考慮需求響應(yīng)和儲(chǔ)能的風(fēng)水火聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

潘 華，姚 正，黃玲玲，梁作放，肖雨涵

(1.上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090；2.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，荷澤 274000；4.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

隨著煤炭等不可再生能源的快速消耗，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)已逐漸無(wú)法滿足人們的日益需求，提高風(fēng)電等清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[1-2]。然而，由于風(fēng)電出力對(duì)自然環(huán)境的依賴度極高，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性,其并網(wǎng)時(shí)會(huì)威脅到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立穩(wěn)定供能。同時(shí)，大量的棄風(fēng)現(xiàn)象造成了能源的浪費(fèi)[3-4]。風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了一條有效的途徑，通過(guò)利用水電站的靈活性承擔(dān)一部分的調(diào)峰任務(wù)，可以在有效地對(duì)風(fēng)電等清潔能源出力消納的同時(shí)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行安全[5]。

針對(duì)風(fēng)水火電力系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方法，中外學(xué)者從能源轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能系統(tǒng)及需求響應(yīng)(demand response, DR)等方面展開(kāi)了諸多研究，并取得了相應(yīng)的研究成果。儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)以其低能耗、靈活性被廣泛應(yīng)用于聯(lián)合電力系統(tǒng)中，通過(guò)轉(zhuǎn)移能源的利用時(shí)間可有效地抑制風(fēng)電等清潔能源出力的波動(dòng)性[6]。文獻(xiàn)[7]通過(guò)構(gòu)建電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效協(xié)助多水庫(kù)級(jí)聯(lián)水電站對(duì)分布式電源的消納，提升了風(fēng)電等清潔能源的利用率。文獻(xiàn)[8]利用抽水蓄能的方式來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的波動(dòng)性，有效地降低了系統(tǒng)的棄風(fēng)率及運(yùn)行費(fèi)用。文獻(xiàn)[9]將儲(chǔ)能系統(tǒng)與梯級(jí)水電站聯(lián)合減少可再生能源的波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)日前確定水電站的發(fā)電量及儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量有效緩解了可再生能源的波動(dòng)性問(wèn)題，降低了能源成本。另一方面，DR作為一種從用戶側(cè)進(jìn)行能源管理的方式，能夠通過(guò)激勵(lì)手段對(duì)價(jià)格敏感型用戶的用電行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于協(xié)助風(fēng)電等清潔能源的消納[10]。文獻(xiàn)[11]提出將DR看成需求側(cè)的備用容量，在發(fā)電側(cè)預(yù)留發(fā)電裝置備用容量，構(gòu)建雙向備用容量模型，促進(jìn)了風(fēng)能的消納。文獻(xiàn)[12]在模型中引入了DR，通過(guò)對(duì)用電負(fù)荷調(diào)節(jié)達(dá)到削峰填谷的作用，有效協(xié)助了對(duì)分布式電源的消納，降低了系統(tǒng)的總發(fā)電成本。針對(duì)風(fēng)電出力的不確定性，文獻(xiàn)[13-14]為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，預(yù)留了一定的裝機(jī)容量；文獻(xiàn)[15]采用隨機(jī)規(guī)劃處理風(fēng)電等可再生能源出力的不確定性；文獻(xiàn)[16-17]利用模糊理論及概率方法處理風(fēng)電不確定性。

對(duì)以上研究分析可知，在調(diào)整能源的使用時(shí)間上，DR和ESS裝置能夠起到類(lèi)似的效用。但以上研究多集中于對(duì)DR或ESS單獨(dú)作用效果的探索，少有學(xué)者對(duì)DR和ESS之間的有效配合進(jìn)行分析。而DR及ESS各自的優(yōu)化方式單一，且ESS裝置在大量充放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電能損耗和充放電管理費(fèi)用。因此，考慮DR和ESS的互補(bǔ)特性對(duì)風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)的優(yōu)化效果是一個(gè)值得深入探討的方向。

鑒于此，現(xiàn)提出一種計(jì)及DR和ESS的風(fēng)水火聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，充分考慮了DR和ESS之間的有效配合。模型將用電負(fù)荷劃分基礎(chǔ)負(fù)荷和可調(diào)節(jié)性負(fù)荷，考慮DR對(duì)可調(diào)節(jié)性負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用，有效配合ESS裝置運(yùn)行；針對(duì)風(fēng)電出力不確定性，通過(guò)建立魯棒優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電出力全額消納；以系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，其中包含了火電機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用、水電站棄水懲罰費(fèi)用、ESS充放電管理費(fèi)用，分情景驗(yàn)證了模型的有效性。

