農(nóng)灌負(fù)荷參與電力系統(tǒng)運(yùn)行備用的評(píng)估與分析

王宇晨 伏睿 張遠(yuǎn)哲 宮瑞邦 馮磊 程俊文 孫梟

摘要：農(nóng)業(yè)灌溉水泵的用電負(fù)荷（農(nóng)灌負(fù)荷）在時(shí)間維度上具有功率可調(diào)的特性，是電力系統(tǒng)中典型的柔性負(fù)荷。分析了農(nóng)灌負(fù)荷作為電力系統(tǒng)運(yùn)行備用資源的可行性和經(jīng)濟(jì)性。首先，建立了一種以負(fù)荷代理聚合商為中心的農(nóng)灌負(fù)荷參與電力系統(tǒng)運(yùn)行備用的控制模型，分析了其中的控制方法與商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式;然后，分別從功率和能量維度分析單臺(tái)水泵的備用潛能，進(jìn)而推導(dǎo)了水泵集群的備用能力評(píng)估方法;最后，構(gòu)建了以農(nóng)灌負(fù)荷代理聚合商收益最大化為目標(biāo)的調(diào)度優(yōu)化模型。以某地區(qū)冬小麥灌溉需求為算例的分析表明，在合理的灌溉電價(jià)、水泵數(shù)量規(guī)模下，農(nóng)灌負(fù)荷參與運(yùn)行備用實(shí)現(xiàn)了多方參與者的共贏，具備實(shí)際應(yīng)用的可行性;并且指出農(nóng)灌水泵的功率（或揚(yáng)程）、用電價(jià)格、地區(qū)的降水量是影響其運(yùn)行備用能力的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：農(nóng)灌負(fù)荷;水泵;運(yùn)行備用;負(fù)荷代理;能力評(píng)估

中圖分類號(hào)： TM732? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）15-0186-07

收稿日期：2021-06-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：62073173）;國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司科技項(xiàng)目“配網(wǎng)復(fù)雜臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別及感知調(diào)控技術(shù)研究”。

作者簡(jiǎn)介：王宇晨（1993—），男，山東文登人，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娢锫?lián)網(wǎng)分析應(yīng)用、電力需求側(cè)管理。 E-mail：yuchenwang_sgcc@163.com。

近年來，隨著我國(guó)清潔低碳安全高效能源體系的建設(shè)，大規(guī)?？稍偕茉床⑷腚娋W(wǎng)的趨勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)，以高比例可再生能源電力并入為主要特點(diǎn)的新型電力系統(tǒng)正在形成。然而，大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電出力的隨機(jī)性、不確定性卻給電網(wǎng)運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)，因此，以經(jīng)濟(jì)性方式提升電網(wǎng)運(yùn)行效率的方式方法成為熱門研究課題[1-3]。

電能的生產(chǎn)、傳輸、利用具有瞬時(shí)平衡性，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)約束，都會(huì)引起電力系統(tǒng)運(yùn)行的波動(dòng)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)僅考慮負(fù)荷側(cè)的隨機(jī)性，通過調(diào)節(jié)發(fā)電側(cè)備用資源實(shí)現(xiàn)功率平衡[4-5]。新型電力系統(tǒng)中，電源、負(fù)荷側(cè)都將出現(xiàn)很強(qiáng)的不確定性因素，需要建設(shè)更多的運(yùn)行備用資源來滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要[6-7]。目前有關(guān)的研究主要集中在大規(guī)模儲(chǔ)能、分布式儲(chǔ)能以及電力輔助交易市場(chǎng)等方面[8-10]。黃海煜等研究了我國(guó)華中電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的交易機(jī)制[11]。吳巨愛等研究了將電動(dòng)汽車作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元參與電網(wǎng)運(yùn)行備用的能力[12]。

