范峻偉,朱繼忠*,史普鑫,郭萬舒,史沛然,江長明
(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東省 廣州市 510641;2.國網(wǎng)華北分部電力調(diào)控分中心,北京市 西城區(qū) 100053)
近年來,受國家政策與市場因素的推動,可再生能源發(fā)展迅猛,新能源裝機實現(xiàn)了跨越式增長[1]。國家主席習(xí)近平提出中國將于2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”,2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo),新能源發(fā)電占比將持續(xù)提升?,F(xiàn)階段,風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)嚴(yán)重削弱了電力系統(tǒng)調(diào)峰能力[2-3]。此外,隨著風(fēng)電裝機規(guī)模不斷增長,其滲透率也逐年提高。同時,風(fēng)力發(fā)電的不確定性、反調(diào)峰特性及難預(yù)測等特點[4-5]使得系統(tǒng)峰谷差和調(diào)峰難度大幅增加,傳統(tǒng)火電與風(fēng)電等新能源間的協(xié)調(diào)發(fā)展出現(xiàn)矛盾[6]。為盡可能地消納新能源,社會各方不斷呼吁火電機組增加調(diào)峰深度[7]。在現(xiàn)行的調(diào)峰考核及補償機制下,調(diào)峰成本完全由火電機組承擔(dān),但現(xiàn)有的深度調(diào)峰費用補償計算方法較為粗糙,且補償機制難以保證火電機組的基本收益,火電機組參與深度調(diào)峰的積極性無法被充分調(diào)動。因此,如何在現(xiàn)有的調(diào)峰補償機制基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與完善,鼓勵火電機組積極參與深度調(diào)峰,已成為保證當(dāng)前電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行亟需解決的問題。
在火電機組參與深度調(diào)峰的經(jīng)濟性方面,文獻(xiàn)[8-9]建立了火電機組處于不同深度調(diào)峰階段的成本模型,優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)總運行成本最小,得到了經(jīng)濟性最優(yōu)的電力系統(tǒng)深度調(diào)峰調(diào)度方案;但文章沒有深入分析火電廠和風(fēng)電場在調(diào)峰交易中單位機組的具體收益。
火電機組參與深度調(diào)峰積極性低的重要原因是沒有合理安排風(fēng)電并網(wǎng)后的利益分配,已有較多文獻(xiàn)提出調(diào)峰后的利益分配方法。文獻(xiàn)[10]提出了將部分棄風(fēng)收入補償給調(diào)峰機組的矛盾協(xié)調(diào)機制,確保火電機組參與調(diào)峰市場的利潤高于不參與調(diào)峰市場的利潤。文獻(xiàn)[11]基于卡爾多改進(jìn)方法,提出了一種新的風(fēng)火復(fù)合系統(tǒng)深度調(diào)峰機制,并探討了如何通過調(diào)整參與者利益分配以挖掘系統(tǒng)的深度調(diào)峰潛力。文獻(xiàn)[12]基于火電機組容量差異,對不同類別機組采取不同的有償調(diào)峰與無償調(diào)峰的劃分界限,提出了考慮機組調(diào)峰能力實現(xiàn)程度的補償模型。
調(diào)峰費用的補償及分?jǐn)偙举|(zhì)上屬于機組之間的博弈問題。文獻(xiàn)[13]基于Shapley值法和調(diào)峰里程法進(jìn)行機組調(diào)峰的費用補償。文獻(xiàn)[14]分別建立燃煤發(fā)電機組調(diào)停調(diào)峰成本的無嫉妒性分?jǐn)偰P?、虛擬價格分?jǐn)偰P秃蚐hapley值分?jǐn)偰P?,并進(jìn)行了分析比較。文獻(xiàn)[15]通過核心法和Shapley值法對深度調(diào)峰收益進(jìn)行分配。以上方法均存在機組數(shù)量增多時計算出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”的問題,且未量化機組參與深度調(diào)峰的意愿程度。
