李戰(zhàn)明，季金

（蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

風(fēng)能資源是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是目前新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一[1]。隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的日益突出，人們的目光開(kāi)始聚集在清潔、可持續(xù)發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電上，特別是在2011年日本發(fā)生嚴(yán)重核泄漏事故后，人們開(kāi)始反思能源利用的安全問(wèn)題，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)與利用步伐不斷加快。積極開(kāi)發(fā)利用風(fēng)電，能夠增加我國(guó)能源供應(yīng)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

自然風(fēng)具有隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性、季節(jié)性等特點(diǎn)，因此風(fēng)力發(fā)電不具備常規(guī)能源的調(diào)頻、調(diào)峰等能力。大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)，在沒(méi)有足夠的調(diào)峰裝置下將會(huì)給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的安全隱患。我國(guó)風(fēng)電資源主要集中在東北、華北、西北地區(qū)，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。局限于目前的網(wǎng)架建設(shè)加上風(fēng)電機(jī)組具有電壓敏感性及電壓越限自動(dòng)脫網(wǎng)特性[2]。大范圍內(nèi)的消納風(fēng)電受到限制。我國(guó)的電源結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電和水力發(fā)電為主，核能和其他新能源發(fā)電占的比例相對(duì)較小。從發(fā)電的角度來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電僅提供電量而不提供與之匹配的裝機(jī)容量。隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的進(jìn)一步提升，電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的調(diào)峰裝置，不得不采用棄風(fēng)來(lái)保障系統(tǒng)的安全。特別是在冬季，火電機(jī)組的供熱期、水電機(jī)組的枯水期、風(fēng)電機(jī)組的大發(fā)期相互疊加在一起，導(dǎo)致調(diào)峰更加困難，風(fēng)電消納受到嚴(yán)重制約[3]。提高風(fēng)電就地消納規(guī)模、減輕電網(wǎng)調(diào)峰壓力，探索新的調(diào)峰模式刻不容緩。

抽水蓄能電站與風(fēng)電場(chǎng)配合可大大降低風(fēng)電出力的隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)面影響，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。水庫(kù)主要擔(dān)負(fù)抗洪防汛的任務(wù)，從發(fā)電的角度來(lái)看，水電只提供容量，而不提供等量的電量。風(fēng)電有電量，卻沒(méi)有與裝機(jī)量匹配的容量。因此抽水蓄電和風(fēng)電場(chǎng)配合，能夠起到很好的作用。文獻(xiàn)[4]研究了風(fēng)力發(fā)電、火力發(fā)電、抽水蓄能這三種發(fā)電方式在不同季節(jié)、電力需求、風(fēng)電穿透率所組成的多場(chǎng)景下優(yōu)化運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)成本的改善。文獻(xiàn)[5]以電力市場(chǎng)環(huán)境下風(fēng)電-抽水蓄能整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，建立了雙層優(yōu)化模型，比較了風(fēng)力發(fā)電和一定容量的抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行與兩者分別單獨(dú)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[6]從水電和風(fēng)電日運(yùn)行優(yōu)化模式進(jìn)行了研究，得出了抽水蓄能與風(fēng)電場(chǎng)配合能夠使二者經(jīng)濟(jì)利益最大化且顯著增大消納規(guī)模。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，我國(guó)電源結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電機(jī)組為主，其中燃煤火電機(jī)組占比達(dá)到74.43%。由于燃煤火電機(jī)組啟、停時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，不能滿足大范圍、快速波動(dòng)的風(fēng)電調(diào)峰需求。水電機(jī)組有良好的調(diào)峰能力，但在風(fēng)電比重較大的的華北和東北地區(qū)，水電的占比非常小，還有部分徑流式水電不具備調(diào)峰能力。因此，抽水蓄電的發(fā)展在我國(guó)有很大的局限性[7]。

高耗能企業(yè)生產(chǎn)隨市場(chǎng)波動(dòng)很大，電力成本在生產(chǎn)成本中占的比例較大。降低電力成本有利于企業(yè)在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利位置。企業(yè)的日負(fù)荷具有一定的可調(diào)性，通過(guò)改變生產(chǎn)流程和加工工藝將一定時(shí)段內(nèi)的高電價(jià)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段，充分發(fā)揮用戶側(cè)的調(diào)峰積極性。本文通過(guò)研究風(fēng)電場(chǎng)和高耗能企業(yè)的聯(lián)合運(yùn)行模式，提出了一種新的價(jià)格機(jī)制，使高耗能企業(yè)主動(dòng)在風(fēng)電大發(fā)期間多用電，風(fēng)電低谷和負(fù)荷高峰時(shí)段少用電。這樣有效地減小電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，提高了電網(wǎng)調(diào)峰能力與風(fēng)電就地消納能力，電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)共同受益。文獻(xiàn)[8]以株洲冶煉集團(tuán)為例，說(shuō)明了峰谷電價(jià)在指導(dǎo)高耗能企業(yè)參與電網(wǎng)內(nèi)削峰填谷的可行性。

