虛擬電廠內(nèi)多臺小規(guī)模火電機組與儲能聚合分析及出力優(yōu)化

呂鳴陽,陳 衡,馬 瑞,茍凱杰,雷 兢

(1.華北電力大學(xué),北京 102206;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展,電力行業(yè)市場化改革后,小型火電機組仍面臨生存困境。如何最大化利用資源優(yōu)勢成為小型火電機組關(guān)注的關(guān)鍵問題。虛擬電廠可為火電機組提供一種有效的智能電網(wǎng)運行框架,且理論上能有效解決并網(wǎng)消納的問題,但虛擬電廠內(nèi)部功率單元的功率協(xié)調(diào)管理以及其作為一個整體參與電力系統(tǒng)調(diào)度仍然存在一些難以解決的問題。

虛擬電廠(VPP)[1]由多個實體組成,其中包括能源消費者、分布式能源資源、能源存儲系統(tǒng)等。國內(nèi)外學(xué)者對虛擬電廠都進行了深入的研究。龍勇等[2]發(fā)現(xiàn)在預(yù)測電網(wǎng)負荷時會受到用電高峰日等因素的影響導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性大大降低,提出了結(jié)合季節(jié)調(diào)整方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法的數(shù)據(jù)模型。范宏等[3]提出了多種能源協(xié)調(diào)運行的調(diào)度模型,考慮了系統(tǒng)網(wǎng)損和多區(qū)域虛擬電廠的運行,該模型對于實現(xiàn)多個虛擬電廠之間的協(xié)調(diào)運行具有指導(dǎo)意義。陶莉[4]等建議采用電網(wǎng)的峰谷差來核算電力價格,這將在電力市場中產(chǎn)生積極效果。虛擬電廠能夠積極參與市場交易,并發(fā)揮積極作用,但綜合能源與虛擬電廠之間難形成有效的信息交流。為解決這一問題,需要采用有效的信息交流機制,以促進虛擬電廠與分布式能源之間的有效合作,降低交易成本,推動電力市場的健康發(fā)展。何奇琳等[5]研究了在虛擬電廠中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù),并且詳細的分析了虛擬電廠技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)之間的共通性與技術(shù)融合的可能性。李楠等[6]提出基于SPN 組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建虛擬電廠的多業(yè)務(wù)融合承載平臺,實現(xiàn)了虛擬電廠業(yè)務(wù)所需的信息貫通,電力分區(qū)業(yè)務(wù)承載性能指標(biāo)滿足業(yè)務(wù)和規(guī)約要求。文獻[7]提出了綜合調(diào)度風(fēng)電機組和燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組的虛擬電廠模型,增加了新能源的消納比例,降低了發(fā)電成本。在VPP綜合能源調(diào)度方面,文獻[8]提出了一種聚合熱電聯(lián)供機組和儲熱進入虛擬電廠的方案,以滿足地區(qū)的供熱需求,并使其參與能源市場。文獻[9]建立了一個在能源市場下包含新能源、鍋爐、儲能、負荷的VPP 優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[10]在文獻[9]的基礎(chǔ)上考慮了虛擬電廠中熱電聯(lián)供機組和可中斷負荷參與可持續(xù)資源市場(SRM),并采用MILP(Mixed-Integer Linear Programming)模型來描述VPP的熱電聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化。此外,賈清泉等人[11]針對電采暖型虛擬電廠,建立了房屋熱需求模型,并提出了風(fēng)電與蓄熱電采暖的聯(lián)合運行模式,以有效降低虛擬電廠的運行成本,并提高風(fēng)電的消納水平。然而,目前的研究主要關(guān)注單區(qū)域虛擬電廠,而對于多區(qū)域VPP的協(xié)調(diào)調(diào)度和不同區(qū)域之間能量流動問題的研究相對較少。

本文基于虛擬電廠能夠聚合優(yōu)化的特性,提出了一種考慮供給與負荷轉(zhuǎn)移的虛擬電廠調(diào)度策略,以發(fā)電系統(tǒng)整體利潤最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù),從供給側(cè)增強虛擬電廠的調(diào)度彈性。此系統(tǒng)以滿足某地區(qū)電力負荷為目標(biāo),安排4臺小型火電機組進行供電,考慮火電機組的總體調(diào)節(jié)能力與調(diào)節(jié)速度有限,為每個火電機組增加一套儲能系統(tǒng)組成虛擬電廠系統(tǒng),并通過算例進行分析驗證。

