韓 亮，張維靜，胡娛歐，張 晶，郭鴻業(yè)，陳啟鑫

（1. 國(guó)家電網(wǎng)公司 華北分部，北京 100053；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué) 電機(jī)系），北京 100084）

0 引言

應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，同時(shí)要求加快全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)建設(shè)，力圖通過(guò)發(fā)揮市場(chǎng)在資源優(yōu)化配置中的基礎(chǔ)性作用，保障新型電力系統(tǒng)的能源安全供應(yīng)、能源利用效率、能源高質(zhì)量發(fā)展。

高比例新能源并網(wǎng)給新型電力系統(tǒng)帶來(lái)了較大的消納壓力，隨之而來(lái)的，還有風(fēng)電與光伏的出力波動(dòng)和不確定性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、電能供應(yīng)質(zhì)量及社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本的影響。以京津唐電網(wǎng)為例，規(guī)劃至2025年不考慮外來(lái)電容量的情況下，新能源占比將達(dá)到系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模的40%，燃?xì)獾日{(diào)節(jié)性資源占比16%，常規(guī)火電占比44%。電能量市場(chǎng)交易機(jī)制下系統(tǒng)將產(chǎn)生棄風(fēng)容量1.02 億kW，分析原因在于系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力不足，尤其是冬季“以熱定電”的運(yùn)行的模式大大約束了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)空間?？梢?jiàn)挖掘靈活性資源，拉大系統(tǒng)電力平衡的調(diào)節(jié)彈力，滿(mǎn)足高比例新能源的并網(wǎng)及消納需求，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是京津唐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)之一。

目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者提升系統(tǒng)靈活性的主要措施可以分為兩個(gè)維度：一是針對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行技術(shù)改造，降低機(jī)組最小技術(shù)出力［1］，擴(kuò)大機(jī)組調(diào)節(jié)范圍，實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行［2］，釋放機(jī)組靈活性等，相應(yīng)的技術(shù)方案已在國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，此處不再贅述。二是設(shè)計(jì)靈活性交易產(chǎn)品或配置靈活性資源，改進(jìn)系統(tǒng)的調(diào)度方式。文獻(xiàn)［3］基于美國(guó)電力市場(chǎng)對(duì)比分析了靈活調(diào)節(jié)服務(wù)（flexible ramping product，F(xiàn)RP）與傳統(tǒng)輔助服務(wù)的區(qū)別，認(rèn)為FRP 機(jī)制有效彌補(bǔ)了靈活調(diào)節(jié)資源市場(chǎng)的不足；文獻(xiàn)［4］提出基于系統(tǒng)爬坡的實(shí)時(shí)調(diào)度方法，通過(guò)提高決策頻率改進(jìn)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有資源的靈活性挖掘；文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［6］分別提出配置儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，通過(guò)優(yōu)化實(shí)時(shí)調(diào)度、加強(qiáng)兩者的協(xié)同運(yùn)行，補(bǔ)充系統(tǒng)靈活性缺口；文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［8］從優(yōu)化調(diào)度虛擬電廠的角度先后提出配網(wǎng)與虛擬電廠互動(dòng)出清方法，以提升系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)能力。無(wú)一例外的是，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)靈活性的研究多是構(gòu)建短時(shí)調(diào)度優(yōu)化模型，解決系統(tǒng)中有實(shí)時(shí)靈活性需求時(shí)的資源調(diào)度出清問(wèn)題，但是對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性考慮不足。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，單日系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的建模方式可能導(dǎo)致大型儲(chǔ)能、水電等資源整體調(diào)度性能不佳，通過(guò)對(duì)比多時(shí)段耦合優(yōu)化市場(chǎng)與考慮系統(tǒng)爬坡約束的單時(shí)段市場(chǎng)的運(yùn)行結(jié)果，證實(shí)了多時(shí)段耦合優(yōu)化市場(chǎng)運(yùn)行成本更低，且更大程度減少了爬坡能力的分配［9］。

