李雄威，顧佳偉，王 昕，徐家豪，李庚達(dá)，王文彬

（1.國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209；2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京市 102206）

0 引言

近年來，隨著我國風(fēng)電、光伏發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模不斷增長，新能源并網(wǎng)消納面臨較大挑戰(zhàn)[1，2]?；痣娮鳛槲覈髁﹄娫矗渖疃日{(diào)峰是促進(jìn)新能源消納的重要手段。抽水蓄能電站作為目前最具經(jīng)濟(jì)性的大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施，具有運(yùn)行靈活、清潔高效的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提升新能源的消納能力也具有重要作用[3，4]。

針對(duì)火電、抽水蓄能與新能源的多能互補(bǔ)問題，國內(nèi)外學(xué)者已開展一些研究。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了抽水蓄能-風(fēng)-光-火聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，得到多種工作場(chǎng)景下日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。文獻(xiàn)[6]建立了風(fēng)光水火蓄聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)春夏秋冬4個(gè)典型日進(jìn)行仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了含風(fēng)光水氣火蓄的多能源電力系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法。

然而，上述文獻(xiàn)只考慮火電基本調(diào)峰過程。本文建立火電全過程調(diào)峰成本，構(gòu)建了考慮火電深度調(diào)峰的風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型。通過對(duì)某夏冬典型日進(jìn)行仿真計(jì)算，得到風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，并研究抽水蓄能對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

1 火電機(jī)組深度調(diào)峰成本計(jì)算模型

為應(yīng)對(duì)大規(guī)模具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的新能源并網(wǎng)，火電機(jī)組將面臨深度調(diào)峰運(yùn)行新工況，需要建立考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的成本計(jì)算方法?；痣姍C(jī)組的調(diào)峰過程根據(jù)其出力狀態(tài)，分為基本調(diào)峰階段和深度調(diào)峰階段。而深度調(diào)峰階段按照調(diào)峰深度與燃燒介質(zhì)又分為投油深度調(diào)峰階段和不投油深度調(diào)峰階段，如圖1所示。其中，Pmax為機(jī)組出力最大值，Pmin為基本調(diào)峰階段機(jī)組出力最小值，Pb為不投油深度調(diào)峰階段機(jī)組出力最小值，Pa為投油深度調(diào)峰階段機(jī)組出力最小值。

圖1 火電機(jī)組調(diào)峰階段示意圖Figure 1 Schematic diagram of the peak shaving stage of thermal power units

對(duì)于基本調(diào)峰階段，火電機(jī)組的調(diào)峰成本主要包括燃料成本和啟停成本，一般采用二次方公式對(duì)煤耗與運(yùn)行負(fù)荷的關(guān)系進(jìn)行擬合。因而火電機(jī)組調(diào)峰成本為：

式中： Ng——火電機(jī)組總臺(tái)數(shù)；

w——燃煤?jiǎn)蝺r(jià)；

ai、bi、ci——第i臺(tái)火電機(jī)組的煤耗系數(shù)；

T——調(diào)度周期；

ugit——t時(shí)段火電機(jī)組i的啟停狀態(tài)變量，ugit=1表示機(jī)組i處于開機(jī)狀態(tài)，ugit=0表示機(jī)組i處于關(guān)停狀態(tài)；

機(jī)組運(yùn)行在深度調(diào)峰階段時(shí)，火電機(jī)組運(yùn)行煤耗會(huì)有較大增加[8]。為了考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行工況對(duì)煤耗的影響，對(duì)于深度調(diào)峰階段，引入火電機(jī)組出力的三次方函數(shù)描述火電機(jī)組的燃料成本，公式如下：

2 風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為了降低系統(tǒng)削峰填谷成本，以系統(tǒng)調(diào)峰成本最小為目標(biāo)，即：

2.2 約束條件

2.2.1 火電機(jī)組約束

2.2.3 抽水蓄能電站約束

（1）抽水蓄能電站出力約束。

（2）水庫能量平衡約束。

設(shè)抽水蓄能轉(zhuǎn)換效率為 ηG，取75%，單日水庫總能量保持平衡，即抽水蓄能機(jī)組抽發(fā)平衡（其發(fā)電量等于抽水電量的75%）：