1 小型火電機組-儲能VPP系統(tǒng)介紹

以某一地區(qū)的用戶負荷作為發(fā)電量目標(biāo),考慮到負荷需求比較大,聚合4臺小型火電機組進行發(fā)電承擔(dān)當(dāng)?shù)氐呢摵?由于火電機組的總體調(diào)節(jié)能力與調(diào)節(jié)速率有限,每個火電機組配置1套儲能系統(tǒng),增加該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,同時也可以增強火電機組調(diào)峰調(diào)頻能力和電網(wǎng)供電的可靠性。虛擬電廠結(jié)構(gòu)如圖1所示,本文重點研究搭建商業(yè)型虛擬電廠,并假設(shè)其聯(lián)盟由火力發(fā)電機組和儲能設(shè)備組成,每個成員均保持個體理性。虛擬電廠對配電網(wǎng)的影響不在本文的考慮范圍內(nèi)系統(tǒng)主要由4臺火電機組和4套儲能系統(tǒng)組成,電網(wǎng)收到用戶負荷的需求,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給火電機組和儲能系統(tǒng)進行調(diào)度,受火電機組功率爬坡速率和溜坡速率的影響,不能完全契合用戶負荷的巨大波動。儲能系統(tǒng)在用戶負荷升高時輸出電能,在用戶負荷下降時儲存電能,達到削峰填谷的目的。

圖1 虛擬電廠結(jié)構(gòu)示意

2 虛擬電廠模型計算

2.1 火電機組

火力發(fā)電的收益主要來自售電收入,而發(fā)電的成本包括燃料費用、運維費用等,使用二次函數(shù)來表達時段內(nèi)火電機組k發(fā)電總成本

式中:c k,t為t時段內(nèi)第k組火電機組的發(fā)電成本;a k,b k,g k分別為第k組火力發(fā)電機組的發(fā)電成本二次函數(shù)對應(yīng)系數(shù),通過分析機組歷史運行數(shù)據(jù)并機器學(xué)習(xí)得到;q k,t為第k組火電機組t時段內(nèi)發(fā)電量。

t時段火電機組k的利潤函數(shù)表示為

式中:E k,t為t時段內(nèi)第k組火電機組參與調(diào)度的利潤;p t為t時段內(nèi)火電上網(wǎng)電價。

2.2 儲能設(shè)備

本文儲能設(shè)備選擇為蓄電池lb。鋰電池儲能技術(shù)作為主要蓄電池技術(shù)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,具備高度成熟度。充放電特性是描述儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo),包括容量、功率、充電效率、放電效率、自放電率和荷電狀態(tài)等,分為充電和放電兩種狀態(tài)。荷電狀態(tài)指儲能系統(tǒng)當(dāng)前存儲能量的百分比。通過監(jiān)測一段時間內(nèi)的充電和放電功率,并結(jié)合系統(tǒng)的容量和荷電狀態(tài),可以對儲能系統(tǒng)的能量存儲情況進行評估和分析。使用公式(3)進行評估。

在虛擬電廠中,儲能設(shè)備可以通過存儲和釋放能量的方式,為系統(tǒng)提供靈活的調(diào)節(jié)能力,以滿足電力需求的變化和應(yīng)對電網(wǎng)的波動,被視為虛擬電廠的一部分,從中獲得相應(yīng)的收益。因此蓄電池儲能系統(tǒng)的收益表示為

式中:E te為t時段內(nèi)儲能系統(tǒng)參與調(diào)度的利潤為蓄電池儲能系統(tǒng)lb在t時段釋出電量參與調(diào)度時的調(diào)度補償系數(shù);cte為蓄電池儲能系統(tǒng)lb在t時段的成本支出,主要包括運維成本、折舊成本等。

