(diǎn)[1]。因此，越來(lái)越多的新能源接入到微電網(wǎng)中，微電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。而新能源發(fā)電的不確定性給微電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)了較大的沖擊，單靠火電機(jī)組調(diào)節(jié)難以平抑新能源接入帶來(lái)的波動(dòng)。在我國(guó)的“三北”地區(qū)，火電機(jī)組類型多為熱電機(jī)組，熱電機(jī)組電功率調(diào)節(jié)能力受限，導(dǎo)致新能源就地消納形勢(shì)嚴(yán)峻。

負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)是實(shí)現(xiàn)源荷協(xié)調(diào)互補(bǔ)、新能源充分消納的有效途徑。電解鋁負(fù)荷具有高耗能、功率密集、熱慣性大及可控性高等特點(diǎn)，是一種典型的柔性負(fù)荷，可以參與微電網(wǎng)系統(tǒng)需求響應(yīng)[2]。電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活性[3-5]。而且，相比火電機(jī)組，電解鋁負(fù)荷響應(yīng)速度更快，可以縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，適用于跟蹤具有不確定性的新能源波動(dòng)[6-7]。但現(xiàn)有的文獻(xiàn)多集中在研究電解鋁負(fù)荷參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制方法[8-9]，對(duì)電解鋁負(fù)荷參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度涉及較少。文獻(xiàn)[10]針對(duì)風(fēng)電的不確定性和傳統(tǒng)火電的調(diào)節(jié)能力有限的問(wèn)題，提出了電解鋁負(fù)荷參與電力系統(tǒng)需求響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[11]提出了考慮電解鋁負(fù)荷提供輔助服務(wù)的機(jī)組承諾模型。文獻(xiàn)[12]針對(duì)電力系統(tǒng)成本和電解鋁企業(yè)收益問(wèn)題提出了雙層優(yōu)化調(diào)度模型來(lái)指導(dǎo)電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)。以上研究都是基于電解鋁企業(yè)和電力系統(tǒng)源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化的角度考慮的，而一般的電解鋁廠都配有自備火電廠，形成孤立控制的工業(yè)微電網(wǎng)，這也是本文的研究對(duì)象。但電解鋁生產(chǎn)工藝過(guò)程復(fù)雜，鋁電解槽受溫度影響大，電解槽內(nèi)部溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電解槽腐蝕或電解質(zhì)凝固，這些問(wèn)題限制了電解鋁負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的能力，因此，如何在保證電解鋁生產(chǎn)安全的情況下充分挖掘電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)的潛力是目前研究的一個(gè)難點(diǎn)。另外，目前對(duì)于電解鋁負(fù)荷建模多采用有限元方法，難以應(yīng)用到一般微電網(wǎng)調(diào)度中。

在微電網(wǎng)中，為應(yīng)對(duì)光伏或風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的不確定性，常采用多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度策略。多時(shí)間尺度調(diào)度包括日前調(diào)度和日內(nèi)調(diào)度，通過(guò)滾動(dòng)修正、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可以有效跟蹤負(fù)荷變化，提高電網(wǎng)適應(yīng)風(fēng)電出力不確定性的能力[13-14]。文獻(xiàn)[15]根據(jù)電力系統(tǒng)源荷兩側(cè)的調(diào)節(jié)特性，引入了需求響應(yīng)機(jī)制，建立了含光熱-風(fēng)電的電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度的調(diào)度模型。文獻(xiàn)[16]考慮到風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差給系統(tǒng)調(diào)度帶來(lái)的困難，提出了考慮負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)的日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，提高了系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力。文獻(xiàn)[17]針對(duì)風(fēng)電消納問(wèn)題，提出了電熱聯(lián)合調(diào)度策略，將不同類型柔性負(fù)荷作為需求響應(yīng)資源，以系統(tǒng)成本最小構(gòu)建了日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)3個(gè)不同時(shí)間尺度的調(diào)度模型。雖然目前國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度的研究，但很多都是針對(duì)電動(dòng)汽車或用戶側(cè)負(fù)荷等常見(jiàn)的柔性負(fù)荷提出的多時(shí)間尺度滾動(dòng)協(xié)調(diào)策略，對(duì)于電解鋁工業(yè)負(fù)荷參與系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化的研究很少，缺乏在“雙碳”政策背景下電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)的孤島微電網(wǎng)多時(shí)間尺度的具體調(diào)度模型。