系統(tǒng)的靈活性提升方案，不僅要解決短時(shí)、局部的靈活性資源調(diào)度或系統(tǒng)棄風(fēng)等問(wèn)題，還應(yīng)兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的安全、靈活、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保等綜合性能。為此，文獻(xiàn)［10］建立了涵蓋系統(tǒng)運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及技術(shù)等多維屬性的指標(biāo)集，通過(guò)層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合建立了系統(tǒng)靈活性的綜合評(píng)價(jià)體系。相較爬坡資源不足的期望和技術(shù)不確定性靈活性指數(shù)等單一靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)［11］，綜合評(píng)價(jià)更加全面，但也由于涉及指標(biāo)眾多，不同的指標(biāo)權(quán)重分配方式結(jié)果差異較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以收集，評(píng)價(jià)體系難以實(shí)際推廣應(yīng)用。

綜上，提升京津唐新型電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力，一是配置系統(tǒng)靈活性資源。從源端加強(qiáng)技術(shù)改造，增配儲(chǔ)能等資源以增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)彈性；從荷端，通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制挖掘以虛擬電廠為代表的可調(diào)節(jié)性負(fù)荷，擴(kuò)大系統(tǒng)電力平衡的調(diào)節(jié)范圍和空間。二是建立面向靈活性的市場(chǎng)出清模型，涵蓋機(jī)組啟停、檢修安排等要素，支撐多資源、多品種、多日優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)貼近實(shí)際的系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行模擬。三是構(gòu)建考慮系統(tǒng)綜合效率的評(píng)價(jià)方法，評(píng)估適用于京津唐電網(wǎng)的提升方案。因此，本文基于京津唐規(guī)劃系統(tǒng)，首先提出加強(qiáng)煤電機(jī)組改造、建立基于虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制及基于可調(diào)節(jié)性負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)方案；其次構(gòu)建面向靈活性資源配置的多日協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，支撐不同靈活性提升方案的全年精細(xì)化運(yùn)行模擬；最后篩選基于環(huán)保經(jīng)濟(jì)綜合效益最佳的靈活性提升方案，為未來(lái)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)提供參考。

1 靈活性提升方案

1.1 加強(qiáng)機(jī)組靈活性改造

京津唐規(guī)劃系統(tǒng)中燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組占比達(dá)到55%，但是由于兩者兼顧系統(tǒng)供熱功能，在冬季基于“以熱定電”的模式發(fā)電，導(dǎo)致機(jī)組最小技術(shù)出力被進(jìn)一步上抬至70%，最新的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，熱電解耦、低壓穩(wěn)燃等技術(shù)改造可降低機(jī)組最小出力至20%左右，屆時(shí)可釋放系統(tǒng)空間1.8萬(wàn)MW。

改造后機(jī)組的出力約束和爬坡約束可以表示為

1.2 設(shè)置需求響應(yīng)機(jī)制

需求側(cè)資源依據(jù)類(lèi)型可以分為分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷資源等。需求側(cè)資源可獨(dú)立參與需求側(cè)響應(yīng)，也可以通過(guò)虛擬電廠實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)。虛擬電廠通過(guò)先進(jìn)的通信、計(jì)量、控制等技術(shù)，對(duì)上可以通過(guò)市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)的引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)削峰填谷，對(duì)下可協(xié)同控制電廠內(nèi)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能、分布式電源、柔性負(fù)荷資源。目前已有技術(shù)相對(duì)成熟的虛擬電廠參與京津唐市場(chǎng)交易，但是更多需求側(cè)資源尚未形成綜合響應(yīng)模式。因而，本文以?xún)?chǔ)能和柔性負(fù)荷構(gòu)成的虛擬電廠為例，說(shuō)明虛擬電廠參與上級(jí)電網(wǎng)的出清模型及其內(nèi)部各項(xiàng)資源的運(yùn)行約束條件。當(dāng)系統(tǒng)中僅有柔性負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)時(shí)，其運(yùn)行約束可以參考式（4）。

（1）儲(chǔ)能資源運(yùn)行約束。以電化學(xué)儲(chǔ)能為例，出力約束可以表示為

忽略不計(jì)儲(chǔ)能的可變運(yùn)行成本，虛擬電廠的響應(yīng)成本可以用柔性負(fù)荷的平均響應(yīng)成本表示，即

CVPP=Cˉf。

2 電力系統(tǒng)運(yùn)行模型

基于系統(tǒng)靈活性資源運(yùn)行約束，構(gòu)建時(shí)序負(fù)荷曲線的系統(tǒng)運(yùn)行模型，進(jìn)一步考慮燃煤及燃?xì)鈾C(jī)組組合、機(jī)組檢修計(jì)劃、水電多日優(yōu)化等要素。