對此,本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,對火電機組的調(diào)峰能力及深度調(diào)峰后的機組補償策略進(jìn)行研究。首先分析火電機組的調(diào)峰過程,建立了機組不同調(diào)峰階段的成本函數(shù)。其次,考慮機組調(diào)峰主動性及調(diào)峰補償?shù)膬A向度,結(jié)合優(yōu)劣解距離法,構(gòu)建以相對滿意度最大為目標(biāo)的調(diào)峰補償策略模型;分析了當(dāng)前中國調(diào)峰市場中火電機組參與深度調(diào)峰時的階梯式報價模式。最后,建立以火電機組總發(fā)電成本最小為目標(biāo)的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型。算例分析了火電機組參與深度調(diào)峰的經(jīng)濟性,并驗證了本文所提補償策略的有效性。
火電機組調(diào)峰能力是指機組出力跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷變化的能力[16]。根據(jù)機組運行時的燃燒介質(zhì)和燃燒狀態(tài),一般情況下,調(diào)峰過程可以分為常規(guī)調(diào)峰(routine peak regulation, RPR)、不投油深度調(diào)峰(deep peak regulation without oil, DPR)和投油深度調(diào)峰(deep peak regulation with oil, DPRO)[17]三個階段,如圖1所示。其中Pmax和Pmin分別表示火電機組在常規(guī)調(diào)峰階段的最大出力和最小出力,Pa和Pb分別表示火電機組在不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰階段的最小出力。
當(dāng)火電機組出力介于Pmax和Pmin之間時,機組運行在常規(guī)調(diào)峰階段。當(dāng)風(fēng)電出力較大時,需擴大火電機組出力范圍以消納更多的風(fēng)電,要求機組降出力至Pmin和Pa之間,此時機組處于不投油深度調(diào)峰階段。當(dāng)機組處于投油深度調(diào)峰階段時,功率需進(jìn)一步下調(diào),并對機組進(jìn)行投油助燃,此時要求火電機組出力介于Pa和Pb之間。
1)煤耗成本。
在傳統(tǒng)調(diào)度模型中,火電機組在常規(guī)調(diào)峰階段的煤耗成本近似為二次函數(shù)。深度調(diào)峰時,若對精度要求不高,機組煤耗成本可近似為常規(guī)調(diào)峰階段的煤耗成本,具體表示如下:
式中:ai、bi、ci分別為經(jīng)濟折算后火電機組i的調(diào)峰煤耗成本系數(shù);Pi,t表示火電機組i在t時刻的出力。
2)損耗成本。
火電機組進(jìn)入深度調(diào)峰階段后,在交變應(yīng)力和高溫的持續(xù)影響下,發(fā)電機轉(zhuǎn)子金屬會產(chǎn)生低周疲勞損耗和蠕變損耗,使機組的壽命降低[18],影響機組運行的安全性與經(jīng)濟性。參考Manson-Coffin公式粗略計算深度調(diào)峰階段的機組損耗成本[19],表示為
式中:λ為火電機組實際運行損耗系數(shù),且滿足λDPR< λDPRO;Ci,unit為火電機組購機成本;Nf( Pi,t)為轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次。
3)投油成本。
機組進(jìn)入投油深度調(diào)峰后,要求出力進(jìn)一步降低。為維持鍋爐和水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最低水平,需要對機組進(jìn)行投油助燃以保證其安全運行,成本表示為