因此，本文提出考慮鋁電解槽內(nèi)部能量約束的電解鋁負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度建模方法，在規(guī)避電解鋁生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，充分挖掘電解鋁負(fù)荷參與系統(tǒng)源荷協(xié)調(diào)的潛力，有效平抑孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率波動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，提出電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)的日前-日內(nèi)多時(shí)間尺度的孤島微電網(wǎng)能量管理方法。利用電解鋁負(fù)荷功率調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，在日內(nèi)時(shí)間尺度上實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)新能源的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效消納新能源，降低運(yùn)行成本。

1 孤島微電網(wǎng)源荷調(diào)度模型

1.1 孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)源側(cè)包括納米碳?xì)淙剂蠠犭姍C(jī)組和光伏發(fā)電機(jī)組，其中，光伏裝機(jī)容量占比大；荷側(cè)包括電解鋁負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷、可中斷負(fù)荷和其他負(fù)荷，其中電解鋁負(fù)荷占系統(tǒng)總負(fù)荷的絕大部分，是本文的主要研究對(duì)象和可調(diào)節(jié)資源。熱電機(jī)組的熱功率主要用于生產(chǎn)氧化鋁，因此不考慮熱電機(jī)組熱功率調(diào)節(jié)部分。由于該孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)新能源滲透率高，熱電機(jī)組電功率調(diào)節(jié)有限，導(dǎo)致系統(tǒng)棄光嚴(yán)重，如何挖掘電解鋁負(fù)荷的調(diào)節(jié)潛力，充分消納新能源是本文的研究重點(diǎn)。具體的孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中chp為熱電聯(lián)(combined heat and power，以下簡(jiǎn)稱“chp”)。

鋁產(chǎn)品是通過(guò)電解槽電解氧化鋁得到的，具體的電解鋁生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖1 孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 電解鋁生產(chǎn)工藝流程

1.2 熱電機(jī)組模型

熱電機(jī)組通常分為背壓式熱電機(jī)組和抽凝式熱電機(jī)組兩種類型[13]，其中，抽凝式熱電機(jī)組是我國(guó)熱電機(jī)組發(fā)展的重點(diǎn)，該機(jī)組可以同時(shí)滿足電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求，但由于其電出力和熱出力存在一定的耦合關(guān)系，機(jī)組的電出力調(diào)節(jié)能力受限。為實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組的熱電解耦，通常將熱電機(jī)組與其他類型機(jī)組或設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行。

熱電機(jī)組i總輸出功率可表示為：

Pi,t=Pe,i,t+cv,iPh,i,t

(1)

式中：Pi,t為第i熱電機(jī)組在t時(shí)段輸出的總功率；Pe,i,t為第i熱電機(jī)組在t時(shí)段輸出的電功率；Ph,i,t為第i熱電機(jī)組在t時(shí)段輸出的熱功率；cv,i為第i熱電機(jī)組的電熱特性系數(shù)。

熱電機(jī)組煤耗成本Cchp可表示為：

Di(Pe,i,t)2+EiPe,i,tPh,i,t+Fi(Ph,i,t)2]

(2)

式中：λfule表示煤價(jià)格；Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi都是熱電機(jī)組i的煤耗系數(shù)。

熱電機(jī)組碳排放量Echp可用下式計(jì)算得到：

(3)

1.3 電解鋁負(fù)荷模型

通常情況下，電解鋁負(fù)荷功率工作在最大值，以保證鋁產(chǎn)量最高、鋁產(chǎn)品利潤(rùn)最大。但電解鋁負(fù)荷屬于柔性負(fù)荷，具有調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)容量大等優(yōu)點(diǎn)，一般調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到±20%，因此，電解鋁負(fù)荷可以參與系統(tǒng)需求響應(yīng)，向系統(tǒng)提供能量響應(yīng)，充分消納光伏，給系統(tǒng)帶來(lái)一部分經(jīng)濟(jì)效益。在本文中，電解鋁消耗的電能來(lái)源于自備火電廠的熱電機(jī)組和光伏發(fā)電站。

1)電解鋁廠收益主要來(lái)自鋁產(chǎn)品，獲得的利潤(rùn)A，可表示如下：

(4)