1 風(fēng)電出力模型

由于風(fēng)速的不確定性，風(fēng)電的出力也隨風(fēng)速的波動(dòng)而波動(dòng)。角度風(fēng)對(duì)水平負(fù)載也有較大影響[9]。研究表明，大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速的概率分布密度函數(shù)遵循Weibull分布[10]：

式（1）中，v（m/s）為實(shí)時(shí)風(fēng)速；c為尺度系數(shù)，量綱和速度相同，表示風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速的大??；k（無(wú)量綱）為形狀系數(shù)，表示曲線的峰值情況。

用下列函數(shù)表示風(fēng)電出力Pw與風(fēng)速v之間的關(guān)系：

式（2）中，Pr為風(fēng)機(jī)額定出力；v1為啟動(dòng)風(fēng)速；v2為切除風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速。

2 價(jià)格模型

2.1 價(jià)格與風(fēng)電出力之間的關(guān)系

定義風(fēng)電價(jià)格與風(fēng)電出力之間存在以下關(guān)系：

圖1 風(fēng)電出力與風(fēng)電價(jià)格之間的關(guān)系Fig. 1 The relationship between the price and the output of wind power

用如下關(guān)系式表示：

式（3）中，yi為i時(shí)段風(fēng)電價(jià)格；xi為風(fēng)電i時(shí)段出力；A，B，M，N均為常數(shù)；Dmin、Dmax表示高耗能企業(yè)小時(shí)段內(nèi)生產(chǎn)的最小用電量和最大用電量。

2.2 風(fēng)電價(jià)格與企業(yè)收益之間的關(guān)系

高耗能企業(yè)生產(chǎn)中的負(fù)荷有些是不可中斷的，比如鈦合金冶煉就屬于24 h連續(xù)工作，一旦停爐，爐料容易冷卻結(jié)塊。而有些屬于可以調(diào)控的柔性負(fù)荷，比如擁有很多粉碎機(jī)的工廠可以讓粉碎機(jī)在電力價(jià)格較低的時(shí)候組織生產(chǎn)。因此，將企業(yè)的負(fù)荷定義為不可中斷的負(fù)荷和可以調(diào)控的柔性負(fù)荷。企業(yè)可以通過(guò)改變生產(chǎn)方式和流程增加企業(yè)可控的柔性負(fù)荷，增大在調(diào)峰中的作用。如株洲冶煉集團(tuán)通過(guò)對(duì)供電系統(tǒng)的改造和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變使企業(yè)的可控柔性負(fù)荷增加，在參與風(fēng)電消納過(guò)程中取得良好效果。

定義企業(yè)中的不可中斷負(fù)荷為Dmin，可控柔性負(fù)荷大小為Dmax-Dmin，企業(yè)通過(guò)價(jià)格機(jī)制的引導(dǎo)，調(diào)節(jié)各個(gè)時(shí)段的可控柔性負(fù)荷的大小來(lái)取得參與風(fēng)電消納的收益TRi：

式（4）中，Di為企業(yè)i時(shí)段風(fēng)電使用量；TRi為i時(shí)段企業(yè)使用風(fēng)電所節(jié)約的成本；Y為市場(chǎng)電價(jià)；yi為i時(shí)段風(fēng)電的價(jià)格。該式表示i時(shí)段企業(yè)負(fù)荷超出風(fēng)電出力的部分價(jià)格為市場(chǎng)電價(jià)。則企業(yè)在一天中所獲得收益TR：

3 機(jī)會(huì)約束模型

由于風(fēng)電出力具有不確定性，因此在解決企業(yè)收益最大化的問(wèn)題時(shí)，需要考慮風(fēng)電出力期望值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)的置信度?？梢圆捎脵C(jī)會(huì)約束規(guī)劃進(jìn)行描述，機(jī)會(huì)約束規(guī)劃是由Charnes和Cooper提出的第二類隨機(jī)規(guī)劃[11]。其顯著特點(diǎn)是隨機(jī)約束條件至少以一定的置信水平成立，為決策者在可控的風(fēng)險(xiǎn)下做出有利決策。其表達(dá)式為