式中：TG——抽水蓄能發(fā)電工況運(yùn)行時(shí)間段。

2.2.4 系統(tǒng)功率平衡約束

不考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗條件下，風(fēng)電、光伏、火電與抽水蓄能出力之和等于實(shí)時(shí)負(fù)荷，即

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

本文針對(duì)含高比例新能源的風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度研究。風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中，風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量為800MW，光伏電站的裝機(jī)容量為700MW；火電機(jī)組的裝機(jī)容量為1000MW，參與深度調(diào)峰，調(diào)峰深度為額定容量的30%；抽水蓄能電站的裝機(jī)容量為300MW。

圖2 風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure diagram of wind-photovoltaic-thermalpumped storage combined power generation system

算例選取某夏日和冬日作為負(fù)荷典型日，并以1h為1個(gè)調(diào)度時(shí)段。典型日負(fù)荷、風(fēng)電及光伏發(fā)電的出力預(yù)測(cè)曲線及凈負(fù)荷曲線如圖3所示。由圖3（a）可知，夏日負(fù)荷在全天波動(dòng)較大，負(fù)荷峰谷差為372.67MW，負(fù)荷波動(dòng)方差為17412.99MW2。由于風(fēng)電出力的反調(diào)峰性及光伏出力的大幅變化，導(dǎo)致凈負(fù)荷具有更大波動(dòng)，凈負(fù)荷峰谷差達(dá)到655.77MW，負(fù)荷波動(dòng)方差為43307.36MW2。由圖3（b）可知，冬日負(fù)荷在全天也具有明細(xì)波動(dòng)性，負(fù)荷峰谷差為305.53MW，負(fù)荷波動(dòng)方差為8503.85MW2。由于風(fēng)電出力的反調(diào)峰性及光伏發(fā)電出力的大幅變化，導(dǎo)致凈負(fù)荷具有更大波動(dòng)，凈負(fù)荷峰谷差達(dá)到574.68MW，負(fù)荷波動(dòng)方差為26015.07MW2。由此可知，風(fēng)電及光伏發(fā)電的出力波動(dòng)給火電機(jī)組調(diào)峰帶來較大困難。

圖3 風(fēng)電預(yù)測(cè)出力、光伏預(yù)測(cè)出力及典型日負(fù)荷和凈負(fù)荷曲線Figure 3 Wind power forecasting output，photovoltaic forecasting output and typical daily load and net load curves

為驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化調(diào)度模型的有效性，針對(duì)夏日 和冬日兩個(gè)負(fù)荷典型日進(jìn)行仿真計(jì)算，建立以下3種調(diào)度模型進(jìn)行對(duì)比分析。模型1：以風(fēng)光出力最大為優(yōu)化目標(biāo)，風(fēng)、光、火聯(lián)合運(yùn)行，無抽水蓄能。模型2：以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，風(fēng)、光、火聯(lián)合運(yùn)行，無抽水蓄能。模型3：系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，抽水蓄能、風(fēng)、光、火聯(lián)合運(yùn)行（本文模型）。在Matlab環(huán)境中通過YALMIP工具箱調(diào)用CPLEX求解器對(duì)3種優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解。

3.2 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

夏季典型日三種不同模型的輸出功率如圖4所示。模型1以風(fēng)電、光伏聯(lián)合出力最大為優(yōu)化目標(biāo)，不考慮抽水蓄能，通過火電機(jī)組深度調(diào)峰和快速變負(fù)荷運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)“削峰填谷”，如圖4（a）所示。模型2以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，不考慮抽水蓄能，在凈負(fù)荷的“低谷時(shí)段”通過棄風(fēng)棄光，火電機(jī)組由深度調(diào)峰改善為基本調(diào)峰，如圖4（b）所示。模型3以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮抽水蓄能，在凈負(fù)荷的“低谷時(shí)段”通過抽水蓄能電站啟動(dòng)水泵抽水進(jìn)行儲(chǔ)能，火電機(jī)組由深度調(diào)峰改善為基本調(diào)峰，如圖4（c）所示。