1 需求響應(yīng)模型

需求響應(yīng)主要通過(guò)調(diào)度人員發(fā)出的電價(jià)信號(hào)引導(dǎo)價(jià)格敏感型用戶調(diào)整用電行為，即：當(dāng)電能充足時(shí)降低電價(jià)，引導(dǎo)用戶增加用電負(fù)荷；當(dāng)電能緊缺時(shí)提高電價(jià)，引導(dǎo)用戶減少用電負(fù)荷。通過(guò)DR可以將用電負(fù)荷從用電高峰時(shí)刻平移到非高峰時(shí)刻，在此過(guò)程中，用電負(fù)荷的改變量可以看作“虛擬發(fā)電出力”，可用于提高聯(lián)合電力系統(tǒng)靈活運(yùn)行及風(fēng)電出力消納。

傳統(tǒng)的DR主要利用經(jīng)濟(jì)學(xué)需求原理，采用需求響應(yīng)彈性系數(shù)進(jìn)行描述，具體的電力需求和價(jià)格之間的計(jì)算公式[18]可改進(jìn)為

(1)

式(1)中：當(dāng)i≠j時(shí)εij為互彈性系數(shù)，當(dāng)i=j時(shí)εii為自彈性系數(shù)；pload,i為實(shí)施DR之前時(shí)刻i的用電負(fù)荷；Δpload,i為實(shí)施DR之后時(shí)刻i用電負(fù)荷的變化量；Qj為平時(shí)零售電價(jià)；ΔQj為DR實(shí)施后零售電價(jià)的變化量；δload為建立的模型中可調(diào)節(jié)性負(fù)荷占總負(fù)荷的比例。可建立DR實(shí)施后用電負(fù)荷的變化量模型為

(2)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，參照文獻(xiàn)[19]令不同時(shí)刻的互彈性系數(shù)為0，只考慮i時(shí)刻的自彈性系數(shù)，則簡(jiǎn)化后的電負(fù)荷變化量可描述為

(3)

2 風(fēng)水火聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

論文所建立的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型以系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，綜合考慮了火電機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用、水電站棄水懲罰費(fèi)用以及儲(chǔ)能裝置充放電管理費(fèi)用。建立具體目標(biāo)函數(shù)為

minFS=FG+FH+FESS

(4)

式(4)中：FS為系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用；FG為火電機(jī)組運(yùn)行成本；FH為水電站棄水懲罰費(fèi)用；FESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)管理費(fèi)用。

式(4)所提各項(xiàng)費(fèi)用函數(shù)的具體模型表示為

(5)

2.2 約束條件

模型建立的考慮ESS和DR的風(fēng)水火聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的約束條件主要包括：功率平衡約束、風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行約束、儲(chǔ)能系統(tǒng)約束、需求響應(yīng)約束、系統(tǒng)備用容量約束等，具體描述如下。

(1)系統(tǒng)功率平衡約束。電力系統(tǒng)需要保證在各個(gè)時(shí)刻的功率保持平衡，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立忽略網(wǎng)損的系統(tǒng)功率平衡約束為

pload,t+Δpload,t

(6)

式(6)中：pm,t為第m個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在t時(shí)刻的出力；ph,t為第h臺(tái)水電機(jī)組在t時(shí)刻的出力。

(2)火電機(jī)組運(yùn)行出力約束。

pmin,i≤pi,t≤pmax,i

(7)

-pdn,i≤pi,t-pi,t-1≤pup,i

(8)

don,i,t≥di,t-di-1,t-1

(9)

(10)

(11)

