考虑辅助服务市场的风电-梯级水电联合经济调度策略研究

0引言

随着现代工业的发展,人类社会对电力能源的需求日益增加。传统的发电方式例如燃煤发电无法满足全部的电力负荷需求,且传统发电方式往往会带来环境污染等一系列问题。由于世界范围内化石燃料的储量日益减少且价格不断上涨,在双碳背景下开发利用风光水等清洁能源成为时代发展的主流诉求。

风电是一种储量丰富的可再生能源,具有广阔的开发利用前景。但由于受地理位置、气候等条件影响显著,其出力呈现间歇性、随机性、波动性等特征^[1-3]。由于风电输出极不稳定,因此风电电能质量较差,难以直接独立并入电网。为此,需要利用风电与其他电源之间的互补性,建立互补发电系统,以弥补风电单独并网的不足^[4]。

水电出力在时间的分布上能有效弥补风电的不足^[5]。在我国大部分地区,夏秋时节风速较小,风电场的输出功率低,而此时正当雨季,水库上游来水量较大,水电站可以增加出力,弥补风电出力的不足;相反,在冬春时节,降雨量较少,水库上游来水较小,而此时许多地区出现多风天气,风电场的输出功率较大,就能弥补水电站输出功率的不足。水电具有启停运行灵活、调节速度快等优点,其中梯级水电整体规模更大,调节能力更强。

通过对风电和水电资源进行联合经济调度,可以平抑风电出力的间歇性和不稳定性,同时避免水电在枯水季节满足不了系统电力负荷需求的问题。国内外许多学者在风电和梯级水电联合优化调度上进行了大量探索,主要从平抑风电出力波动性和联合运行经济收益两个角度展开研究^[6-7]。然而,大多数论文只考虑了日前能量市场中风电和梯级水电的联合经济调度,忽略了梯级水电也能够参与辅助服务市场。

基于上述背景,本文提出了一种考虑辅助服务市场的风电-梯级水电联合经济调度策略。在风电和梯级水电各自独立的经济调度模型基础上,建立风水联合经济调度的混合整数线性规划模型,通过算例分析验证所提策略的有效性。

1风电独立经济调度模型

1.1目标函数

风电并网运行时,风电的随机性与波动性会给预测出力与实际出力带来偏差,导致系统不平衡能量的产生。由于风电出力的不确定性,风电一般不参与辅助服务市场,只参与日前能量市场。风电独立运行的经济目标即风力发电在日前能量市场中获得最大收益,其中包括风电参与日前能量市场的交易收入、正的能量偏差带来的收益,并扣除负的能量偏差带来的惩罚^[8]。

目标函数如下:

Max Rw

式中:R_w为风电收益;T为总时段数;J为风电预测场景数;ρ_t,j为t时段、第j个风力发电场景出现的概率;λ_t为t时段日前市场价格;ρ_ws,t为t时段的风电计划出力;Δt为每个时段风力发电持续时间;λ_t⁺为t时段正的不平衡能量价格;λ_t^-为t时段负的不平衡能量价格;W_t,j^up 为t时段、第j个场景下正的不平衡能量;W_t,j^dn为t时段、第j个场景下负的不平衡能量。

1.2 约束条件

1)风电计划出力约束:

0≤P_ws,t≤P_wmax   (2)

式中:P_wmax为风电场装机容量。

2)总的不平衡能量约束:

式中:W_t,j^imb为t时段、第j个场景下总的不平衡能量; P_wr,t,j为t时段、第j个风力发电场景下的风电实际出力。

3)正、负不平衡能量约束:

2梯级水电独立经济调度模型

由于水库库容带来了梯级水电的可调节特性,梯级水电可以参与日前能量市场和辅助服务市场中的旋转备用市场、调频备用市场。

发电商参与旋转备用市场交易时考虑以下两种不同的情况^[9]:

1)需要发电:在这种情况下,除了计及旋转备用市场的每小时容量价格,发电商还根据现货市场价格获得电量报酬。这种情况的发生概率取决于市场状况、气候条件等因素,本文中定义为Ps。

2)无须发电:在这种情况下,发电商会依据旋转备用市场的每小时价格获得容量报酬。在本文中,这种情况的概率定义为1-Ps。

调频备用市场旨在平衡瞬时的能源生产和消耗,以下介绍发电商参与调频备用市场的三种状态^[9]:

