节能调度方案_xqji.doc

节能调度方案设计节能降耗是我国宏观能源利用面临的一个新问题，同时也是我国电力市场运营和发展所面临的一个新的挑战。当前，电力市场设计均是以微观“社会效益最大化”为基础的，即市场买卖双方间的社会剩余最大化。从理论上讲，节能与市场竞争是一致的，即能耗低，生产成本低，具备竞争优势，在市场中能够优先被利用。因此，通过市场能够起到资源优化配置的作用。然而，由于诸多因素，通过市场并不能充分的发挥出节能降耗的目标。主要表现在以下几个方面：1） 投资成本：电力建设投资成本巨大，我国实行了短期还贷政策，投资成本分解到生产成本中，这样使得新建的低煤耗机组生产成本增加。而大量旧的小容量机组虽然能耗高，但大多已经完成了还贷任务，其总生产成本低，因而有一定市场竞争力。2） 节能环保成本：通常新建的大容量机组均配备了节能环保设备，来降低能耗减少排污，但这些投资使得单位电量生产成本增加。3） 新能源技术成本：可再生能源（如风电、地热发电等）能耗低，但新能源技术成本高，也不在市场中占优势。上述问题是导致当前我国电力市场与节能降耗目标不一致的一个根本原因，也是我国电力市场发展所面临的一个新课题。国外电力工业在处理节能环保问题方面，根据本国的能源结构采取了不同的措施。概括起来可以分为两类：一是在市场化运营前，按照宏观能源发展规划，采用法令和投资补偿的方式，逐步、有计划地将化石类发电资源向水电、核电等低能耗资源结构转变，如德国、丹麦等国家；二是在市场化运营后，结合市场机制，配合立法、财税补贴等手段，实现节能环保目标。如英国、美国采用投资、或税收补偿鼓励新能源建设，在市场中规定必须购买一定比例的可再生能源，并制定了排放指标，并在市场中开辟了排放权交易品种。荷兰建立了绿色标签机制（Green Label System），促进绿色能源的交易。相比较，国外电力市场在处理节能环保问题上有两个特点：一是主要面向新能源，且以政府补贴的形式为主；二是主要目的在于环保减排，而对节能问题关注较少，这主要是因为其能源结构多以水电、核电为主，以及其资源利用相对成熟的缘故。而我国在未来一个时期内仍然以煤电为主，且高能耗小机组还占据了一定数量的比例，因此对我国来说节能问题相对尤为突出。2.节能调度算法2.1节能优先模式2.1.1调度原则电力市场中处理节能问题，一种最直接的方法就是采用能耗优先权方式。该方式基于两条规则：l 能耗排序；l 低能耗机组优先；首先按照机组的能耗数据将机组按能耗由低到高排序；然后根据负荷需求，按能耗排序由低到高分配机组电量，直到满足负荷需求为止。其中，能耗数据在市场中不再作为私有数据，而是作为公开信息加入市场竞争。能耗数据可以按照机组设计参数确定或通过市场中立机构实测确定。2.1.2数学模型该方式可以直接把系统的能耗降低到最低程度，按该方式设计电力市场，能够迅速解决节能问题，事实上该方式修改了电力市场的竞价目标，把社会效益最大化或购电费用最低改为能耗最低，即由式（1）变为式（2） (1) (2)其中i表示电厂序号(i=1,I)，Qi 表示电厂i的投标电量；bi表示其投标价格，ci表示其能耗系数；2.1.3优缺点节能优先的模式，能够有效的降低系统能耗，与政府部门对电力工业节能的要求相一致，该模式下耗能大的小机组将很难生存，对绿色能源的快速发展提供了很好的空间。但这种模式也会带来一些新问题：1） 将以价格为导向的市场调节机制转变为以耗量为指标的集中调度体制，价格失去了市场信号作用。2） 社会剩余分配问题，按照耗量竞标和按照价格结算相分离，容易导致买卖双方间的结算纠纷。3） 信号误导，该方式下耗量决定了是否中标，而报价决定了收益。长期以往，会误导发电厂为降低煤耗，不惜代价投资，只要中标这些投资就会由市场收回。4） 机组能耗是决定竞争结果的敏感因素，而目前机组实时能耗指标的收集尚存在技术困难，导致该模式的可操作性较差。基于以上分析，节能优先方式不适合作为电力市场的主要模式，但其有效控制能耗的特点可以应用于日前市场、实时市场或辅助服务市场等少量电量竞争的市场，也可以作为特定能源（如风电、径流式水电机组）的调度原则。2.2 能耗惩罚电价模式2.2.1调度原则根据各机组的能耗参数，在其报价的基础上增加一项能耗惩罚项，形成考虑能耗问题的综合报价，然后再参与市场竞争。2.2.2数学模型竞价目标如下： （3）其中ki是电厂i的耗量惩罚电价，如果机组能耗低，ki取值小，否则反之；与式（1）相比，式（3）在电厂报价bi基础上，叠加了一个罚电价系数，作为竞价依据。