式(7)為火電機(jī)組出力約束；pmax,i、pmin,i分別為第i臺(tái)火電機(jī)組出力的上、下限；式(8)為火電機(jī)組爬坡速率約束，pdn,i、pup,i分別為第i臺(tái)火電機(jī)組有功出力最大下降速率及最大上升速率；式(9)為機(jī)組啟動(dòng)的0-1約束；式(10)為第i臺(tái)火電機(jī)組最小啟停時(shí)間約束，Son,i,t為第i臺(tái)火電機(jī)組的持續(xù)開(kāi)機(jī)時(shí)間，Son,min,i為第i臺(tái)火電機(jī)組的最小啟動(dòng)時(shí)間，Soff,i,t為第i臺(tái)火電機(jī)組的持續(xù)關(guān)機(jī)時(shí)間，Soff,min，i為第i臺(tái)火電機(jī)組的最小停機(jī)時(shí)間；式(11)為機(jī)組持續(xù)運(yùn)行時(shí)間及持續(xù)停機(jī)時(shí)間約束。

(3)水電機(jī)組運(yùn)行約束。

(12)

Vh,t=Vh,t-1+(Qin,h,t-Qout,h,t)Δt

(13)

Vmin,h≤Vh,t≤Vmax,h

(14)

Qmin,h≤Qh,t≤Qmax,h

(15)

(16)

式(12)為水電轉(zhuǎn)換約束，ph,t為水電站機(jī)組出力，ωh,x(x=1,2,3,4,5,6)為水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Vh,t為水電站的水庫(kù)容量，Qh,t為水電站的水流量，pmax,h、pmin,h分別為水電站機(jī)組出力上下限約束；式(13)為水電站水平衡約束，Qin,h,t為入庫(kù)流量，Qout,h,t為出庫(kù)流量；式(14)為水電站庫(kù)容約束，Vmin,h、Vmax,h分別為水庫(kù)容量的下限和上限；式(15)為水電站發(fā)電流量約束，Qmin,h、Qmax,h分別為水電站水流量的上下限約束；式(16)為水電站棄水流量約束，Sh,t為水電站棄水流量，Smin,h、Smax,h分別為水電站棄水流量的上下限。

(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行約束。ESS中的儲(chǔ)能裝置根據(jù)自身的充放電特性，在應(yīng)對(duì)可再生能源消納、調(diào)峰輔助服務(wù)等方面有著很好的效果。ESS在用電負(fù)荷低谷時(shí)段充電，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段放電。ESS的運(yùn)行主要考慮儲(chǔ)能充放電損耗及儲(chǔ)能裝置的物理規(guī)律，因此對(duì)ESS建模如下。

(17)

(18)

0≤SOCl,t≤1

(19)

式(17)為ESS中儲(chǔ)能裝置充放電功率約束方程，pch,l,t、pdis,l,t為儲(chǔ)能裝置充放電功率；pch,max,l、pdis,max,l為儲(chǔ)能裝置充放電功率的上限；ESSl,t為指示儲(chǔ)能狀態(tài)的0-1變量：當(dāng)ESSl,t=0時(shí)為充電狀態(tài)，當(dāng)ESSl,t=1時(shí)為放電狀態(tài)；式(18)為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)約束，ηESS,ch、ηESS,dis表示儲(chǔ)能裝置充電、放電效率；SOCl,t為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)，EESS,l為儲(chǔ)能裝置容量上限；式(19)為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)范圍約束。模型中出現(xiàn)的D為引入的足夠大的參數(shù)(大M法)。

(5)DR約束。DR用戶會(huì)根據(jù)調(diào)度人員提供的電價(jià)信息來(lái)調(diào)整自己的用電負(fù)荷，但用戶參與DR屬于自愿行為，在用電時(shí)間上發(fā)生變化，卻未改變周期內(nèi)總用電量，同時(shí)也沒(méi)有產(chǎn)生電能損耗。因此，在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)需要保證可調(diào)整負(fù)荷總量維持不變，即

(20)

各時(shí)段電價(jià)約束為

λmin≤λt≤λmax

(21)

式(21)中：λt為優(yōu)化后t時(shí)刻的售電電價(jià)；λmin為售電電價(jià)下限約束；λmax為售電電價(jià)上限約束。

(6)系統(tǒng)備用容量約束。為保證在考慮風(fēng)電出力不確定的情況下，整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要為系統(tǒng)預(yù)留一定的裝機(jī)容量，即

(22)

(23)

式(22)為系統(tǒng)上旋轉(zhuǎn)備用約束，其中R為旋轉(zhuǎn)備用率，文中取10%；式(23)為系統(tǒng)下旋轉(zhuǎn)備用約束。

