电力现货市场环境下抽水蓄能机组实时调度原则及辅助决策算法研究

广东电网电力调度控制中心 邱丹骅 中国南方电网有限责任公司 黎嘉明

抽水蓄能电站具有调峰、调频、调压、事故备用和黑启动等多种功能，是电力系统实时运行的优质调节电源。2021年5月国家发展改革委印发了《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》，明确提出今后一段时期加快发展抽水蓄能电站是提升电力系统灵活性、经济性和安全性的重要方式，是构建以新能源为主体的新型电力系统的迫切要求，对保障电力供应、确保电网安全、促进新能源消纳、推动能源绿色低碳转型具有重要意义。《南方电网公司建设新型电力系统行动方案（2021-2030年）》提出要大力发展抽水蓄能，“十四五”和“十五五”期间分别投产500万和1500万千瓦抽水蓄能，2030年抽水蓄能装机达到2800万千瓦左右。

可以预见抽水蓄能将成为今后一段时期电力系统的一个重要发展方向，抽水蓄能机组容量占电源装机比例将进一步上升。因此，如何做好抽水蓄能与电力市场建设发展的衔接是一个必须考虑的问题，特别是在当前市场机制尚未完善、抽水蓄能电站尚未作为独立市场主体参与市场的背景下，调度机构如何科学、规范使用蓄能机组，避免蓄能开停对电力现货市场运行边界产生过大影响显得尤为重要。

以目前已开展电力现货市场全月结算试运行的广东省为例，广东省内的抽水蓄能电站均为电网公司资产，根据当前现货市场规则，蓄能机组视为A类机组（指暂未获得与用户侧直接交易资格的发电机组），不参与市场竞争，蓄能日前发电计划由调度机构方式策划专业根据系统需求安排，实时层面由调度专业负责调整，蓄能发电计划作为日前和实时市场出清的边界条件使用。截至2020年底，广东电网调管的抽水蓄能总装机为6680MW（单机均为300MW左右），容量十分可观，蓄能发电计划调整对电网断面调控、竞价空间影响较大，进而对市场出清结果产生重大影响。本文通过分析2020年8月广东电力现货市场全月结算试运行期间相关运行数据，对电力现货市场环境下抽水蓄能机组的应用场景、实时调度原则、辅助决策算法进行研究。

1 蓄能使用场景分析

1.1 负荷低谷时段配合系统调峰

广东电网负荷峰谷差较大，谷峰比可低至0.62以下，燃机、煤机、核电机组可调空间有限，为配合西电等清洁能源消纳，在负荷低谷期需要增开蓄能抽水工况（以下简称“开泵”）配合调峰。2020年8月上旬（8月1～10日）广东电网实测负荷数据显示，夜间低谷全省调峰缺口最小为463MW，最大为4748MW，所有日期均需要安排蓄能开泵配合系统调峰，开泵需求最小为2台，最大为16台。

1.2 负荷高峰时期提供发电侧备用容量

抽水蓄能机组能够为系统提供可快速调用的发电侧备用容量，2020年8月上旬广东电网实测负荷数据显示，10天中共有7天需由蓄能机组补充提供备用容量，其中不计蓄能时全省备用缺口最小为134MW，最大为6577MW，对应的蓄能发电工况（以下简称“开机”）需求最小为1台、最大为22台。应注意，为保证蓄能所提供的备用容量在发生事故时可足量调出，蓄能上库可发电库容必须满足蓄能机组持续提供相应发电功率所对应的水量。

1.3 负荷急升急降段补充常规机组的调节速率缺口

广东电网在8:00、12:00等负荷急升急降段负荷变化速率最大可以达到1000MW/min，需大量运行机组同步充分调用其负荷调节能力配合调整。但实际各机组的调节速率并不能完全达到标准要求，导致实际在运机组无法完全满足负荷变化需求，需调度员通过遥控蓄能启停机泵辅助调节。

根据8月广东实测负荷数据，可计算出每日8:00、12:00前后的最大负荷变化速率。再根据全省常规机组及外送电负荷变化速率得到必须由蓄能补充的调节速率缺口，以及对应的需配合快速调节的蓄能机组台数。从表1可见，除去周末负荷爬坡速率减缓以外，其余时间广东电网在8:00负荷急升段需要3～4台蓄能机组配合停泵/开机，在12:00负荷急降段需要4～6台蓄能机组配合停机/开泵。

1.4 蓄能水库水量调整

为实现蓄能电站库容的可持续循环利用，一般在夜间开泵抽水后需在日间开机重新释放蓄能上库库容，实现蓄能库容的“按日复位”。应注意到，8月上旬部分日期夜间负荷低谷期调峰盈余较大，但次日高峰往往备用紧张，因此仍需提前安排开泵抽水备足可发电库容；反之，夜间调峰困难的日期可能开泵较多，次日高峰时段一般无需蓄能机组补充备用容量，但仍需安排机组开机以释放库容。

2 抽水蓄能机组实时调度原则

基于抽水蓄能机组的使用场景，以确保电力系统安全稳定运行、电力现货市场平稳有序运转为目标，提出抽水蓄能机组实时调度原则：在保障系统运行安全、保证西电等清洁能源消纳的情况下，以最少调用、实时/日前计划偏差最小化为目标使用省内蓄能机组，以实现对市场干预最小化、蓄能损耗最小化；夜间根据蓄能剩余水量、低谷调峰缺口、次日需提供的发电侧备用容量对应最低水量制定蓄能计划；日间根据高峰时段备用需求、断面顶峰需要制定蓄能计划，剩余时段根据蓄能库容均匀安排开机放水，实现蓄能库容的每日复位；负荷急升急降时段根据超短期负荷预测确定常规机组调峰速率缺口，定量安排蓄能机组启停进行补充；除蓄能水位异常、备用/调峰盈余紧张等情况，当与蓄能强相关的断面重载时不安排蓄能的启停计划，避免蓄能计划安排触发异常电价；蓄能计划安排应尽量根据负荷走势逐步变化，避免由于阶跃式的蓄能计划跳变造成市场出清出现不平衡量。应注意，精准落实以上原则需比较复杂的数据计算和安全校核，仅依赖人工经验很难严格实现，因此需研究抽水蓄能机组实时运行的辅助决策算法。

3 抽水蓄能机组辅助决策算法

3.1 电力现货市场环境下抽水蓄能机组辅助决策算法主要逻辑

3.2 混合整数线性规划问题

计算以下混合整数线性规划问题，兼顾水量、平滑各时段出力即可优化得出蓄能发电计划。

约束条件2，调峰最小开泵容量约束，t时段蓄能电站的开泵容量应大于该时刻的最小调峰开泵容量：

约束条件3，负荷急升急降段补充调节速率约束，t时段蓄能出力绝对值应大于对应时段需要蓄能辅助调节的容量：；约束条件4，最小抽水容量约束，蓄能初始水量叠加出力计划对应的水量应大于最小库容储备：式中为蓄能00:00时刻的初始水量。

约束条件5，库容按日复位约束，即抽水蓄能电站24:00的水量与00:00初始水量保持一致：式中为蓄能24:00时刻的水量；约束条件6，功率平滑约束，相邻时段（15分钟）的蓄能计划值变化不超过900MW（3台机组），避免由于阶跃式的蓄能计划跳变造成市场出清出现不平衡量：≤900。

通过以上蓄能辅助决策算法，可在尽量减少对日前计划干预的情况下自动生成实时蓄能出力计划，基本满足调峰、调频、事故备用、水量平衡等安全要求，为调度员实时调控蓄能机组提供决策支撑。