式中:Qi,oil為火電機組i處于DPRO階段時的油耗量;Soil為當(dāng)季油價。
綜上,火電機組不同運行狀態(tài)下的出力不同,其調(diào)峰成本構(gòu)成也不同,可表示為如下分段函數(shù):
機組進(jìn)入DPR階段后,調(diào)峰成本會隨調(diào)峰深度的增加而上升;進(jìn)入DPRO階段后,由于油耗成本的增加,機組成本會陡然上升,曲線大致如圖2所示。
隨著火電機組調(diào)峰深度的增加,其成本也不斷增加,此時機組缺乏主動參與調(diào)峰的積極性?;痣姍C組只有在參與深度調(diào)峰的收益不低于常規(guī)調(diào)峰的收益時,才有參與深度調(diào)峰的意愿?;痣姀S調(diào)峰主動性表示為
同理,風(fēng)電場只有在深度調(diào)峰交易比常規(guī)調(diào)峰獲益更大時才會選擇主動加入。風(fēng)電場調(diào)峰主動性表示為
式中:Rw,before和Rw,after分別表示風(fēng)電場參與深度調(diào)峰前后的收益。
DP(disruption propensity)指標(biāo)[7]用于定量分析費用補償對參與者的吸引力,即參與合作博弈的火電機組對該費用補償策略的傾向程度。其數(shù)學(xué)意義為參與者i拒絕合作后,給其他參與者帶來的損失與自身損失的比值,具體表示為
式中:wi為火電機組i參與深度調(diào)峰后的收益;vi為火電機組i拒絕參與深度調(diào)峰時的收益;表示火電機組i深度調(diào)峰后,其他機組獲得的總收益;vn/i表示火電機組i拒絕參與深度調(diào)峰時,其他機組獲得的總收益;n為參與深度調(diào)峰的所有機組總數(shù)。
MDP(modified disruption propensity)指標(biāo)是對DP指標(biāo)的修正,表示火電機組i拒絕參與深度調(diào)峰時,其他機組的平均損失與機組i自身損失的比值。
Di指標(biāo)值能夠反映機組對參與深度調(diào)峰所獲補償收益的傾向程度,如表1所示。
表1 MDP指標(biāo)合作傾向分析Table 1 Analysis on cooperation tendency of MDP index
優(yōu)劣解距離法(technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS)作為一種多目標(biāo)決策方法,常用于多方案間的優(yōu)選。用TOPSIS法能夠計算所有機組對不同收益分配策略的相對滿意度,從而求解出滿意度最高的收益分配策略。
1)收益分配策略系數(shù)矩陣。
式中:m為收益分配策略的種類數(shù)。
2)理想與負(fù)理想分配系數(shù)。
3)歐氏距離。
4)相對滿意度。
式中:0≤Mj≤1,Mj越接近1表明該補償策略越接近理想補償策略,所有機組的相對滿意度越高;反之,表明該補償策略越接近負(fù)理想補償策略,所有機組的相對滿意度越低。
本文在TOPSIS法和MDP指標(biāo)的基礎(chǔ)上,以調(diào)峰收益補償為背景,提出以最大相對滿意度為目標(biāo)的補償策略模型。
式中:wi表示機組補償后的收益;W為所有機組總收益;和分別表示機組i所能接受的補償后的最小及最大收益。
本文提出的最大相對滿意度補償策略的具體計算步驟如下。
1)根據(jù)MDP指標(biāo)的定義,當(dāng)Di=1時,可計算得到全體機組所能接受的最小收益(此時的補償策略稱為負(fù)理想補償策略),以及全體機組最小總收益
2)定義系統(tǒng)盈余值ε,表示在所有機組形成的大聯(lián)盟下,系統(tǒng)能自由分配的收益。由機組實際總收益W和最小總收益Wmin可得,ε=W-Wmin。
4)最后,由上述目標(biāo)函數(shù)及約束條件求解非線性規(guī)劃模型,便能得到所有機組在相對滿意度最大時的收益,即為系統(tǒng)的最大相對滿意度調(diào)峰補償策略。
在中國現(xiàn)有的調(diào)峰市場中,調(diào)峰輔助服務(wù)分為無償調(diào)峰和有償調(diào)峰。無償調(diào)峰指規(guī)定機組負(fù)荷率大于等于深度調(diào)峰基準(zhǔn)時的調(diào)峰輔助服務(wù),屬于機組承擔(dān)的基本義務(wù)。有償調(diào)峰指機組主動削減出力至負(fù)荷率低于深度調(diào)峰基準(zhǔn)值。
