電力現貨市場環境下抽水蓄能機組實時調度原則及輔助決策算法研究

廣東電網電力調度控制中心 邱丹驊 中國南方電網有限責任公司 黎嘉明

抽水蓄能電站具有調峰、調頻、調壓、事故備用和黑啟動等多種功能，是電力系統實時運行的優質調節電源。2021年5月國家發展改革委印發了《關于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》，明確提出今后一段時期加快發展抽水蓄能電站是提升電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要方式，是構建以新能源為主體的新型電力系統的迫切要求，對保障電力供應、確保電網安全、促進新能源消納、推動能源綠色低碳轉型具有重要意義。《南方電網公司建設新型電力系統行動方案（2021-2030年）》提出要大力發展抽水蓄能，“十四五”和“十五五”期間分別投產500萬和1500萬千瓦抽水蓄能，2030年抽水蓄能裝機達到2800萬千瓦左右。

可以預見抽水蓄能將成為今后一段時期電力系統的一個重要發展方向，抽水蓄能機組容量占電源裝機比例將進一步上升。因此，如何做好抽水蓄能與電力市場建設發展的銜接是一個必須考慮的問題，特別是在當前市場機制尚未完善、抽水蓄能電站尚未作為獨立市場主體參與市場的背景下，調度機構如何科學、規范使用蓄能機組，避免蓄能開停對電力現貨市場運行邊界產生過大影響顯得尤為重要。

以目前已開展電力現貨市場全月結算試運行的廣東省為例，廣東省內的抽水蓄能電站均為電網公司資產，根據當前現貨市場規則，蓄能機組視為A類機組（指暫未獲得與用戶側直接交易資格的發電機組），不參與市場競爭，蓄能日前發電計劃由調度機構方式策劃專業根據系統需求安排，實時層面由調度專業負責調整，蓄能發電計劃作為日前和實時市場出清的邊界條件使用。截至2020年底，廣東電網調管的抽水蓄能總裝機為6680MW（單機均為300MW左右），容量十分可觀，蓄能發電計劃調整對電網斷面調控、競價空間影響較大，進而對市場出清結果產生重大影響。本文通過分析2020年8月廣東電力現貨市場全月結算試運行期間相關運行數據，對電力現貨市場環境下抽水蓄能機組的應用場景、實時調度原則、輔助決策算法進行研究。

1 蓄能使用場景分析

1.1 負荷低谷時段配合系統調峰

廣東電網負荷峰谷差較大，谷峰比可低至0.62以下，燃機、煤機、核電機組可調空間有限，為配合西電等清潔能源消納，在負荷低谷期需要增開蓄能抽水工況（以下簡稱“開泵”）配合調峰。2020年8月上旬（8月1～10日）廣東電網實測負荷數據顯示，夜間低谷全省調峰缺口最小為463MW，最大為4748MW，所有日期均需要安排蓄能開泵配合系統調峰，開泵需求最小為2臺，最大為16臺。

1.2 負荷高峰時期提供發電側備用容量

抽水蓄能機組能夠為系統提供可快速調用的發電側備用容量，2020年8月上旬廣東電網實測負荷數據顯示，10天中共有7天需由蓄能機組補充提供備用容量，其中不計蓄能時全省備用缺口最小為134MW，最大為6577MW，對應的蓄能發電工況（以下簡稱“開機”）需求最小為1臺、最大為22臺。應注意，為保證蓄能所提供的備用容量在發生事故時可足量調出，蓄能上庫可發電庫容必須滿足蓄能機組持續提供相應發電功率所對應的水量。

1.3 負荷急升急降段補充常規機組的調節速率缺口

廣東電網在8:00、12:00等負荷急升急降段負荷變化速率最大可以達到1000MW/min，需大量運行機組同步充分調用其負荷調節能力配合調整。但實際各機組的調節速率并不能完全達到標準要求，導致實際在運機組無法完全滿足負荷變化需求，需調度員通過遙控蓄能啟停機泵輔助調節。

