基于隨機生產(chǎn)模擬的火電靈活性改造容量規(guī)劃
徐昊亮1，靳攀潤1，姜繼恒2，魯宗相2，喬穎2
（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術研究院；2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系））
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、戰(zhàn)略及技術選擇”專題，歡迎點擊品讀。本文受國家重點研發(fā)計劃項目資助。
文章導讀
近年來，中國“三北”地區(qū)頻發(fā)棄風棄光現(xiàn)象，系統(tǒng)內靈活調節(jié)資源缺乏，尤其日內調峰能力不足是其關鍵原因之一?；I措靈活性資源成為解決問題的核心途徑，在現(xiàn)有技術經(jīng)濟條件下，火電靈活性改造的可行性最高。然而，系統(tǒng)的靈活調節(jié)需求隨風光電源、負荷和電網(wǎng)運行特性動態(tài)變化而難以準確預測，而目前的調峰補償機制以機組少發(fā)電量作為費用核算標準，因此，靈活性改造的需求和收益都存在很大的不確定性，火電廠易陷入過度投資或無序競爭的兩難抉擇而延遲乃至放棄改造。因此，如何根據(jù)精細成本和中長期電量評估科學規(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注的關鍵問題。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，其邊界條件更為嚴苛，必須計入負荷、可再生能源以及常規(guī)電源運行特性，同時考慮市場環(huán)境的影響。因此，常規(guī)規(guī)劃方法難以直接應用，靈活性規(guī)劃需要在更為精細的成本分析基礎上，建立一套考慮系統(tǒng)中長期概率特性的模型。
研究成果
1、建立了靈活性改造廣義成本模型，綜合考慮火電機組靈活改造成本、深度調峰市場交易成本、改造后售電收益損失、煤耗增加成本和系統(tǒng)棄電成本。在此基礎上提出了靈活改造容量規(guī)劃模型。
2、基于隨機生產(chǎn)模擬算法綜合考慮負荷波動、可再生能源發(fā)電特性以及其它火電改造程度對機組發(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算方法。
主要內容
01、總體規(guī)劃思路
本文聚焦非供熱火電機組降低最低穩(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)化變量為各臺火電機組的改造容量，優(yōu)化目標為在計算周期內所有火電機組的靈活性改造廣義成本之和最小，約束條件為各臺機組改造容量技術上限。
? 圖1 靈活性改造容量規(guī)劃的總體框架
優(yōu)化目標中，靈活性改造的設備更新等投資成本和調峰輔助交易成本反映電網(wǎng)的經(jīng)濟性；售電收益損失和發(fā)電成本增量反映發(fā)電商的經(jīng)濟性并兼顧環(huán)境效益等外部因素。優(yōu)化過程中，首先建模各類成本與發(fā)電量的函數(shù)關系，通過隨機生產(chǎn)模擬技術求解靈活性改造前后的機組發(fā)電量變化，從而得到廣義成本各部分費用與各機組改造容量間的量化關系。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)劃結果。
02、中長期電量—成本模型
優(yōu)化目標中，除改造成本與改造容量這一優(yōu)化變量直接相關外，其它四項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)關系較為困難，基于多場景的逐時刻生產(chǎn)模擬獲得結果可信度較低，因此，本項工作的核心為在中長期尺度下構建電量—成本計算模型。
利用隨機生產(chǎn)模擬方法，本文建立發(fā)電量與機組改造容量關系模型，對火電機組靈活性改造前后的系統(tǒng)分別進行發(fā)電量估算，具體計算流程可參見原文。
通過隨機生產(chǎn)模擬方法可計算獲得機組不同容量下的發(fā)電量，如圖2所示。假設某區(qū)域中有N臺非供熱火電機組，對第i臺機組，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B1區(qū)域電量，可調節(jié)容量部分承擔C1部分電量。當該區(qū)域內火電經(jīng)過靈活性改造，機組的發(fā)電安排情況有所變化，如圖2 (b)所示。因此，圖中E1、E2部分表征機組i的深度調峰補償電量，其數(shù)值可由容量規(guī)劃模型中的優(yōu)化變量表示。其它成本項中的相關電量也可由類似方法獲得。
? 圖2 火電機組靈活性改造前后生產(chǎn)模擬承擔負荷示意圖
03、仿真算例
文章基于北方某區(qū)域電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)構建了包含11臺不同容量的火電機組和一處等效風電場的算例系統(tǒng)。假定不同單位棄電量成本下進行規(guī)劃計算，得到11臺機組的改造方案如表2所示。該結果說明改造容量分配方案基本滿足“大容量機組優(yōu)先”原則，660MW、350MW、330MW機組為主要改造機組。
? 表2 各類成本影響因素及含義
在不同單位棄風成本下，計算獲得廣義成本最小時的火電機組改造總容量和系統(tǒng)棄電率（下稱“最優(yōu)棄電率”），結果如圖3所示。由圖可知，當單位棄電成本大于0.5元/kWh時，靈活性改造容量為正，說明靈活性改造能夠減少廣義成本。
? 圖3 不同單位棄電成本下的系統(tǒng)最優(yōu)方案
04、結論
本文所提模型旨在解決區(qū)域電網(wǎng)內多臺非供熱火電機組的靈活性改造容量優(yōu)化規(guī)劃問題，通過成本建模與優(yōu)化求解給出了各臺機組最優(yōu)改造方案。經(jīng)計算分析，可知經(jīng)濟性最佳的靈活性改造順序為大容量機組優(yōu)先，能夠有效減少大機組承擔的系統(tǒng)基荷電量，增強系統(tǒng)調峰能力。當新能源電價低于0.5元/kWh時，在綜合考慮棄風損失、改造成本等費用的情況下，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范圍內具有較好的經(jīng)濟性。
本文引文信息
徐昊亮，靳攀潤，姜繼恒，等. 基于隨機生產(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).
研究團隊
清華大學電機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)電預測、優(yōu)化運行等領域的研究。發(fā)表論文150余篇，其中SCI收錄24篇，EI收錄100余篇。中國科學引文數(shù)據(jù)庫CSCD收錄155篇論文，H指數(shù)為21，總被引1987篇次。2007、2014年2次獲得領跑者5000論文獎，1篇論文獲中國科技期刊2016年度優(yōu)秀論文獎，1篇論文獲中國電機工程學會2018年度優(yōu)秀論文三等獎。
