面向高比例新能源电网的重大耗能企业需求响应调度

杨子敏

大唐内蒙古能源开发有限公司蒙西新能源事业部 内蒙古呼和浩特市010010

摘要：为了支持经济发展和建设制造强国，近年来中国主要耗能企业蓬勃发展，其用电量迅速增加。据国家能源局统计，钢铁、建材、有色、化工、石化等主要耗能企业用电量占全社会用电量的近一半，其中增长占全社会用电需求增长总量的42%。这导致主要能源消耗企业的电费居高不下。逐渐成为制约主要耗能企业发展的重要问题。随着“双碳”战略的提出和实施，国家鼓励主要耗能企业使用成本更低的新能源进行生产，实现节能减排，这为降低企业用电成本提供了新思路。

关键词：需求侧响应；新能源并网；协调调度；生产调度；

随着国家“双碳”重大战略的提出,高比例新能源并网将成为我国电力能源转型的重要态势。针对火电机组、配电网和需求侧关联的系列运行约束制约了电网对高比例新能源的有效消纳这一问题,提出重大耗能企业这一主要电力负荷参与网需求响应(Demand response,DR)的研究思路,通过重大耗能企业与电网协调调度促进新能源消纳,并获得经济补偿以减少运行成本。

一、考虑风电不确定性的两步协调调度策略

风电出力的不确定性加大了含高比例风电电网的调度策略制定难度。不合理的协调策略不仅不能促进风电消纳,甚至无法满足重大耗能企业生产电力需求.详细来说,在满足电力系统中的功率平衡的前提下,若调度风电功率小于实际风电功率,系统必须弃风。反之,若调度风电功率高于实际风电功率,则代表当前发电侧功率小于供电侧负荷,重大耗能企业生产需求将无法得到满足。为了实现重大耗能企业与不确定性风电的高效协调,基于风电不确定性中预测值−预测误差的信息依存顺序,提出两步调度策略.从而在考虑风电不确定性的情况下保证调度计划的可行性和经济性。第1步调度是传统的确定性日前调度,而第2步调度考虑风电的不确定性,将风功率场景集合引入,以提升调度效果.在第1步调度中,根据日前负荷信息和分时电价表,重大耗能企业用户进行价格型需求侧响应决策,最小化自身生产成本,并进一步计算出重大耗能企业负荷信息。调度系统结合预测风功率,以发电成本为目标函数,优化得到火电机组组合方案,并保留足够的机组备用以供第2步调度针对风电预测误差进行调整。在第2步调度中,针对风电功率的预测误差进行表征采样,并在价格需求侧响应的基础上,根据具体风电场景为重大耗能企业提供促进风电消纳的激励需求侧响应.重大耗能企业自愿选择是否参加。如果参加激励需求侧响应,则会按照风电消纳量得到经济补偿.在此基础上,以最小化发电成本、重大耗能企业生产成本以及系统弃风量为目标,建立多目标经济调度模型.之后对每一个风电功率场景进行优化并结合场景出现的概率计算目标函数的期望值,得到每个时段火电机组的出力及参与激励需求侧响应的重大耗能企业用户的响应方案.需要指出的是,第2步优化调度受第1步结果的约束,是针对第1步调度的进一步优化。

二、算例设计

基于改进的内蒙电网节点系统进行仿真,该节点系统包含了26条总线,39条支路,其拓扑图如附录A所示.其中主要包括了5台火电机组,其耗量系数、最小启停时间等参数。设置一个表征重大耗能企业需求侧响应的PMP系统通过节点接入电网.参考国家标准GB/T 39973-2021,每个生产对象代表纺织工业中的1 000米机织染整布,并设置一个调度周期的生产任务为25个生产对象。此外,考虑到新能源并网的情况,本算例还通过节点20接入了一个风电场,并基于某风电场的实际情况设置预测风速.风速预测误差均值设置为0,预测误差设置为8%的预测风速.基于风功率模型计算该风电场24小时预测风电功率。假设电网负荷波动幅度为预测值的10%.根据该负荷曲线,假设电力市场为重大耗能企业需求侧响应提供的价格型需求侧响应分时电价表。为了验证所提出的两步调度优化模型的有效性,设计了算例1与算例2以比较验证重大耗能企业用户参与第2步协调调度的有效性。算例1与算例2的主要区别在于第2步中重大耗能企业用户是否参与风电消纳导向的激励型需求侧响应,若不参与则该系统为一个传统的价格导向的需求侧响应策略,即算例2是一种已有的需求侧响应方法.此外设计了算例3,其中给出了6种不同的权重,以测试权重对优化结果的影响,同时验证两步调度优化模型在不同权重之下的有效性与稳定性。算例1.发电成本、生产成本、弃风量三个目标函数的权重分别为1/3,1/3,1/3.PMP参与第2步调度中风电导向激励型需求侧响应。算例2.发电成本、生产成本、弃风量三个目标函数的权重分别为1/3,1/3,1/3.PMP不参与第2步调度中风电导向激励型需求侧响应。算例3.为了验证对J1,J3,J4三个目标函数偏重不同的情况下两步调度优化模型的有效性及探讨不同权重因子对优化结果的影响,本算例中设计了6种不同的权重比例,其发电成本、生产成本、弃风量三个目标函数的权重。