2.1 機(jī)組檢修安排

合理的機(jī)組檢修計(jì)劃是保障系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、減少機(jī)組發(fā)電成本、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命的關(guān)鍵。綜合評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行情況，優(yōu)化分配機(jī)組啟停、出力計(jì)劃，評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性等指標(biāo)，都要以檢修計(jì)劃為前提。本文以啟發(fā)式方法為指導(dǎo)，通過(guò)等備用方法安排機(jī)組檢修計(jì)劃。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

2.2 機(jī)組組合模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

機(jī)組組合模型，是控制各時(shí)段機(jī)組出力分配方式，從而控制系統(tǒng)整體運(yùn)行成本最直接的方式。因此，市場(chǎng)化調(diào)度以運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮機(jī)組啟停成本、系統(tǒng)切負(fù)荷損失、新能源棄電損失，具體可以表示為

式中：Dt為t時(shí)刻的系統(tǒng)總負(fù)荷。

（2）新能源機(jī)組出力約束

考慮新增風(fēng)電、光伏選址集中于原新能源建設(shè)片區(qū)，且新能源出力隨機(jī)性強(qiáng)。依據(jù)歷史出力曲線預(yù)測(cè)各新能源場(chǎng)站未來(lái)出力曲線，并設(shè)置新能源實(shí)際出力和預(yù)測(cè)出力如下

（3）水電出力約束及多日協(xié)調(diào)優(yōu)化

水電機(jī)組模擬出力，應(yīng)結(jié)合規(guī)劃水電站位置、規(guī)模和歷史出力水平確定。考慮京津唐規(guī)劃水電站在原電站位置擴(kuò)建，且水電裝機(jī)容量占比較小。為了充分發(fā)揮水電效益，使水電、火電有效配合以?xún)?yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行方式，文章依據(jù)水庫(kù)庫(kù)容、歷史出力等信息設(shè)置水電出力模式為部分出力帶基荷供電，剩余電力、電量依據(jù)系統(tǒng)“削峰”需求確定。

因此，依據(jù)豐水、枯水、平水時(shí)期平均發(fā)電量設(shè)置水電機(jī)組月度發(fā)電量和強(qiáng)迫出力，依據(jù)系統(tǒng)每日削峰填谷需求確定機(jī)組運(yùn)行時(shí)段的具體出力。此時(shí)，水電機(jī)組出力約束可以表示為

（6）網(wǎng)絡(luò)約束

基于直流潮流建立線路及斷面?zhèn)鬏敿s束，可以

2.3 經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型更側(cè)重解決系統(tǒng)爬坡等滿(mǎn)足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。目標(biāo)函數(shù)表示為

式中：C(Pi,t)為系統(tǒng)各類(lèi)能源運(yùn)行成本。

2.3.2 約束條件

在機(jī)組組合模型約束的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加考慮系統(tǒng)改造機(jī)組、儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)的約束條件，見(jiàn)式（1）—式（4）。

2.4 基于虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)模型

由于種種原因系統(tǒng)在某時(shí)段或者某節(jié)點(diǎn)供電能力不足產(chǎn)生切負(fù)荷時(shí)或由于調(diào)節(jié)能力不足產(chǎn)生新能源棄電時(shí)，啟動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制。整體模型以需求側(cè)響應(yīng)成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，如式（18）所示

進(jìn)一步考慮式（2）—式（4）中的儲(chǔ)能及柔性負(fù)荷運(yùn)行約束，完成基于虛擬電廠需求側(cè)響應(yīng)模擬。

當(dāng)系統(tǒng)中僅有柔性負(fù)荷時(shí)，公式（18）中儲(chǔ)能成本為0。對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)調(diào)峰或切負(fù)荷容量需求，將需求側(cè)響應(yīng)主體的響應(yīng)容量、響應(yīng)時(shí)間，依據(jù)各自的響應(yīng)價(jià)格由低到高排序，至滿(mǎn)足該時(shí)段系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)容量需求，完成需求側(cè)響應(yīng)資源調(diào)度和出清。

3 實(shí)例分析

本文基于京津唐電力系統(tǒng)規(guī)劃方案進(jìn)行模擬分析，針對(duì)系統(tǒng)保供、保消納的運(yùn)行需求，分別從機(jī)組改造、基于虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)、基于可調(diào)負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)3個(gè)維度研究分析系統(tǒng)運(yùn)行效益，形成兼顧系統(tǒng)運(yùn)行效率及低碳經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)建設(shè)方案。