農(nóng)灌負(fù)荷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占比最大的負(fù)荷。在我國(guó)華北、西北等地，農(nóng)業(yè)灌溉負(fù)荷的需求尤為突出。農(nóng)灌負(fù)荷雖然要適應(yīng)作物的生長(zhǎng)周期，但對(duì)實(shí)時(shí)性的要求并不突出，所以可考慮將農(nóng)灌負(fù)荷作為需求側(cè)可調(diào)資源，為電力系統(tǒng)提供運(yùn)行備用。現(xiàn)有對(duì)農(nóng)灌水泵運(yùn)行的研究側(cè)重于泵站內(nèi)水泵運(yùn)行的優(yōu)化組合與水泵控制[13-17]。在農(nóng)灌負(fù)荷與電網(wǎng)交互方面，主要集中在農(nóng)灌負(fù)荷與可再生能源出力協(xié)同，利用農(nóng)灌負(fù)荷優(yōu)化電能質(zhì)量等方面。徐慧慧等提出農(nóng)灌負(fù)荷由新能源供電的方法，以緩解地區(qū)棄風(fēng)光問題[15]。Bakelli等使用自然啟發(fā)算法優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的光伏水泵模型[16]。王亮利用AVC系統(tǒng)對(duì)農(nóng)灌負(fù)荷集中地的變電站母線電壓實(shí)時(shí)監(jiān)視，并進(jìn)行電壓質(zhì)量控制[17]。

當(dāng)前，農(nóng)灌負(fù)荷參與電力系統(tǒng)運(yùn)行備用方面的研究尚處于空白階段。如果將分散的農(nóng)灌水泵進(jìn)行集群控制，在滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求的前提下，作為電網(wǎng)運(yùn)行備用參與電網(wǎng)的有序調(diào)節(jié)，則可在需求側(cè)挖掘出一種新的備用資源。基于此，本研究給出含有農(nóng)灌負(fù)荷運(yùn)行備用的電網(wǎng)控制系統(tǒng)模型，分析農(nóng)灌負(fù)荷參與運(yùn)行備用的能力，得出運(yùn)行備用能力的評(píng)估計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，建立以農(nóng)灌負(fù)荷代理聚合商經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，考慮灌溉需求、電網(wǎng)運(yùn)行需求等為約束的優(yōu)化模型。并通過算例分析所提思路的有效性，以及影響農(nóng)灌負(fù)荷備用能力的關(guān)鍵因素。

1 農(nóng)灌負(fù)荷作為運(yùn)行備用的系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)模型

灌溉對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)至關(guān)重要，然而在不誤農(nóng)時(shí)的條件下，適當(dāng)調(diào)整灌溉的起始時(shí)間、灌溉水量，并不會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。因此，灌溉水泵的運(yùn)行負(fù)荷具有一定的可調(diào)節(jié)性。如果將區(qū)域內(nèi)分散的多臺(tái)灌溉水泵進(jìn)行有序集群控制，實(shí)現(xiàn)灌溉負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行備用。單臺(tái)水泵的功率一般在幾千瓦到幾十千瓦，接入在不同的配電臺(tái)區(qū)下。圖1給出了一種含有多臺(tái)農(nóng)灌水泵的電力控制系統(tǒng)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)農(nóng)灌負(fù)荷的集群控制。

模型以電力系統(tǒng)源端電網(wǎng)為例。系統(tǒng)電源包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和火電機(jī)組，生產(chǎn)出的電能一部分滿足本地負(fù)荷需求，另一部分外送至大電網(wǎng)。農(nóng)灌負(fù)荷屬于本地負(fù)荷，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，農(nóng)灌負(fù)荷代理將分散的農(nóng)灌負(fù)荷進(jìn)行聚合控制，并與電力交易中心、電網(wǎng)調(diào)度控制中心磋商，形成有利于電網(wǎng)運(yùn)行和可再生能源消納的農(nóng)灌水泵集群總體用電策略。同時(shí)，農(nóng)灌負(fù)荷代理根據(jù)各農(nóng)灌水泵差異化灌溉需求，合理控制灌溉開始時(shí)間、工作功率、工作時(shí)長(zhǎng)等因素，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的用電策略。

