含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

0含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)屋頂發(fā)電是一種技術(shù)成熟的可支配能源發(fā)電形式，在世界各國(guó)引起了迅速發(fā)展。由于目前在風(fēng)電出力的間歇性和反調(diào)峰特性以及預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和蓄能技術(shù)上的制約,風(fēng)電接入給基于電源可控性和負(fù)荷可預(yù)測(cè)性的發(fā)電計(jì)劃制定帶來了挑戰(zhàn)。如何制定科學(xué)、合理的含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度計(jì)劃,促進(jìn)電力系統(tǒng)的節(jié)能減排和風(fēng)電發(fā)展,成為研究熱點(diǎn)。目前,對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的研究主要集中在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)和調(diào)度模型等方面,而對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式的適用性分析和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的研究則較少。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了適用于風(fēng)電運(yùn)行管理的扁平化調(diào)度模式;文獻(xiàn)分別從風(fēng)電出力特性的角度和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度提出了5種風(fēng)電計(jì)劃的編制模式。但上述文獻(xiàn)均未構(gòu)建調(diào)度模型和提出經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo),也沒有對(duì)不同調(diào)度模式進(jìn)行量化比對(duì)分析,所述調(diào)度模式的適用性有待進(jìn)一步探討。此外,現(xiàn)有含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式的優(yōu)化模型研究多基于發(fā)電能耗最小的目標(biāo),卻很少計(jì)及風(fēng)電接入后引起機(jī)組啟停所增能耗的影響。文獻(xiàn)針對(duì)風(fēng)電接入電網(wǎng)后調(diào)度面臨的節(jié)能降耗與風(fēng)電利用效率之間的矛盾,建立了計(jì)及風(fēng)電接納能力的電網(wǎng)調(diào)度決策模型,但也未考慮風(fēng)電接入后火電機(jī)組啟停的影響。在中國(guó),隨著小火電機(jī)組的關(guān)停,火電機(jī)組以大容量、高參數(shù)的機(jī)組為主,啟停能耗普遍較高,不考慮機(jī)組啟停狀態(tài)變化,難以客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)能耗的影響。在上述背景下,本文分別以棄風(fēng)量最小和能耗最小為目標(biāo)函數(shù)建立相應(yīng)的機(jī)組組合模型,研究了含風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo),并通過對(duì)10機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的定量計(jì)算,分析了2種發(fā)電調(diào)度模式的經(jīng)濟(jì)性。1基于區(qū)塊法的能源規(guī)劃模式和模型及其解決方案1.1基于電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)劃模式1網(wǎng)發(fā)電企業(yè)《可再生能源法(修正案)》指出:全額保障性收購(gòu)電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)符合并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電量,發(fā)電企業(yè)有義務(wù)配合電網(wǎng)企業(yè)保障電網(wǎng)安全。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電而言,即在保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況下,盡可能接納風(fēng)電,使風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的棄風(fēng)量最小,本文將其簡(jiǎn)稱為棄風(fēng)量最小調(diào)度模式。