火電靈活性提升可行方案的研究

摘 要：通過對(duì)火電靈活性提升可行方案的研究，可使得有關(guān)部門掌握火電靈活性提升各類可行方案的運(yùn)行機(jī)理、技術(shù)特性、投資與運(yùn)行成本特性、適用條件、調(diào)峰能力增量、消納可再生能源潛力等信息，為充分利用靈活性調(diào)峰資源、設(shè)計(jì)合理的激勵(lì)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：火電；靈活性；研究

引言

近年來，“三北”地區(qū)棄風(fēng)越來越嚴(yán)重，尤其是冬季供暖期，裝機(jī)占比很高的供熱火電機(jī)組因?yàn)楣釋?dǎo)致全網(wǎng)最小可調(diào)出力大幅上升，留給風(fēng)電的上網(wǎng)空間非常有限。部分省份電源結(jié)構(gòu)以火電為主，水電、優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源相對(duì)匱乏，供熱機(jī)組占比高，冬季運(yùn)行的火電機(jī)組幾乎百分之百為供熱機(jī)組。另外，隨著供熱電廠的供熱面積逐年增加，主力集中供熱電廠基本已經(jīng)滿負(fù)荷或超負(fù)荷供熱，為滿足基本供熱需求，機(jī)組調(diào)峰能力逐年下降，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾異常突出。冬季低谷時(shí)段基本沒有風(fēng)電接納空間，高峰時(shí)段風(fēng)電接納空間也非常有限。

要解決“三北”地區(qū)嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，提升火電運(yùn)行靈活性勢(shì)在必行。為此，國(guó)家能源局于2016年4月委托電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院正式籌建“提升中國(guó)火電靈活性協(xié)作平臺(tái)”；之后又于2016年6月正式啟動(dòng)火電靈活性改造示范試點(diǎn)項(xiàng)目。因此，為解決當(dāng)前嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問題，促進(jìn)可再生能源的持續(xù)快速發(fā)展，火電運(yùn)行靈活性改造也將迅速在國(guó)內(nèi)展開。

大規(guī)模火電機(jī)組靈活性改造將會(huì)面臨很多問題，包括：如何將改造后的火電單元納入到電網(wǎng)運(yùn)行體系當(dāng)中；如何有效運(yùn)用火電改造后的新靈活性調(diào)峰資源；如何評(píng)估火電靈活性改造對(duì)新能源消納的影響；如何合理引導(dǎo)和激勵(lì)火電進(jìn)行靈活性改造等諸多問題。

為此，有關(guān)部門需要未雨綢繆，提前研究大規(guī)模火電靈活性提升改造對(duì)電網(wǎng)的影響，分析現(xiàn)有運(yùn)行體系的適應(yīng)性，有效解決其所帶來的關(guān)鍵問題，建立起基于靈活運(yùn)行火電單元的運(yùn)行框架。一方面可為未來電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行提供技術(shù)支撐，另一方面通過提前模擬運(yùn)行，既可為電網(wǎng)運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)，亦可對(duì)火電靈活性提升改造下的成本和效益、適用條件、消納可再生能源潛力等問題進(jìn)行實(shí)例分析，進(jìn)而為火電靈活性改造的方案選擇和投資決策提供依據(jù)。

1 火電靈活性提升研究方法

1.1 對(duì)靈活性提升改造后火電技術(shù)經(jīng)濟(jì)外特性分析和封裝建模

火電靈活性提升改造在國(guó)外一些可再生能源并網(wǎng)比例較高的國(guó)家已經(jīng)較為普遍，因此盡管我國(guó)電源結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式、激勵(lì)機(jī)制等和國(guó)外有較大差異，然而，其中就火電靈活性改造自身而言，不會(huì)有太大差異。故而，從實(shí)踐角度，通過對(duì)我國(guó)火電鍋爐、汽輪機(jī)、蓄熱罐、電制熱設(shè)備自身技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性分析與整合，完全可以形成火電靈活性提升改造后較為精確的數(shù)學(xué)模型。

1.2 基于靈活性火電單元的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行決策優(yōu)化建模和求解