儲能設(shè)備的規(guī)模應(yīng)該合理匹配虛擬電廠的需求和運營模式。如果儲能設(shè)備的容量過大,超過了虛擬電廠所需的能量儲存量,那么儲能設(shè)備的折舊成本可能會變得過高,而無法通過參與虛擬電廠的調(diào)度獲得足夠的收益來覆蓋這些成本。如果儲能設(shè)備的規(guī)模過小,無法滿足虛擬電廠的能量需求,那么虛擬電廠可能無法充分利用儲能設(shè)備的調(diào)度能力,無法最大程度地降低能源成本或提高系統(tǒng)的效益。在規(guī)劃和建設(shè)儲能設(shè)備時,需要進行合理的規(guī)模選擇,以確保儲能設(shè)備的規(guī)模與虛擬電廠的需求相匹配,從而最大化經(jīng)濟效益,在本文中假設(shè)儲能設(shè)備的規(guī)模在合理的范圍內(nèi)。

3 虛擬電廠調(diào)度模型

3.1 模型目標(biāo)函數(shù)

虛擬電廠能夠聚合不同區(qū)域、不同類型的分布式能源,通過協(xié)同合作,各成員可以共享資源、優(yōu)化能源調(diào)度和交易策略,從而實現(xiàn)更高效的能源利用和市場行為。合作博弈的機制鼓勵成員之間分享信息、協(xié)調(diào)行動,并共同追求整體效益的最大化。這種協(xié)作可以通過優(yōu)化發(fā)電機組的運行方式、調(diào)整能源供需平衡和靈活響應(yīng)市場需求來實現(xiàn)。這種情況下虛擬電廠的收益包括火力發(fā)電機組收益、儲能設(shè)備調(diào)峰收益和向大電網(wǎng)售賣多余電量收入,成本包含向外購電成本,公式表示為

式中:f為在一個周期內(nèi)的總利潤;K為參與調(diào)度的火力發(fā)電機組數(shù)和分別為t時段內(nèi)網(wǎng)售電和購電的統(tǒng)一價格和分別為t時段內(nèi)電網(wǎng)輸出和外購的電量。

3.2 約束條件

3.2.1 功率平衡約束

集合分布式能源由虛擬電廠統(tǒng)一調(diào)控,在任意時段需要保證用電和發(fā)電之間的功率平衡,約束公式為

3.2.2 機組出力約束

對于火電機組,存在輸出功率約束,約束公式為

3.2.3 火力發(fā)電機組爬坡約束

火電機組功率調(diào)控速率有一定的限制

3.2.4 儲能設(shè)備約束

蓄電池儲能系統(tǒng)約束在設(shè)計、控制和運行中起著關(guān)鍵的作用,以保證系統(tǒng)的性能、壽命和安全性,包括常規(guī)容量約束、充放電狀態(tài)約束、充放電速率約束,約束公式為

3.3 虛擬電廠結(jié)構(gòu)下利潤最優(yōu)模型

虛擬電廠結(jié)構(gòu)下利潤最優(yōu)模型表示為

4 系統(tǒng)求解方法

混合整數(shù)線性規(guī)劃是一類重要的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題,其特點是數(shù)學(xué)模型可以用線性關(guān)系式表示。一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題的完整數(shù)學(xué)描述包括以下要素。

1)目標(biāo)函數(shù):用于求解最大值或最小值的線性函數(shù),通常包含優(yōu)化變量。

2)優(yōu)化變量:這些變量可以是實數(shù)或整數(shù),并且可以是決策變量,即需要根據(jù)問題的要求進行優(yōu)化的變量。

3)約束條件:一組線性方程或不等式,用于限制優(yōu)化變量的取值范圍。這些約束條件可以包括等式約束、不等式約束、邊界約束等。

4)整數(shù)約束:對于某些優(yōu)化變量,限制其取值必須是整數(shù)。這種約束條件使得問題成為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,與普通線性規(guī)劃問題的主要區(qū)別之一。

混合整數(shù)線性規(guī)劃問題的目標(biāo)是找到滿足約束條件的優(yōu)化變量取值,使得目標(biāo)函數(shù)取得最大值或最小值。解決這類問題的方法包括線性規(guī)劃算法和特定的整數(shù)規(guī)劃算法,用于在可行解空間中搜索最優(yōu)解。本文所提混合整數(shù)線性規(guī)劃問題可被寫成

