摘要：風(fēng)力發(fā)電和光熱發(fā)電在多數(shù)工業(yè)化國家中應(yīng)用廣泛，但風(fēng)力發(fā)電存在不穩(wěn)定和波動(dòng)等問題。光熱發(fā)電的熱儲(chǔ)存能力可以有效減少風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，因此建立了風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行的模型。其中聯(lián)合運(yùn)行策略用兩階段隨機(jī)優(yōu)化模型來表示，其目的是在考慮實(shí)時(shí)不平衡結(jié)算的情況下，將日前市場(chǎng)收入最大化。為了更加直觀地展示該模型給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，分別建立了風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行2種情況下的模型，并通過算例對(duì)兩者的總收益進(jìn)行對(duì)比。算例表明，風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)可以有效地緩解實(shí)時(shí)不平衡問題，并明顯提高了收益。

引言

近年來，隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用勢(shì)在必行。風(fēng)能和光能都是自然界中蘊(yùn)藏量豐富的可再生資源，充分利用風(fēng)能、光能對(duì)于緩解人類能源危機(jī)具有重大意義。然而，風(fēng)能的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，這極大地削弱了新能源在電力市場(chǎng)的競(jìng)爭力。光熱技術(shù)能彌補(bǔ)其他可再生能源技術(shù)的部分缺陷，在可再生能源領(lǐng)域達(dá)到互補(bǔ)作用。風(fēng)能和光能單獨(dú)發(fā)電穩(wěn)定性較差，且輸出功率波動(dòng)較大，無法保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。而風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行則能夠綜合利用風(fēng)能和光能特性使兩者實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。

與風(fēng)能和光能單獨(dú)發(fā)電相比，可以提高能源利用效率，促進(jìn)我國節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步增強(qiáng)可再生能源的市場(chǎng)競(jìng)爭力。目前，對(duì)于風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行的研究方向，主要有光熱發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行與其容量問題，及風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)度方法。多數(shù)風(fēng)能與太陽能混合發(fā)電的研究方向是太陽能熱氣流發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的混合運(yùn)行，以及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并指出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的資源利用率比獨(dú)立運(yùn)行的分布式發(fā)電系統(tǒng)高26%~40%。文獻(xiàn)研究了光熱儲(chǔ)能和風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行的成本及調(diào)度問題，主要對(duì)發(fā)電成本、功率波動(dòng)等方面進(jìn)行了優(yōu)化。此類文獻(xiàn)主要集中在光熱發(fā)電的優(yōu)化或風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)化問題上，很少考慮到風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

本文介紹了電力市場(chǎng)的交易價(jià)格機(jī)制，及風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行的框架。分別建立了風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電獨(dú)立運(yùn)行和二者聯(lián)合運(yùn)行2種情況下的模型，通過仿真算例驗(yàn)證模型的可行性和合理性。通過對(duì)比獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，得出結(jié)論。

1、風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行模式

1.1、市場(chǎng)交易價(jià)格機(jī)制

本文基于日前市場(chǎng)和平衡市場(chǎng)這兩種短期電力市場(chǎng)進(jìn)行討論。在日前市場(chǎng)中，發(fā)電企業(yè)提供其每小時(shí)需供應(yīng)電量的數(shù)據(jù)，操作員提供一種以成本為導(dǎo)向的經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法來進(jìn)行市場(chǎng)結(jié)算。而平衡市場(chǎng)將日前市場(chǎng)中實(shí)時(shí)發(fā)電量與市場(chǎng)出清量的偏差定義為不平衡價(jià)格，根據(jù)偏差選取合適的價(jià)格，以此來減小系統(tǒng)的不平衡。當(dāng)實(shí)際發(fā)電量小于出清量時(shí)，不平衡價(jià)格為負(fù)，即生產(chǎn)不足，發(fā)電企業(yè)需支付負(fù)不平衡價(jià)格的偏差；當(dāng)實(shí)際發(fā)電量大于出清量時(shí)，不平衡價(jià)格為正，即生產(chǎn)過剩，發(fā)電企業(yè)需支付正不平衡價(jià)格的偏差。