整體分析思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模擬運(yùn)行流程Fig.1 System simulation operation

3.1 基本參數(shù)及方案設(shè)置

京津唐2025年電力系統(tǒng)供需比為1.64，最大負(fù)荷95 000 MW?？紤]外來(lái)電的情況下，常規(guī)火電機(jī)組裝機(jī)容量占比39.6%，燃?xì)夂退娍烧{(diào)節(jié)性電源裝機(jī)占比14.3%，燃?xì)庹急?0.1%，水電0.3%，抽蓄3.9%；風(fēng)電、光伏類(lèi)間歇性電源裝機(jī)占比36.2%，風(fēng)電占比18.6%，光伏占比17.6%，外電占比9.8%。

考慮新能源出力隨機(jī)性及負(fù)荷彈性需求，設(shè)置系統(tǒng)備用容量中風(fēng)光出力及負(fù)荷貢獻(xiàn)率分別為20%、5%。需求側(cè)響應(yīng)成本1 500 元/MWh，切負(fù)荷成本2 000 元/MWh，碳排放成本參考當(dāng)前碳交易市場(chǎng)，設(shè)為49元/t。機(jī)組運(yùn)行成本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 1 System operating parameters

以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，考慮系統(tǒng)平衡、備用、機(jī)組等運(yùn)行條件約束，生成基于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，系統(tǒng)切除風(fēng)電1.02億kWh。

方案1：機(jī)組靈活性改造。依據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)調(diào)峰缺口，以技術(shù)改造降低常規(guī)燃煤機(jī)組最小出力為裝機(jī)容量的30%為依據(jù)，折算改造燃煤機(jī)組容量。

方案2：基于虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)。以燃煤機(jī)組靈活性改造后釋放的調(diào)節(jié)容量等效配置虛擬電廠的儲(chǔ)能功率容量，儲(chǔ)能運(yùn)行小時(shí)數(shù)設(shè)置為10 h。其余系統(tǒng)棄風(fēng)需求通過(guò)柔性負(fù)荷滿(mǎn)足。

方案3：基于可調(diào)負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)。設(shè)定需求側(cè)響應(yīng)資源為價(jià)格敏感的電力調(diào)節(jié)性負(fù)荷，并足夠支撐系統(tǒng)調(diào)峰需求。將需求側(cè)資源以市場(chǎng)出清電價(jià)的2倍、3倍、4倍及以上電價(jià)劃分檔位，各檔位內(nèi)的負(fù)荷用戶(hù)隨機(jī)生成報(bào)價(jià)序列，被調(diào)用負(fù)荷依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求，增加或減少用電。

3.2 系統(tǒng)靈活性提升方案對(duì)比

采用本文提出的系統(tǒng)運(yùn)行模擬模型及約束對(duì)上述3 個(gè)方案進(jìn)行全年逐日運(yùn)行模擬，對(duì)比各方案系統(tǒng)綜合效率。

3.2.1 基于成本的綜合效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)綜合效率涵蓋經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)保效益、運(yùn)行可靠性、靈活性等各個(gè)層面，體現(xiàn)在指標(biāo)中可以表示為機(jī)組發(fā)電成本、碳排放量、清潔能源利用率、失負(fù)荷概率、系統(tǒng)上/下調(diào)裕度等。不同指標(biāo)之間交互作用，從宏觀角度看，系統(tǒng)上/下調(diào)裕度越大，清潔能源利用率越高，相應(yīng)運(yùn)行成本越低；具體到節(jié)點(diǎn)或區(qū)域中，由于節(jié)點(diǎn)或區(qū)域負(fù)荷需求、網(wǎng)絡(luò)阻塞等各方面因素的綜合影響，上述關(guān)系將不再確定且難以量化。

從京津唐提升靈活性的整體目標(biāo)出發(fā)，本文選取經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)反映系統(tǒng)的綜合效率，如圖2 所示。通過(guò)運(yùn)行成本反映系統(tǒng)的靈活性、新能源消納水平及可靠性；依據(jù)碳交易市場(chǎng)價(jià)格，將系統(tǒng)碳排放量折算為碳排放成本，反映系統(tǒng)的環(huán)保水平；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮不同方案的投運(yùn)成本或市場(chǎng)化交易成本，形成基于“投資-運(yùn)行-環(huán)?！比杀镜撵`活性方案評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 “投資-運(yùn)行-環(huán)保”全成本的指標(biāo)分解Fig.2 Index decomposition of total cost based on“system investment-operation-environmental protection”

