关于针对甘肃电网的高载能企业参与可再生能源消纳“荷-网-源”协调控制的研究

  作者：郑晓敏  

  造成可再生能源消纳困难的原因一方面是可再生能源自身的波动性和随机性：另一方面是电网的约束。当系统调峰能力、备用容量，或者线路、断面传输容量不足时，电网消纳能力有限，就会被迫弃风、弃光。另外，由可再生能源发电波动引起的电压稳定问题，也是近年来影响可再生能源消纳的突出原因。

    提高电网对可再生能源的消纳能力成为近年来研究的重点领域。提出的风电与火电、

抽蓄、光伏电源相结合的协调控制策略．能有效降低风电波动对系统的影响。也有大量文献讨论了利用储能装置改善风电的出力特性。还有一些文献讨论了高可再生能源渗透率场景下的电网阻塞管理、备用决策，以及可再生能源接人背景下的电压控制等问题。

    当外送能力受限时．提高地区电网的调节能力、增加本地消纳是提高可再生能源消纳能力的本质。然而，仅进行电源、电网侧协调，还不足以很好地解决消纳问题。引入储能设施，又会增加额外的运行成本．在这样的背景下．利用负荷端的调节潜力促进可再生能源消纳开始受到关注．

    对电力系统负荷控制调度已经有一定的研究。讨论了智能电网内“源一网一荷”的协调运行控制架构，给出了柔性负荷与电网进行互动的分析框架。研究了利用电价引导电解负荷进行移峰的效果。类似的，提出通过对企业内可调性较高的负荷进行调节来错开高峰用电，减少企业电力成本，、这些研究说明，在电网和工业负荷尤其是可调性较高的高载能负荷之间建立协调机制，可以形成双赢的局面。然而，这些研究仅涉及工业企业在给定价格下的内部运行优化．没有提及电网和企业间的协调机制。通过按季度对高载能用户制定分时电价来参与系统调峰．提高系统风电消纳能力。但是高载能负荷不参与电网的直接调节,按季度制定电价并不能充分发挥高载能负荷的参与消纳可再生能源的调节能力。

    甘肃电网是一个兼具可再生能源发电基地以及大量高载能企业的典型电网．如果能够将这些高载能企业充分利用起来参与电网调度，以增加可再生能源消纳，将有希望创造巨大的经济效益和社会效益。

    针对利用高载能负荷促进可再生能源消纳的具体问题，结合甘肃电网实际情况，本文提出综合考虑高载能负荷、电网和电源的“荷一网一源”协调控制思想，建立了考虑高载能企业隐私的分布式调度的闭环协调求解模型，通过算例进行了初步的效益分析。

1  甘肃可再生能源和高载能企业发展现状

1.1  甘肃可再生能源发展现状

    中国虽然可再生能源储量大，但分布不均，从规划的和已有的可再生能源发电装机容量来看，呈现发电区域和用电区域逆分布的特点。

    图1给出了甘肃电网和青海750 kV的简图。其中甘肃和青海的750 kV线路主要功能是用于新疆、青海、甘肃等地的可再生能源电力外送。根据实际调研情况，甘肃地区的风电、光伏等可再生能源主要集中在瓜州变电站、玉门变电站和嘉峪关变电站附近地区，其中，瓜州变电站附近的风电装机近500 MW,光伏装机近600 MW,主要通过敦煌变电站接入750 kV外送线路：玉门嘉峪关附近风电装机近1 000 MW．光伏装机近600 MW,主要通过酒泉变电站接入750 kV外送线路。但是，750 kV线路上的敦鱼断面、泉鱼断面受制于新疆外送和青海光伏外送电力，其外送能力有限。

    而对于甘肃电网而言，其依靠本地常规负荷接纳风电能力有限，省内传统火电水电的发展速度远低于可再生能源发展，如果只通过甘肃电网省内火电水电机组进行调峰．当地的传统电站难以提供足够的备用和调峰能力．可再生能源发出的电力难以消纳，只能弃风弃光。据统计，在2013年时，甘肃弃风电量31.02亿kW·h，弃风率为20.65%：弃光电量3.03亿kW·h，弃光率为13.78%，随着新建成的可再生能源电站的投入运营，弃电情况会愈发严重。