本文對(duì)平衡市場(chǎng)采用雙價(jià)格機(jī)制，與單一價(jià)格機(jī)制相比，前者考慮了不平衡價(jià)格的正負(fù)，更有利于系統(tǒng)恢復(fù)平衡。平衡市場(chǎng)雙價(jià)格機(jī)制可表述為

式中：μt+，μt-，μDA，t和μRT，t分別為時(shí)間間隔t的正不平衡價(jià)格、負(fù)不平衡價(jià)格、日前市場(chǎng)價(jià)格和平衡市場(chǎng)價(jià)格。

在雙價(jià)格機(jī)制下，電價(jià)取決于不平衡價(jià)格的正負(fù)。與整個(gè)系統(tǒng)不平衡方向相反的偏差，按日前市場(chǎng)價(jià)格定價(jià)；與整個(gè)系統(tǒng)不平衡方向相同的偏差，按平衡市場(chǎng)價(jià)格定價(jià)。即正不平衡價(jià)格不高于日前市場(chǎng)價(jià)格，負(fù)不平衡價(jià)格不低于日前市場(chǎng)價(jià)格。

1.2、聯(lián)合運(yùn)行模式

基于上述交易機(jī)制，在發(fā)電量和市場(chǎng)價(jià)格不確定的情況下，風(fēng)力發(fā)電企業(yè)在日前市場(chǎng)提交報(bào)價(jià)，將導(dǎo)致不平衡結(jié)算的利潤損失。因此，發(fā)電企業(yè)的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略是在日前市場(chǎng)的利潤和平衡市場(chǎng)的不平衡成本之間進(jìn)行權(quán)衡。由于不平衡電價(jià)往往表現(xiàn)出波動(dòng)性且難以預(yù)測(cè)，因此尋求降低實(shí)時(shí)出力不確定性的方法是風(fēng)力發(fā)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)利潤最大化的關(guān)鍵。光熱發(fā)電能夠有效抑制風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)出力的不確定性，二者如果聯(lián)運(yùn)都將得到激勵(lì)。

圖1為風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠聯(lián)合運(yùn)行結(jié)構(gòu)。

圖1風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行模式

Fig.1 Joint operation mode of wind power and CSP

2、風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行模型

在建立的仿真模型中，提出下列假設(shè)。

（1）實(shí)時(shí)風(fēng)力發(fā)電量、光熱發(fā)電量和電價(jià)的不確定性具有一系列情景特征。

（2）日前市場(chǎng)電價(jià)可由預(yù)測(cè)得出，并認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電廠和光熱發(fā)電廠是價(jià)格接受者。

本文分別建立了多座風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行的仿真模型，將二者收益進(jìn)行對(duì)比。

2.1、獨(dú)立運(yùn)行策略

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)行策略

風(fēng)力發(fā)電廠m的供應(yīng)策略可表述為以下兩階段隨機(jī)優(yōu)化模型：

式中：Lm WPP為風(fēng)力發(fā)電廠的收入，元；t為時(shí)間，h；s為場(chǎng)景參數(shù)；T和I分別為時(shí)間集合和情景集合；DA代表日前市場(chǎng)；WPP代表風(fēng)力發(fā)電廠；λs為情景參數(shù)的權(quán)重；PWPP，PWPP+和PWPP-為特定情境下風(fēng)力發(fā)電廠的輸出功率和實(shí)時(shí)正、負(fù)不平衡功率，MW。

上述目標(biāo)函數(shù)旨在最大化風(fēng)力發(fā)電廠的市場(chǎng)收入LWPP m。式（4）限制了風(fēng)力發(fā)電廠日前供應(yīng)電量的最大值，式（5）計(jì)算了日前供應(yīng)輸出的正負(fù)偏差，式（6）和（7）限制輸出偏差。

