考虑负运行备用的电力系统调峰协调优化方法

王广宗

天津三源电力集团有限公司，天津 300010

0 引言

随着现代化城市建设的逐渐完善，人们对电力的需求越来越大。随着核电站数量的不断攀升，核能逐渐成为我国第三大电力能源[1]，目前核电站的调峰系统利用核电机组堆的方式进行调峰。发电站在负运行的状态下，如何在保证安全性的前提下灵活地进行调峰成为重要的研究课题之一。考虑到负运行备用问题[2]，传统的调峰模式建立负荷跟踪的模型并对机组重现进行组合，但按照核电燃料的成本计算，该方式的成本较高，能源消耗较大，不符合现代化发电站可持续发展的理念。按照调峰的步骤将调峰容量增大的方法，要求对调峰时间进行预判准确，调峰方式与调峰容量变化条件难以一一对应，即发现问题全面，解决办法不足[3]。为此，文章基于负运行的特征，建立模型对调峰的需求和灵活性进行计算，增加传统模式的调峰灵活性，使蓄能电站不再是负荷跟踪的唯一数据来源，以适应发电新能源的使用。

1 建立基于负运行特征建立优化协调函数

按照发电站所需的能源种类进行多源联合的协调函数建立。建立关于运行、深度调峰和备用容量成本的优化协调函数[4]：

式中：Q为调峰的总成本，在优化函数中将成本压缩到最小；qi，t为使用机组i在时段t的情况下的运行成本；wi，t为启停成本；ei，t为深度调峰成本；ri，t为备用设备成本；T为调峰的总体时间。

运行成本由电站的运行功率决定，其计算式如下：

式中：a、b、c为固定参数，主要由具体的运行步骤决定；P为机组在调峰时段的运行功率。

启停成本的计算式如下：

式中：d、d1为启动和启停的变量，机组启动时d=1，机组未启动时d=0，d1的取值区间为（0，1），d1=0代表机组未停机[5]，无须核算停机成本，d1=1则代表启停成功，需核算停机成本；s为单次启停的成本，在启动时计算，不启动时不计算。

深度调峰成本的计算式如下：

式中：u为变量系数，额定功率区间为50%～70%，在该功率区间内，u的取值为1，不在该功率区间内，u的取值为零；v为进行深度调峰所额外需要的成本[6]；u1为额定功率区间为30%～50%的取值参数，参数的取值规则与u一致。

备用设备成本的计算式如下：

式中：R为备用设备的运行功率。

备用设备成本参数的取值与运行成本的参数取值一致。

2 设计协调函数的平衡约束条件

根据发电的负荷平衡情况可计算电网调峰需求，根据调峰需求对协调函数设置约束条件。对风力发电的极限情况进行建模，并对两种极限情况进行推导约束包括系统爬坡能力的计算[7]。客观规律上，备用出力与风力的变化是反向线性关系。但在约束条件的设立中，需对备用出力的上下限进行计算：

式中：Pi，t为预测的风力极限值，极限在理论上不可超过每分段的容量极限。

采用IEEE计算软件对约束条件进行计算分析，系统中设置火电机组的装机容量为3 000 MW，在系统中对火电机组的参数进行有效调整，根据目前火电机组运行的情况，电力系统的最大负荷为2 800 MW，低于机组的装机容量。设风电渗透率为30%～35%，风电并网容量低于800 MW，对历史数据进行标记和整理，可得出中等城市的风电使用时间为2 400 h，电力系统的其他参数取值按常规取值即可，负运行备用的负荷旋转备用系数为10%～15%，而电力系统的使用寿命按照15年计算。机组在进行深度调峰时，单位压出力不变，弃风惩罚费用系数按照500元/次计算，失负荷惩罚费用系数为0.274，转子的断裂周次为11 500 000。对约束条件进行优化后，计算值更加准确。

3 实例分析

为了验证所设计的电力系统调峰协调优化方法是否能够解决传统调峰协调优化方法产生的问题，将该方式应用于实际案例中，对比优化前后的调峰效率及效益。

3.1 项目概况

A地区的X核电站在某年某月某日正式使用文章所提电力系统调峰协调的优化方法，3 d后完成第一次使用，在使用当日由于气温骤降，居民和工厂紧急开启供暖设备，在次日凌晨2：48出现电力系统调峰需求。电站负荷下降的实际情况要求调峰调用持续5 h以上，根据机组调峰的时间需求和技术成本，该调峰需调用有偿资源，在出现调峰需求2 h内，A地区的用电量最大值高达612 MW。交易结束当天的调峰日负荷如图1所示。

图1 交易结束当天的调峰日负荷曲线

调峰区间调峰至50%额定电力的档位，有偿调峰机组的最大需求量为12台，预测未来需要调峰的时段共有25个，在模型的模拟推演中选择调峰的优先顺序，在首次调峰后45 d后完成启停调峰调用，启停次日零点，电量最大需求值达到1 725 MW，调峰资源难以供应增长电量，工作人员对模型中的参数进行爬坡约束地取消，未进行机组启停。在调峰资源的使用期限内完成调峰需求，并于次日早上5：02彻底关停机组，实现调峰实际调用。

3.2 应用结果

为了分析该优化方法在实例中运营后的经济效益变化，对比优化前和优化后的经济效益，结果如表1所示。

表1 应用结果 单位：万元

从表1可以看出，优化前调峰需要的总体费用为1 061.4万元，优化后的调峰方法费用下降了11.4%，虽然优化前的不涉及有偿调峰设备的租赁，且启停费用的需求也较少，但能源消耗和是负电荷的费用需求却较高。总体评价，优化后的方法更能节约成本。

4 结束语

随着用电需求的增多，对调峰系统的要求也越高。基于此，文章提出了一种考虑负运行备用的电力系统调峰协调的优化方法，并对其进行了实例验证。结果表明，该方法不仅可以节省调峰的成本，还提升了调峰的整体效率，具有较强的实用性。