典型高耗能工业用户发用电经济优化建模及调节潜力研究

张海静，周 颖，王为帅，鞠文杰，马 磊，陈宋宋，李志鑫，吴英俊，高赐威

（1. 国网山东省电力有限公司，济南 250002；2. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；3. 国网新疆电力有限公司，乌鲁木齐 830063；4. 河海大学 能源与电气学院，南京 211100；5. 东南大学 电气工程学院，南京 210096）

0 引言

高耗能企业在生产过程中需消耗大量电能，常配备有自备电厂。为充分发掘工业用户发用电资源的调节潜力保障电力系统安全可靠运行，需求侧管理得到了越来越多的关注［1］。分时电价常用于引导工业用户进行合理的发用电生产管理。

在目前的研究中大工业用户存在很大的需求弹性，但生产关系建模简单，难以发掘工业用户真正的调节潜力。文献［2］从博弈角度优化分时电价的制定，促进削峰填谷工作，但是对用户的发用电行为构建过于简单。文献［3］构建智能用电管理系统模型用以降低工业用户生产成本。文献［4］在连续时间框架下，建立高能耗企业自备电厂发电调度模型，但未对企业用电侧进行深入研究。文献［5］将用户行为与负荷预测纳入分时电价的制定去引导用户进行需求侧管理。文献［6］利用聚类算法，建立大用户响应分时电价的负荷概率模型，但未对大用户发电侧出力行为进行研究。文献［7］分别建立售电公司最大收益与工业用户最小用电成本两层模型，研究电网的价格制定。文献［8］同时考虑了高能耗企业发电侧与用电侧的响应行为，但发电侧建模笼统未考虑不同类型机组的调节约束问题，同时负荷侧仅考虑连续性负荷，实际上大工业用户存在大量的可中断负荷，对降低企业的运行成本有重大作用。

针对以上问题，本文围绕分时电价，首先研究不同工业用户发用电设备的运行特性、调节特性，建立工业用户在分时电价下发用电联合一体化经济调度通用模型。其次，根据工业用户生产工艺的不同，建立3 类具有代表性企业的发用电设备调节模型。最后，在算例中讨论上网电价改变时，不同工业用户的发用电响应行为，并分析不同类型工业用户的调节潜力。

1 工业用户通用建模

1.1 发电通用模型

高能耗企业按照行业特性的不同，发电侧装设有不同类型及不同数量的燃煤机组、热电联产机组与资源综合利用机组。因此，建立发电设备的通用模型需要考虑不同机组的运行特性。

自备电厂通用的发电成本模型如式（1）

式中:k为调度时段；m、n、u分别为燃煤机组、热电联产机组、资源综合利用机组的台数；ai、bi、ci分别为燃煤机组的发电煤耗系数；Pi,k为燃煤机组i在k时刻的发电出力；br、cr分别为资源综合利用机组的发电成本系数为综合资源利用机组r在k时刻的发电出力；aj、bj、cj分别为热电联产机组的发电成本系数；dj、fj、hj分别为热电联产机组的供热成本系数分别为热电联产机组的电功率、平均热功率。

常规机组、热电联产机组出力上下限约束为

常规机组、热电联产机组爬坡约束为

热电联产机组热电联耦约束为

式中:PCHP、RCHP分别为热电联产机组的发电功率与发热功率分别为机组纯凝工况下最大、最小发电功率；μv、μm分别为机组进气量与背压值为最大发热功率。

1.2 负荷通用模型

负荷由可转移负荷和不可转移的固定负荷组成，其中可转移负荷又可细分为连续性负荷与可中断负荷。

在第k个运行时段内，自备电厂的总负荷可以表示为

可转移负荷时序性约束条件为式（6）至式（10）。

工作时长约束为

连续性负荷不可中断性约束为

负荷c运行结束后，负荷b才能运行即前置负荷约束为

前置负荷c恰好完成任务后负荷b必须开始运行即强关联性负荷约束为

负荷b、c运行状态相同即同步负荷约束为

式中:n为完成任务所需要的全部运行时段；θc,k为负荷c状态变量，运行时值为1，否则为0；Tc,n为负荷工作时长；tc,min,tc,max分别为负荷c运行时间上下限制，即负荷c只能工作在[tc,min,tc,max] 内；K为全部调度时段。