1.2 農(nóng)灌負(fù)荷特性與控制變量

農(nóng)灌負(fù)荷在時(shí)間和功率尺度上均有一定的彈性?？紤]農(nóng)作物的生產(chǎn)需求，灌溉調(diào)節(jié)存在最晚灌溉時(shí)間的限制，灌溉水量也有一定調(diào)節(jié)空間。圖2為3種能夠達(dá)到農(nóng)作物灌溉需求的水泵工作“時(shí)間-水量”路徑。對(duì)比3種灌溉模式，開啟水泵的起始時(shí)間、抽水的時(shí)長(zhǎng)、抽水的功率、抽水量均有不同，其中核心的控制因素為起始時(shí)間和運(yùn)行功率。因此，這2個(gè)變量可作為單臺(tái)灌溉水泵的控制變量。

1.3 灌溉負(fù)荷代理工作模式

實(shí)際運(yùn)行中，只有灌溉用戶接受電網(wǎng)調(diào)度，灌溉負(fù)荷才能參與到電網(wǎng)運(yùn)行備用中。灌溉負(fù)荷代理通過負(fù)荷聚合商與用戶簽訂雙邊合約獲得調(diào)度控制權(quán)。圖3為灌溉負(fù)荷聚合商在電力市場(chǎng)中參與磋商的流線，其用電策略以自身收益最大化為目標(biāo)，影響該目標(biāo)的主要環(huán)節(jié)由3部分構(gòu)成：與用戶簽訂有序用電合約的博弈環(huán)節(jié)、對(duì)農(nóng)灌水泵的用電策略優(yōu)化環(huán)節(jié)，以及在電力市場(chǎng)中的競(jìng)標(biāo)環(huán)節(jié)。與電力市場(chǎng)的合約主要包含用電電價(jià)、提供運(yùn)行備用的容量?jī)r(jià)格。與用戶的合約主要包含灌溉水量、灌溉時(shí)限、灌溉價(jià)格等，可通過灌溉價(jià)格打折模式吸引農(nóng)戶參與灌溉負(fù)荷調(diào)節(jié)。

2 農(nóng)灌負(fù)荷運(yùn)行備用能力評(píng)估方法

2.1 農(nóng)灌負(fù)荷的邊界約束

農(nóng)灌負(fù)荷作為運(yùn)行備用的能力與負(fù)荷調(diào)節(jié)彈性密切相關(guān)。負(fù)荷調(diào)節(jié)的時(shí)間裕度越大、功率調(diào)節(jié)范圍越大，彈性也就越強(qiáng)。因此，農(nóng)灌負(fù)荷參與運(yùn)行備用時(shí)有2個(gè)邊界約束：功率邊界約束和能量邊界約束。以單臺(tái)灌溉水泵的情況進(jìn)行分析推導(dǎo)。

2.1.1 功率邊界約束 功率邊界即灌溉水泵在運(yùn)行中能夠上下調(diào)節(jié)的裕度，表現(xiàn)形式如圖4所示。圖4中，p和p′分別表示不同灌溉負(fù)荷時(shí)功率可調(diào)節(jié)的范圍。定義：負(fù)荷向下調(diào)節(jié)的裕度為下備用功率，負(fù)荷向上調(diào)節(jié)的裕度為上備用功率。

灌溉負(fù)荷大小由灌溉水泵單位時(shí)間抽水量、揚(yáng)程、能量轉(zhuǎn)化系數(shù)等因素決定，其計(jì)算如式（1）所示。

P（t）=c×q（t）×hη。（1）

式中：q（t）表示灌溉水泵的抽水功率，h表示水泵的揚(yáng)程，η表示水泵系統(tǒng)總效率，c為固定常數(shù)（單位為kW·s/m4）。農(nóng)灌水泵受其自身技術(shù)參數(shù)的限制，運(yùn)行過程中有最大、最小水流量約束，如式（2）所示。qmax為水泵最大水流量。

