基于隨機(jī)生產(chǎn)模擬的火電靈活性改造容量規(guī)劃
徐昊亮1，靳攀潤(rùn)1，姜繼恒2，魯宗相2，喬穎2
（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院；2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系））
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2020年第4期“電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的目標(biāo)、戰(zhàn)略及技術(shù)選擇”專題，歡迎點(diǎn)擊品讀。本文受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助。
文章導(dǎo)讀
近年來(lái)，中國(guó)“三北”地區(qū)頻發(fā)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，系統(tǒng)內(nèi)靈活調(diào)節(jié)資源缺乏，尤其日內(nèi)調(diào)峰能力不足是其關(guān)鍵原因之一?；I措靈活性資源成為解決問題的核心途徑，在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，火電靈活性改造的可行性最高。然而，系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)需求隨風(fēng)光電源、負(fù)荷和電網(wǎng)運(yùn)行特性動(dòng)態(tài)變化而難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而目前的調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制以機(jī)組少發(fā)電量作為費(fèi)用核算標(biāo)準(zhǔn)，因此，靈活性改造的需求和收益都存在很大的不確定性，火電廠易陷入過(guò)度投資或無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)的兩難抉擇而延遲乃至放棄改造。因此，如何根據(jù)精細(xì)成本和中長(zhǎng)期電量評(píng)估科學(xué)規(guī)劃靈活性改造容量，成為地區(qū)能源管理部門和火電廠公共關(guān)注的關(guān)鍵問題。不同于常規(guī)電源規(guī)劃，靈活性改造容量規(guī)劃是既有電源的二次規(guī)劃，其邊界條件更為嚴(yán)苛，必須計(jì)入負(fù)荷、可再生能源以及常規(guī)電源運(yùn)行特性，同時(shí)考慮市場(chǎng)環(huán)境的影響。因此，常規(guī)規(guī)劃方法難以直接應(yīng)用，靈活性規(guī)劃需要在更為精細(xì)的成本分析基礎(chǔ)上，建立一套考慮系統(tǒng)中長(zhǎng)期概率特性的模型。
研究成果
1、建立了靈活性改造廣義成本模型，綜合考慮火電機(jī)組靈活改造成本、深度調(diào)峰市場(chǎng)交易成本、改造后售電收益損失、煤耗增加成本和系統(tǒng)棄電成本。在此基礎(chǔ)上提出了靈活改造容量規(guī)劃模型。
2、基于隨機(jī)生產(chǎn)模擬算法綜合考慮負(fù)荷波動(dòng)、可再生能源發(fā)電特性以及其它火電改造程度對(duì)機(jī)組發(fā)電量的影響，分析了靈活性改造后火電發(fā)電變化并給出了年度尺度下的靈活性改造廣義成本計(jì)算方法。
主要內(nèi)容
01、總體規(guī)劃思路
本文聚焦非供熱火電機(jī)組降低最低穩(wěn)定功率的靈活性改造，最低穩(wěn)定功率降低幅值即為增加的靈活性容量。本文總體研究框架如圖1所示。優(yōu)化變量為各臺(tái)火電機(jī)組的改造容量，優(yōu)化目標(biāo)為在計(jì)算周期內(nèi)所有火電機(jī)組的靈活性改造廣義成本之和最小，約束條件為各臺(tái)機(jī)組改造容量技術(shù)上限。
? 圖1 靈活性改造容量規(guī)劃的總體框架
優(yōu)化目標(biāo)中，靈活性改造的設(shè)備更新等投資成本和調(diào)峰輔助交易成本反映電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性；售電收益損失和發(fā)電成本增量反映發(fā)電商的經(jīng)濟(jì)性并兼顧環(huán)境效益等外部因素。優(yōu)化過(guò)程中，首先建模各類成本與發(fā)電量的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)隨機(jī)生產(chǎn)模擬技術(shù)求解靈活性改造前后的機(jī)組發(fā)電量變化，從而得到廣義成本各部分費(fèi)用與各機(jī)組改造容量間的量化關(guān)系。利用遺傳算法求解以上優(yōu)化模型，獲得靈活性改造容量的規(guī)劃結(jié)果。
02、中長(zhǎng)期電量—成本模型
優(yōu)化目標(biāo)中，除改造成本與改造容量這一優(yōu)化變量直接相關(guān)外，其它四項(xiàng)成本均為電量的函數(shù)，如表1所示。筆者注意到，在年度尺度下建立優(yōu)化變量與電量間的函數(shù)關(guān)系較為困難，基于多場(chǎng)景的逐時(shí)刻生產(chǎn)模擬獲得結(jié)果可信度較低，因此，本項(xiàng)工作的核心為在中長(zhǎng)期尺度下構(gòu)建電量—成本計(jì)算模型。