1)上调状态:根据发电商增发的电量,除了计及调频备用市场的每小时价格,发电商还会依据实时市场的价格获得电量报酬。这种情况的概率定义为P_r^up。

2)下调状态:在该状态下,发电商会按调频备用市场的每小时价格获得报酬,但也会因为发电量的减少,依据实时市场的价格支付一部分惩罚金。这种情况的概率定义为P_r^dn。

3)无调频状态:在此状态下,发电商仅根据调频备用市场的每小时价格获得容量报酬。此状态的概率定义为1—P_r^up—P_r^dn。

2.1目标函数

调度目标为梯级水电参与日前能量市场和辅助服务市场的利润最大化。目标函数如下:

式中:R_h为梯级水电利润;I_c1为梯级水电参与日前市场、旋转和调频备用市场交易收入总和;I_c2为备用在实时市场中获得的电量收益;C₁为水电机组启动成本。

其中,梯级水电参与日前市场、旋转和调频备用市场交易收入总和为:

式中:I为梯级水电机组总数;λ_t^s为t时段旋转备用市场的价格;λ_t^r为t时段调频备用市场的价格;P_hr,t,i为t时段、第i个水电机组的实际发电量;P_h,t,i^s、P_h,t,i^r分别为t时段、第i个水电机组在旋转备用市场、调频备用市场中的容量。

备用在实时市场中获得的电量收益为:

式中:λ_t^spot为t时段备用在实时市场中的清算价格,备用的电量收益包括旋转备用和调频备用两个部分。

梯级水电机组的启动成本为:

式中:c_i为第i个水电机组的启动成本;y_t,i为一个二进制变量,若在t时段初、第i个水电机组启动运行,则y_t,i=1。

2.2 约束条件

1)水电机组出力的线性化方程及约束:

式中:L为水电机组非线性的性能曲线进行线性化处理后的分段总数;P_0,i为第i个水电机组允许的最小发电技术出力;v_t,i为一个二进制变量,若在t时段内、第i个水电机组处于运行中,则v_t,i=1;r_i,l为第i个水电机组的性能曲线中第l个分段的坡度;u_t,i^l为t时段、第i个水电机组的性能曲线中第l个分段对应的机 组流量。

2)水电机组在旋转备用市场的容量约束:

3)水电机组在调频备用市场的容量约束:

4)水电机组在日前能量市场、旋转备用市场、调频备用市场的出力总约束:

式中:P_max,i为第i个水电机组允许的最大发电技术出力。

5)水量动态平衡约束:

式中:x_t,i为t时段、第i个水电机组对应的水库容量;x_0,i为第i个水电机组对应的初始水库容量;W_i为第i个水电机组对应水库自然流入量;M为从机组流量转化为水库容量的系数,M=0.0036 Hm³ •s/m³ ;u_t,i为t时段、第i个水电机组的排水流量;s_t,i为t时段、第i个水电机组对应水库的渗流量。

6)水库库容约束:

式中:X_min,i为第i个水电机组对应水库容量下限;X_max,i为第i个水电机组对应水库容量上限。

7)水库渗流量约束:

8)水电机组流量约束:

式中:U_min,i为第i个水电机组的最小流量。

9)水电机组性能曲线每个线性分段的机组流量约束:

式中:U_i^l为第i个水电机组性能曲线中第l个线性分段对应的最大机组流量;w_t,i^l为__个二进制变量,若在t时段、第i个水电机组的机组流量已经超过其性能曲线中第l个线性分段的机组流量,则w_t,i^l=1。

10)二进制变量的逻辑约束:

式中:z_t,i为__个二进制变量,若在t时段初、第i个水电机组停止运行,则z_t,i=1。

式(22)保证了机组启停状态的合理性,式 (23)则排除了同一机组在相同时间段既启动又停止的情况。

3 风电—梯级水电联合经济调度模型

风水联合调度的建模需要考虑风电和梯级水电各自实际出力与申报出力的偏差,系统的不平衡能量由两者共同决定。

3.1目标函数

模型优化的目标为风水联合参与日前能量市场和辅助服务市场获得最大利润。目标函数如下:

式中:R_wh为风水联合运行系统利润;R₁为联合系统中风电参与日前能量市场的收益;R₂为联合系统中梯级水电参与日前能量市场、旋转和调频备用市场的交易收入总和;R₃为风水联合运行的不平衡能量产生的收益;R₄为备用在实时市场中获得的电量收益;C₁为水电机组启动成本。

其中,风电参与日前能量市场的收益为:

梯级水电参与三个市场的交易收入总和为:

式中:P_hs,t,i为t时段、第i个水电机组的计划发电量。风水联合运行的不平衡能量产生的收益为:

(27)

式中:W_t^up为t时段系统正的不平衡能量;W_t^dn为t时段系统负的不平衡能量。

备用在实时市场中获得的电量收益R₄ 同式(9),梯级水电启动成本C₁同式(10)。

3.2 约束条件

1)风水联合总的不平衡能量约束为:

式中:W_t^imb为t时段系统总的不平衡能量。

2)风水联合正、负不平衡能量约束为:

3)水电机组计划出力的约束为:

风电计划出力约束同式(2),其余梯级水电约束条件同式(11)~(23)。

4算例分析

算例仿真部分基于混合整数线性规划(MILP)模型使用Cplex12.6商业软件进行仿真计算。考虑一天中的24个小时,分别对风电独立经济调度模型、梯级水电独立经济调度模型、风水联合经济调度模型进行仿真分析。风电模型涉及20种风力发电场景,风电实际出力及场景概率详见文献[10]。本文研究的梯级水电站群由四级水库及其水电站构成,算例参数取自文献[11]。正、负不平衡能量价格可简化为与日前市场价格成比例关系^[9]:λ_t⁺=(1—T)λ_t,λ_t^-=(1+T)λ_t, 其中取T=0.5。梯级水电旋转备用中Ps=0.05,调频备用 中P_r^up=0.4,P_r^dn=0.35。日前市场价格λ_t、旋转备用市场价格λ_t^s和调频备用市场价格λ_t^r取自文献[12],文献[9]中给出了旋转和调频备用容量实时交易的价格λ_t^spot=1.1λ_t。

表1、表2为在其他参数不变的情况下,分别调整 Ps和P_r^dn时经济调度利润情况。

通过改变Ps和P_r^dn的大小来衡量梯级水电参与旋 转备用市场和调频备用市场的影响。由表1可见,当Ps 逐渐变大时,向上旋转备用概率增加导致备用容量带来的收益增加,因此梯级水电独立运行和风水联合运行的经济利润都有明显提高。由表2可见,当P_r^dn 逐渐增大时,向上、向下调频备用之间的概率差越来越小,导致调频备用带来的收益减少,因此梯级水电独立运行和风水联合运行的经济利润均下降。从表1和表2的联合运行增益可知,风水联合运行相较于两者独立运行,可有效提高发电系统整体收益;当Ps逐渐增大或当P_r^dn逐渐增大时,梯级水电能够提供更加充足的备用裕度消纳风电的波动,降低系统能量不平衡带来的收益惩罚,因此风水联合运行增益随之上涨。

图1为联合运行方式下风电和梯级水电的最优计划出力随日前市场能量价格变化的情况。

由图1可以看出,在一天中的每个时段,当风电最优计划出力不为零时,梯级水电最优出力为零;反之亦然。由此说明风水联合时,梯级水电能够为风电提供充足的备用,因此风电和水电在时间尺度上呈现互补的特点。此外,在时段4附近日前市场能量价格达到一天中的低谷,此时系统的计划出力为较小值;随着价格的升高,日前市场能量价格在时段13和时段20—21附近达到两个高峰,此时系统整体最优计划出力也为高峰值。由此可见,风水联合调度出力的整体波动趋势符合日前市场能量价格的变化趋势,机组出力与市场电价息息相关。

5 结论

本文提出了基于日前能量市场和辅助服务市场的风电-梯级水电联合经济调度策略,研究表明,联合运行能够实现风电和梯级水电的互补,对比各自独立运行可获得更大的利润。机组出力与市场电价密切相关,考虑辅助服务市场的风电-梯级水电联合经济调度不仅能够有效提高系统整体收益,还可以在一定程度上减轻风电出力的不确定性带来的影响。

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2024年第22期第3篇