2.2.3优缺点该方式将节能问题和市场机制结合起来，在市场机制下能够起到约束高耗能机组市场优势的作用，并且易于应用到辅助市场、日前市场、系统调度和双边交易等领域中。但是，不同机组的罚电价如何确定、能耗能够降到何种程度是两个棘手的问题，在这方面还需深入研究。2.3 能耗约束模式2.3.1调度原则能耗约束的模式是在现有的市场模式中，将系统总能耗作为约束条件，市场竞价需满足该约束条件。2.3.2数学模型 （4） （5）式（5）表示总能耗约束，其中IW为中标机组集，Cs表示设定的总能耗指标；总能耗指标Cs可以在以往同期调度或无能耗约束竞价能耗总量的基础上降低一个百分率构成，也可以用降耗率表示。（能耗成本和能耗率目标是两个单位）2.3.3优缺点在我国目前的年度、月度以电量为标的市场竞价中。该方式在市场竞价的同时，能够控制年度/月度的总降耗效果，把握电力市场的降耗目标。能耗约束方式将系统能耗作为一个约束条件引入市场模型，一方面起到节能降耗的目的，另一方面兼顾了市场机制的实现，在保证降耗的前提下，优化资源配置使总购电费用最低。同时，也给出了节能的尺度，便于量化控制，在实施过程中，通过修改降耗约束，可以起到逐步节能降耗的作用，便于长期节能目标的分步实现。该模式的最大缺点是存在交叉补贴现象，由于采用的是总量控制方式，某些低报价高耗能的小机组在调度次序上将优先于高成本的节能机组。2.4 等耗量微增率模式2.4.1不考虑网损时的协调方程及算法设电力系统有n台机组，负荷功率为，设第i台机组的发电功率为，其相应的煤耗量为。则系统的有功经济调度问题可归结为在满足约束条件下，求一组功率值，使目标函数（系统的总煤耗量）为最小，即 (5)不计及线路约束和网损时，有功经济调度问题可以简单表述为： (6)其中，为节点i的发电机注入有功，及为的上下限，n为发电机节点的集合（也用n表示发电机节点数），为总的负荷，为第i个发电机节点的煤耗量函数（费用函数）。对上述问题的求解可用拉格朗日乘子法，即构造一个拉格朗日函数，把所有约束极值问题转化成求无约束极值问题，上述问题的拉格朗日函数为： (7)上式中为拉格朗日乘子，根据极值理论，上式取得极值的必要条件是满足及下列方程： (8)此式即为协调方程。式中的称为系统的煤耗量微增率。式中是第i台机组的煤耗量微增率，它是机组出力的函数，上式说明为使函数的总煤耗最小，应使各机组按等耗量微增率原则分配负荷，这就是等耗量微增率的理论。设发电机的有功费用特性为二次曲线，即 (9)那么联立和(8)两式可得： (10)此即为不计网损时有功经济分配的计算公式。以上是未计及发电机节点有功的上下限约束式，处理方法是按(10)算出各发电机有功经济分配之后，检查约束式，对于已经越限了的那些有功变量，令其等于相应的限制值，然后把他们当作负的负荷，并入中，其余发电机节点组成新的集合n，按(10)式再算经济分配，直到满足约束式为止。2.4.2考虑网损时的协调方程及算法几个火电厂的机组组合给定时，计及有功网损时的有功负荷经济分配，和不计网损时一样，以煤耗量（发电费用）最小为原则来确定。其数学模型如下：目标函数： (11)约束条件： (12)式中：整个系统的有功网损总的负荷该模型的拉格朗日函数为： (13)则该函数极值存在的条件为： (14)令， ，则上式可写成： (15)于是计及网损时，电厂间有功功率经济分配的必要条件为： (16)其中通常称为计及网损时有功经济分配的协调方程式，式中的称为第i个电厂的网损修正系数。表明，电厂间有功经济功率可以按修正后的耗量微增率相等的原则进行分配。网损微增率通常是很小的，所以网损修正系数接近1，网损微增率可以为正也可以是负，从而网损修正系数大于1或小于1。事实上，当电厂i增加出力为而其它电厂的出力不变时，相应的网损增量为： (17)而负荷中心所得到的受电功率增量为： (18) (19)由此可以看出网损修正系数的物理意义是电厂i出力的增量与相应的受电功率增量的比值。把式(19)代入式(15)中，得到： （2.17）由上式可以看到，计及网损时电厂间有功功率的分配是按用户入口处耗量微增率相等的原则进行的，即按受电功率计算的耗量微增率相等的原则进行经济功率分配的。这样，不仅考虑了耗量微增率，而且又计及了网损的影响，即将两者协调起来确定经济功率分配问题，这就是协调方程式的物理意义。2.4.3优缺点等耗量微增率准则经典的负荷最优分配方法，理论上可以达到系统总耗量最低，但该方法不以机组报价为依据，与电力市场的总体环境不适应，而且该方法在处理不同种类（如火电、水电）机组