1.2  甘肃高载能企业发展现状

    为改善可再生能源消纳，并促进西部地区经济发展，国家制定了一系列产业转移政策，在瓜州、玉门大型可再生能源基地附近建设了一些高载能企业园区。如果能合理利用、调度高载能设备．将直接缓解可再生能源外送压力，就地减少弃风弃光。例如，瓜州地区通过厂变压器直接接入瓜州变的三新硅公司，其陆续投产的碳化硅设备负荷在2015年年底将达到330 MW;同样在嘉峪关地区，酒泉钢铁公司的90万t钢铁负荷通过园区变接入酒钢变电站，此外，其一期45万t700 MW的电解铝负荷也将接入酒钢变。这些高载能企业参与可再生能源消纳不受送电断面容量的限制。此外，电解、冶炼等生产设备作为高载能负荷的主要组成，其生产安排具有一定的灵活性．负荷本身也具备一定的调节能力，这对于增强电网面向可再生能源消纳的调节能力而言，是极其宝贵的资源：同时，部分高载能企业还配备了自备电厂，如酒钢集团仅接入酒钢变的一个自备电厂，装机容量近850 MW，而这些高载能企业白备电厂基本不参与电网调度。如果建立合理的机制．促使这些自备电厂参与到电网的调节中，这些常规能源发电设施也会是提高电网调节能力的重要因素。

1.3高载能企业可调节性和参与协调积极性分析

    高载能企业中的可调节负荷主要分为2类：一类是以电解铝负荷为代表的连续调节可中断负荷：另一类是碳化硅为代表的离散调节负荷。连续调节可中断负荷的调节特点是启动后能够在一定范围内连续调节用电功率，且能够在允许的时间尺度范围内进行中断操作而不影响设备安全。离散调节负荷的特点则是以炉（槽）为单位，可以调节投退的炉（槽）数量。除去可调节负荷外，若将高载能企业整体视为等值负荷，那么其中的自备电厂也是重要的可调节对象。

    在具备可调节性的同时，高载能企业的另一个突出特点就是用电成本的敏感性。以某电解铝公司为例，用电成本占其总生产成本的40.91%。而在某非金属冶炼企业，由于市场因素和用电成本，其经济产量远未达到设计产量（低于40%）。此外．由于高载能企业之间的竞争，企业之间往往并不想泄漏自己的内部设备信息。这一现状的重要启示是：(1)在消纳可再生能源方面，高载能企业还有相当大的潜力有待挖掘；(2)通过合理的设计激励机制，高载能企业将有较强的积极性参与协调；(3)“荷一网一源”协调控制需要考虑到用户的隐私问题。

    面对高载能企业在消纳可再生能源方面的巨大潜力，本文提出了将含高载能企业在内的负荷与电网．以及含可再生能源的电源相互协调的“荷一网一源”协调控制体系．设计了考虑高载能企业隐私的“荷一网一源”分布式调度架构。

2  “荷一网一源”协调控制的关键问题

2.1  高载能企业参与“荷一网一源”协调控制机理

    高载能企业的可调节特性是其参与“荷一网一源”协调控制的核心。不同时间尺度上，高载能企业的可调节特性有所区别。与电力调度体系相对应．在日前．高载能企业可以对生产设备的总体启动、停运、维护检修计划做出安排：因为生产计划涉及工人工时、原材料运输等环节，所以产品生产总量等计划也应提前做出：在日内，企业可以在满足各项生产条件的前提下灵活调整各时段的产量，甚至可以在外部条件允许的情况下面对电价激励做出增产／减产决定：在实时运行过程巾．连续调节以及可中断的负荷可以响应电网需求参与快速调节：在电网故障等紧急情况下，高载能负荷也能根据预案采取一系列紧急控制策略，以减少故障影响。而高载能企业内自备电厂具有和系统内常规机组类似的调节特性，可以采用同样的方式进行调度。