有償調(diào)峰需對機組進(jìn)行一定程度的補償以激勵火電機組主動參與深度調(diào)峰服務(wù)。當(dāng)前中國深度調(diào)峰交易主要采用“階梯式”的報價方式和價格機制。隨機組調(diào)峰深度的增加遞增報價,并設(shè)置報價區(qū)間的價格上限,如表2所示。
表2 深度調(diào)峰階梯式報價Table 2 Stepped quotation of deep peak regulation
根據(jù)中國現(xiàn)有深度調(diào)峰市場的運營規(guī)則,火電機組的深度調(diào)峰服務(wù)費用和系統(tǒng)總深度調(diào)峰服務(wù)費用可分別用式(18)和(19)表示。
式中:wi為參與深度調(diào)峰的火電機組i的服務(wù)費;為機組i在第k檔于t時段內(nèi)減少的出力;為機組i在第k檔于t時段申報的價格;k=1,2;W為系統(tǒng)總深度調(diào)峰服務(wù)費用。
深度調(diào)峰服務(wù)費由交易時段內(nèi)未參與深度調(diào)峰的火電機組和風(fēng)電機組按各自的上網(wǎng)電量比例進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>
隨著風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng),為消納更多的風(fēng)電,亟需提高火電機組的調(diào)峰深度?;痣姍C組深度調(diào)峰成本構(gòu)成復(fù)雜,除煤耗成本外還需考慮機組運行的損耗成本及油耗成本?;谝陨弦蛩兀疚慕⒘朔旨壣疃日{(diào)峰優(yōu)化調(diào)度模型,以保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
在滿足負(fù)荷及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下,所有火電機組均參與常規(guī)調(diào)峰,部分機組參與深度調(diào)峰(不考慮機組啟停),以調(diào)度時段內(nèi)火電機組總發(fā)電成本最小為目標(biāo),構(gòu)建電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型。
式中:Ctotal為系統(tǒng)總運行成本;T為機組調(diào)度時間;N為參與調(diào)峰的火電機組個數(shù);Pi,t為機組i在t時段的出力;C(Pi,t)為火電機組不同調(diào)峰階段的成本。
1)功率平衡約束。
式中:Pload,t為t時段總負(fù)荷需求值;Pw,t為t時段風(fēng)電實際上網(wǎng)功率。
2)火電機組功率約束。
RPR階段:
DPR階段:
DPRO階段:
3)風(fēng)電功率約束。
式中:Pw,t和分別表示風(fēng)電出力的實際值和預(yù)測值。
4)爬坡約束。
式中:Ri,down、Ri,up分別為火電機組的最大向下、向上爬坡功率。
5)備用容量約束。
式中:PJ為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用,采用最大負(fù)荷的5%。
6)網(wǎng)絡(luò)安全約束。
式中:Pk,max為線路k最大傳輸功率。
本文中火電機組的調(diào)峰成本函數(shù)為不連續(xù)的分段非線性函數(shù),因而在求解過程中首先需要對成本函數(shù)進(jìn)行分段線性化處理;其次,引入三個0-1變量、分別表示火電機組處于常規(guī)調(diào)峰、不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰的狀態(tài),如式(32)所示;最后將分段非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題[20-21],再應(yīng)用商業(yè)軟件GAMS中的混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed integer linear programming, MILP)對模型進(jìn)行求解,總流程如圖3所示。