0≤q（t）≤qmax。（2）

灌溉負(fù)荷為時(shí)變變量，上下備用功率也隨時(shí)間變化。按照?qǐng)D4和式（1），可給出灌溉負(fù)荷上下備用功率約束的表達(dá)式，分別如式（3）和式（4）所示，式（5）為灌溉負(fù)荷的約束條件。

Pcn（t）≤Pt，max-P（t）;（3）

Pcd（t）≤P（t）;（4）

0≤P（t）≤PL，max。（5）

式中：Pcu（t）表示t時(shí)刻抽水負(fù)荷的上備用容量;Pcd（t） 表示t時(shí)刻抽水負(fù)荷的下備用容量;PL，max表示水泵的最大用電功率。

2.1.2 能量邊界約束 農(nóng)灌水泵抽取水量所消耗的電量，即為灌溉負(fù)荷的能量邊界，類似于儲(chǔ)能電池剩余電量存儲(chǔ)空間。能量邊界約束也為時(shí)變變量，在一次灌溉周期中只會(huì)減?。僭O(shè)短期內(nèi)蒸發(fā)水量對(duì)灌溉需求不造成影響）。能量邊界約束的表現(xiàn)形式如圖5所示。

灌溉過程中，能量邊界隨著灌溉水量的增加而減小，當(dāng)灌溉水量達(dá)到最大值時(shí)，灌溉負(fù)荷失去對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的可調(diào)控性。從起始水量到最大水量之間，積蓄能量的計(jì)算如式（6）所示，其約束條件如式（7）所示。

Q（t）=Qstart+∫ttstartP（t）dt; （6）

Qexp≤Q（t）≤Qmax。（7）

式中：Q（t）表示抽水積蓄的等效電量;Qstart表示農(nóng)田灌溉起始含水量的等效電量;Qexp表示灌溉最小水量的等效電量;Qmax表示灌溉最大水量的等效電量。

根據(jù)上述的定義和分析，可得出灌溉負(fù)荷的能量邊界約束為最大積蓄電量減去當(dāng)前累積電量，如式（8）所示，其約束如式（9）所示。

Qcu（t）=Qmax-Q（t）;（8）

0≤Qcu（t）≤Qmax。（9）

式中：Qcu（t）表示t時(shí)刻農(nóng)灌負(fù)荷的能量邊界。

灌溉水泵的調(diào)節(jié)時(shí)間極限為：最晚灌溉結(jié)束時(shí)間減去水泵以最大功率抽水所需要的時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算公式如式（10）所示。

tstart≤texp-Qexp-QstartPL，max。（10）

式中：tstart表示灌溉水泵起始抽水時(shí)間;texp表示灌溉水泵最晚灌溉結(jié)束時(shí)間。

2.2 農(nóng)灌負(fù)荷運(yùn)行備用能力的計(jì)算方法

農(nóng)灌負(fù)荷功率、能量等均為連續(xù)型變量，但在電力調(diào)度時(shí)，多個(gè)調(diào)度指令需要有一定的時(shí)間間隔，調(diào)度數(shù)值將轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)據(jù)序列。為模擬真實(shí)的運(yùn)行工況，需要對(duì)上述灌溉水泵、水量等效電量進(jìn)行離散化計(jì)算。將一個(gè)調(diào)度周期T分割為n個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為Δt的時(shí)段，式（6）可離散化為式（11）的形式。

Q（k）=Qstart+∑nk=1P（k）Δt。（11）

式中：Q（k）表示在第k時(shí)刻灌溉水泵抽取水量的等效電量;P（k）表示相應(yīng)的灌溉水泵電功率。

考慮灌溉水泵的功率邊界約束和能量邊界約束，單臺(tái)灌溉水泵的上下運(yùn)行備用可采用式（12）和式（13）進(jìn)行計(jì)算。

Pcu（k）=maxminP（k），PL，max-Qmax-Q（k）Δt，0;（12）

Pcd（k）=maxminP（k），PL，max-Qmax-Q（k）Δt，0。（13）

2.3 農(nóng)灌水泵集群運(yùn)行備用能力的計(jì)算方法

在圖1所示的系統(tǒng)模型中，假設(shè)地區(qū)電網(wǎng)中含有N臺(tái)灌溉水泵，農(nóng)灌水泵集群參與電力系統(tǒng)的上下運(yùn)行備用能力即可采用式（14）和式（15）進(jìn)行計(jì)算。

