基于储能设备探讨不同时段等微增率准则在机组负荷优化分配中的应用

苏毅，杭乃善，康海云，成煜，韩靖华，黄珑

（1.广西大学电气工程学院，广西南宁 530004；2.广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁 530023）

国外对于储能技术的应用最早始于19世纪后期纽约市的直流供电系统，且随着电力技术的发展，抽水蓄能电站被用来进行电网的调峰[1]。在美国，抽水蓄能机组容量约占总装机容量的3%，而在日本则超过了10%[2]。近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直备受各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。储能技术的快速发展促使储能系统在整个电力系统中的多个方面方发挥着重要作用。系统引入储能环节，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差、平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段[3-7]。储能技术的研究热点主要集中于：1）快速高效低成本的储能技术；2）储能系统在输配电系统中的研究；3）包含储能系统的电力系统运行分析计算理论和方法；4）市场化条件下利用储能装置实现能力管理的理论和方法[2-3]。

当前基于储能技术在机组负荷优化分配中的研究还较少。一般工程实际中常采用等微增率准则解决火力发电机组负荷分配的优化问题。在实际运用中，不同时段系统的负荷率是变动的，针对不同时段的负荷再利用等微增率进行负荷分配会造成机组出力的频繁变动和燃料消耗的增加，既不符合实际，也难以实现机组的综合效益最佳。文献[8]指出，等微增率准则在机组负荷分配应用中具有明显的局限性，可能导致总能耗不降反增，提出应用等微增率准则必须要满足前提条件，即在负荷分配区间内所有发电机组的耗量微增率必须是单调递增

国外对于储能技术的应用最早始于19世纪后期纽约市的直流供电系统，且随着电力技术的发的。文献[9-11]分析讨论了等微增率算法应用求解火电机组负荷分配时可能碰到的实际问题，提出了融入火电机组发电排序表的机组组合策略与等微增率准则相结合的算法。

考虑到机组经济调度的实质是要实现发电侧综合效益最佳，即煤炭及水能资源得到充分利用，且电力系统设置备用容量的目的是为了保证电力系统可靠供电和良好的电能质量，本文通过对同一时段和不同时段等微增率准则的分析，提出利用储能设备平衡不同时段的微增率以达到火电机组的出力平稳、机组最佳运行的目的，并基于PowerWorld用IEEE14节点的例子进行了证明。

1 同一时段内等微增率准则原理

所谓火电机组负荷经济分配，指的是将总负荷PD合理地分配给M台并联运行的机组以使全厂总燃料消耗最小。现以两台并联运行的火电机组间负荷分配为例，从几何层面上对同一时段等微增率原理做出解释，如图1所示。

图1 简化火电系统Fig.1 Simplified thermal power system

图1 中，G1和G2为同一时段并联运行的两台机组，PD为同一时段系统的总负荷，PL为网络的有功损耗。在忽略网损的情况下，设该火电厂负担的总负荷为PD。如图2所示，将两台机组的耗量特性画于一幅图上。其中，F1（P1）、F2（P2）分别为机组1和机组2的耗量特性，P1、P2分别为机组1和机组2的有功输出功率。将机组2的横坐标取相反方向，令原点O2与O1间的距离为PD。

图2中，F为机组1的耗量特性F1（P1）与机组2的耗量特性F2（P2）的数值叠加。在总功率为PD的条件下，横轴上的每一点分别对应着不同的负荷分配方案，且所有的方案都满足P1+P2=PD，F=F1+F2。又火电厂总耗量的变化情况能够由图2的F曲线清晰体现，显然由F曲线可知，F存在着极小值点同时也是最小值点。因而在该极小值点上，不但要满足斜率为0，而且要满足P1+P2=PD，F=F1（P1）+F2（P2）。因而

图2 等微增率原理的几何解释Fig.2 The geometric interpretation of equal incremental principle

综上所述，同一时段内若两台并联运行的火电机组的燃料消耗微增率相等，则两机组总燃料消耗最小。等微增率原理亦适用于同一时段多台并联运行的火电机组间负荷经济分配。但实际运行中，非故障和维护的机组是处在不断运行状态的，而不同时段系统的负荷率又是变动的，针对不同时段的负荷再利用同一时段等微增率进行负荷分配会造成机组出力的频繁变动，燃料消耗的增加，既不符合实际，也难以实现机组的综合效益最佳。