式中：l為電解槽的系列編號(hào)；L為電解槽系列總數(shù)；t為調(diào)度時(shí)段編號(hào)；T為總調(diào)度時(shí)段；D為每噸電解鋁產(chǎn)品獲得的利潤(rùn)，元/t；Pl,t為電解槽系列l(wèi)在t時(shí)段的電功率；k為生產(chǎn)每噸電解鋁產(chǎn)品所消耗的電量系數(shù)，一般為13 500 kW·h/t。

2)在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，氧化鋁、陽(yáng)極炭塊等原材料需要不斷加入電解槽，還需要耗費(fèi)一定的人工，總的生產(chǎn)成本Y可簡(jiǎn)化認(rèn)為與產(chǎn)鋁量成正比，可表示如下：

(5)

式中：Cy表示經(jīng)過(guò)折合后的每噸鋁生產(chǎn)成本系數(shù)。

3)電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)可以為系統(tǒng)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收益M，用一個(gè)能量響應(yīng)價(jià)格Ce來(lái)評(píng)估電解鋁負(fù)荷向系統(tǒng)提供能量響應(yīng)獲得的經(jīng)濟(jì)效益，可表示如下：

(6)

式中：Pl,max為電解鋁負(fù)荷的最大值。

4)電解鋁廠提供需求響應(yīng)需要設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，假定電解鋁提供系統(tǒng)需求響應(yīng)所需要的運(yùn)行維護(hù)成本R為提供響應(yīng)能量的二次函數(shù)，表示如下[4]：

(7)

式中：N為該成本的二次項(xiàng)系數(shù)。

5)在鋁行業(yè)中氧化鋁和電解鋁是主要的碳排放環(huán)節(jié)，為方便分析，只考慮電解鋁的碳排放成本。電解鋁碳排放來(lái)源主要包括碳陽(yáng)極消耗、電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的陽(yáng)極效應(yīng)和電力消耗導(dǎo)致的碳排放[18]。其中，電力消耗導(dǎo)致的碳排放已在上文敘述。

作為電解鋁原材料的碳陽(yáng)極消耗導(dǎo)致的碳排放量EC可表示如下[19]：

(8)

(9)

式中：Fc為碳陽(yáng)極消耗的二氧化碳排放因子；Cc為生產(chǎn)每噸鋁的電解槽碳陽(yáng)極消耗量；Sc為碳陽(yáng)極平均含硫量；Ac為碳陽(yáng)極平均灰分含量。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的推薦值，Cc為0.42，Sc為2%，Ac為0.4%。

電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致溫室氣體產(chǎn)生，產(chǎn)生的碳排放量Ecf可表示為[19]：

(10)

式中：6 500、9 200分別為CF4和C2F6的溫室效應(yīng)折算指數(shù)；FCF4為CF4排放因子；FC2F6為C2F6排放因子。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的推薦值，F(xiàn)CF4為0.034 kg/t，F(xiàn)C2F6為0.003 4 kg/t。

綜上所述，孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)總碳排放成本C總為：

C總=τ(Ec+Ecf+Echp)

(11)

式中：τ為碳排放價(jià)格系數(shù)，元/t。

2 日前-日內(nèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度策略

為減小光伏預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，制定出與光伏實(shí)際出力配合度更高的調(diào)度計(jì)劃。采用日前-日內(nèi)多時(shí)間尺度的調(diào)度方法，利用電解鋁負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，在日內(nèi)時(shí)間尺度實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)光伏功率變化，提高孤島微網(wǎng)光伏利用率。

日前調(diào)度優(yōu)化是指在系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)劃前一天，進(jìn)行光伏和負(fù)荷預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，得出機(jī)組的運(yùn)行計(jì)劃，日前調(diào)度計(jì)劃通常是在執(zhí)行前一天完成，調(diào)度總時(shí)長(zhǎng)為24 h。本文制定的日前單位調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為1 h，共有24個(gè)調(diào)度時(shí)段。日內(nèi)調(diào)度是在系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)劃前一段短時(shí)間內(nèi)，根據(jù)最新光伏、負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行多次滾動(dòng)調(diào)度，調(diào)整日前計(jì)劃數(shù)據(jù)。本文的日內(nèi)調(diào)度時(shí)段周期制定為6 h，每隔1 h更新一次，即第一次滾動(dòng)調(diào)度周期為1～6 h，第二次滾動(dòng)調(diào)度周期為2～7 h，以此類推，一共需要完成19次調(diào)度；最后的6 h只調(diào)度一次，取15 min為一個(gè)調(diào)度時(shí)段，這樣每個(gè)調(diào)度周期有24個(gè)調(diào)度時(shí)段，與日前調(diào)度一致。具體的日前、日內(nèi)調(diào)度方法如圖3和圖4所示。