3 優(yōu)化模型的求解

3.1 風(fēng)電出力不確定性建模

為應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力的不確定性，常采用的方法有場(chǎng)景法、模糊法、魯棒優(yōu)化法。本文模型采用的是魯棒優(yōu)化法，通過(guò)構(gòu)建不確定集合，保證在整個(gè)集合上模型都能夠有可行解，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電出力全消納。所以本文模型的目標(biāo)函數(shù)不計(jì)棄風(fēng)懲罰費(fèi)用，減少了由于棄風(fēng)而帶來(lái)的額外系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，符合本文所提的經(jīng)濟(jì)性。本文所構(gòu)建的不確定集合Φ為

(24)

式(24)中：pm,t為第m個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在t時(shí)刻的實(shí)際出力；pexp,m,t為風(fēng)電機(jī)組m在t時(shí)刻的預(yù)測(cè)出力；perr,m,t為風(fēng)電機(jī)組出力誤差；Γt不確定預(yù)算，根據(jù)決策者的決策賦值(Γt∈[0,M])；ηm,t∈[0,1]。

不難看出，以上建立的模型為雙層模型，是由于式(22)、式(23)中含有max、min形式所導(dǎo)致的，無(wú)法直接進(jìn)行計(jì)算，因此需要進(jìn)行線性對(duì)偶變換，用式(25)、式(26)替換約束式(22)、式(23)。

(25)

(26)

式(25)由式(22)、式(24)進(jìn)行線性對(duì)偶變換所得形式，αm,t、βm,t、χm,t、δm,t為經(jīng)過(guò)對(duì)偶變換后所對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量；式(26)由式(23)、式(24)進(jìn)行線性對(duì)偶變換所得形式，ωm,t、ξm,t、φm,t、φm,t為經(jīng)過(guò)對(duì)偶變換后所對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量。

3.2 模型求解方法

本文模型綜合考慮了ESS裝置和DR實(shí)施的相互配合對(duì)風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)的優(yōu)化效應(yīng)。調(diào)度人員需要在日前制定電價(jià)信息對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，配合儲(chǔ)能設(shè)備的充放電，力求系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用最低。本文模型是一個(gè)典型的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，在GAMS環(huán)境中調(diào)用ANTIGONE求解器進(jìn)行求解。ANTIGONE求解器對(duì)于混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題可進(jìn)行確定性全局優(yōu)化，對(duì)于本文模型有很好的求解效果。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文算例采用1個(gè)1 350 MW的水電站，設(shè)置4臺(tái)水電機(jī)組；1個(gè)1 000 MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)置3臺(tái)儲(chǔ)能裝置；10臺(tái)火力發(fā)電機(jī)組，3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，組成了一個(gè)含有風(fēng)水火儲(chǔ)的聯(lián)合電力系統(tǒng)。表1～表5分別為水電轉(zhuǎn)換系數(shù)、火電機(jī)組、水電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及分時(shí)電價(jià)等相關(guān)參數(shù)信息。風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值如圖1所示。算例設(shè)定：①水電站棄水懲罰成本為250元/(MW·h)；②用戶用電負(fù)荷中的可調(diào)性負(fù)荷占總用電負(fù)荷的60%，電量電價(jià)自彈性系數(shù)為-0.3；③為保證儲(chǔ)能系統(tǒng)有效運(yùn)行，設(shè)定經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)度周期，ESS中各儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能荷電狀態(tài)與初始值一致，設(shè)定初始儲(chǔ)能荷電狀態(tài)為0.4。

圖1 風(fēng)電出力預(yù)測(cè)曲線

表1 水電轉(zhuǎn)換系數(shù)

表2 火電機(jī)組參數(shù)

表3 水電機(jī)組參數(shù)

表4 儲(chǔ)能裝置基本參數(shù)

表5 不同交易時(shí)段的分時(shí)電價(jià)

4.2 情景設(shè)定

為分析ESS及DR對(duì)風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化效用，設(shè)定四種場(chǎng)景分別討論ESS及DR對(duì)風(fēng)水火聯(lián)合系統(tǒng)中火電機(jī)組運(yùn)行的影響。

場(chǎng)景1：基礎(chǔ)場(chǎng)景，只考慮了風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為全額消納風(fēng)電出力，水電機(jī)組及火電機(jī)組的運(yùn)行情況。