转移功率约束条件为

某些负荷的转移会产生成本费用，通常与负荷转移时间成正比。可转移负荷c的转移成本如式（12）所示

1.3 净电费通用模型

自备电厂与电网交互的过程中，存在购电费用与售电收益。其中购电费用等于购电电价乘以购电电量；售电收益等于上网电价乘以售电量。在同一个时段内，不允许购电费用与售电收益同时存在。

净电费通用模型如式（13）

功率平衡约束

式中:Dk为自备电厂外购功率。

交换功率约束

1.4 工业用户通用模型

工业用户总用电成本包括3 个部分，分别为发电成本Ck、负荷转移成本净电费成本Qk。因此建立在分时电价下，工业用户最优发用电响应的最小运行成本模型。目标函数为

约束条件包括式（2）至式（4）、式（6）至式（11）、式（14）至式（15）。

2 典型行业建模

2.1 钢铁行业

钢铁企业属于典型的流程工业，主要生产过程包括炼铁、炼钢、连铸、轧钢4 个步骤。该类企业常配备有燃煤发电机组、热电联产机组；部分钢铁企业装设有储气装置并通过综合利用机组发电。其可转移负荷主要工作在连铸与轧钢阶段。连铸与轧钢阶段中的可转移负荷属于连续性负荷，该类负荷一经启动，就不能中断，否则将会严重影响产品质量。因此，对钢铁行业可建立以下模型

负荷启动时间约束为

任务c需要在任务c′完成后等待Tc′才能开始运行，负荷时序耦合约束为

任务c启停时间约束为

式中:τ为时段长度；为任务c在k时段的开机状态，开机时

任务c启停状态在时段间的取值约束为

式中:为任务c在k时段的停机状态。

任务c在k时段内的持续时间γc,k取值范围约束为

任务c的运行时间约束为

另外，发电约束由式（2）—式（4）组成。

2.2 水泥行业

由实际工况可知，水泥3 个阶段的生产具有较弱的时序约束，影响水泥质量的主要因素是生产材料。所以水泥企业中柔性负荷可以在满足用电时长不变的情况下，采取非连续性生产方式。因此，对水泥行业可建立以下模型

约束条件包括工作时长与运行时间约束式（6），前置负荷约束式（8），转移功率约束式（11），功率平衡约束式（14），交换功率约束式（15）；发电约束由式（2）—式（4）组成。

2.3 电解铝行业

电解铝行业在电解环节需要消耗大量的电力且电解过程不能中断否则对产品和设备造成极大的影响；铝材加工再生产环节具有一定的可转移特性。因此，电解铝行业可转移负荷主要由连续性负荷与可中断负荷组成，对电解铝行业可建立以下模型

约束条件主要包括工作时长与运行时间约束式（6），连续性负荷不可中断性约束式（7），前置负荷约束式式（8），强关联性负荷约束式（9），同步负荷约束约束式（10），转移功率约束式（11），功率平衡约束式（14），交换功率约束式（15）；发电约束由式（2）—式（4）组成。

3 算例分析

3.1 基础数据

原始数据来自国内某钢铁企业、某水泥企业、某电解铝企业自备电厂。装机容量分别为15 万kW、3.5 万 kW、1.2 万 kW；ai、bi、ci煤耗系数分别为0.000 45、0.228 5、47.620 6；aj、bj、cj、dj、fj、hj、br、cr均为0；峰、平、谷时段购电电价分别为0.88元/kWh、0.6 元/kWh、0.31 元/kWh；各时段上网电价均为0.3 元/kWh。以6个时段的调度为例，每个时段长度为1 h，钢铁、水泥、电解铝企业各时段的基础负荷分别为110 MW、120 MW、130 MW、110 MW、120 MW、100 MW；10 MW、15 MW、20 MW、15 MW、20 MW、10 MW；4 MW、7 MW、10 MW、7 MW、9 MW、4 MW；钢铁、水泥、电解铝企业最大发电功率分别为150MW、35 MW、12 MW，最小发电功率分别为100 MW、10 MW、5 MW；时段1、6为谷时段，时段2、4为平时段，时段3、5为峰时段。3类工业用户可转移负荷参数分别如表1、表2、表3所示。