2 不同时段等微增率准则原理

考虑到机组经济调度的实质与电力系统设置备用容量的目的及不同时段负荷率是变动的，本文提出利用储能设备平衡不同时段的微增率以达到火电机组的出力平稳、机组最佳运行的目的。

2.1 储能设备在平衡等微增率中的应用

储能设备包括抽水蓄能电站和电池储能元件等。考虑到系统的备用容量约占装机容量的10%且储能设备所具备的反应快、耗费少、运行成本低等特点，在满足国民经济备用的情况下，从节能发电调度的基本原则——节约一次能源的角度出发，系统根据负荷率的变动情况对储能设备进行自动地调整出力，利用其来平衡变动的负荷使得机组的出力基本保持平衡，从而实现机组的最佳运行目的。

2.2 不同时段等微增率准则的基本原理

现以不同时段、同一机组负荷分配为例，从几何层面上对不同时段的等微增率原理做出解释，如图3所示。

图3 不同时段同一机组的火电系统Fig.3 The same units thermal units power system of different periods

不同时段时，机组的总煤耗量F=F（Pt1）+F（Pt2）。设t1时段内，系统的负荷为PD；t2时段内，系统的负荷为PD+ΔP。由上节可知，同一时段内机组利用等微增率进行负荷的优化分配。若t1时段机组分配到的出力为P（t1），由于t2时段系统的负荷变为PD+ΔP，所以分配到的负荷肯定不为P（t1），在这设为P（t2），且假设P（t1）

图4 不同时段同一机组的微增率图Fig.4 The slightly growth rate of the same units in different periods

从节能发电调度的基本原则出发，不同时段机组处在经济运行状态时，也需要尽量确保机组各时段的耗量微增率相等。因而本文提出根据负荷率的变动情况，系统对储能设备进行自动地调整出力，并利用其出力来平衡变动的负荷，使得机组的出力基本保持平衡，从而实现机组的最佳运行目的。这里以t1时刻为参考，利用储能设备平衡t2时刻的能耗微增率λ2，使得λ1（P1′）=λ2（P2′）。如图5所示。

图5 不同时段同一机组的经平衡后的微增率图Fig.5 The slightly growth rate after balanceing of the same units in different periods

由微增率表达式知，耗量微增率函数为关于功率的一次函数。又因为是同一机组，所以耗量特性系数相同。若有常数，因而不同时刻等微增率稳定了机组的出力。

又P（t1）

2.3 建立寻找参考时段的数学模型

建模思路：在满足不同时段等微增率与储能设备出力的上下限时，寻找微增率最小、储能设备尽可能多出力的时段。

式中，F为总煤耗量；F1（n）为n时段机组1的煤耗量；F2（n）为n时段机组2的煤耗量；P1（n）为n时段机组1的出力；P2（n）为n时段机组2的出力；PD（n）为n时段系统的负荷；P（n）为n时段储能设备出力；λ1（n）为n时段机组1的微增率；λ2（n）为n时段机组2的微增率；λ1、λ2为参考时段机组1、2的微增率。

3 IEEE14节点仿真实例分析

3.1 创建仿真算例

本文利用IEEE14节点来模拟某市的简化系统网络结构，如图6所示。

图6中，节点1、节点2为火电机组1和2；节点3为风电机组（风电容量达系统负荷20%）；节点8为储能设备（抽水蓄能电站、储能电池）；节点9为无功补偿设备。

基于PowerWorld，根据式（4）算出参考时段，利用节点8（储能设备）平衡不同时段的微增率，最后通过IEEE14节点的例子作出证明——不同时段发电机组也应按照等微增率准则运行，以达到火电机组的出力平稳、机组运行最佳的目的。仿真算例中的负荷分配方式设为两种，方式1为只满足同一时段的等微增率、不满足不同时段的等微增率；方式2为既满足同一时段的等微增率、又满足不同时刻的等微增率。

图6 IEEE14节点单线图Fig.6 IEEE14 nodes line diagram

由于实际生活中负荷率是变动的，因而在设计仿真算例的时候，每种方式都必须包含24时段的24个PowerWorld数据界面。而系统的负荷曲线拟采用该市6月份某天较为典型的日负荷曲线，如图7所示。本文在仿真的过程中断开节点3风电机组与系统的相连，因而可以不考虑风电的影响。除此之外，系统还要满足储能设备的储能大于或者等于发出的电能。