Rcu（k）=∑Ni=1Pcu（i，k）;（14）

Rcd（k）=∑Ni=1Pcd（i，k）。（15）

式中：Rcu（k）表示k時(shí)刻灌溉負(fù)荷的總上備用能力;Rcd（k）表示k時(shí)刻灌溉負(fù)荷總下備用能力。

3 農(nóng)灌代理商運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型

灌溉負(fù)荷作為運(yùn)行備用時(shí)，需要響應(yīng)農(nóng)灌代理聚合商的引導(dǎo)。聚合商以經(jīng)濟(jì)收益最大化為目標(biāo)，收益方式包括收取用戶的灌溉費(fèi)用、運(yùn)行備用的容量費(fèi)用，向電網(wǎng)交購(gòu)電費(fèi)用。因此，構(gòu)建如式（16）所示優(yōu)化模型。

maxE=αuserEe，ori+Er-Ee=∑nk=1（αuserPori（k）Δtπe（k）+Rcu（k）Δtπr，cd（k）+Rcd（k）Δtπr，cd（k）-P（k）Δtπe（k））。（16）

式中：E表示考慮運(yùn)行備用收益后農(nóng)灌負(fù)荷參與運(yùn)行備用時(shí)農(nóng)灌負(fù)荷聚合代理商的收益函數(shù)，由αuserEe，ori 、Er 、Ee這3個(gè)部分構(gòu)成;Ee，ori為用戶自主灌溉時(shí)支出的最小電費(fèi)，αuserEe，ori即為簽訂合約后聚合商從用戶處收取的用電費(fèi)用;Er為聚合商在備用市場(chǎng)中獲得的上、下備用容量收益;Ee為代理商支付給電網(wǎng)的用電費(fèi)用;Pori（k）為用戶自主灌溉時(shí)第k個(gè)時(shí)段的用電負(fù)荷，Rcu（k）、Rcd（k）分別為第k個(gè)時(shí)段的上、下備用容量，πr，cu（k）、πr，cd（k）分別為第k個(gè)時(shí)段的上、下備用容量?jī)r(jià)格，P（k）為第k個(gè)時(shí)段的水泵用電負(fù)荷，πe（k）為第k個(gè)時(shí)段的電量?jī)r(jià)格。

在優(yōu)化計(jì)算中，需要考慮集群中單臺(tái)灌溉水泵的灌溉水量需求、上下備用功率、水量等價(jià)電量等約束。分別如式（2）～（5）、（7）、（9） 、（10）所示，此處不再贅述。

4 算例分析

4.1 單臺(tái)農(nóng)灌水泵案例

4.1.1 案例說明 農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期都需要灌溉，并且每個(gè)階段需水量不同。以冬小麥為例[18]，其生長(zhǎng)周期可分為發(fā)芽、出苗、越冬、返青、拔節(jié)、挑旗、開花、灌漿、成熟等階段，全生長(zhǎng)周期一般在240 d左右。在拔節(jié)、挑旗、開花、灌漿、成熟5個(gè)階段，小麥進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)時(shí)期，需水量急劇上升，這個(gè)階段可持續(xù)90 d左右。因此，可在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)采用本研究所提方法，采用農(nóng)灌負(fù)荷向電網(wǎng)提供運(yùn)行備用。選取某地區(qū)挑旗期的33.3 hm2冬小麥作為研究對(duì)象，每日冬小麥需水量至少為2 000 m3，最大需求為2 500 m3。水泵的參數(shù)如表1所示。