從內(nèi)容上看，火電靈活性改造之后，決策部門所面臨的決策變量更多、約束更復(fù)雜，然而，從本質(zhì)上將，其依然是一個(gè)以機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行核心的混合整數(shù)規(guī)劃問題，只要對(duì)各靈活性資源及其相互耦合關(guān)系縝密建模，形成一個(gè)完整的電熱綜合能源運(yùn)行系統(tǒng)優(yōu)化決策模型完全是可行的。而隨著優(yōu)化規(guī)劃理論的發(fā)展，各類數(shù)值優(yōu)化方法和智能優(yōu)化方法已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到較多應(yīng)用，并取得了廣泛的應(yīng)用價(jià)值。可以把整個(gè)規(guī)劃問題描述為一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，該模型的求解已經(jīng)有很成熟的算法和商業(yè)軟件，在求解層面不具有太大的難度。

1.3 發(fā)展靈活性提升改造后火電靈活性調(diào)峰資源最佳運(yùn)行策略

數(shù)學(xué)模型僅僅給運(yùn)行決策部門提供了輔助決策的工具，基于靈活性改造之后火電單元及其內(nèi)部各靈活性調(diào)峰資源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性，發(fā)展最佳運(yùn)行策略，才是解決問題的核心。通過分析靈活性火電調(diào)峰的方式、成本與效益、運(yùn)行邊界條件、優(yōu)先級(jí)別等，輔之以電網(wǎng)為實(shí)例的仿真計(jì)算，完全可以歸納出各類靈活運(yùn)行火電調(diào)峰資源的最佳運(yùn)行策略。

1.4 建立基于棄風(fēng)特性的火電靈活性改造與運(yùn)行激勵(lì)機(jī)制

當(dāng)前，東北區(qū)域已經(jīng)建立了調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，以激勵(lì)市場(chǎng)中的運(yùn)行主體主動(dòng)、積極參與調(diào)峰。然而，從運(yùn)行效果來看，在棄風(fēng)最嚴(yán)重的供熱中期，熱電幾乎沒有調(diào)峰的積極性，也沒有靈活性提升改造的積極性。為此，需要重新設(shè)計(jì)調(diào)峰市場(chǎng)規(guī)則，以激勵(lì)熱電主動(dòng)通過靈活性提升改造進(jìn)行調(diào)峰。

2 火電靈活性提升的關(guān)鍵和難點(diǎn)

（1）發(fā)展靈活性提升改造后火電靈活性調(diào)峰資源最佳運(yùn)行策略是本研究的一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)椋罴堰\(yùn)行策略不僅需要考慮靈活性調(diào)峰資源自身的特性，還需要考慮電網(wǎng)的棄風(fēng)特性。而眾所周知，風(fēng)電具有不確定的波動(dòng)性，而棄風(fēng)周期性、時(shí)序性等特性也具有不確定性。此外，火電中很可能具有不同類別的調(diào)峰資源，例如電鍋爐、熱泵和蓄熱，這些資源之間往往具有一定的耦合關(guān)系和優(yōu)先級(jí)別。因此，在棄風(fēng)不確定的波動(dòng)性下，如何確定火電中不同類別的靈活性調(diào)峰資源的最佳運(yùn)行策略，成為本研究的一個(gè)難點(diǎn)。

（2）基于棄風(fēng)特性的火電靈活性改造與運(yùn)行激勵(lì)機(jī)制的合計(jì)是本研究的另一個(gè)難點(diǎn)。這是因?yàn)椋痣婌`活性提升的經(jīng)濟(jì)性不僅涉及到運(yùn)行問題，還涉及到投資問題。而由于風(fēng)電不確定的波動(dòng)性，這些投資設(shè)備的利用程度也成為具有不確定性。在調(diào)峰市場(chǎng)中，激勵(lì)機(jī)制的設(shè)計(jì)必然需要考慮市場(chǎng)主體的投資和運(yùn)行成本問題，否則會(huì)造成過勵(lì)和欠勵(lì)。此外，國(guó)家政策也是調(diào)峰激勵(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)的一個(gè)外部因素，由于對(duì)可再生能源消納和火電責(zé)任的政策在不斷調(diào)整，因此，如何基于國(guó)家政策，設(shè)計(jì)調(diào)峰激勵(lì)機(jī)制，也就成為本研究的一個(gè)難題。

3 結(jié)束語

通過對(duì)靈活性提升改造后火電靈活性調(diào)峰資源最佳運(yùn)行策略的研究，可使得有關(guān)部門掌握火電靈活性調(diào)峰資源的運(yùn)行規(guī)律，安全經(jīng)濟(jì)高效地利用火電改造所具備的靈活性最大程度地消納可再生能源。

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