式中:cx為目標(biāo)函數(shù);A為聯(lián)立線性方程組系數(shù)矩陣;b為聯(lián)立線性方程組值;x i和x j分別為連續(xù)型變量和整形變量;xmin和xmax分別為最小約束值和最大約束值。本文應(yīng)用修正單純性法(Revised Simplex Method)解決線性規(guī)劃問題,分支界定法(Branch and Bound Method)解決混合整數(shù)問題。

5 結(jié)果與討論

5.1 算例分析

選取我國南部某社區(qū)作為研究對象,調(diào)取該社區(qū)全年數(shù)據(jù)作為仿真目標(biāo)負荷數(shù)據(jù),假設(shè)該社區(qū)建有四套火電機組,按照該社區(qū)全年的電負荷需求預(yù)測,使用本文提出的優(yōu)化模型進行發(fā)電設(shè)備的優(yōu)化配置計算,其中所發(fā)電量僅供社區(qū)自身使用,不進行上網(wǎng)。仿真時間步長為1 h,為縮短系統(tǒng)優(yōu)化運行時間,系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化采用典型日數(shù)據(jù)替代系統(tǒng)全年數(shù)據(jù)。

在社區(qū)引入虛擬電廠系統(tǒng),加入蓄電池進行調(diào)峰,增加整個系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。本文仿真基于Matlab編程,通過Caplx求解器求解。選用某區(qū)域內(nèi)4組火力發(fā)電機組、4組蓄電池儲能系統(tǒng)、通過組成虛擬電廠來滿足輻射范圍內(nèi)的負荷需求。

火電發(fā)電機組、鉛酸蓄電池的相關(guān)參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 火電機組參數(shù)

表2 儲能設(shè)備(蓄電池)參數(shù)

5.2 虛擬電廠調(diào)度結(jié)果分析

為了加快系統(tǒng)優(yōu)化運行速度,可以使用典型數(shù)據(jù)作為虛擬電廠系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)劃分為工作日、高峰日和休息日,并從中選擇具有代表性的日子進行計算。本文選取每個月的21個工作日、8個休息日和2個高峰日作為代表。典型日負荷如圖2所示。此處僅對高峰日典型日聯(lián)合運行模式下的VPP 內(nèi)各電站出力進行分析。由圖2可見,典型日負荷的波動非常大,負荷最高時的數(shù)值接近于負荷最低時數(shù)值的2倍,經(jīng)過計算,上午10點負荷最高時,4臺火電機組按照額定功率運行也不能滿足負荷需求,需要從外電網(wǎng)大量購電,這樣減低了整個系統(tǒng)的適應(yīng)能力,也降低了火電機組的盈利能力。

圖2 典型日負荷

傳統(tǒng)小型火電機組運行不經(jīng)過負荷優(yōu)化直接承擔(dān),未滿足負荷需求的電量直接向電網(wǎng)購買。運行結(jié)果如圖3所示,火電機組負荷變動非常大,會增加運行的風(fēng)險,并且受到火電機組爬坡速率受限的客觀條件影響,火電機組不能完全滿足負荷需求在周期內(nèi)會大量購買電網(wǎng)電量,增加運行的成本,減少收益。

圖3 不參與虛擬電廠的火電機組運行情況

將小型火電機組接入虛擬電廠系統(tǒng),經(jīng)過計算,該虛擬電廠的調(diào)度結(jié)果如圖4所示,包括了四個火力發(fā)電機組的調(diào)度量、儲能系統(tǒng)的電能充電量、電能放電量、電網(wǎng)購入電量。

圖4 虛擬電廠實際需求情況

在總負荷需求變化的情況下,有時負荷需求會偏低,導(dǎo)致發(fā)電機組不能以額定功率運行。圖4展示了各發(fā)電機組的實際調(diào)度量。在00:00-06:00,負荷主要依靠火電機組滿足,并且給儲能系統(tǒng)蓄電,其中火電機組大部分時段處于70%滿載狀態(tài)。在06:00-10:00,負荷明顯增大,火電機組按照最大爬坡速率增加發(fā)電量,儲能系統(tǒng)輔助發(fā)電,仍不能滿足負荷需求,需要向電網(wǎng)購電才能滿足負荷需求。11:00-14:00負荷下降,火電機組功率下降。在6:00-14:00,充分體現(xiàn)了儲能系統(tǒng)調(diào)峰功能,且棄電量明顯減少,貢獻巨大。15:00-24:00,負荷波動并不大,火電機組主要承擔(dān)此部分的負荷,避免從電網(wǎng)購電減少發(fā)電成本。