4.1.2 案例分析 按照參數(shù)計(jì)算，農(nóng)灌水泵最大抽水量為360 m3/h，滿足最小灌溉水量需要耗時(shí) 5.56 h，滿足最大需求耗時(shí)6.94 h。灌溉水泵的最大電功率為98.1 kW。以最大抽水功率滿足最小灌溉水量耗電量為545.44 kW·h，滿足最大灌溉水量耗電量為680.81 kW·h。假設(shè)該農(nóng)戶最遲灌溉要求時(shí)間為20：00，在最小灌溉需求時(shí)，中午12：00啟動(dòng)灌溉水泵，能夠提供的上下備用情況如圖6所示。可以看出：農(nóng)灌水泵接受電網(wǎng)調(diào)度后，在最遲灌溉要求時(shí)間之前，都能夠比較靈活地參加運(yùn)行備用。

假設(shè)農(nóng)灌用電的電價(jià)為0.6元/（kW·h），上下備用容量?jī)r(jià)格為電價(jià)的10%，代理聚合商給農(nóng)戶提供八折電價(jià)0.48元/（kW·h）優(yōu)惠。此時(shí)，在滿足最小灌溉需求時(shí)，灌溉農(nóng)戶和聚合商的收益情況如表2提供備用一所示。灌溉農(nóng)戶自主灌溉不接受調(diào)度時(shí)最小支出電費(fèi)為327.26元，農(nóng)灌水泵參與運(yùn)行備用后，最小支出降低為261.81元;代理聚合商實(shí)際賺取52.27元。

若通過與農(nóng)戶簽訂合約，將提供備用時(shí)間擴(kuò)展到全天，則代理聚合商則可通過電力交易獲得夜間低價(jià)風(fēng)電。假設(shè)夜間風(fēng)電價(jià)格為0.3元/（kW·h），聚合商給農(nóng)戶提供原電價(jià)七折0.42元/（kW·h）優(yōu)惠。此時(shí)，灌溉農(nóng)戶和代理聚合商的收益如表2中提供備用二所示，農(nóng)戶的灌溉成本更低，聚合商的經(jīng)營(yíng)效益得到很可觀的提升。因此可以看出，農(nóng)灌負(fù)荷能夠調(diào)節(jié)的時(shí)間范圍、電力市場(chǎng)交易電價(jià)，對(duì)提升本研究所述方案的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

4.2 多臺(tái)農(nóng)灌水泵集群案例

4.2.1 案例說明 假設(shè)在上述案例的同一區(qū)域內(nèi)有10臺(tái)農(nóng)灌水泵，各服務(wù)27～40 hm2挑旗期冬小麥灌溉，揚(yáng)程在70～120 m范圍，灌溉的計(jì)劃起始時(shí)間在08：00—10：00范圍，最遲晚灌溉要求時(shí)間均為20：00。水泵參數(shù)、電價(jià)等參數(shù)均與上述相同。因考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)（容量50 WVA）運(yùn)行和可再生能源消納要求，電力調(diào)度中心下達(dá)限制負(fù)荷指令，要求在 11：00 以后啟動(dòng)抽水，11：00—13：00之間低功率運(yùn)行，13：00—16：00以最大功率運(yùn)行，16：00以后再次降低功率運(yùn)行。

4.2.2 案例分析 農(nóng)灌水泵代理聚合商須通過控制農(nóng)灌水泵的啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行功率來滿足調(diào)度要求，同時(shí)滿足農(nóng)戶的灌溉需求。因此，采用第3節(jié)中提出的優(yōu)化模型制定有序灌溉用電策略。

圖7-a所示為無控制模式時(shí)農(nóng)灌水泵的集群用電負(fù)荷，可以看出在10：00就形成負(fù)荷高峰。圖7-b為策略1 （11：00—13：00之間以半功率運(yùn)行，13：00—16：00以全功率運(yùn)行，16：00以后再以半功率運(yùn)行）控制模式下的負(fù)荷曲線，可以看出負(fù)荷曲線滿足了電網(wǎng)調(diào)控要求，但有2臺(tái)水泵在20：00限制之前未完成灌溉任務(wù)。圖7-c為策略2 （11：00—13：00 之間以半功率運(yùn)行，13：00—16：00以全功率運(yùn)行，16：00以后逐漸降功率運(yùn)行）控制模式下的負(fù)荷曲線，可以看出同時(shí)滿足了調(diào)度需求和灌溉任務(wù)。