以某地區(qū)電力系統(tǒng)為例,假設(shè)有5臺火電機組,包括2臺大容量機組、2臺中等容量機組、1臺小容量機組,火電機組詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)[22]。選取機組額定出力的55%、45%及35%分別作為其RPR、DPR及DPRO的出力下限[17],各機組調(diào)峰能力如圖4所示。機組實際運行損耗系數(shù)在DPR和DPRO階段分別取1.2和1.5;大容量機組、中等容量機組、小容量機組造價成本分別為3646元/kW、4394元/kW、4863元/kW,其油耗量分別為4.8 t/h、2.8 t/h、1.8 t/h,油價為6130元/t[23]?;痣姾惋L(fēng)電的上網(wǎng)電價分別取0.3元/kWh和0.5元/kWh。
某地區(qū)風(fēng)電場裝機容量為1000 MW,選取該地區(qū)內(nèi)春季某典型日的負(fù)荷需求及風(fēng)電出力預(yù)測數(shù)據(jù),如圖5所示。
為研究火電機組在不同調(diào)峰階段時風(fēng)電的消納情況及系統(tǒng)運行的成本和收益變化,分三個場景對模型進(jìn)行求解。
情景1:所有火電機組只進(jìn)行常規(guī)調(diào)峰;
情景2:所有火電機組進(jìn)行常規(guī)調(diào)峰和不投油深度調(diào)峰;
情景3:所有火電機組進(jìn)行常規(guī)調(diào)峰、不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰。
三種場景下系統(tǒng)的棄風(fēng)率、成本、收益及凈利潤對比如圖6所示,不同火電機組的具體成本及收益如圖7所示。
對比三個場景可知:
1)隨著調(diào)峰深度的增加,系統(tǒng)風(fēng)能利用率逐漸提高,從60.24%上升到87.37%,多消納風(fēng)電約4328 MWh,風(fēng)電場總收益增加約216.4萬元。
2)機組在DPR階段消納大量風(fēng)電使風(fēng)電場收益提高,且此時火電機組成本變化不大,系統(tǒng)凈利潤提高約60萬元。
3)盡管投油深度調(diào)峰后消納了更多的風(fēng)電,但由于火電機組額外增加了耗油成本,使得系統(tǒng)運行成本陡然提高,導(dǎo)致系統(tǒng)凈利潤反而比常規(guī)調(diào)峰階段時的凈利潤減少約79萬元。
4)由于供需平衡,火電機組1出力變化不大,在不同調(diào)峰階段時的凈利潤變化不大,但其他機組的凈利潤隨著調(diào)峰深度的增加明顯減少。
1)市場報價補償。
本文中,深度調(diào)峰市場報價補償采取階梯式報價,按機組容量將下調(diào)比率分為兩檔,價格上下限參考中國大部分省份調(diào)峰市場設(shè)定的申報價格,如表3所示。
由于本文機組較少,為方便與本文提出的方法做對比,在算例分析中直接采用機組每檔能申報價格的價格上限進(jìn)行補償,不再進(jìn)行市場競價。補償結(jié)果如圖8和圖9所示。
表3 機組深調(diào)報價Table 3 Quotation of deep peak regulation
2)最大相對滿意度補償。
應(yīng)用本文提出的補償模型對參與深度調(diào)峰的火電機組進(jìn)行補償,補償結(jié)果如圖10和圖11所示。
火電機組進(jìn)行不投油深度調(diào)峰后,由于出力減少及損耗成本增加,凈利潤比常規(guī)調(diào)峰階段低,此時火電機組偏向于拒絕參加深度調(diào)峰。但由于消納了更多的風(fēng)電,系統(tǒng)凈利潤有所增加。在所提調(diào)峰補償模型中,對火電機組進(jìn)行深度調(diào)峰交易補償,風(fēng)電場利潤有所降低,但使得所有機組利潤均高于常規(guī)調(diào)峰階段的值,此時火電機組會有參加不投油深度調(diào)峰的意愿。在市場報價模式補償后,所有火電機組的利潤仍低于常規(guī)調(diào)峰階段的利潤,因此,火電機組在市場報價模式下仍傾向于拒絕參與深度調(diào)峰。