式（6）中，J為目標(biāo)函數(shù)；x為決策向量；ξ為隨機(jī)參數(shù)向量；Pr[]表示機(jī)會(huì)約束函數(shù)G成立的概率；α為置信水平。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

企業(yè)在一天內(nèi)所獲得的最大收益為目標(biāo)函數(shù)：

3.2 決策變量

風(fēng)電價(jià)格由該時(shí)段的風(fēng)電出力所決定，企業(yè)在該時(shí)段所取得的收益由使用風(fēng)電Di決定。

3.3 約束條件

1）功率平衡約束：

式

（8）中，di為i時(shí)刻企業(yè)負(fù)荷；xi－di表示風(fēng)電出力與高耗能企業(yè)聯(lián)合運(yùn)行的等效出力；ω為電網(wǎng)期望等效負(fù)荷波動(dòng)峰值；α為置信水平。等效負(fù)荷值為正表示風(fēng)電向電網(wǎng)供電，等效負(fù)荷值為負(fù)表示電網(wǎng)向企業(yè)供電。

2）企業(yè)日負(fù)荷約束：

式（9）中，DR為企業(yè)日計(jì)劃生產(chǎn)負(fù)荷。

3）企業(yè)小時(shí)負(fù)荷約束：

4）風(fēng)電價(jià)格波動(dòng)范圍：

5）電網(wǎng)負(fù)荷峰谷對(duì)風(fēng)電價(jià)格的影響：

式（12）中，Hi為電網(wǎng)i時(shí)段的負(fù)荷；A1表示電網(wǎng)的高峰負(fù)荷；A2表示電網(wǎng)的低谷負(fù)荷。

4 求解過(guò)程

基于上述模型在機(jī)會(huì)約束條件下的檢驗(yàn)：

1）輸入風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)參數(shù)，裝機(jī)容量、啟動(dòng)和切除風(fēng)速、額定風(fēng)速、額定功率等。

2）利用Matlab中Wblrnd隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生服從Weibull函數(shù)分布的風(fēng)速序（v1，v2，v3，…，vn），并用式（2）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的風(fēng)電出力。

3）置n=0，計(jì)算機(jī)會(huì)約束條件下的等效負(fù)荷，若等效負(fù)荷小于電網(wǎng)要求的波動(dòng)幅值，則n=n+1。重復(fù)a、b步驟m次。

4）計(jì)算n/m，若n/m≥α，則表示機(jī)會(huì)約束成立。

粒子群算法步驟如下：

a. 參數(shù)和初始值的設(shè)置，由風(fēng)電出力和電網(wǎng)峰谷電價(jià)約束計(jì)算各時(shí)段的風(fēng)電價(jià)格。

b. 隨機(jī)生成企業(yè)負(fù)荷粒子。

c. 根據(jù)企業(yè)日負(fù)荷和小時(shí)負(fù)荷約束檢驗(yàn)粒子，不滿足條件則重復(fù)步驟b，滿足則進(jìn)入步驟d。

d. 計(jì)算粒子適應(yīng)度即企業(yè)收益TR，保存最優(yōu)粒子。

e.更新粒子，重復(fù)步驟c，d。直到滿足終止條件。

5 算列分析

以某實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，調(diào)度周期為24 h。

圖2 某區(qū)域電網(wǎng)日負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig. 2 Daily load data of a regional power grid

以某高耗能企業(yè)為例，該企業(yè)不可中斷負(fù)荷為1 MW，可控柔性負(fù)荷為3 MW。圖3為其日常生產(chǎn)負(fù)荷圖。

圖3 某企業(yè)日負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig. 3 Daily load data of an enterprise

其中風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量為6 MW，風(fēng)機(jī)的額定容量Pr=600 kW，vr=14 m/s，v1=3 m/s，v2=25 m/s。根據(jù)風(fēng)速分布特性，取k=2.13、c=10，市場(chǎng)電價(jià)Y=560元/MW，M=560，N=350，Dmax=4 MW，Dmin=1 MW，A=-70，B=630，DR=60 MW，ω=5，置信度α=0.98。隨機(jī)模擬次數(shù)m=10 000次，粒子數(shù)100，迭代次數(shù)10 000次。

6 結(jié)果分析

采用上述數(shù)據(jù)和公式，使用matlab軟件仿真，通過(guò)多目尋優(yōu)，可以得到風(fēng)電消納前后的風(fēng)電波動(dòng)和電網(wǎng)負(fù)荷變化對(duì)比圖。

圖4 藍(lán)色表示消納前風(fēng)電出力，紅色表示等效出力Fig. 4 The Blue color represents the wind power output before the consumption measures are taken，while the red color for the one after.