圖3 孤島微電網(wǎng)調(diào)度流程

圖4 多時(shí)間尺度調(diào)度策略

2.2 日前調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

日前調(diào)度以孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，目標(biāo)函數(shù)如下：

(12)

式中：F1為日前調(diào)度目標(biāo)函數(shù)；T1為日前調(diào)度時(shí)段總數(shù)；Cpw為熱電機(jī)組單位功率維護(hù)成本系數(shù)，元/MW；Pload,t為t時(shí)段內(nèi)切負(fù)荷量；Clcut為切負(fù)荷懲罰價(jià)格，元/MW；Cscut為棄光懲罰價(jià)格，元/MW；Psvd,t為t時(shí)段內(nèi)棄光量；Csw為光伏機(jī)組單位功率維護(hù)成本系數(shù)，元/MW；Psv,t為t時(shí)段內(nèi)光伏發(fā)電功率。

2.3 日內(nèi)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

日內(nèi)調(diào)度同樣以孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，其目標(biāo)函數(shù)可表示如下：

(13)

式中：F2為日內(nèi)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)；T2為日內(nèi)調(diào)度時(shí)段總數(shù)。

2.4 約束條件

2.4.1不計(jì)網(wǎng)損的電功率平衡約束

(14)

式中：Ld,t為孤島微電網(wǎng)動(dòng)力負(fù)荷，這里認(rèn)為保持不變；Lz,t為孤島微電網(wǎng)可中斷負(fù)荷；Lq,t為孤島微電網(wǎng)其他負(fù)荷。

2.4.2熱電機(jī)組電和熱出力約束

抽凝式熱電機(jī)組電出力的調(diào)節(jié)范圍會(huì)受到熱出力的制約，因此，熱電機(jī)組的工作區(qū)間為一個(gè)四邊形。為了保證熱電機(jī)組不超出工作范圍，需對(duì)電功率和熱功率進(jìn)行如下約束：

max(Pe,i,min-c2Ph,i,t,c3(Ph,i,t-Ph,i0))≤Pe,i,t≤

Pe,i,max-c1Ph,i,t

(15)

0≤Ph,i,t≤Ph,i,max

(16)

式中：c1、c2和c3分別為熱電機(jī)組工作運(yùn)行區(qū)間的3條曲線斜率，表征電功率和熱功率的耦合關(guān)系；Pe,i,max和Pe,i,min分別為熱電機(jī)組i熱出力為0時(shí)的最大和最小電功率；Ph,i,max為熱電機(jī)組i熱出力最大值；Ph,i0為常數(shù)，由機(jī)組特性決定。

2.4.3熱電機(jī)組爬坡約束

為了保證熱電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，熱電機(jī)組的上、下爬坡速率都不能超過(guò)一定值，上下爬坡速率限制與機(jī)組性能有關(guān)。

(17)

(18)

式中：Peup,i、Pedw,i分別表示熱電機(jī)組i在1個(gè)調(diào)度時(shí)段內(nèi)向上和向下的最大電功率爬坡功率；Phup,i、Phdw,i分別表示熱電機(jī)組i在1個(gè)調(diào)度時(shí)段內(nèi)向上和向下的最大熱功率爬坡功率。

2.4.4光伏出力約束

光伏發(fā)電受光伏電池性能、光照強(qiáng)度等因素影響，導(dǎo)致光伏輸出功率不穩(wěn)定，每個(gè)時(shí)間段光伏的實(shí)際出力不能超出該時(shí)間段光伏輸出功率的最大值。

0≤Psv,t≤Psv,t,max

(19)

式中：Psv,t,max表示光伏發(fā)電站在t時(shí)刻輸出的的最大發(fā)電功率。

2.4.5電解鋁功率約束

電解鋁負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍有限，電解鋁負(fù)荷功率過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響到電解槽的安全運(yùn)行，需要把電解鋁負(fù)荷功率限制在一定的范圍內(nèi)。

(20)