3.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2 所示。對(duì)比可以看出，方案1 通過(guò)靈活性改造，進(jìn)一步加強(qiáng)了燃煤機(jī)組作為壓艙石滿(mǎn)足系統(tǒng)基荷用電，燃?xì)狻⒊樾顧C(jī)組支撐系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)需求的功能定位。具體地，燃煤機(jī)組通過(guò)改造降低了機(jī)組最小技術(shù)出力，減少發(fā)電量3.81億kWh，燃?xì)鈾C(jī)組增發(fā)1.70億kWh，抽蓄電站增放電量1.09億kWh，風(fēng)電與光伏電站發(fā)電1.02億kWh，可見(jiàn)燃煤與新能源機(jī)組之間并非一對(duì)一置換出力的關(guān)系，當(dāng)燃煤機(jī)組釋放調(diào)峰空間時(shí)，系統(tǒng)需要調(diào)度足夠的調(diào)節(jié)性資源才能保障風(fēng)光等間歇性能源穩(wěn)定出力、全額消納。

表2 年度運(yùn)行結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of annual operating results

方案3 中，當(dāng)需求側(cè)響應(yīng)電價(jià)2 倍于當(dāng)前市場(chǎng)出清電價(jià)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)電量為0.92 億kWh，當(dāng)需求側(cè)響應(yīng)電價(jià)上升為3 倍水平時(shí)，可支撐系統(tǒng)新能源全額消納。從運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，方案3 中的靈活性資源優(yōu)先調(diào)用柔性負(fù)荷及抽蓄電站，因而抽蓄電站的充、放電量最大，燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電量有所緩解，其余指標(biāo)未見(jiàn)明顯變化。

方案2通過(guò)虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，將系統(tǒng)的靈活性資源由燃?xì)鈾C(jī)組變更為運(yùn)行成本較低的儲(chǔ)能與柔性負(fù)荷，因此燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電量大幅減少，系統(tǒng)發(fā)電成本降低，相應(yīng)地，充裕的燃?xì)赓Y源支撐系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)及空閑備用率最高，可靠性提升。相較方案3，方案2減少柔性負(fù)荷0.88億kWh，大大降低了對(duì)負(fù)荷資源靈活性的需求，緩解了交易執(zhí)行難度。

3.2.3 系統(tǒng)綜合效率對(duì)比

基于3.1.1節(jié)提出的全成本分析方式，計(jì)算不同靈活性提升方案的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性成本見(jiàn)表3。系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本依據(jù)不同靈活性提升方案，包括常規(guī)燃煤機(jī)組技術(shù)改造成本、儲(chǔ)能規(guī)劃建設(shè)成本和需求側(cè)響應(yīng)成本。其中，常規(guī)燃煤機(jī)組深度調(diào)峰改造平均成本為400元/kW，抽蓄電站和一般電化學(xué)儲(chǔ)能電站的建設(shè)成本為4 400元/kW。環(huán)保成本依據(jù)《2020年中國(guó)碳價(jià)調(diào)查報(bào)告》設(shè)置的碳排成本為49元/t。

表3 年度運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 3 Economic comparison of annual operation

方案1 綜合成本最低。這是因?yàn)榉桨? 通過(guò)技術(shù)改造擴(kuò)大了燃煤機(jī)組的出力范圍，當(dāng)系統(tǒng)有調(diào)峰需求時(shí)，燃煤機(jī)組壓低出力給低成本的風(fēng)光電站，但是調(diào)度了更多燃?xì)鈾C(jī)組出力保障風(fēng)光出力的穩(wěn)定性，因而系統(tǒng)環(huán)保成本最低，發(fā)電成本卻是最高的。