2低系統(tǒng)煤耗的概念以系統(tǒng)煤耗最小為目標(biāo)的傳統(tǒng)調(diào)度方式能夠最大化降低系統(tǒng)煤耗,符合節(jié)能發(fā)電調(diào)度的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)原則。按能耗最小調(diào)度模式進(jìn)行風(fēng)電調(diào)度就是在保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況下,使電力系統(tǒng)的化石能源消耗量最小。1.2基于風(fēng)力系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)劃模型1風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行耗量模型基于能耗最小的風(fēng)電調(diào)度模型中,目標(biāo)函數(shù)是調(diào)度周期內(nèi)火電機(jī)組的運(yùn)行能耗和啟停能耗最小。minF=Τ∑t=1Ν∑i=1minF=∑t=1T∑i=1NUi,tOCi(Pi,t)+Ui,t(1-Ui,t-1)SCi,t(1)式中:T為時(shí)段數(shù);N為火電機(jī)組數(shù);Ui,t為機(jī)組i在時(shí)段t的運(yùn)行狀態(tài)變量,Ui,t=0表示停機(jī),Ui,t=1表示運(yùn)行;Pi,t為火電機(jī)組i在時(shí)段t的功率變量;OCi(Pi,t)為運(yùn)行機(jī)組的運(yùn)行耗量,一般表示為機(jī)組功率的二次函數(shù),即OCi(Pi,t)=aiP2i,t2i,t+biPi,t+ci,其中ai,bi,ci為運(yùn)行耗量參數(shù);SCi,t為機(jī)組i在時(shí)段t的啟動(dòng)耗量,與停機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短相關(guān)?；跅夛L(fēng)量最小的風(fēng)電調(diào)度模型中,目標(biāo)函數(shù)是調(diào)度周期內(nèi)在可能棄風(fēng)的情況下風(fēng)電的實(shí)際被調(diào)用量最大,即minΤ∑t=1Ν∑i=1(Ui,tΟCi(Ρi,t)+Ui,t(1-Ui,t-1)SCi,t)+βΤ∑t=1(Ρ*W,t-ΡW,t)(2)min∑t=1T∑i=1N(Ui,tOCi(Pi,t)+Ui,t(1?Ui,t?1)SCi,t)+β∑t=1T(P?W,t?PW,t)(2)式中:PW,t為時(shí)段t風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際被調(diào)用的風(fēng)電功率總量;P*W,t為時(shí)段t風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)可被調(diào)度的風(fēng)電功率總量;β為優(yōu)先系數(shù),數(shù)倍于火電系統(tǒng)總煤耗的最大值。2機(jī)組1515火電機(jī)組容量約束:Ui,tPi,min≤Pi≤Ui,tPi,max(3)最小啟停時(shí)間約束:{(Ui,t-1-Ui,t)(Τi,t-1-Τi,on)≥0(Ui,t-Ui,t-1)(Τi,t-1-Τi,off)≥0(4)爬坡率約束:{Ρi,t-1-Ρi,t≤ΔΡi,downΡi,t-Ρi,t-1≤ΔΡi,up(5)式中:Pi,min和Pi,max分別為機(jī)組i的最小和最大出力;Ti,on和Ti,off分別為機(jī)組i的最小連續(xù)運(yùn)行和停機(jī)時(shí)間;ΔPi,up和ΔPi,down分別為機(jī)組i的上、下爬坡限制。32風(fēng)能機(jī)組技術(shù)的限制實(shí)際調(diào)用的風(fēng)電電量約束:0≤PW,t≤P*W,t(6)4含風(fēng)電系統(tǒng)能耗最小調(diào)度模型功率平衡約束:Ν∑i=1Ui,tΡi,t+ΡW,t=ΡL,t(7)式中:PL,t為時(shí)段t系統(tǒng)的負(fù)荷需求。旋轉(zhuǎn)備用約束:{Ν∑i=1Ui,t(ΡUi,t-Ρi,t)≥ΡLut+AUSR,tΝ∑i=1Ui,t(Ρi,t-ΡDi,t)≥ADSR,t(8)式中:PUi,t和PDi,t分別為機(jī)組i在時(shí)段t的最大可用出力和最小可用出力;PLut為未納入風(fēng)電時(shí)系統(tǒng)需要的上旋轉(zhuǎn)備用量,一般取為系統(tǒng)負(fù)荷的5%～10%;AUSR,t和ADSR,t分別為由于風(fēng)電接入而增加的上、下旋轉(zhuǎn)備用量,由風(fēng)電備用比例系數(shù)r與PW,t相乘得到,其中r一般取0.1～0.2。