圖5 藍(lán)色表示消納前的電網(wǎng)負(fù)荷，紅色表示消納后的電網(wǎng)負(fù)荷Fig. 5 The Blue color represents the load of the power grid before the consumption measures are taken，while the red color for the one after.

現(xiàn)階段風(fēng)電限制入網(wǎng)的主要原因是風(fēng)電出力的劇烈波動(dòng)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰困難，從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)高耗能企業(yè)消納后，風(fēng)電出力的波動(dòng)有了明顯的減弱，這樣緩解了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，有利于一定規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)，減少棄風(fēng)量，解決現(xiàn)階段風(fēng)電發(fā)展的難題。但是從風(fēng)電長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展角度來(lái)看。具有一定規(guī)模的快速調(diào)峰裝置是大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)安全運(yùn)行的保證。

通過(guò)圖4和圖5可以看出，風(fēng)電出力的反調(diào)峰性和波動(dòng)性明顯，如果不加以限制而大規(guī)模的并網(wǎng)將會(huì)使電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰更加困難，且?guī)?lái)不穩(wěn)定性。由風(fēng)電出力和電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差確定的風(fēng)電價(jià)格可以使企業(yè)根據(jù)風(fēng)電價(jià)格調(diào)整生產(chǎn)，從而使接入電網(wǎng)的風(fēng)電在[-2，2]MW之間波動(dòng)，與消納前風(fēng)電在[0，6]MW之間波動(dòng)比較，能夠很好地減輕電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期間，企業(yè)參與風(fēng)電消納后，電網(wǎng)負(fù)荷的低谷時(shí)段的用電量有了顯著增加，高峰時(shí)段的負(fù)荷也有了一定的降低。系統(tǒng)峰谷差由158.3 MW降到152.7 MW，減少量為5.9 MW。從整體上降低了電網(wǎng)系統(tǒng)的峰谷差，維護(hù)了電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

高耗能企業(yè)通過(guò)風(fēng)電價(jià)格調(diào)整原有生產(chǎn)方式和流程，避開(kāi)電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段。對(duì)削減峰谷差有很大作用。從而維護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。高耗能企業(yè)參與風(fēng)電消納，通過(guò)使用較低價(jià)格的風(fēng)電為企業(yè)節(jié)約大量的電力成本，這樣企業(yè)在行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中處于有利位置。用戶側(cè)主動(dòng)參與調(diào)峰能緩解目前電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰不足的壓力。

7 結(jié)論

風(fēng)電出力的隨機(jī)波動(dòng)性給電網(wǎng)調(diào)峰帶來(lái)了巨大的難題，平緩風(fēng)電出力的波動(dòng)使其平穩(wěn)的接入電網(wǎng)，能夠增大風(fēng)電滲透率減小棄風(fēng)量，還能夠減少常規(guī)機(jī)組的備用調(diào)峰容量，節(jié)約大量的成本。高耗能企業(yè)根據(jù)風(fēng)電價(jià)格的波動(dòng)調(diào)整企業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)用戶需要對(duì)供電系統(tǒng)（進(jìn)線與主變壓器增容等）、生產(chǎn)工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造以提高調(diào)峰的技術(shù)水平。增大企業(yè)能效管理水平，降低生產(chǎn)成本，使電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)共同受益。功率平衡的約束能夠使得消納后的風(fēng)電在電網(wǎng)系統(tǒng)允許的置信水平內(nèi)波動(dòng)，機(jī)會(huì)約束模型可以讓決策者在可控的風(fēng)險(xiǎn)里做出有利選擇。

不同的高耗能企業(yè)生產(chǎn)的要求各不相同，因此對(duì)不同的企業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷特性需要特定的研究。 企業(yè)參與風(fēng)電消納的成本還需要收集詳細(xì)的資料，風(fēng)電出力預(yù)測(cè)、價(jià)格互動(dòng)平臺(tái)、企業(yè)參與程度、負(fù)荷峰谷差等，也需要進(jìn)一步研究。但是不可否認(rèn)高耗能企業(yè)參與風(fēng)電消納是解決大量棄風(fēng)的有效方法之一。

目前對(duì)風(fēng)電發(fā)展影響最大的依然是電價(jià)問(wèn)題，由于火電的價(jià)格只反映了煤炭的開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸成本，而沒(méi)有反映資源稀缺程度、環(huán)境的損害、替代資源的開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)成本等。導(dǎo)致資源的粗放式開(kāi)發(fā)，能源的低效、過(guò)度利用。這方面涉及到國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，本文暫不討論。但是從發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，清潔、可再生的風(fēng)電資源具有良好的發(fā)展前景。

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