圖4 夏季典型日三種模型的輸出功率Figure 4 Output power of the three models on a typical day in summer

夏季典型日三種模型的優(yōu)化結(jié)果如表1所示。由表1可知，模型1以風(fēng)電、光伏聯(lián)合出力最大的優(yōu)化目標(biāo)，棄電率為0，但由于不考慮抽水蓄能，凈負(fù)荷波動(dòng)方差和峰谷差沒有改善?；痣姍C(jī)組需要進(jìn)行不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰，導(dǎo)致運(yùn)行成本最高，達(dá)到482.81萬元。模型2以凈負(fù)荷波動(dòng)最小為優(yōu)化目標(biāo)，凈負(fù)荷波動(dòng)方差和凈負(fù)荷峰谷差降低，使得火電機(jī)組的運(yùn)行成本降低，但由于不考慮抽水蓄能，出現(xiàn)了明顯的棄風(fēng)棄光，新能源棄電率達(dá)到12.41%。模型3以凈負(fù)荷波動(dòng)最小為優(yōu)化目標(biāo)，由于儲(chǔ)能參與調(diào)節(jié)，棄電率為0，凈負(fù)荷波動(dòng)方差和凈負(fù)荷峰谷差也明顯下降，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本最低，為377.23萬元。

表1 夏季典型日三種模型的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Table 1 Optimal scheduling results of three models for typical days in summer

冬季典型日三種不同模型的輸出功率如圖5所示。同樣，模型1以風(fēng)電、光伏聯(lián)合出力最大為優(yōu)化目標(biāo)，通過火電機(jī)組深度調(diào)峰和快速變負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光的全額消納，如圖5（a）所示。模型2以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，通過棄風(fēng)棄光，火電機(jī)組在部分時(shí)段的調(diào)峰深度得以改善，如圖5（b）所示。模型3以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，抽水蓄能在凈負(fù)荷的“低谷時(shí)段”輔助火電機(jī)組調(diào)峰，火電機(jī)組運(yùn)行在基本調(diào)峰階段，如圖5（c）所示。

圖5 冬季典型日三種模型的輸出功率Figure 5 Output power of the three models on a typical day in winter

冬季典型日三種模型的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。由表2可知，模型1以風(fēng)電、光伏聯(lián)合出力最大的優(yōu)化目標(biāo)，棄電率為0，但凈負(fù)荷波動(dòng)方差和峰谷差沒有改善?；痣姍C(jī)組需要進(jìn)行不投油深度調(diào)峰，導(dǎo)致運(yùn)行成本最高，達(dá)到470.89萬元。模型2以凈負(fù)荷波動(dòng)最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過棄風(fēng)棄光降低凈負(fù)荷波動(dòng)方差和凈負(fù)荷峰谷差，使得火電機(jī)組的運(yùn)行成本降低。相比于夏季典型日，由于凈負(fù)荷波動(dòng)方差和凈負(fù)荷峰谷差較低，新能源棄電率有所降低，達(dá)到7.37%。模型3以凈負(fù)荷波動(dòng)最小為優(yōu)化目標(biāo)，由于儲(chǔ)能參與調(diào)節(jié)，棄電率為0，凈負(fù)荷波動(dòng)方差和凈負(fù)荷峰谷差最低，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本最低，為348.85萬元。

表2 冬季典型日三種模型的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Table 2 Optimal scheduling results of three models for typical winter days

4 結(jié)論

本文建立了火電機(jī)組全過程調(diào)峰成本計(jì)算方法，構(gòu)建了考慮火電深度調(diào)峰的風(fēng)光火蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型。對(duì)某夏冬典型日的優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行求解，并與不考慮抽水蓄能的風(fēng)光火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行比較，研究抽水蓄能對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的影響。結(jié)果表明，本文所建立的模型能夠?qū)Σ煌湫腿盏娘L(fēng)光火蓄優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行求解；通過抽水蓄能的調(diào)節(jié)作用，能夠減少棄風(fēng)棄光，平抑凈負(fù)荷波動(dòng)，從而緩解火電機(jī)組的調(diào)峰壓力降低，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。