系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量與調(diào)用風(fēng)電量相關(guān),當(dāng)2種模式的風(fēng)電調(diào)用量不同時(shí),系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量大小不一致(備用設(shè)置的合理性分析見附錄A)。目標(biāo)函數(shù)(式(1))和約束(式(3)—式(8))組成了含風(fēng)電系統(tǒng)能耗最小調(diào)度模型;目標(biāo)函數(shù)(式(2))和約束(式(3)—式(8))組成了含風(fēng)電系統(tǒng)棄風(fēng)量最小調(diào)度模型。1.3基于mip的機(jī)組優(yōu)化計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度模型是一個(gè)多變量、非線性、混合整數(shù)規(guī)劃問題。當(dāng)前,基于分支定界算法的混合整數(shù)規(guī)劃(MIP)商業(yè)軟件在一定程度上已具備解決大規(guī)模優(yōu)化問題的能力,因此,通過巧妙構(gòu)建MIP模型并采用商業(yè)軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,已成為求解機(jī)組優(yōu)化問題的主要方法。鑒于此,本文參照文獻(xiàn)的方法,對(duì)模型的目標(biāo)函數(shù)及約束條件進(jìn)行線性化處理,將其轉(zhuǎn)換成線性混合整數(shù)的形式,直接對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)能耗最小調(diào)度模型和棄風(fēng)量最小調(diào)度模型進(jìn)行求解。2風(fēng)電企業(yè)受益電力系統(tǒng)接入并消納風(fēng)電,一方面有利于電力系統(tǒng)的節(jié)能減排,另一方面風(fēng)電企業(yè)也因此受益。因此,本文從風(fēng)電企業(yè)的發(fā)電收益和電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性2個(gè)角度建立相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度模式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析。2.1風(fēng)電利用率由于國(guó)內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)價(jià)格執(zhí)行標(biāo)桿電價(jià),實(shí)際被調(diào)用的風(fēng)電越多,風(fēng)力發(fā)電企業(yè)獲利越多。風(fēng)電的利用率η定義為某一調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)中被調(diào)用的風(fēng)電總量與風(fēng)電企業(yè)可發(fā)的風(fēng)電總量的比值:η=Τ∑t=1ΡW,tΤ∑t=1Ρ*W,t(9)從式(9)可知,某種調(diào)度模式下風(fēng)電利用率越高,表明實(shí)際調(diào)用的風(fēng)電量越大,風(fēng)電企業(yè)的收益越多。2.2耗水平等監(jiān)測(cè)在不同的調(diào)度模式下,風(fēng)電的利用率、系統(tǒng)的能耗水平等不盡相同。為了表征不同調(diào)度模式對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)度效果的影響,本文提出了可用風(fēng)電的單位價(jià)值、系統(tǒng)能耗、系統(tǒng)調(diào)峰能力3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。1系統(tǒng)總煤耗與風(fēng)電單位價(jià)值風(fēng)電對(duì)于火電系統(tǒng)的價(jià)值主要體現(xiàn)在節(jié)約系統(tǒng)總煤耗上。定義無風(fēng)電接入時(shí)系統(tǒng)總煤耗與風(fēng)電接入后系統(tǒng)總煤耗之差為風(fēng)電價(jià)值CV,則系統(tǒng)中可用風(fēng)電的單位價(jià)值C可以用式(10)表示。某種調(diào)度模式下可用風(fēng)電的單位價(jià)值越大,則風(fēng)電的利用效率越高,該調(diào)度模式對(duì)降低系統(tǒng)能耗的效果越明顯。C=CVΤ∑t=1Ρ*W,t(10)2能耗差異率指標(biāo)某一調(diào)度周期內(nèi),火電系統(tǒng)的能耗主要由火電機(jī)組的運(yùn)行能耗和啟停能耗組成。