場(chǎng)景2：DR實(shí)施場(chǎng)景，該場(chǎng)景下，通過(guò)分時(shí)電價(jià)從用戶側(cè)對(duì)電能進(jìn)行管理，調(diào)整用電負(fù)荷，分析DR對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

場(chǎng)景3：含ESS場(chǎng)景，該場(chǎng)景下，系統(tǒng)中引入了ESS，通過(guò)分析引入ESS后的機(jī)組運(yùn)行情況。

場(chǎng)景4：ESS和DR相互配合，該場(chǎng)景主要用于討論DR和ESS有效配合對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化效用。

4.3 算例結(jié)果

根據(jù)以上參數(shù)及情景設(shè)置，下面將分情景對(duì)本文所提的優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行相關(guān)分析。表6是不同情景下系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果。結(jié)合表6和圖3～圖5可知，情景2相比于情景1的系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用減少了0.67萬(wàn)元，這是因?yàn)镈R的引入對(duì)用戶用電負(fù)荷進(jìn)行了調(diào)節(jié)，增加了火電機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性，減少了系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用。情景3相對(duì)比情景1的系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用減少了1.8萬(wàn)元，這是因?yàn)轱L(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)中引入了儲(chǔ)能系統(tǒng)參與風(fēng)電出力消納后，減少8、9、10號(hào)火電機(jī)組的啟停，增加了火電機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性。情景4相比于情景2、3的系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步降低，是因?yàn)镋SS及DR之間相互配合，在情景3的基礎(chǔ)上，通過(guò)DR調(diào)整用電負(fù)荷實(shí)時(shí)對(duì)電能進(jìn)行消納，減少了對(duì)ESS的充放電。用戶參與DR所調(diào)整的用電量是無(wú)損耗的，而ESS在電能的存儲(chǔ)和釋放上卻存在一定的損耗，并且會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行成本。通過(guò)DR及ESS之間的有效配合，在增加火電機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性及減少機(jī)組頻繁啟停的基礎(chǔ)上，利用DR的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性可實(shí)時(shí)消耗電能，減少ESS充放電帶來(lái)的電能損耗、減少了ESS充放電所帶來(lái)的額外的管理費(fèi)用，從而大幅度降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。下面通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備具體運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

表6 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

1)場(chǎng)景1：基礎(chǔ)情景結(jié)果分析

該情景用于分析風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性時(shí)，火電機(jī)組和水電機(jī)組的運(yùn)行情況，如圖2所示。可以看出，水電機(jī)組在調(diào)峰方面具有一定的靈活性。

圖2 場(chǎng)景1機(jī)組調(diào)度出力曲線

在01：00—06：00，用電負(fù)荷較低且變化較為平穩(wěn)，通過(guò)水電機(jī)組的靈活性可以很好地承擔(dān)部分調(diào)峰任務(wù)，同時(shí)火電機(jī)組出力變化較小。在07：00—16：00時(shí)用電負(fù)荷達(dá)到高峰，用電負(fù)荷及風(fēng)電出力變化較大，水電機(jī)組由于受到水流流速及庫(kù)容的影響無(wú)法急劇變化出力，這段時(shí)間主要通過(guò)變化火電機(jī)組出力來(lái)應(yīng)對(duì)這種情況。火電機(jī)組的頻繁啟停及變化出力在增加了系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用的同時(shí)，也威脅到了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2)場(chǎng)景2：DR實(shí)施情景優(yōu)化結(jié)果分析

情景2主要用于分析實(shí)施DR對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，如圖3、圖4所示。從中可以看出在01：00—06：00 時(shí)用電負(fù)荷較低，通過(guò)降低售電價(jià)格引導(dǎo)用戶增加用電負(fù)荷，從而消耗在這一時(shí)段過(guò)剩的電能；在09：00—18：00時(shí)用電負(fù)荷波動(dòng)較大，通過(guò)制定合理的電價(jià)，可平滑用電負(fù)荷曲線，減少火電機(jī)組出力的波動(dòng)性。通過(guò)和場(chǎng)景1對(duì)比可以看出，實(shí)施DR后能夠有效地降低機(jī)組出力的變化，此時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用由845 716.4元降低為838 935.8元。