方案2綜合成本略高于方案1，處于第二位。優(yōu)勢(shì)在于，方案2 設(shè)置了更低成本的虛擬電廠作為調(diào)節(jié)型資源，因而方案2 的系統(tǒng)運(yùn)行成本是3 個(gè)方案中最低的。但方案2的儲(chǔ)能投運(yùn)成本和環(huán)保成本較高。儲(chǔ)能投運(yùn)成本隨著技術(shù)的進(jìn)步將持續(xù)降低，當(dāng)儲(chǔ)能投運(yùn)成本降低至當(dāng)前成本的一半，即2 200元/kW時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本僅為256.83億元。但方案2中燃煤機(jī)組未經(jīng)靈活性改造，受限于最小技術(shù)出力約束，系統(tǒng)碳排放量較大，環(huán)保成本較高。即使到2050 年，儲(chǔ)能投運(yùn)成本降低的情況下，方案2 的綜合成本依然高于方案1。

方案3 的綜合成本最高，細(xì)分其成本構(gòu)成不難看出，方案3 對(duì)發(fā)電側(cè)能源結(jié)構(gòu)沒(méi)有本質(zhì)的優(yōu)化調(diào)整，針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中電力電量平衡及新能源消納需求更多是依賴(lài)于需求側(cè)資源的調(diào)度支撐，因而其系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本較低，但是系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排成本均處于高位，無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。從實(shí)際運(yùn)營(yíng)角度，需求側(cè)響應(yīng)容量是市場(chǎng)主體的自主行為，達(dá)到系統(tǒng)安全穩(wěn)定低碳運(yùn)行，對(duì)需求側(cè)響應(yīng)容量及市場(chǎng)電價(jià)也有較高的要求。

綜上，3 個(gè)方案均可有效地提升京津唐電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力，支撐規(guī)劃年新能源全額消納。具體來(lái)講，京津唐系統(tǒng)中燃?xì)獾日{(diào)節(jié)型資源份額較大，因此當(dāng)方案1 釋放更多的燃煤機(jī)組出力空間給新能源時(shí)，系統(tǒng)具備充足的調(diào)節(jié)能力保障新能源出力的穩(wěn)定性和能源供應(yīng)的持續(xù)性，因而方案1運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性最佳。方案2通過(guò)虛擬電廠的運(yùn)作可有效地降低調(diào)節(jié)型資源的成本，從而降低系統(tǒng)的發(fā)電成本，提升系統(tǒng)備用容量，隨著未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，儲(chǔ)能投運(yùn)成本進(jìn)一步降低，屆時(shí)方案2的經(jīng)濟(jì)性和效用優(yōu)勢(shì)將更為顯著。方案3的系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)節(jié)成本較低，但是單獨(dú)運(yùn)行時(shí)面臨的需求側(cè)資源的調(diào)度能力、碳排量指標(biāo)等壓力較大，更適合作為方案1、方案2的補(bǔ)充調(diào)節(jié)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

為響應(yīng)國(guó)家雙碳建設(shè)目標(biāo)，本文針對(duì)京津唐新型電力系統(tǒng)中高比例可再生能源并網(wǎng)消納的運(yùn)行需求，從加強(qiáng)機(jī)組靈活性改造、建設(shè)虛擬電廠以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)以及基于柔性負(fù)荷進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)3個(gè)維度提出靈活性提升方案，構(gòu)建了考慮不同靈活性資源、多日協(xié)調(diào)運(yùn)行的系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行模型，并基于當(dāng)前靈活性改造及儲(chǔ)能投建成本，測(cè)算提出適用于京津唐規(guī)劃系統(tǒng)的靈活性提升方案。具體結(jié)論如下：

（1）從系統(tǒng)運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保3個(gè)維度的綜合成本對(duì)比發(fā)現(xiàn)，針對(duì)燃煤機(jī)組進(jìn)行靈活性改造是保障京津唐規(guī)劃年電力供應(yīng)及新能源全額消納最為經(jīng)濟(jì)有效的靈活性提升方案，單獨(dú)以柔性負(fù)荷進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)的方案綜合成本最差。

（2）針對(duì)燃煤機(jī)組靈活性改造的提升方案運(yùn)行中需要系統(tǒng)配備充足的調(diào)節(jié)型容量以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)資源的成本越低，系統(tǒng)的運(yùn)行成本則越低。基于虛擬電廠的需求側(cè)響應(yīng)可有效地降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，但是碳排放情況仍需優(yōu)化。因此，基于京津唐規(guī)劃系統(tǒng)，將方案1與方案2有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合成本及運(yùn)行成本雙降。而不同方案之間的優(yōu)化配比將是作者下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。D