運(yùn)行能耗OC、啟停能耗SC、總能耗TC的計(jì)算表達(dá)式如下:ΟC=Τ∑t=1Ν∑i=1aiΡ2i,t+biΡi,t+ci(11)SC=Τ∑t=1Ν∑i=1SCi,t(12)TC=OC+SC(13)為體現(xiàn)不同調(diào)度模式的能耗差異程度,本文給出了能耗差異率指標(biāo)γ,即棄風(fēng)量最小調(diào)度模式的能耗TC1與能耗最小調(diào)度模式的能耗TC2的差值與能耗最小模式的能耗比值,如式(14)所示。能耗差異率越大,則2種調(diào)度模式下系統(tǒng)的能耗差距越大。γ=ΤC1-ΤC2ΤC2(14)3低壓系統(tǒng)的調(diào)峰技術(shù)文獻(xiàn)指出:國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題主要集中在負(fù)荷低谷時(shí)段,風(fēng)電接入系統(tǒng)后,由于風(fēng)電出力的波動(dòng)性和反調(diào)峰性,系統(tǒng)的低谷調(diào)峰問題更加突顯?；痣姍C(jī)組的調(diào)峰能力越充足,則電力系統(tǒng)由于調(diào)峰問題遭受的經(jīng)濟(jì)損失期望值越小,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性越好。系統(tǒng)低谷下調(diào)峰能力PR,t計(jì)算如下:ΡR,t=Ν∑i=1(Ρi,t-ΡDi,t)(15)3模型比較分析3.1能耗最小調(diào)度模式當(dāng)系統(tǒng)的風(fēng)電接入量較少時(shí),2種調(diào)度模式均全額接納風(fēng)電,優(yōu)化調(diào)度模型一致,故結(jié)果也應(yīng)相同;當(dāng)風(fēng)電接入量增加到一定值時(shí),雖然棄風(fēng)量最小調(diào)度模式仍能全額接納風(fēng)電,但能耗最小調(diào)度模式為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗最小則可能出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性棄風(fēng),顯然能耗最小調(diào)度模式的節(jié)能效果比棄風(fēng)量最小調(diào)度模式好;當(dāng)風(fēng)電接入量繼續(xù)增加,棄風(fēng)量最小調(diào)度模式為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行不得不選擇棄風(fēng)(本文稱為技術(shù)性棄風(fēng)),而能耗最小調(diào)度模式則存在技術(shù)棄風(fēng)和經(jīng)濟(jì)棄風(fēng),但火電機(jī)組還存在一定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化空間,故兩者的調(diào)度效果存在差異,但較前一種情況的差異會(huì)小些;最終風(fēng)電接入量增加到某個(gè)限值后,能耗最小調(diào)度模式下火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化空間接近于0,2種調(diào)度模式的棄風(fēng)量接近,此時(shí)2種調(diào)度模式的調(diào)度效果將趨于一致。3.2計(jì)算與分析3.2.1未納入風(fēng)電時(shí)的旋轉(zhuǎn)備用取本文采用10機(jī)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,10臺(tái)機(jī)組參數(shù)、負(fù)荷等數(shù)據(jù)見文獻(xiàn),未納入風(fēng)電時(shí)的旋轉(zhuǎn)備用取系統(tǒng)總負(fù)荷的10%,風(fēng)電備用比例系數(shù)取0.1。國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)24時(shí)段可用風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值如表1所示,后續(xù)分析中的增加風(fēng)電接入量水平均以此風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)值Pe為基準(zhǔn)成倍數(shù)增加。3.2.2計(jì)算示例驗(yàn)證1圖1:美國(guó)統(tǒng)一機(jī)制下的“兩網(wǎng)”2種模式在不同風(fēng)電接入水平下,風(fēng)電的利用率曲線如圖1所示?？芍?棄風(fēng)量最小調(diào)度模式的風(fēng)電利用率整體上大于能耗最小調(diào)度模式的風(fēng)電利用率,故棄風(fēng)量最小調(diào)度模式下風(fēng)電被調(diào)用量較多,風(fēng)電企業(yè)的收益較多。