火電機組在投油深度調(diào)峰后,由于油耗成本的提高,導(dǎo)致其凈利潤大幅減少,不滿足調(diào)峰主動性約束,火電機組選擇拒絕深度調(diào)峰,且此時系統(tǒng)凈利潤也低于常規(guī)調(diào)峰階段的值。因此,除對火電機組進(jìn)行深度調(diào)峰交易補償,還需對參與調(diào)峰的機組額外補償。在市場報價模式中,經(jīng)過調(diào)峰補償后火電機組的利潤仍低于常規(guī)調(diào)峰階段的值,且相比于DPR階段,DPRO階段利潤減少更多,此時火電機組更拒絕參與深度調(diào)峰。在所提補償策略下,以機組Di指標(biāo)等于1時求得火電機組與風(fēng)電場愿意參與投油深度調(diào)峰時的最小收益。此時需對火電機組額外補償約64.6萬元,對風(fēng)電場額外補償約59.1萬元,補償后所有機組利潤均不低于常規(guī)調(diào)峰階段利潤,保證其調(diào)峰主動性,火電機組才會傾向于參加投油深度調(diào)峰。
3)調(diào)峰補償對比。
將市場報價和最大相對滿意度兩種補償模式進(jìn)行對比,結(jié)果如圖12和圖13所示。
通過對比可知,無論火電機組處于哪種調(diào)峰階段,最大相對滿意度補償策略均能保證機組參與深度調(diào)峰后的利潤不低于常規(guī)調(diào)峰階段的利潤。然而在市場報價模式下,機組不同檔位價格上限的限制使火電機組在該補償模式下并不能保證收回基本成本,因此火電機組參與深度調(diào)峰的積極性無法被充分調(diào)動。
為鼓勵火電機組主動參與深度調(diào)峰,本文在考慮火電機組不同程度的調(diào)峰成本基礎(chǔ)上,建立了以火電機組總發(fā)電成本最小為目標(biāo)的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型,并對深度調(diào)峰后的火電機組進(jìn)行補償。得到如下結(jié)論。
1)對于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng),火電機組參與一定程度的不投油深度調(diào)峰能獲得更好的經(jīng)濟效益。由于機組出力的減少和損耗成本的增加,火電機組凈收益減少,需要對火電機組進(jìn)行深度調(diào)峰交易補償以提高其參與深度調(diào)峰的積極性。相較于當(dāng)前市場報價模式補償,提出的最大相對滿意度補償能保證火電機組參與深度調(diào)峰后凈收益高于常規(guī)調(diào)峰階段凈收益,滿足調(diào)峰主動性約束,調(diào)峰機組樂于參加不投油深度調(diào)峰。
2)火電機組進(jìn)入投油深度調(diào)峰后,昂貴的投油成本使系統(tǒng)成本劇增,并成為系統(tǒng)運行成本的主要組成部分。為提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性,有必要減少大容量機組進(jìn)入投油深度調(diào)峰階段的時間,以減少系統(tǒng)總油耗成本。盡管在投油深度調(diào)峰階段風(fēng)電場收益增加,但系統(tǒng)凈利潤卻低于常規(guī)調(diào)峰階段,此時火電機組收益劇減,不滿足調(diào)峰主動性約束。
3)當(dāng)前調(diào)峰市場的機組報價模式中,梯度報價的上限決定了機組所獲補償?shù)纳舷?,無法充分保證其參與深度調(diào)峰時的成本回收?;诤献鞑┺牡淖畲笙鄬M意度補償策略考慮了機組對調(diào)峰補償?shù)膬A向度,能直觀反映機組參與深度調(diào)峰的意愿,并保證其參與調(diào)峰的主動性。本文所提方法能為當(dāng)前火電機組補償機制提供一定程度的借鑒。
4)火電機組參與投油深度調(diào)峰時,需在調(diào)峰市場外對其進(jìn)行額外的補償,保證其調(diào)峰主動性。結(jié)合中國當(dāng)前碳交易和綠證交易的發(fā)展趨勢,未來可將調(diào)峰市場與碳市場等結(jié)合,在促進(jìn)風(fēng)電等新能源消納的前提下激勵火電機組積極參與深度調(diào)峰。