式中：Plmin為電解鋁負(fù)荷的最小運(yùn)行功率；Il,t為電解槽系列l(wèi)在時(shí)段t通入的電流強(qiáng)度；Ul為電解槽電壓，這里視為常數(shù)。

2.4.6電解鋁負(fù)荷爬坡約束

電解鋁負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，但爬坡速率不能超過(guò)一定范圍，否則會(huì)影響到電解鋁的生產(chǎn)過(guò)程。

(21)

式中：Pup,l、Pdw,l分別為電解鋁負(fù)荷功率的上、下功率限制值。

2.4.7電解槽內(nèi)部能量約束

由于鋁電解槽受溫度影響較大，為保證電解鋁的安全生產(chǎn)，在一定時(shí)間段內(nèi)需要維持電解槽的能量供應(yīng)。

(22)

式中：ηeh表示電熱轉(zhuǎn)換效率；τ表示電解槽維持熱平衡的時(shí)間，這里取4 h；Eτ,min表示在連續(xù)的τ時(shí)段內(nèi)電解槽為維持熱平衡所需的最小能量輸入。

2.4.8電解鋁日產(chǎn)量約束

電解鋁參與需求響應(yīng)會(huì)影響到鋁產(chǎn)品的產(chǎn)量，為保證電解鋁在不影響生產(chǎn)計(jì)劃的前提下參與系統(tǒng)的需求響應(yīng)，需要對(duì)鋁產(chǎn)品的日產(chǎn)量進(jìn)行一定的約束。由于電解鋁的能耗與產(chǎn)量成正比，約束可表示如下：

(23)

式中：Ed,max、Ed,min表示電解鋁日能耗的最大值和最小值，與鋁產(chǎn)品日產(chǎn)量的最大值和最小值成正比。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

以某孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)為算例進(jìn)行分析，該孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)包含2臺(tái)100 MW納米碳?xì)淙剂蠠犭姍C(jī)組、1個(gè)100 MW的光伏發(fā)電站；負(fù)荷包括電解鋁負(fù)荷(100 MW)、動(dòng)力負(fù)荷、可中斷負(fù)荷和其他負(fù)荷。由此構(gòu)成了一個(gè)光伏發(fā)電站-熱電聯(lián)產(chǎn)火電廠-鋁電解廠互聯(lián)的9節(jié)點(diǎn)孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)，如圖5所示，鋁電解槽和熱電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

圖5 9節(jié)點(diǎn)孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)

表1 熱電機(jī)組參數(shù) MW

表2 電解槽參數(shù)

3.2 日前調(diào)度結(jié)果

通過(guò)MATLAB軟件編寫相關(guān)的模型程序，再調(diào)用Cplex求解器求解，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 源荷平衡圖

圖7 各負(fù)荷功率情況

由圖6和圖7可知，2臺(tái)熱電機(jī)組電出力較為平穩(wěn)，當(dāng)光伏出力增加時(shí)，熱電機(jī)組出力才會(huì)隨之減少，使負(fù)荷優(yōu)先消納光伏。電解鋁負(fù)荷功率調(diào)節(jié)范圍為±20%，電解鋁負(fù)荷參與系統(tǒng)需求響應(yīng)后，當(dāng)光伏出力最大時(shí)，為充分消納光伏，電解鋁負(fù)荷功率也會(huì)逐漸上升到最大值，此時(shí)熱電機(jī)組電出力最小。

圖8為電解鋁負(fù)荷的響應(yīng)量情況，可以看出，電解鋁負(fù)荷隨著光伏波動(dòng)而調(diào)整功率。在光伏出力為0 MW時(shí)段，電解鋁負(fù)荷下降到最小值，功率維持穩(wěn)定；在光伏出力較大時(shí)段，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用電解鋁負(fù)荷來(lái)消納光伏。

圖8 電解鋁負(fù)荷響應(yīng)量

為了方便分析，本文設(shè)計(jì)兩個(gè)方案。方案1：電解鋁負(fù)荷不參與需求響應(yīng)，一直維持在額定功率值。方案2：電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)，電解鋁負(fù)荷功率調(diào)節(jié)范圍為±20%。