根據8月廣東實測負荷數據，可計算出每日8:00、12:00前后的最大負荷變化速率。再根據全省常規機組及外送電負荷變化速率得到必須由蓄能補充的調節速率缺口，以及對應的需配合快速調節的蓄能機組臺數。從表1可見，除去周末負荷爬坡速率減緩以外，其余時間廣東電網在8:00負荷急升段需要3～4臺蓄能機組配合停泵/開機，在12:00負荷急降段需要4～6臺蓄能機組配合停機/開泵。

1.4 蓄能水庫水量調整

為實現蓄能電站庫容的可持續循環利用，一般在夜間開泵抽水后需在日間開機重新釋放蓄能上庫庫容，實現蓄能庫容的“按日復位”。應注意到，8月上旬部分日期夜間負荷低谷期調峰盈余較大，但次日高峰往往備用緊張，因此仍需提前安排開泵抽水備足可發電庫容；反之，夜間調峰困難的日期可能開泵較多，次日高峰時段一般無需蓄能機組補充備用容量，但仍需安排機組開機以釋放庫容。

2 抽水蓄能機組實時調度原則

基于抽水蓄能機組的使用場景，以確保電力系統安全穩定運行、電力現貨市場平穩有序運轉為目標，提出抽水蓄能機組實時調度原則：在保障系統運行安全、保證西電等清潔能源消納的情況下，以最少調用、實時/日前計劃偏差最小化為目標使用省內蓄能機組，以實現對市場干預最小化、蓄能損耗最小化；夜間根據蓄能剩余水量、低谷調峰缺口、次日需提供的發電側備用容量對應最低水量制定蓄能計劃；日間根據高峰時段備用需求、斷面頂峰需要制定蓄能計劃，剩余時段根據蓄能庫容均勻安排開機放水，實現蓄能庫容的每日復位；負荷急升急降時段根據超短期負荷預測確定常規機組調峰速率缺口，定量安排蓄能機組啟停進行補充；除蓄能水位異常、備用/調峰盈余緊張等情況，當與蓄能強相關的斷面重載時不安排蓄能的啟停計劃，避免蓄能計劃安排觸發異常電價；蓄能計劃安排應盡量根據負荷走勢逐步變化，避免由于階躍式的蓄能計劃跳變造成市場出清出現不平衡量。應注意，精準落實以上原則需比較復雜的數據計算和安全校核，僅依賴人工經驗很難嚴格實現，因此需研究抽水蓄能機組實時運行的輔助決策算法。

3 抽水蓄能機組輔助決策算法

3.1 電力現貨市場環境下抽水蓄能機組輔助決策算法主要邏輯

3.2 混合整數線性規劃問題

計算以下混合整數線性規劃問題，兼顧水量、平滑各時段出力即可優化得出蓄能發電計劃。

約束條件2，調峰最小開泵容量約束，t時段蓄能電站的開泵容量應大于該時刻的最小調峰開泵容量：

約束條件3，負荷急升急降段補充調節速率約束，t時段蓄能出力絕對值應大于對應時段需要蓄能輔助調節的容量：；約束條件4，最小抽水容量約束，蓄能初始水量疊加出力計劃對應的水量應大于最小庫容儲備：式中為蓄能00:00時刻的初始水量。

約束條件5，庫容按日復位約束，即抽水蓄能電站24:00的水量與00:00初始水量保持一致：式中為蓄能24:00時刻的水量；約束條件6，功率平滑約束，相鄰時段（15分鐘）的蓄能計劃值變化不超過900MW（3臺機組），避免由于階躍式的蓄能計劃跳變造成市場出清出現不平衡量：≤900。

通過以上蓄能輔助決策算法，可在盡量減少對日前計劃干預的情況下自動生成實時蓄能出力計劃，基本滿足調峰、調頻、事故備用、水量平衡等安全要求，為調度員實時調控蓄能機組提供決策支撐。