2.1.2 光熱發(fā)電廠運(yùn)行策略

光熱發(fā)電廠n的供應(yīng)策略可表述為以下兩階段隨機(jī)優(yōu)化模型：

式中：Ln CSP為光熱發(fā)電廠的收入，元；CSP，EH，PC分別表示光熱發(fā)電廠、電加熱器和光熱發(fā)電廠的能量循環(huán)；PCSP，PCSP+和PCSP-為特定情境下光熱發(fā)電廠的輸出功率和實(shí)時(shí)正、負(fù)不平衡功率，MW；PEH和Psolar為電加熱器和太陽場(chǎng)的熱功率，MW；Pthc和Pthd分別為熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)的充、放電熱功率，MW；PSU為光熱發(fā)電廠啟動(dòng)時(shí)的能耗，MW；ηc和ηd分別為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電效率；ηPC和ηEH為能量循環(huán)和電加熱器的轉(zhuǎn)換效率；εPC為光熱發(fā)電廠的能量循環(huán)啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)的二進(jìn)制變量；En，th，max和En，th，min為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大和最小充電狀態(tài)，MW；φn，c和φn，d分別為光熱發(fā)電廠充、放電狀態(tài)下的二進(jìn)制變量。

式（12）表示光熱發(fā)電廠熱能的瞬時(shí)平衡，式（13）表示可行的操作間隔，式（14）和（15）限制了操作范圍內(nèi)的充放電率，式（16）確保充放電狀態(tài)不會(huì)同時(shí)發(fā)生，式（17）限制了熱能儲(chǔ)存的充電量，式（18）限制了能量循環(huán)的輸出功率，式（19）計(jì)算了帶有熱儲(chǔ)能設(shè)備和電熱器的光熱發(fā)電的凈功率輸出。

2.2 聯(lián)合運(yùn)行策略

風(fēng)力發(fā)電廠和光熱發(fā)電廠的聯(lián)合運(yùn)行策略可表述為以下兩階段隨機(jī)優(yōu)化模型。

式中：Lsum為風(fēng)力發(fā)電廠和光熱發(fā)電廠的總收入；上標(biāo)sum表示聯(lián)合運(yùn)行中的變量；?為所有風(fēng)電力發(fā)廠和光熱發(fā)電廠的集合。約束條件為式（12）—（19）。上述聯(lián)合供應(yīng)策略中，式（22）計(jì)算了聯(lián)合供應(yīng)中的不平衡量。

3、算例分析

本文研究了3座風(fēng)力發(fā)電廠和1座光熱發(fā)電廠的聯(lián)合運(yùn)行策略，分別表示為WPP1，WPP2，WPP3和CSP。風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)容量分別為500 MW，300MW和200 MW。光熱發(fā)電廠技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 光熱發(fā)電廠技術(shù)參數(shù)

Table 1 Parameters of PV power plants

為了驗(yàn)證提出模型的準(zhǔn)確性和可行性，本文對(duì)比了風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠在獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的收益。先分別計(jì)算出WPP1，WPP2，WPP3和CSP獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的預(yù)期收益，再將四者聯(lián)合運(yùn)行，得出此時(shí)的預(yù)期收益。最后對(duì)2種運(yùn)行模式下的收益進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。

表2 獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行的預(yù)期收益

由表2可見，聯(lián)合運(yùn)行的預(yù)期收益比獨(dú)立運(yùn)行高出4000元。由于風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)有效地利用了風(fēng)能和光能的特性，使兩者實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。這意味著一種更有效的運(yùn)行模式，在非高峰時(shí)期儲(chǔ)存風(fēng)能，在高峰時(shí)段或風(fēng)力發(fā)電商處于負(fù)不平衡狀態(tài)時(shí)利用額外的風(fēng)力發(fā)電并增加供電量，通過這種方式來提升聯(lián)合運(yùn)行的總預(yù)期收益。

4、結(jié)論

提出了一種考慮實(shí)時(shí)不平衡結(jié)算的風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠在日前市場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行的最優(yōu)策略。首先介紹了電力市場(chǎng)的交易價(jià)格機(jī)制和風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的框架，分別建立了風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠在獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行的模型，最后以3座風(fēng)力發(fā)電廠和1座光熱發(fā)電廠為例，通過仿真分析，驗(yàn)證了風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。與獨(dú)立運(yùn)行相比，風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行有效地緩解了風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性，并提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和資源的利用率，從而提高經(jīng)濟(jì)收益。

注：本文轉(zhuǎn)自《綜合智慧能源》期刊，聯(lián)合作者為華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘麗、王劍曉、李庚銀，清華大學(xué)低碳能源實(shí)驗(yàn)室杜爾順。轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的，若有來源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請(qǐng)作者與本網(wǎng)聯(lián)系。