圖3 場(chǎng)景2機(jī)組調(diào)度出力曲線

圖4 場(chǎng)景2實(shí)施DR前后用電負(fù)荷曲線

3)場(chǎng)景3：含ESS情景優(yōu)化結(jié)果分析

該情景主要討論ESS對(duì)于聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化效用，圖5、圖6分別為引入ESS后機(jī)組調(diào)度出力曲線和儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電情況。將圖5和圖2對(duì)比可知，引入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，火電機(jī)組出力波動(dòng)性降低，且明顯減少了部分火電機(jī)組啟停。在 01：00—06：00時(shí)用電負(fù)荷較低，利用水電機(jī)組的靈活性可承擔(dān)一部分調(diào)峰任務(wù)，同時(shí)風(fēng)電出力較大又將過(guò)剩的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中。在07：00—16：00 時(shí)用電負(fù)荷達(dá)到高峰，水電機(jī)組靈活性受限，儲(chǔ)能裝置起到了主要的調(diào)節(jié)作用，通過(guò)儲(chǔ)能裝置放電彌補(bǔ)機(jī)組出力不足。這表明儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠協(xié)助聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，減少了啟停火電機(jī)組所帶來(lái)的額外費(fèi)用，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相比于場(chǎng)景1降低了17 958.7 元。

圖5 場(chǎng)景3機(jī)組調(diào)度出力曲線

圖6 場(chǎng)景3儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電情況

4)場(chǎng)景4：ESS及DR相互配合時(shí)優(yōu)化結(jié)果分析

場(chǎng)景4主要用于分析ESS和DR有效配合時(shí)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化效應(yīng)，如圖7～圖9所示。在01：00—06：00點(diǎn)時(shí)用電負(fù)荷較低，機(jī)組出力及風(fēng)電出力較大，可通過(guò)制定分時(shí)電價(jià)，利用DR對(duì)用戶的影響增加可調(diào)節(jié)負(fù)荷用電量，從而增加電能的消耗，減少對(duì)電能的存儲(chǔ)。在07：00—16：00時(shí)，用電負(fù)荷達(dá)到高峰，一方面通過(guò)DR價(jià)格手段影響用戶用電行為，對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行整體優(yōu)化，另一方面ESS則釋放儲(chǔ)存的電能。仿真結(jié)果表明，通過(guò)ESS和DR相互配合可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用，減少火電機(jī)組出力波動(dòng)，增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。場(chǎng)景4為最優(yōu)運(yùn)行場(chǎng)景，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用下降最為明顯，由場(chǎng)景1的 845 716.4 元降低為819 578.7元。

圖7 場(chǎng)景4機(jī)組調(diào)度出力曲線

圖8 場(chǎng)景4儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電情況

圖9 場(chǎng)景4 實(shí)施DR前后用電負(fù)荷曲線

5 結(jié)論

研究了ESS和DR的有效配合對(duì)風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)的影響，提出了一種計(jì)及ESS裝置和DR實(shí)施的風(fēng)水火聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。采用魯棒優(yōu)化的方法考慮風(fēng)電出力的不確定性，通過(guò)構(gòu)建不確定集合保證論文所提模型在該集合中都有可行解，使得風(fēng)電出力可全額消納；通過(guò)旋轉(zhuǎn)備用約束為系統(tǒng)留有一定的裝機(jī)容量，保證系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行;將用電負(fù)荷劃分為基礎(chǔ)負(fù)荷及可調(diào)節(jié)性負(fù)荷，考慮DR應(yīng)對(duì)用電負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用，配合ESS對(duì)聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。最后通過(guò)劃分不同的場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析本文模型的有效性，仿真結(jié)果表明：

(1)DR作為一種從用戶側(cè)調(diào)節(jié)能源利用的方式，調(diào)度人員可通過(guò)日前的調(diào)度計(jì)劃制定合理的電價(jià)來(lái)調(diào)整用電負(fù)荷曲線。

(2)DR在用電負(fù)荷較低時(shí)可通過(guò)增加用電負(fù)荷，減少過(guò)剩的能源存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，從而減少了電能存儲(chǔ)在ESS中時(shí)造成的電能損耗及額外的管理費(fèi)用。

(3)ESS和DR相互配合可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用，減少了機(jī)組頻繁啟停，平緩了火電機(jī)組出力的波動(dòng)性，增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。