2種調(diào)度模式下風(fēng)電機(jī)組單位價(jià)值的對(duì)比2種調(diào)度模式下可用風(fēng)電的單位價(jià)值如圖2所示?？捎蔑L(fēng)電的單位價(jià)值均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),表明2種模式下可用風(fēng)電的單位價(jià)值存在一個(gè)極值點(diǎn),使單位風(fēng)電降低系統(tǒng)能耗的效果最佳。同時(shí),隨著風(fēng)電接入的增加,2種調(diào)度模式的可用風(fēng)電單位價(jià)值的大小呈現(xiàn)出先一致,然后差異增大,最后趨于一致。這是由于當(dāng)風(fēng)電接入量較少時(shí),2種調(diào)度模式都能全額接納風(fēng)電,調(diào)度效果一致;隨著系統(tǒng)風(fēng)電接入量增加,能耗最小調(diào)度模式下火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化空間先增大后變小,最后接近于0?？梢?算例仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論一致。3啟停機(jī)能耗對(duì)比不考慮火電機(jī)組啟停能耗,2種調(diào)度模式下系統(tǒng)運(yùn)行能耗水平如圖3所示。棄風(fēng)量最小調(diào)度模式的運(yùn)行能耗整體上大于能耗最小調(diào)度模式的運(yùn)行能耗。當(dāng)風(fēng)電接入水平超過某一臨界值時(shí),棄風(fēng)量最小調(diào)度模式為了最大限度地接納風(fēng)電,導(dǎo)致通過風(fēng)電節(jié)約的煤耗量無法彌補(bǔ)由于火電機(jī)組偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域而增加的煤耗,而能耗最小調(diào)度模式會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臈夛L(fēng),保證系統(tǒng)的能耗最小。考慮火電機(jī)組的啟停能耗,不同風(fēng)電接入水平下,2種調(diào)度模式的總能耗如表2所示,啟停能耗、運(yùn)行能耗如圖4所示?？芍?①棄風(fēng)量最小調(diào)度模式下的啟停能耗高于能耗最小調(diào)度模式,這是由于棄風(fēng)量最小調(diào)度模式為最大限度地接納風(fēng)電導(dǎo)致頻繁啟停機(jī)組,而能耗最小調(diào)度模式可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臈夛L(fēng)避免頻繁啟停機(jī)組以保證整體能耗最小;②棄風(fēng)量最小調(diào)度模式的運(yùn)行能耗低于能耗最小調(diào)度模式,這是由于棄風(fēng)量最小調(diào)度模式中有些機(jī)組頻繁啟停,導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間開機(jī)的機(jī)組所帶負(fù)荷較大,更接近于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn),降低了運(yùn)行能耗;③結(jié)合表2的2種調(diào)度模式的系統(tǒng)總能耗數(shù)據(jù)和①,②的分析說明,棄風(fēng)量最小調(diào)度模式相對(duì)于能耗最小調(diào)度模式,所節(jié)約的運(yùn)行能耗不足以抵消由于機(jī)組頻繁啟停而增加的啟停能耗。隨著國(guó)內(nèi)關(guān)停小火電政策的落實(shí)和節(jié)能發(fā)電調(diào)度的推進(jìn),大容量、高啟停能耗的大火電機(jī)組將逐步承擔(dān)起以前小機(jī)組所肩負(fù)的調(diào)峰任務(wù)。為模擬這一變化帶來的影響,本文將算例中機(jī)組3—機(jī)組10的啟停機(jī)能耗水平增加到原來的20倍。不同火電機(jī)組啟停機(jī)能耗水平下,2種調(diào)度模式的能耗差異率變化曲線如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)的火電機(jī)組啟停機(jī)能耗較高時(shí),2種模式的能耗差異率較系統(tǒng)火電機(jī)組啟停機(jī)能耗較低時(shí)要大得多。由于國(guó)內(nèi)發(fā)電資源以大容量火電機(jī)組為主,故大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后采用能耗最小調(diào)度模式時(shí),系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。4能耗最小調(diào)度模式2種模式下系統(tǒng)的下調(diào)峰容量如圖6所示。負(fù)荷低谷時(shí)期,能耗最小調(diào)度模式的系統(tǒng)下調(diào)峰容