    根据高载能企业的可调节特性，“荷一网一源”协调控制也在多时间维度上进行。在日前(24 h)，基于风／光电预测、负荷预测以及给定的机组、线路检修计划，将高载能企业纳入到机组组合的框架中；在日内，通过滚动调度(4~6 h)，利用精度更高的风/光电预测数据，不断修正调度计划，高载能企业中一些可以连续调节和快速启停的负荷可以参与这一阶段的调度；在实时调度(<15 min)阶段，快速调节机组、高载能企业中的快速调节负荷联合调度，实现系统的功率平衡：在实时控制阶段，若系统内源、网侧的调度资源不足时，还可以进一步利用高载能企业内的调节手段抵消可再生能源波动带来的影响。

2.2  高载能企业的调度控制模型

    建立合理的高载能企业调度模型是进行“荷一网一源”协调的基础。合理的模型应该具备以下特点：(1)充分反映高载能企业在不同时间尺度的调节能力，准确描述高载能企业的各类运行约束：(2)充分考虑高载能企业的利益诉求，准确刻画其响应特点；(3)具有较好的数学性质，便于后续优化问题的求解。

    对调节能力和运行约束的建模建立在对高载能企业内可调设备特性的充分认知上一高载能企业中，对自备电厂的建模和普通机组的建模类似；而对可调负荷的建模则暂无成熟的方法  如何描述负荷的可中断特性、各类特殊的工艺约束、流程约束以及来自于企业经营决策的其他约束都亟待探索。进一步，模型还需要根据不同约束起作用的时间尺度，与不同阶段的调度控制问题相匹配。其次，并不能简单将高载能企业视为电网的调节对象。高载能企业的模型应该充分反映其逐利行为特点．模型应该包含对电价、商品价格等外部条件的响应过程。

    从协调问题本身出发．高载能企业的调度模型还应具有较好的数学性质，以保证问题求解效率。例如，含尽量少的离散变量、尽量避免非线性、非凸环节等。给出了连续中断可调的电解铝负荷和离散可调的碳化硅负荷的调度模型。本文重点在于分布式调度控制的建立，所以高载能负荷模型采用中的电解铝模型作为连续可调高载能负荷的模型，用于验证分布式调度模型的可行性。

2.3  高载能企业参与“荷一网一源”的协调模式

    与发电企业相比，高载能企业是更为复杂的利益主体．为了保证高载能企业具有参与“荷一网一源”协调的积极性，需要谨慎设计参与模式。目前．几种较常用的协调模式可作为备选。

    (1)基于合同的直接调控模式。建立电源、电网和负荷的三方合约，在合约规定下，高载能企业将部分可调节负荷和自备电厂交由电网调度调节。这种控制模式需要解决的关键问题是如何在保护商业机密的前提下使得电网的调度决策不对高载能企业的生产运行带来负面影响。

    (2)基于全局效益的开环协调模式。电网运行部门根据可再生能源和其他负荷的状态对高载能企业的运行给出指导性建议，并在事后根据高载能企业参与调度的贡献进行效益分成。这种模式需要解决的关键问题是如何对高载能企业在可再生能源消纳中的贡献进行合理的事后评估一

    (3)基于分布式调度的闭环协调模式一在这种模式下．高载能企业本地的自律优化和系统级的全局优化同步进行，在此过程中高载能企业与系统充分交互信息，在保证高载能自主性和隐私的基础上使全局的决策更优  这种模式要解决的关键问题包括交互信息的选择和分布式优化模型的建立、求解，对工程实践的要求也较高。实际中高载能生产设备信息往往含有商业秘密，企业并不希望将实际生产的流程和数据泄漏。因此本文主要针对第3种方法进行研究。

3  考虑高载能企业隐私的分布式协调调度模型

  分布式协调调度模型的主要特点是将外部电网和高载能企业内部电网作为2个主体进行分别求解。在求解过程中，2个主体之间通过交换边界信息进行相互之间的协调。建立了求解电力系统考虑安全约束机组组合问题的分布式协调算法，但是并没有考虑负荷参与调度的问题。