比較圖3和圖4可知,經(jīng)過虛擬電廠調(diào)控,火電機組的輸出功率的波動變小,增加了火電機組運行的穩(wěn)定性和安全性,并且在儲能系統(tǒng)的參與下,該地區(qū)從五個時間段需要從電網(wǎng)處購買電量降到只有一個時間段需要從電網(wǎng)購買電量,大大增加了該地區(qū)系統(tǒng)的自主性,降低了電網(wǎng)調(diào)峰填谷的調(diào)控難度,為整個電網(wǎng)系統(tǒng)降低調(diào)控難度做出了巨大的貢獻。

圖5表示蓄電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部儲存的能量狀態(tài)。儲能設(shè)備的作用是將電量從供給富裕時段向需求密集時段轉(zhuǎn)移,在圖4中,儲能設(shè)備于08:00-12:00,17:00和20:00內(nèi)處于電能釋放狀態(tài),即在這些時段火力發(fā)電機組發(fā)電量不能承擔(dān)用戶負荷需求,這恰好對應(yīng)圖2 中火電機組的高峰段。以上分析可以得出,儲能設(shè)備擔(dān)負著機組供應(yīng)的補充與調(diào)節(jié)作用。

圖5 儲能系統(tǒng)設(shè)備電量

算例1儲能設(shè)備接入虛擬電廠,算例2沒有儲能設(shè)備參與,結(jié)果見表3,在負荷需求不變的情況下,儲能設(shè)備的參與可以大大提高火電機組的消納能力,增加虛擬電廠的經(jīng)濟效益。在儲能設(shè)備的參與下,從VPP 向外購電量的大大減小,通過儲能設(shè)備將電能從供給充裕時段轉(zhuǎn)移到需求密集時段釋放,有效減少了高額外購電量的成本支出。這種做法顯著降低了在需求高峰時段購買外部電能的需求,從而節(jié)約了成本。

表3 儲能系統(tǒng)設(shè)備影響變化

5.3 經(jīng)濟性分析

虛擬電廠系統(tǒng)通過與電網(wǎng)交互,在電網(wǎng)負荷較低時將火電機組出力的多余電量上網(wǎng),在火電機組出力不足時購電滿足用戶負荷,降低了該地區(qū)火電機組設(shè)備容量,提高了火電機組的利用小時數(shù)。

火電機組設(shè)備和儲能設(shè)備的投資成本中,火力發(fā)電設(shè)備95.27%,儲能設(shè)備占4.73%。因此,在火力發(fā)電發(fā)達的地區(qū)構(gòu)建虛擬電廠系統(tǒng)進行改造的成本并不高,并且從上文可知改造后的經(jīng)濟效益較好,實施起來比較有經(jīng)濟價值。

6 結(jié)論

針對小型火電機組聚合、降本增效的問題,基于虛擬電廠強通信、高聚合的特性,提出了一種考慮儲能的虛擬電廠調(diào)度策略。

1)火電機組和儲能設(shè)備共同參與虛擬電廠調(diào)度,承擔(dān)電網(wǎng)負荷在降低成本的同時能夠可以提高系統(tǒng)出力的穩(wěn)定性。

2)儲能設(shè)備在電網(wǎng)負荷較小時,通過火電機組為其充電,在電網(wǎng)負荷較大時放電,充分體現(xiàn)了儲能設(shè)備和火電機組能夠互補的特性。

3)在虛擬電廠運行模式下,聚合各個分布式電源機組統(tǒng)一參與電網(wǎng)調(diào)控,既有效地解決了分布式電源單獨并網(wǎng)影響電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的問題,又提高了分布式電源的整體競爭力。

4)通過對此虛擬電廠設(shè)備經(jīng)濟性的分析,改造加入的分布式電源機組成本在總設(shè)備成本中的占有量非常小,所以地區(qū)內(nèi)多個小型火電機組并入虛擬電廠系統(tǒng)提高經(jīng)濟性的初始投資改造成本并不高,證明此方案有良好的可行性。