策略2下農(nóng)灌水泵負(fù)荷的運(yùn)行備用情況如圖8所示。代理聚合商同樣給灌溉農(nóng)戶提供八折電價(jià)優(yōu)惠，各方的經(jīng)濟(jì)支出情況如表3所示。可以看出：與單臺(tái)相類似，接受電網(wǎng)調(diào)度后灌溉農(nóng)戶、聚合商都得到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。值得注意的是：（1）水泵數(shù)量和灌溉面積近似等比例的增長(zhǎng)，備用容量和支出/收益值并未等比例增長(zhǎng)，主要在于水泵的電功率（揚(yáng)程）不同;（2）10臺(tái)灌溉水泵能夠提供的最大備用容量為1.33 MW，占上級(jí)變壓器最大負(fù)荷30MW的4.43%，對(duì)提升電網(wǎng)負(fù)荷率有較大的意義。

4.3 農(nóng)灌水泵參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的潛力分析

小麥進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)時(shí)期的階段可持續(xù)90 d左右，表4給出了研究中5個(gè)階段的時(shí)間和需水量，進(jìn)而可以分析在小麥的生長(zhǎng)周期內(nèi)農(nóng)灌負(fù)荷的調(diào)節(jié)潛力。該地區(qū)年平均降水量為500 mm，對(duì)應(yīng)90 d用電量約為1 296萬kW·h。同樣，以“4.2”節(jié)中10臺(tái)農(nóng)灌水泵、灌溉需求為例進(jìn)行分析計(jì)算。

由于年降水量的影響，在小麥的旺盛生長(zhǎng)周期內(nèi)對(duì)水泵抽水的需求降低。假設(shè)該地區(qū)降水平均在每個(gè)季度，經(jīng)計(jì)算，90 d生長(zhǎng)周期內(nèi)灌溉需水量、用電量等數(shù)據(jù)如表5所示。可以看出，降水能有效降低灌溉的需水量和電量，也能降低農(nóng)戶支出。但是，考慮降水后，灌溉電量依然占地區(qū)90 d總用電量的3.79%，依然能夠提供有效的電網(wǎng)運(yùn)行備用。

5 結(jié)論

農(nóng)業(yè)灌溉具有時(shí)效彈性，這使利用其負(fù)荷的調(diào)度靈活性參與電力系統(tǒng)的備用輔助服務(wù)成為了可能。本研究建立了含有農(nóng)灌負(fù)荷提供運(yùn)行備用的電力系統(tǒng)控制調(diào)度模型，分析了以農(nóng)灌負(fù)荷代理為中心的控制模式，給出了農(nóng)灌負(fù)荷運(yùn)行備用能力的評(píng)估方法，并構(gòu)建了農(nóng)灌負(fù)荷代理運(yùn)營(yíng)效益最大化的優(yōu)化調(diào)度模型。研究表明，將農(nóng)灌負(fù)荷應(yīng)用于電力系統(tǒng)備用的優(yōu)化調(diào)度，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面都具有較強(qiáng)的可行性;農(nóng)灌水泵的功率（或揚(yáng)程）、用電價(jià)格和地區(qū)的降水量等因素對(duì)備用調(diào)節(jié)能力的影響顯著。結(jié)合本研究的分析可提出2點(diǎn)建議：（1）國(guó)家或地方政府出臺(tái)關(guān)于農(nóng)灌負(fù)荷參與電網(wǎng)運(yùn)行備用的支持機(jī)制與政策;（2）將可再生能源電力應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉的給予優(yōu)惠電價(jià)支持。

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