三、结果分析

1.结果1.两步经济调度有效性分析。算例1的模拟结果算例1部分所示。一方面在第1步优化中,最优经济调度策略下的发电成本为208110.02,生产成本为3528.15,风电消纳量为2531.54 MWh。而在第2步细化调度中PMP参与了激励型需求侧响应,上述三个目标函数的值分别为244436.30,3 478.16,以及2 738.45 MWh。显然,第2步调度风电消纳量相比第1步调度上升了8.17%。这是由于第2步调度重新规划了PMP调度计划,通过将生产计划调整到风电出力更高的时段,进而利用PMP网络的柔性增强了PMP生产负荷与风电功率的相关性,在第1步调度的基础上增强了对风电的消纳能力。第2步调度中发电成本上升了17.46%,这主要是因为引入了外部备用。在第2步调度中火电机组的备用出力和火电发电成本期望值高于第1步调度对应值，但是由于风电消纳量的增加导致了第2步调度结果中火电机组出力的减少,发电成本随之下降.因此,在风电导向的需求侧响应机制下,PMP生产成本降低了1.42%。

2.结果2.重大耗能企业需求侧响应协调调度有效性分析。为了进一步探讨第2步需求侧响应对于系统运行的影响,对算例2进行求解。与算例1相反,在算例2中PMP不参与第2步调度中的激励型需求侧响应.在这种情况下,一方面最优风电消纳量为2 826.61 MWh,与算例1基本保持一致。第1步调度后的系统负荷与第2步调度后的系统负荷曲线几乎完全重合,即第2步并没有对系统负荷做出调整,系统负荷与实际风电功率曲线的相关性不高,调度系统不能通过PMP负荷的柔性来增强对风电的消纳.另一方面,算例2中系统所需的外部备用增加了65.46 MWh,达到了333.46 MWh。这意味着系统使用了额外的外部备用以促进风电的消纳,并保证系统的正常运行.然而,外部备用的引入导致发电成本增加了12451.92。这是因为在负荷较高的时段火电机组组合和风电机组不能很好地满足系统负荷需求,从而导致较多外部备用的引入。

3.结果3.权重因子对优化结果影响分析。在上述优化调度中,发电成本的权重与生产成本和弃风量权重一致,然而权重因子的确定将影响到系统目标函数的组成,影响了最终优化结果.为了研究权重因子对于优化结果的影响,算例3的求解结果进行分析探讨,权重因子对风电消纳量和发电成本有着显著的影响。1)较大的权重因子代表对该目标函数更高的重视程度,能够得到更优的目标函数值。可以看到风电消纳量及发电成本随着权重的改变产生了明显的变化.其中,权重越大对应的风电消纳量越高,发电成本越低,火电机组组合发电量的优化结果,可知引起发电成本变化的因素主要来自于外部备用的引入。2)由于存在最小生产量限制及PMP生产过程约束,PMP生产成本并不随权重的变化而产生明显的波动。

总之，针对可持续发展要求下高比例风电并网以及电网运行经济性的要求,结合重大耗能企业领域需求侧响应并从经济调度的角度出发,研究了生产过程的行为模型,并在此基础上建立了高比例风电渗透的智能电网背景下两步优化需求侧响应调度模型,提出两步优化调度策略以实现电力系统的经济协调调度。

参考文献；

[1]王浩宇，基于技术分析的主要高耗能产品单耗预测方法及展望.2021.