含抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度與效益分析

李浩閃，李燕青

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

抽水蓄能電站作為電力蓄能裝置，具有啟停迅速、工況轉(zhuǎn)換靈活等熱點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相、備用、黑啟動(dòng)等作用，在我國(guó)抽水蓄能電站的發(fā)展也受到越來(lái)越多的重視。然而，抽水蓄能電站由于在抽水發(fā)電過(guò)程中存在能量損失，需要對(duì)其進(jìn)行全面的效益評(píng)估，避免能量浪費(fèi)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)阻礙其發(fā)展。隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，電力系統(tǒng)對(duì)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行了越來(lái)越多的研究［1－2］。文獻(xiàn)［3］提出了較為全面的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是沒(méi)有對(duì)抽水蓄能電站的環(huán)境效益做出具體計(jì)算。文獻(xiàn)［4－5］從抽水蓄能電站施工的角度分析了對(duì)環(huán)境的影響。文獻(xiàn)［6］利用“有無(wú)對(duì)比”的方法，對(duì)抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益進(jìn)行了建模和計(jì)算。但是以上文獻(xiàn)都未從調(diào)度的角度研究抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。

本文針對(duì)抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的價(jià)值合理評(píng)估問(wèn)題，在抽水蓄能機(jī)組采用兩部制電價(jià)(電量電價(jià)加容量電價(jià))基礎(chǔ)上［7］，構(gòu)建了含抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，分析了抽水蓄能機(jī)組在調(diào)度中的作用以及抽水發(fā)電的合理性。

1 抽水蓄能電價(jià)機(jī)制

1.1 容量電價(jià)

為了保證抽水蓄能電站的投資回報(bào)和還貸能力，抽水蓄能電站的容量收入包括電廠的固定成本和還貸利潤(rùn)。電站的利潤(rùn)來(lái)自提供的容量和電量服務(wù)，因此將資本利潤(rùn)按照一定的比例納入容量費(fèi)用中，同時(shí)需要考慮稅金收入。

式中:Rc為容量收入;Cd為固定成本;T為稅金及附加;B為利潤(rùn)收入;N為抽水蓄能機(jī)組的可用容量;Pc為容量電價(jià)。

固定成本(Cd)=財(cái)務(wù)費(fèi)用+固定資產(chǎn)折舊+

固定修理費(fèi)+(管理費(fèi)用+

材料費(fèi)+其他費(fèi)用)×P+

保險(xiǎn)費(fèi)+攤銷費(fèi)+

職工工資和福利費(fèi)×P1

稅金及附加(T)=所得稅+城市建設(shè)維護(hù)稅+

教育費(fèi)附加合理利潤(rùn)收入(B)=

換代利潤(rùn)+資本金利潤(rùn)(R)×

分配系數(shù)(P2)

1.2 電量電價(jià)

電量電價(jià)主要包含抽水費(fèi)用和補(bǔ)償電廠的可變運(yùn)行費(fèi)用。

式中:Re為容量收入;Cv為可變運(yùn)行成本;Te為可變稅金及附加;B為利潤(rùn)收入;Pcp為抽水電價(jià);Pcg為發(fā)電電價(jià);Qpp為抽水電量;Qpg為發(fā)電電量。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)度建模

2.1 目標(biāo)函數(shù)

在抽水蓄能電站兩部制電價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入環(huán)境名義補(bǔ)償成本，將環(huán)境經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)意義上的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題。抽水蓄能電站并網(wǎng)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)是使電網(wǎng)的總購(gòu)電成本最小，即

式中:F為購(gòu)電費(fèi)用;T為調(diào)度時(shí)刻數(shù);N為火電機(jī)組的數(shù)量;FGit為第i個(gè)火電機(jī)組t時(shí)刻的購(gòu)電費(fèi)用;rc為折合到調(diào)度時(shí)間段內(nèi)的抽水蓄能容量費(fèi)用;Pppt為t時(shí)刻抽水蓄能的抽水功率;Ppgt表示抽水蓄能機(jī)組抽水蓄能機(jī)組t時(shí)刻發(fā)電功率。式中:Foit表示機(jī)組i在t時(shí)刻的運(yùn)行成本;Frit表示機(jī)組i在t時(shí)刻的環(huán)境補(bǔ)償成本;Poit表示機(jī)組i在t時(shí)刻不計(jì)環(huán)境名義補(bǔ)償成本的價(jià)格;Prt為t時(shí)刻火電機(jī)組的環(huán)境補(bǔ)償價(jià)格;αi、βi、γi、ξi、λi為機(jī)組的廢氣排放系數(shù)。

2.2 約束條件

系統(tǒng)功率平衡的約束為

式中:Ppt表示抽水蓄能機(jī)組的功率;PDt表示t時(shí)刻系統(tǒng)的負(fù)荷值。

系統(tǒng)備用約束為

式中:PGmaxi表示火電機(jī)組i最大發(fā)電功率;PpG表示抽水蓄能機(jī)組的最大發(fā)電功率;βD分別表示負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)。式(1)表示系統(tǒng)的備用容量滿足負(fù)荷波動(dòng)需求。