    本文采用电网考虑安全约束的机组组合(SCUC)模型，目标函数是电网运行成本最

小，该优化问题为混合整数线性优化问题( MILP)。同时，本文对模型进行了扩展，加入了高载能企业内部的电网模型和生产模型作为协调主体．目标函数为在满足订单要求的约束下高载能企业运行成本最小。高载能企业的模型同样为MILP模型．协调两个线性优化问题的变量为联络线功率计划和节点电价信息。本文涉及的2个优化模型均为线性的MILP模型，满足使用分布式协调调度方法的要求．可以使用分解协调的方式进行求解。因为高载能企业只需要将联络线功率计划和节点电价信息上传到调度中心，而并不需要上传设备的参数信息，所以分布式协调调度模型保护了高载能企业的隐私和利益，促使其参与“荷一网一源”协调调度。

    本文的分布式调度中．高载能企业允许从电网购电或向电网售电，其单位电价根据电网给出的边际电价进行结算。图2给出了分布式协调调度的迭代优化过程。若不满足收敛条件，则电网根据新的交换功率重新进行考虑安全约束的机组组合计算，并进行下发电价信息等迭代过程。若满足收敛条件．则模型则停止迭代，得到优化后的电网和高载能企业内网机组组合和高载能设备生产计划。

    为缩减迭代步骤．增加计算效率，本文对通过求解分解协调的增广拉格朗日松弛问题

的分解协调算法进行了修改，加入了辅助问题原则(auxiliary problem principle)的数学方法。该方法主要是对模型的目标函数进行修改．加入包含协调信息的辅助项来加速收敛。在第k步迭代时，在电网侧的目标函数中为

式巾：gsys为电网SCUC的目标函数，表示电网的运行成本：zeie为迭代时通过求解电网优化问题得到的交换功率计划向量，其序列中各点对应调度周期里每个时间段内电网下发的交换功率计划：zeie,k-1为之前一步迭代时求解电网优化问题得到的交换功率计划向量：;ZEIE,k-1为表示前一步迭代时求解高载能企业优化问题得到的交换功率计划向量：y，a为辅助项的系数，其数值根据实际环境进行设置。

    在求解高载能企业内部电网的机组组合和高载能生产计划时，同样在目标函数中加入辅助项式中：fEIE为高载能企业在满足订单要求情形下的运行成本：ZEIE为迭代时求解高载能企业优化问题得到的交换功率计划向量：Zeie,k-1为之前一步迭代时求解高载能企业优化问题得到的交换功率计划相量：zEIE.k-1为前一步迭代时求解电网优化问题得到的交换功率计划向量；y，a数值与式(1)相同。

    分布式协调方法的关键在于协调算子的选取，本文选取了节点电价信息作为协调算子。除了节点电价．本文还引入了联络点交换功率计划作为迭代的信息变量，在每次迭代时都会更新。为了增加迭代的率,本文使用了次梯度方法来对协调算子进行更新。

式(3)用于高载能企业侧优化问题求解完成后的节点电价修正，式(4)用于电网侧优化问题求解完成后的节点电价修正。式(3)中，系数p的数值根据实际情况进行设置：λEIE,k+1是求解高载能企业优化问题后，根据第k步得到的高载能侧优化得到的交换功率计划向量zEIE,k和电网侧优化得到的交换功率向量zeie,k对电网侧下发的节点电价进行修正后得到的修正节点电价，若不满足收敛条件，该电价会上传给电网进行下一步迭代：式(4)中各项含义类似于式(3)，用于表示在电网侧的节点电价修正方法。需要说明的是．第一步迭代使用的初始节点电价是在不考虑高载能企业参与协调时，求得的联络点上的节点边际电价。

