张晋芳，元 博，樊玉林，王晓晨，栗 楠，徐志成，冯君淑

(1.国网能源研究院有限公司，北京102209；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京100761)

0 引 言

近年来，随着我国经济的快速发展，各地区电力负荷快速增长，系统负荷峰谷差不断增大。我国除四川、青海等省份外的其他地区电源结构中煤电比重最大，同时调峰电源以煤电为主[1]。根据能源电力领域“十三五”发展规划等相关政策和战略，未来我国将大力发展核电、风电、太阳能等清洁能源，优化电源结构，推进节能减排和低碳电力发展[2]。出于安全、经济及环境等方面的考虑，核电出力基本保持不变，只运行于基荷位置，不参与系统日调峰；风电、太阳能发电出力具有随机性和间歇性，风电出力常具有反调峰特点，风电、太阳能发电装机的大规模并网将加重系统的调峰负担[3]。抽水蓄能电站兼有调峰和储能的双重功能，启停方便，是我国最主要的系统调峰电源[4- 10]。

囿于现有电力市场体制，电网启用抽水蓄能电站费用比较高，往往只有在电网负荷突变、负荷大低谷或负荷超高峰时，才会启用作业，这也形成了抽蓄机组长时间闲置、利用率不高。2015年4月国家能源局发布了《华北华东区域抽水蓄能电站运营情况监管报告》，特别强调“抽蓄电站与其他类型机组在调峰、事故备用的调用顺序上没有明确规定，对抽蓄电站的调用合理性难以进行精确评价。”[7]因此开展抽水蓄能电站与其他电源共同参与调峰的调用顺序研究具有积极的现实意义，研究确定调峰调用顺序相关规则能够为科学合理地监管抽水蓄能电站运行调度提供参考。

1 调用顺序研究关键指标定义

1.1 连续爬坡事件

负荷变化具有一定趋势性，连续时间段内的爬坡事件具有同样的性质可能性较大。因此将这样一系列爬坡事件定义为一个连续爬坡事件，连续爬坡事件最少为一个爬坡事件。如图1所示，6:00～12:00，连续发生7次上爬坡事件，形成一个连续上爬坡事件。针对典型日负荷曲线，存在3个连续上爬坡事件和4个连续下爬坡事件。本文研究中以连续爬坡事件发生为调用顺序研究对象。

图1 典型日连续爬坡事件分布

1.2 单位调节容量成本

单位调节容量成本与连续爬坡事件紧密关联，用于衡量在连续爬坡事件内调峰电源出力实现跟随爬坡过程中成本变化情况，与该时间段内的调节容量以及调节总成本直接关联。本研究中考虑煤电燃料成本是出力的二次函数，因此需要逐时刻计算煤电成本增量并累计形成调节总成本，而气电等成本考虑为出力的一次函数。对抽水蓄能，发电工况不考虑成本，抽水工况需要针对抽蓄处于“电动机”状态时的电力来源进行划分后考虑抽水的成本问题。

2 调用顺序研究基本思路与数学模型

2.1 基本思路

问题描述为调度机构在时刻t预测到时刻t′将出现调峰需求At′，现有抽蓄、煤电、燃气、常规水电、核电、风电、太阳能、需求侧响应等若干手段可提供调峰容量，如何决策各个机组分别调用多少容量用于t′时刻调峰，并决策调用顺序。

2.2 目标函数

(1)需要上调峰时minZ

(1)

(2)需要下调峰时minZ

(2)

式中，γ′、a′、λ、δ分别代表气电、核电下调峰成本系数、弃风弃光成本系数、弃水成本系数。

2.3 运行约束条件

(1)调峰平衡约束

(3)

(4)

(2)抽蓄约束

①出力上下限约束

(5)

式中，Ppump，min，Ppump，max代表抽蓄最小出力、最大出力。

②上、下水库动态容量约束

(6)

③上、下水库容量约束

(7)

表1 煤电机组技术参数

注：a、b、c分别代表用二次函数表示机组煤耗曲线对应参数，单位：万元/kW2、万元/kW、万元

式中，Wumin，Wumax代表上水库最小库容、最大库容；Wlmin，Wlmax代表下水库最小库容、最大库容；Wreserve代表上水库保留库容。

同一时刻，抽蓄工作位置只能是抽水或者发电一种状态，约束为

(8)

