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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)定和波動等問題。光熱發(fā)電的熱儲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)合運行的模型。其中聯(lián)合運行策略用兩階段隨機優(yōu)化模型來表示，其目的是在考慮實時不平衡結(jié)算的情況下，將日前市場收入最大化。為了更加直觀地展示該模型給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益，分別建立了風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電獨立運行和聯(lián)合運行2種情況下的模型，并通過算例對兩者的總收益進行對比。算例表明，風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運行系統(tǒng)可以有效地緩解實時不平衡問題，并明顯提高了收益。

引言

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

與風(fēng)能和光能單獨發(fā)電相比，可以提高能源利用效率，促進我國節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展，進一步增強可再生能源的市場競爭力。目前，對于風(fēng)光聯(lián)合運行的研究方向，主要有光熱發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)運行與其容量問題，及風(fēng)光聯(lián)合運行的調(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)電的混合運行，以及風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，并指出風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的資源利用率比獨立運行的分布式發(fā)電系統(tǒng)高26%~40%。文獻研究了光熱儲能和風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合運行的成本及調(diào)度問題，主要對發(fā)電成本、功率波動等方面進行了優(yōu)化。此類文獻主要集中在光熱發(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)合運行給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益。

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

1、風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運行模式

1.1、市場交易價格機制

本文基于日前市場和平衡市場這兩種短期電力市場進行討論。在日前市場中，發(fā)電企業(yè)提供其每小時需供應(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)濟調(diào)度算法來進行市場結(jié)算。而平衡市場將日前市場中實時發(fā)電量與市場出清量的偏差定義為不平衡價格，根據(jù)偏差選取合適的價格，以此來減小系統(tǒng)的不平衡。當(dāng)實際發(fā)電量小于出清量時，不平衡價格為負，即生產(chǎn)不足，發(fā)電企業(yè)需支付負不平衡價格的偏差；當(dāng)實際發(fā)電量大于出清量時，不平衡價格為正，即生產(chǎn)過剩，發(fā)電企業(yè)需支付正不平衡價格的偏差。

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

式中：μt+，μt-，μDA，t和μRT，t分別為時間間隔t的正不平衡價格、負不平衡價格、日前市場價格和平衡市場價格。

在雙價格機制下，電價取決于不平衡價格的正負。與整個系統(tǒng)不平衡方向相反的偏差，按日前市場價格定價；與整個系統(tǒng)不平衡方向相同的偏差，按平衡市場價格定價。即正不平衡價格不高于日前市場價格，負不平衡價格不低于日前市場價格。

1.2、聯(lián)合運行模式

基于上述交易機制，在發(fā)電量和市場價格不確定的情況下，風(fēng)力發(fā)電企業(yè)在日前市場提交報價，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)報價策略是在日前市場的利潤和平衡市場的不平衡成本之間進行權(quán)衡。由于不平衡電價往往表現(xiàn)出波動性且難以預(yù)測，因此尋求降低實時出力不確定性的方法是風(fēng)力發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)市場利潤最大化的關(guān)鍵。光熱發(fā)電能夠有效抑制風(fēng)力發(fā)電實時出力的不確定性，二者如果聯(lián)運都將得到激勵。

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

圖1風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電聯(lián)合運行模式

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)合運行模型

在建立的仿真模型中，提出下列假設(shè)。

（1）實時風(fēng)力發(fā)電量、光熱發(fā)電量和電價的不確定性具有一系列情景特征。

（2）日前市場電價可由預(yù)測得出，并認為風(fēng)力發(fā)電廠和光熱發(fā)電廠是價格接受者。

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

2.1、獨立運行策略

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電廠運行策略

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優(yōu)化模型：

式中：Lm WPP為風(fēng)力發(fā)電廠的收入，元；t為時間，h；s為場景參數(shù)；T和I分別為時間集合和情景集合；DA代表日前市場；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時正、負不平衡功率，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）計算了日前供應(yīng)輸出的正負偏差，式（6）和（7）限制輸出偏差。

2.1.2 光熱發(fā)電廠運行策略

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時正、負不平衡功率，MW；PEH和Psolar為電加熱器和太陽場的熱功率，MW；Pthc和Pthd分別為熱能儲存系統(tǒng)的充、放電熱功率，MW；PSU為光熱發(fā)電廠啟動時的能耗，MW；ηc和ηd分別為熱儲能系統(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)啟動狀態(tài)時的二進制變量；En，th，max和En，th，min為熱儲能系統(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)下的二進制變量。

式（12）表示光熱發(fā)電廠熱能的瞬時平衡，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)不會同時發(fā)生，式（17）限制了熱能儲存的充電量，式（18）限制了能量循環(huán)的輸出功率，式（19）計算了帶有熱儲能設(shè)備和電熱器的光熱發(fā)電的凈功率輸出。

2.2 聯(lián)合運行策略

風(fēng)力發(fā)電廠和光熱發(fā)電廠的聯(lián)合運行策略可表述為以下兩階段隨機優(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)合運行策略，分別表示為WPP1，WPP2，WPP3和CSP。風(fēng)力發(fā)電廠裝機容量分別為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

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

表2 獨立運行和聯(lián)合運行的預(yù)期收益

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

4、結(jié)論

提出了一種考慮實時不平衡結(jié)算的風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠在日前市場聯(lián)合運行的最優(yōu)策略。首先介紹了電力市場的交易價格機制和風(fēng)光聯(lián)合運行系統(tǒng)的框架，分別建立了風(fēng)力發(fā)電廠與光熱發(fā)電廠在獨立運行和聯(lián)合運行的模型，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，驗證了風(fēng)光聯(lián)合運行系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。與獨立運行相比，風(fēng)光聯(lián)合運行有效地緩解了風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電的波動性和不確定性，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)國家重點實驗室潘麗、王劍曉、李庚銀，清華大學(xué)低碳能源實驗室杜爾順。轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的，若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者與本網(wǎng)聯(lián)系。