迭代过程的收敛判据为

    式(5)为基于边际电价的收敛判据，式(6)为基于交换功率的收敛判据。其中任意一个判据在计算时均可以使用，用于判断迭代过程是否收敛。

    这样，通过迭代，分布式调度模型实现了电网侧“网一源”和高载能企业的“荷”之间的协调调度。该模型保护了高载能企业的隐私，实现了电网和企业的协调优化。

4算例分析

    为展示高载能企业参与“荷一网一源”协调的必要性．以及高载能企业在促进可再生能源消纳方面的作用，并验证分布式协调调度模型．本文构建了由IEEE 39节点构成的输电系统和高载能企业内部的电网系统，其结构如图3所示。高载能企业内含有3台自备机组、1个电解铝槽（连续调节可中断负荷）以及1个包含4个炉的碳化硅负荷（离散调节负荷）。高载能企业通过变压器接入上级网络。

    首先．假定高载能企业不与电网进行协调．而仅靠其自备电厂自给自足．在此情形下．可以计算得到高载能企业以及其接入节点对应的边际用电成本曲线。图4展示了在某一工作日，双方成本曲线的变化趋势。从图4可见，随着用电负荷的变化．两边的用电成本高低不一．存在一定的差值。从经济学的角度而言．当双方出现价格差时．进行交易会使双方的效益同时得到改善．双方的总利润也会相应提高。图5展示了将高载能企业与电网联合调度时双方的电量交易结果．可以看到，在最优的交易方式下，双方的交易量和用电成本差是密切相关的．当高载能企业用电成本较低的时刻,其甚至可以通过向电网售电来获取额外的利润。

    可再生能源的接入会导致系统用电成本变化的更剧烈．尤其是在弃风／弃光发生时．系统的边际用电成本会将为0或负值。而通过协调．这样的信息可以传递到高载能企业端．使其充分调动可调节资源，消纳低价电能。这对电源、电网和企业而言，是多方共赢的。图6a）展示了一种高载能负荷不参与协调的弃风场景。接人系统的2个风电场中．有一个由于系统下旋备用不足以及传输容量限制，出现了较严重的弃风。这一天，总的可利用风能23 607.5 MW．h．实际利用21 608.5 MW·h,弃风8.47%。若高载能企业参与协调，新的风电利用情况如图6 b）所示，在高载能企业的调节下．系统利用风能23 355.2 MW·h弃风比例为1.07%，降低了7.40个百分点。更重要的是．系统总发电成本下降了12.70%。算例表明．高载能企业参与协调调度控制的效益在高可再生能源渗透率的情形下非常可观。在进行协调调度的同时，高载能企业的隐私也得到了保护，模型具有一定的实用性。

5结语

    本文结合目前可再生能源发电以及高载能企业的发展趋势，针对甘肃省风光消纳的现状，分析了高载能企业在参与电网调度以促进可再生能源消纳方面的潜力。在此基础上，提出了含高载能企业的“荷一网一源”协调控制体系。本文初步分析了将高载能企业纳入协调控制的“荷一网一源”协调控制机理、  “荷一网一源”协调控制模型及高载能企业和电网间协调模式等几个关键问题，并建立了基于分布式调度方法的“荷一网一源”协调调度模型．该模型在实现协调优化的同时，考虑了高载能企业的隐私保护。此外，本文还通过简

单算例展示了高载能企业参与协调调度的效益和分布式调度模型的可行性。未来，  “荷一网一源”协调控制系统将在甘肃省电网公司牵头下展开研制和工程示范，预期这一系统将显著促进可再生能源的消纳。

6摘  要：随着中国可再生能源基地建设的快速推进，由于传输容量限制、调峰能力不足、备用不足等原因引起的弃风、弃光问题日益严峻。针对可再生能源的消纳问题，分析了负荷侧的高载能企业的调控特性，结合高载能企业的经营现状，分析得出高载能企业具备参与电网调节、增加可再生能源消纳的能力，提出了考虑高载能企业的“荷一网一源”协调控制的思路，建立了考虑高载能企业隐私的分布式调度的闭环协调求解模型，并通过算例初步展示了“荷一网一源”协调的效益。