表3為系統(tǒng)各項(xiàng)成本與收益情況，由表3可知，孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)一天凈收益為200多萬(wàn)元，方案1的煤耗成本、棄光成本及碳排放成本都比方案2高，尤其是棄光成本。這是因?yàn)楫?dāng)電解鋁負(fù)荷維持在額定功率不變時(shí)，孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)電力需求是比較穩(wěn)定的，熱電機(jī)組電出力也有一定的下限值，在光照充足、光伏發(fā)電量比較大的情況下，系統(tǒng)無(wú)法充分消納，最終會(huì)導(dǎo)致大量棄光。電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)后，可以根據(jù)光伏出力大小調(diào)節(jié)電解鋁負(fù)荷功率，這樣可以最大程度消納光伏，減少熱電機(jī)組煤耗成本，增加系統(tǒng)收益，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

表3 系統(tǒng)各項(xiàng)成本與收益情況 萬(wàn)元

當(dāng)碳稅價(jià)格τ=50元/t時(shí)，系統(tǒng)的碳排放情況見(jiàn)表4，方案1的熱電機(jī)組和電解鋁的碳排放量都明顯比方案2高，方案2考慮電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)后碳排放量減少了23.42%，碳減排效益明顯。這是電解鋁負(fù)荷充分消納光伏、減少熱電機(jī)組出力的結(jié)果，因此，電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)有利于孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，促進(jìn)企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

表4 系統(tǒng)碳排放量情況

圖9為碳稅價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本和凈收益的影響，由圖可知，隨著碳稅價(jià)格的上升，碳排放成本增加，系統(tǒng)的總運(yùn)行成本也增加，系統(tǒng)凈收益減少。當(dāng)碳稅價(jià)格達(dá)到200元/t時(shí)，系統(tǒng)1天凈收益只有150萬(wàn)元左右，系統(tǒng)損失較大。因此，考慮電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)，充分消納新能源，減少機(jī)組煤耗，可以降低系統(tǒng)損失。

圖9 碳稅價(jià)格對(duì)系統(tǒng)成本和收益的影響

3.3 日前-日內(nèi)調(diào)度結(jié)果

光伏出力預(yù)測(cè)誤差具有不確定性，會(huì)隨著預(yù)測(cè)時(shí)間尺度的縮短而降低，因此，日內(nèi)光伏預(yù)測(cè)誤差比日前光伏預(yù)測(cè)誤差小。假設(shè)日前光伏預(yù)測(cè)誤差為5%，日內(nèi)光伏預(yù)測(cè)誤差為2%，如圖10所示。

圖10 日前日內(nèi)光伏預(yù)測(cè)曲線

電解鋁負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，可達(dá)到±10 MW/min，因此，電解鋁負(fù)荷調(diào)度可在日內(nèi)完成。

圖11和圖12分別為孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)日前日內(nèi)源荷兩側(cè)的調(diào)度結(jié)果，從圖中可以看出，日內(nèi)調(diào)度的熱電機(jī)組電出力與電解鋁負(fù)荷功率變化趨勢(shì)和日前的相似，日內(nèi)的單位調(diào)度時(shí)段更短，調(diào)度曲線更陡。但日前調(diào)度光伏預(yù)測(cè)誤差較大，容易使日前調(diào)度計(jì)劃偏離系統(tǒng)實(shí)際需求，產(chǎn)生更多的棄光，導(dǎo)致系統(tǒng)棄光成本增加。而日內(nèi)光伏出力預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際光伏出力，因此采用多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度策略。在日前計(jì)劃的基礎(chǔ)上，先通過(guò)日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度策略對(duì)日內(nèi)剩余時(shí)段的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行滾動(dòng)修正，可以逐級(jí)減小光伏出力預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)光伏的納入能力。

(a)日前調(diào)度

(b)日內(nèi)調(diào)度

(a)日前調(diào)度

(b)日內(nèi)調(diào)度

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出面向多時(shí)間尺度的光-火-鋁孤島微電網(wǎng)綜合能量管理方法。在電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上，分析源荷調(diào)度模型，制定日前日內(nèi)多時(shí)間尺度的調(diào)度策略，構(gòu)建面向多時(shí)間尺度的光-火-鋁孤島微電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并采用Cplex求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明，考慮電解鋁負(fù)荷參與需求響應(yīng)有利于提高孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏消納率和碳減排效益；采用日前日內(nèi)多時(shí)間尺度調(diào)度策略可以減小光伏出力預(yù)測(cè)誤差造成的系統(tǒng)棄光影響，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。