调峰市场出清模型和关键技术研究

2021-08-31张成刚郭志恒马远程

机械与电子 2021年8期

李琦，张成刚，郭志恒，马远程

(1.国网陕西省电力公司电力调度控制中心,陕西西安710048；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084)

0 引言

现阶段，电网面临着巨大调峰压力。随着用电峰谷差的不断扩大，区域内电力与外送电力的特性不完全匹配，新能源快速增长等因素加剧了电网调峰的困难程度。随着可再生能源装机的持续增长，外来电力电量的增加，都使得电网调峰难度更加突出。另一方面，国内电力市场化改革进程进一步加快，电力现货市场建设有序推进，多项政策的落地均促进了现有电力平衡的优化，实现以传统水电调峰为主的形式转变为以可再生能源+储能、电动汽车和多用户等不同客户群体参与的新型调峰体系。

目前,针对电力市场条件下的调峰模型和技术研究不充分，文献[1]分析了广西电力调峰辅助服务市场建设路径及关键问题；文献[2]分析了不同调峰模式下负荷聚集商参与程度；文献[3]分析了数据网络参与多调峰辅助服务市场组合优化调度策略；文献[4]分析了新能源大规模并网条件下火电机组深度调峰控制策略优化；文献[5]分析了东北区域火电机组分级深度调峰经济效益；文献[6]针对促进负备用跨省调剂的华东电力调峰辅助服务市场进行了设计。

为此，本文针对日前市场和日内市场安全约束经济调度建立了出清模型。并且针对相应模型给出了求解算法流程。说明了调峰市场与联络线计划跟踪一体化机制、起作用约束识别的SCED预处理技术和两级调峰辅助服务市场协调技术等调峰关键技术在电力市场中的应用。最后针对日前市场调峰进行了算例分析。

1 日前市场出清SCED模型

1.1 目标函数

日前市场出清的目标函数为最小化系统调峰成本：

(1)

N为机组的总台数；S为机组调峰报价档位数；T为调度总时段数，一般考虑24 h；Pi,s,t表示机组i第s档在t时段的调峰中标量；Ci,s为机组i第s档的调峰报价。

1.2 约束条件

a.功率平衡约束。要求系统各个时段发电和用电之间保持功率平衡，即

(2)

Dt为t时段的系统负荷，该负荷已扣减联络线送入功率以及新能源、水电、地调电厂出力。

b.机组出力约束为

(3)

c.机组爬坡约束。机组上爬坡或下爬坡时，均应满足爬坡速率要求，即

(4)

(5)

d.机组调峰分段约束。当系统需要调峰的时候，需要添加机组调峰分段约束，即

(6)

Pi,Base为机组i的调峰基准值；M为机组报价总段数；Pi,m,t为机组i申报的第m个出力分段在t时段的中标量。

e.机组出力平滑约束。非调峰时段为使机组出力曲线尽量平滑，需添加出力平滑约束。

(7)

f.机组上分段约束。非调峰时段且有电厂考虑电量约束，需添加机组上分段约束,即

(8)

g.风光限电比例约束。若有弃风弃光，则等比例削减风光指定出力。

h.电厂电量约束。如果全天无调峰，则添加电厂电量约束，即

(9)

i.线路潮流约束为

(10)

j.断面潮流约束为

(11)

1.3 算法流程

在全天有调峰需求时，调峰时段机组按规则中标调峰，非调峰时段若有电厂考虑电量约束，电厂内机组按开机容量分电厂电量；若全天无调峰需求，则增加电厂电量约束，最大限度地满足电厂电量的需求。

整个算法流程如图1所示。

图1 日内市场出清求解步骤

一般来讲，电厂电量是对计划周期(全天)内电厂计划安排的约束，调峰出清是分时刻进行出清的，也就是说，如果全天都存在调峰需求，则电厂电量约束失效，如果全天存在无调峰时刻，电厂电量约束就会起到作用。

2 日内市场出清SCED模型

2.1 目标函数

日内市场的出清SCED目标函数同式(1)。

2.2 约束条件

a.人工指定区域调峰约束。当人工指定区域需要调峰时，需要添加该约束，即

(12)

b.机组跟踪日前计划约束为

(13)