火電機(jī)組爬坡速率的約束為

式中:UGi、DGi表示機(jī)組i相鄰時(shí)段出力容許的出力上升值和出力下降值。

機(jī)組出力約束為

式中，PGmini表示火電機(jī)組i最小發(fā)電功率。

抽水蓄能機(jī)組抽水功率的約束為

式中:PP表示抽水蓄能機(jī)組的最大抽水功率;Pppt表示抽水蓄能機(jī)組t時(shí)刻的抽水功率。

抽水蓄能機(jī)組蓄能量的約束為

式中:Et+1、Et分別表示抽水蓄能機(jī)組在t+1和t時(shí)刻的儲(chǔ)能量;Δt表示時(shí)間間隔;ηp表示水泵抽水效率;ηh表示水泵發(fā)電的效率;Ppgt表示抽水蓄能機(jī)組抽水蓄能機(jī)組t時(shí)刻發(fā)電功率;Emax表示抽水蓄能機(jī)組的最大蓄能量。

抽水蓄能機(jī)組發(fā)電功率約束為

式中:PG表示抽水蓄能機(jī)組最大發(fā)電功率。

2.3 模型的求解

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是一種基于種群的智能算法，越來(lái)越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題求解中。針對(duì)粒子群算法在尋優(yōu)過(guò)程中易于陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題，本文采用引入粒子濃度認(rèn)知的粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解［8］。借鑒人工免疫算法中抗體基于個(gè)體適應(yīng)度和濃度的繁殖策略，增加粒子的多樣性，改善粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)的缺陷。具體算法步驟參考文獻(xiàn)［8］。

3 算例分析

以文獻(xiàn)［9］的10機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，機(jī)組數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)參見文獻(xiàn)［9］，系統(tǒng)的負(fù)荷備用取為5%。抽水蓄能電站的最大蓄能量為800 MW·h，最大發(fā)電功率為120 MW，最大抽水功率為最大發(fā)電功率的Ch倍(Ch為比例系數(shù)［2］，對(duì)于抽水蓄能電站一般取1.0～1.2，這里取1.2)，水庫(kù)1 d的初始蓄能量為0 MW·h。取 ηp=0.8，則由 ηg= ηhηp，ηg為抽水發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率取為0.75，ηh=0.9375。抽水蓄能機(jī)組的容量電價(jià)為125.4萬(wàn)元/(MW·a)，電量電價(jià)為0.042萬(wàn)元/MW。各單位時(shí)間t內(nèi)火電機(jī)組的環(huán)境名義補(bǔ)償價(jià)格為0.004萬(wàn)元/t。粒子群算法的規(guī)模為100，迭代次數(shù)為2000次。運(yùn)行粒子群算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，得到抽水蓄能機(jī)組的調(diào)度結(jié)果如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機(jī)組的出力Fig.1 Output of pumped－storage plant

抽水蓄能機(jī)組在負(fù)荷低谷時(shí)段抽水，高峰時(shí)段發(fā)電。負(fù)荷低谷時(shí)火電機(jī)組的排污量較小，高峰時(shí)排污量大，環(huán)境補(bǔ)償成本大，火電機(jī)組的煤耗成本與環(huán)境名義補(bǔ)償成本之和高于抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電成本，抽水蓄能機(jī)組具有競(jìng)爭(zhēng)力。抽水蓄能機(jī)組通過(guò)低谷抽水高峰發(fā)電，以低成本(包括煤耗成本和環(huán)境名義補(bǔ)償成本)的火電出力(低谷時(shí)段)替代部分高成本的火電出力(高峰時(shí)刻)，說(shuō)明盡管抽水發(fā)電過(guò)程中存在能量損失，但是仍然能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。抽水蓄能機(jī)組在負(fù)荷高峰時(shí)刻的發(fā)電位置最高，從而起到調(diào)峰的作用，緩解火電機(jī)組的調(diào)峰壓力。抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行前后負(fù)荷的變化情況如圖2所示。D0表示原負(fù)荷，D1表示抽水蓄能機(jī)組調(diào)峰后的等效負(fù)荷。由此說(shuō)明了抽水蓄能機(jī)組在環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度中低谷抽水高峰發(fā)電運(yùn)行時(shí)，不僅能夠削峰填谷，減小系統(tǒng)調(diào)峰壓力，而且能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 原負(fù)荷與抽水蓄能削峰填谷后的負(fù)荷Fig.2 Original load and load after load shifting of pumped－storage

各火電機(jī)組的出力情況如圖3所示。

圖3 火電機(jī)組的出力Fig.3 Output of thermal units

由機(jī)組參數(shù)可知，機(jī)組7和機(jī)組9的燃料成本較其他機(jī)組要高，但是安裝了污染物治理裝置后，排污性能較好。在考慮環(huán)境補(bǔ)償成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度條件下，高峰時(shí)刻機(jī)組7和機(jī)組9仍然得到較大的調(diào)度權(quán)。機(jī)組10雖然燃料成本較低，但是其排污性能差，在負(fù)荷高峰時(shí)刻的調(diào)度量較小。因此在環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度情況下，機(jī)組可以通過(guò)降低煤耗和減小污染物排放兩種途徑獲得較高的調(diào)度權(quán)。

4 結(jié)論

1)抽水蓄能電站在環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度中通過(guò)低谷抽水高峰發(fā)電，不僅能夠削峰填谷，減小火電機(jī)組的調(diào)峰壓力，而且能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，體現(xiàn)了抽水蓄能機(jī)組在調(diào)度中的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2)解決了抽水蓄能機(jī)組抽水發(fā)電過(guò)程中由于存在能量損失造成的年利用小時(shí)數(shù)少和得不到合理調(diào)度的問(wèn)題。

3)模型為抽水蓄能機(jī)組的調(diào)度提供了一種新策略，同時(shí)與傳統(tǒng)的低谷抽水高峰發(fā)電調(diào)度策略能夠取得較好的銜接，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)也說(shuō)明傳統(tǒng)調(diào)度策略的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

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