(3)其他约束条件

与常规的安全经济调度模型的约束条件相同，包括有功率平衡约束、旋转备用约束、常规机组出力约束、机组爬坡约束、机组最小停机/开机时间约束等，本文不再赘述。

2.4 基本流程

(1)准备电源、电网、负荷数据。

(2)根据负荷预测判断爬坡事件性质、时刻以及持续时间。

(3)根据机组组合和经济调度确定爬坡事件发生前一刻系统内运行机组的状态，包括开机情况、出力水平、可调节容量、调节成本等。

(4)针对某一连续爬坡事件过程，在优先考虑消纳水风光等清洁能源基础上，按照单位调节成本情况对各类调峰手段的调用顺序进行优化排序。

(5)统计分析单一连续爬坡事件内各类机组的单位调节成本，其中火电成本与火电出力水平、是否启停有关，核电与核电出力水平有关。

(6)抽蓄电站考虑日调节及周调节类型，当处于抽水工况时，所消耗电能成本，即“抽水成本”等于为供给其抽水而导致的其它机组增加的发电成本。

3 算例验证

基于MATLAB软件环境，利用软件包YALMIP，用MATLAB语法来描述前述规划优化模型，并采用商业化软件包GUROBI7.2求解器进行求解。

3.1 测试算例及基本参数

测试算例系统以某实际系统为基准，将电源简化为煤电机组3台、气电机组2台、核电机组1台、水电机组2台、抽蓄机组2台、风电场1个、光伏电站1个以及联络线1条。各系统参数见表1～6。

表2 气电机组技术参数及初始状态

表3 核电机组技术参数及初始状态

表4 水电机组技术参数及初始状态

表5 抽蓄机组抽水、发电工况参数

表6 抽蓄机组上下水库约束

考虑负荷典型日对应的风电、光伏出力特性(图2)，其中风电出力具有很强的波动性，而且呈现出较为明显的反调峰特性。光伏出力特性接近正弦形状，出力时间段为7～19时，持续时间13个小时，与负荷午高峰时段重叠，最高出力接近100%。

另外，联络线功率为100万kW，采用恒定功率模式，典型日负荷曲线如图1所示，负荷峰谷差率为27%，平均负荷水平为90%。

图2 负荷典型日对应风电、光伏出力曲线

3.2 连续爬坡事件算例分析

(1)连续上爬坡事件01。根据单位调节容量成本进行排序，如表7所示。电源调节调用顺序依次为：煤电01、煤电02、气电01以及抽蓄01。另外，水电01、水电02、风电、光电在连续上爬坡事件01中按照零单位调节容量成本首先被调用。本次爬坡事件风电爬坡功率为负值，呈现出一定的反调峰特性，光电爬坡功率为正值，呈现出正调峰特性，其他参与调节电源均呈现为正调节特性。

表7 连续爬坡事件下参与调峰的机组爬坡功率统计

(2)连续下爬坡事件01。根据单位调节容量成本进行逆向排序(表7)，调用顺序依次为：煤电02、煤电01、煤电03，另外继续调节水电01、水电02。本次爬坡事件风电爬坡功率为正值，呈现出一定的反调峰特性，其他参与调节电源均呈现为负调节特性。

3.3 算例结果总结分析

从连续上爬坡事件来看，事件周期内水风光出力因其边际成本优势被优先调用，爬坡不足部分由其他常规电源满足，煤电、气电常处于其次被调用的顺序，抽蓄调用顺序较为靠后。从连续下爬坡事件来看，常规电源因其发电成本约束，往往最先被调用，抽蓄调用顺序往往与事件周期内水风光出力与负荷出力相关性有关，若呈现负相关性，抽蓄往往调用以抽水工况来增加水风光消纳，若呈现正相关性，则可能抽蓄并不参与调用。

4 结 论

单位调节容量成本可以作为衡量抽水蓄能电站与其他电源共同参与系统调峰时调用顺序安排的关键依据。本文在建立基于成本最优的调峰手段调用顺序模型基础上，考虑不同性质连续爬坡事件，对抽水蓄能电站与其他电源共同参与系统调峰的调用顺序进行了研究。算例研究表明，一定边界条件下，抽水蓄能机组的并非总是排在第一位被调用，调用顺序与系统中其他类电源的运行状态紧密关联；另外，各类调节手段综合应对同一调峰需求时，调节方向和贡献程度上存在差异。下一步研究中将充分考虑其他储能形式、需求侧管理、互联电网调峰互济等手段排序问题。