表1 钢铁行业可转移负荷参数Table 1 Transferable load parameters of the steel industry

表2 水泥行业可转移负荷参数Table 2 Transferable load parameters of the cement industry

任务3和任务5之间存在时序耦合关系，任务5在任务3停止后0.2 h才能开始工作。

任务1至任务5均为可中断负荷。

表3 电解铝行业可转移负荷参数Table 3 Transferable load parameters of the electrolytic aluminum industry

任务1至任务3为连续性负荷，任务4、5为可中断负荷。3类企业原始发用电出力曲线如图1所示。

图1 3类企业发用电出力曲线Fig.1 The output curves of three types of enterprises’generation

3.2 算例结果与分析

按照所述模型，求得3 类企业的负荷转移时间图如图2所示。

从图2中可以发现，3类企业的可转移负荷由峰时段3、5 向平时段与谷时段按照约束条件进行转移；同时，由于3类企业都存在着较大的负荷转移成本系数，因此钢铁企业任务5、水泥企业任务3、电解铝企业任务3 的启动时间均未发生变化，水泥企业任务3进行可中断生产。

按照图2 进行负荷转移，可以得到优化后3 类企业的发用电出力曲线图如图3所示。

对比图1 与图3 可以发现，3 类企业的峰、谷时段负荷差减小，3 类企业的负荷更加平稳；同时3 类企业在尖峰时段的负荷得到了有效的削减；并且由发电成本与分时电价的关系可知，在谷时段发电成本大于购电电价，3 类企业均采取最小发电出力，峰、平时段发电成本低于购电电价，3类企业的发电出力均在满足约束情况下跟踪负荷变化；因此3 类企业总的运行成本均降低。

图2 3类企业的负荷转移时间图Fig.2 Load-shifting time diagram for three type industries

图3 优化后3类企业发用电出力曲线Fig.3 Optimized output curves for the three types of enterprises

3.3 上网电价影响分析

将峰时段上网电价由0.3 元/kWh 增加至0.35元/kWh时，3类企业发用电出力曲线如图4所示。

峰时段上网电价改变后，3类企业的负荷变化情况与图3类似；但在峰时段发电成本低于上网电价，企业在保证供电可靠性的情况下，均采用最大出力方式运行，向电网售电以降低企业总的运行成本。

图4 改变上网电价后三类企业发用电出力曲线Fig.4 Three types of enterprises after the change in feedin tariff power generation curve

改变峰时段上网电价前后，3 类企业的经济效益及调节潜力对比如表4 所示。3 类企业总用电量不变；钢铁、水泥企业峰时段负荷大部分均转移至谷时段，电解铝企业平时段负荷也向谷时段转移，因此其填谷负荷大于削峰负荷；3 类企业在峰时段将多余电量上网以降低运行成本；总发电量变化不大是因为谷时段企业以最小发电出力运行，不足电量从电网购入。3类企业在6个调度时段内，运行成本分别降低1.12万元、0.39万元、0.16万元。需要注意的是，随着企业扩大生产规模时，采用本方法运行成本会降低的更加明显；对比3类企业可以发现，电解铝企业调节性能弱，因为其用电集中在电解环节，调节性能差。

表4 各自备电厂调节对照表Table 4 Control table of self-contained power plant

4 结束语

本文着重考虑高能耗企业发用电调节约束条件，提出工业用户通用发用电调节模型，并提出3类典型行业的调节模型。通过算例证明了高能耗企业发用电调节策略受自发电成本、负荷转移成本、购电电价与上网电价的影响。因此，为发掘工业用户的调节潜力，需要充分了解企业的自发电成本与负荷响应成本，并以合适的价格信号去引导工业用户进行发用电调节。