Pi,t,Plan为机组i在t时段需跟踪的日前计划出力。

日内市场的其余约束条件同式(2)～式(11)。

2.3 算法流程

日内调峰市场实现在有调峰需求的时候，按规则让报价机组中标调峰，出清机组中标和出力结果。具体流程如下所述。

a.首先判断是否有人工全网出清需求，若有，则按人工全网出清需求量出清；若无，则转步骤b。

b.同时考虑自动计算全网出清需求(依据机组调峰基准值和系统负荷判断得到的全网出清需求)和人工区域出清需求。假设自动计算全网出清量为A，人工区域出清需求量为B，则具体实现方法如下：

①若A≥B，则区域内机组出清B电力(若区域内机组最大调峰空间

②若A

c.某时段无全网出清需求且有人工区域出清需求，而其他时段有全网出清需求时，则严格保证人工区域出清需求。其他时段的全网出清顺序可能因为爬坡等原因受影响。

以上步骤如图2所示。

图2 日内市场出清求解步骤

3 调峰关键技术

3.1 柔建模与约束松弛技术

在实际调度运行中，有可能出现各类约束冲突或边界条件不合理，造成市场出清模型和发电计划模型在严格数学意义上不可行的情况。基于长期以来的工程实践经验，提出了柔性建模与约束松弛技术，在发生不可行时能够自动根据事先指定的约束优先级针对性地松弛一些非关键约束，确保市场出清和发电计划模型在有限范围内能够获得可行结果，并且能够根据松弛情况给出辅助信息供运行人员进一步分析决策。

柔性建模与约束松弛技术大大提升了市场出清与发电计划优化的鲁棒性，对电网调度运行有着关键性意义。

3.2 基于出清约束识别的闭环SCED预处理技术

由于全网的断面/线路安全约束过多，直接将所有的断面/线路约束条件添加到数学模型中进行优化，必然会极大地降低计算效率。

本文提出基于起作用约束识别的闭环SCED预处理技术。首先，建立不考虑网络安全约束的优化模型，求得无安全约束出清结果；接着，计算断面/线路的基态直流潮流，并开展安全校核：若不存在新增断面/线路潮流越限，则优化结束，否则将新增断面/线路潮流约束添加到优化模型的约束条件中，重新计算有安全约束市场出清，并开展直流潮流安全校核，如此循环直至没有新增断面/线路潮流越限。

该技术通过SCED与安全校核之间的迭代，逐步识别起作用约束并加入到SCED中，获得最优解，从而极大地提高优化效率。具体流程如图3所示。

图3 闭环SCED预处理流程

在上述思路的基础上，可以进一步利用历史运行数据，提高第1次优化计算时重载断面的识别完整度。具体而言，可以利用历史同类型日(或前一运行日)的发电机组出力曲线和相关断面的重载情况，选取重载程度高于一定阈值的断面在首次优化时即进入约束集，从而提升起作用断面的识别、迭代新增效率。

3.3 两级调峰辅助服务市场协调技术

基于高占比新能源的网省两级调峰辅助服务市场的交易机制和协调优化机制，实现了电网调峰资源的协调出清和余缺互济。

按照“先省内后省间”的市场运行原则，制定衔接有序的两级市场运行机制。网调机组报价由网调转发，网调机组在省内市场中标后，中标结果发送网调校核，网调返回校核后的中标结果作为在省内市场的出清结果，保障了电网省内省间调峰辅助服务市场业务高效协同运行。具体流程如图4所示。

图4 调峰辅助服务协调技术

日内调峰市场中，省间及省内两级调峰辅助服务市场的衔接模式如下所述。

省内机组先参与省间调峰，在省间调峰市场中标的机组,在参与省内调峰时义务调峰下限在外部被修改(已扣减在省间调峰市场的中标量)，若仍有出力往下调的空间，则在省内调峰市场依旧有中标能力；在省间调峰市场未中标的机组,在参与省内调峰时义务调峰下限和省间调峰一致，全部的调峰能力都能在省内调峰中调用。算法出清的机组中标量只是省内调峰市场中标量。

这样优先保证了省间调峰辅助服务市场的执行，同时提供更多的省内调峰能力，实现了省级电网调峰资源的协调出清及最大化利用。能通过网省两级市场协调机制，有效挖掘省调机组、省内网调机组及省外通道调峰资源，优化调峰资源配置，提升新能源发电能力消纳水平，保障电网安全稳定运行。