图7 某市日负荷曲线图Fig.7 The daily load curve of a city

一般来说，储能设备的工作状态只有3种：不工作、储能、发电。本文在处理储能设备的工作状态时设：参考时刻，储能设备P=0处于不工作状态；在负荷低谷期（即某时刻的负荷小于参考时段负荷），储能设备P<0处于储能状态；在负荷高峰期（即某时刻的负荷大于参考时段负荷），储能设备P>0处于发电状态。

考虑到真实的网络结构和IEEE14节点的网络结构都是带阻抗的，且不同时刻流过各支路的功率也不一样，根据式（5）的网损计算公式知，不同时刻的有功网损不同。

本文为避免不同的有功网损带来的影响，采取忽略参考时段的阻抗值不计，并根据同一时段等微增率准则算出初次的功率分配值。以此作为初值代入到PowerWorld中，进行根的迭代并找到使得煤耗最小的解。最后根据不同时刻的等微增率准则，其他时刻需通过调整储能设备的出力来维持机组的出力平衡，进而实现机组的经济运行。

3.2 仿真结果

本文机组的煤耗量特性参照了陈绗的《电力系统稳态分析》中5-2的例子，把机组1、2的煤耗量特性设置成：

设置完成后，根据式（4）可算出本文的参考时段即日平均负荷所对应的时段。再分别在对应的24个PowerWorld数据界面输入该市的24个时段的负荷值，并进行系统的仿真，获得方式1下机组1和2在24时段的煤耗量F1与方式2下机组1和2在24时段的煤耗量F2的比较，如表1所示。

表1 两种方式24个时段煤耗量的比较Tab.1 The comparison of the 24-hour coal consumption in the two ways

由表1知，方式2的一天的总煤耗要比方式1的经济，而且经济的比例K为

并且由表1可知，分别以0时段到8时段为参考时段的煤耗量是要比计算出的参考时段的煤耗量要低的。若选择它们中的任意一个时段为参考时段时，系统24小时的总煤耗是要比选择参考时段的要经济，但这时会出现储能设备的储能都是小于发出的电能，这与实际不符。如图8所示，在0下方的面积为设备的所储能量，上方为设备的发出电能。0到8时段为参考时段时，由图中可以明显看到发电是要比储能面积大，与实际不符。选择其他时段时，煤耗量都要比参考时段的要高，因而说明了参考时段模型建立与选择的重要性与正确性。

图8 分别以0到8时段为参考时储能设备出力曲线Fig.8 Power curve of the energy storage device with 0～8 H for the reference respectively

机组1、2在方式1和2下的出力曲线如图9所示。由图知，在方式2下，机组1、2的出力平稳，这对于机组的综合效益是最佳的。

图9 机组1、2在方式1和2下的出力曲线Fig.9 The output curve of unit i and unit 2 in way 1 and way 2

储能设备在方式1、2下的出力曲线如图10所示。

图10 储能设备在方式1和2下的出力曲线Fig.10 The output curve of energy storage devices in way 1 and way 2

图10 中，在纵坐标取值0下方的面积为设备的储能，在0上方的面积为设备的发出的电能。由图可以算的，24个时段的能量和为-47.66，即储能设备还储有部分的能量，满足24时段储能大于等于发出的电能。

根据机组的效率公式η=P/F，可绘出方式1、2下的机组的效率曲线，如图11所示。

图11 机组1、2在方式1和2下的效率曲线Fig.11 The efficiency curve of units 1 and in way 1 and way 2

由图11知，机组运行时，机组的出力不同，运行效率也不同。机组的最高效率点一般在额定功率附近。如果不改变参加运行的机组数目，当系统总负荷较高时，各机组的运行效率将较高；而当系统总负荷减少时，各机组运行点将降低，效率当然也会降低。

4 结论

本文介绍了同一时间段内火电机组按照等微增率准则进行负荷优化分配的原理，提出了利用储能设备平衡不同时段的微增率以达到火电机组的出力平稳，机组运行最佳，进而实现发电侧综合效益最佳的目的。并基于PowerWorld通过IEEE14节点的例子对不同时段等微增率准则的经济性作出了证明。需要说明的是，不同参考时段的选择及负荷预测的准确性对实际结果的误差还存在较大的影响。

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