利用隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，本文建立發(fā)電量與機(jī)組改造容量關(guān)系模型，對(duì)火電機(jī)組靈活性改造前后的系統(tǒng)分別進(jìn)行發(fā)電量估算，具體計(jì)算流程可參見原文。
通過(guò)隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法可計(jì)算獲得機(jī)組不同容量下的發(fā)電量，如圖2所示。假設(shè)某區(qū)域中有N臺(tái)非供熱火電機(jī)組，對(duì)第i臺(tái)機(jī)組，圖2 (a)為其靈活性改造前的發(fā)電生產(chǎn)情況，其最低穩(wěn)定功率容量部分承擔(dān)B1區(qū)域電量，可調(diào)節(jié)容量部分承擔(dān)C1部分電量。當(dāng)該區(qū)域內(nèi)火電經(jīng)過(guò)靈活性改造，機(jī)組的發(fā)電安排情況有所變化，如圖2 (b)所示。因此，圖中E1、E2部分表征機(jī)組i的深度調(diào)峰補(bǔ)償電量，其數(shù)值可由容量規(guī)劃模型中的優(yōu)化變量表示。其它成本項(xiàng)中的相關(guān)電量也可由類似方法獲得。
? 圖2 火電機(jī)組靈活性改造前后生產(chǎn)模擬承擔(dān)負(fù)荷示意圖
03、仿真算例
文章基于北方某區(qū)域電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含11臺(tái)不同容量的火電機(jī)組和一處等效風(fēng)電場(chǎng)的算例系統(tǒng)。假定不同單位棄電量成本下進(jìn)行規(guī)劃計(jì)算，得到11臺(tái)機(jī)組的改造方案如表2所示。該結(jié)果說(shuō)明改造容量分配方案基本滿足“大容量機(jī)組優(yōu)先”原則，660MW、350MW、330MW機(jī)組為主要改造機(jī)組。
? 表2 各類成本影響因素及含義
在不同單位棄風(fēng)成本下，計(jì)算獲得廣義成本最小時(shí)的火電機(jī)組改造總?cè)萘亢拖到y(tǒng)棄電率（下稱“最優(yōu)棄電率”），結(jié)果如圖3所示。由圖可知，當(dāng)單位棄電成本大于0.5元/kWh時(shí)，靈活性改造容量為正，說(shuō)明靈活性改造能夠減少?gòu)V義成本。
? 圖3 不同單位棄電成本下的系統(tǒng)最優(yōu)方案
04、結(jié)論
本文所提模型旨在解決區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)多臺(tái)非供熱火電機(jī)組的靈活性改造容量?jī)?yōu)化規(guī)劃問題，通過(guò)成本建模與優(yōu)化求解給出了各臺(tái)機(jī)組最優(yōu)改造方案。經(jīng)計(jì)算分析，可知經(jīng)濟(jì)性最佳的靈活性改造順序?yàn)榇笕萘繖C(jī)組優(yōu)先，能夠有效減少大機(jī)組承擔(dān)的系統(tǒng)基荷電量，增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)峰能力。當(dāng)新能源電價(jià)低于0.5元/kWh時(shí)，在綜合考慮棄風(fēng)損失、改造成本等費(fèi)用的情況下，火電靈活性改造不具備正效益，靈活改造僅在一定的新能源電價(jià)范圍內(nèi)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
本文引文信息
徐昊亮，靳攀潤(rùn)，姜繼恒，等. 基于隨機(jī)生產(chǎn)模擬的火電靈活性改造容量規(guī)劃[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2020，3(4)：393-403.
XU Haoliang, JIN Panrun, JIANG Jiheng, et al. Capacity optimal plan of thermal power flexibility transformation based on probabilistic production simulation[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(4): 393-403(in Chinese).
研究團(tuán)隊(duì)
清華大學(xué)電機(jī)系魯宗相副教授課題組致力于電力系統(tǒng)靈活性、可靠性、可再生電源發(fā)電預(yù)測(cè)、優(yōu)化運(yùn)行等領(lǐng)域的研究。發(fā)表論文150余篇，其中SCI收錄24篇，EI收錄100余篇。中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)CSCD收錄155篇論文，H指數(shù)為21，總被引1987篇次。2007、2014年2次獲得領(lǐng)跑者5000論文獎(jiǎng)，1篇論文獲中國(guó)科技期刊2016年度優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，1篇論文獲中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)2018年度優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)。
