考慮系統(tǒng)風電接納的尖峰電價決策研究

1、考慮系統(tǒng)風電接納的尖峰電價決策研究崔強，王秀麗，吳雄，侯雨伸(西安交通大學電氣工程學院，西安710049)摘要：針對以火電為主、調峰難，缺少尖峰電力的電源結構，提出通過需求響應解決口前系 統(tǒng)風電接納能力不足、棄風嚴重的問題。建立了綜合考慮風電場、電丿j用戶和供電公司利益 的多目標時段尖峰電價決策模型，通過風速的monte carlo模擬，采川改進的遺傳算法對模 型進行了求解。該方法有效的削減了系統(tǒng)的尖峰負荷，提高了系統(tǒng)接納風電的能力。風電場 棄風減少，風能資源得到了有效的利用，并h電力用戶的平均購電價格降低，供電公司利潤 增加，實現(xiàn)了多方共贏。關鍵詞：電力系統(tǒng)白動化：需求響應；尖峰電價：風電接

2、納；遺傳算法中圖分類號：tm71decision model of critical peak pricing considering windpower to be integrated in gridcui qiang, wang xiuli, wu xiong, hou yushen(xi'an jiaotong university, xi' an 710049, china)abstract:propose the demand response to solve the difficulty of peak regulation and lack of peakpo

3、wer, aim at improving the ability of accepted wind power and reducing the wasted wind energy the decision model time-variable critical peak pricing is established which comprehensive considering the interests of the wind farms, power users and power supply company. through the monte carlo simulation

4、 to wind speed, and the improved genetic algorithm was used to solve the model. the method effectively cut down the critical peak load of the system and improving the ability of accepted wind power. it is a win-win solution, the wind was forced to discard by wind farm is reduced, wind energy resourc

5、es is utilized efficiently, average the power purchase price of users is lower, and the profit of power supply company is increasedkey words: power system automation : dema nd response; critical peak pricing; wind power accommodation; genetic algorithm0引言隨著風電在電源結構中的比例不斷增大，其對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)立運行的影響日益顯著。部分地區(qū)風電發(fā)

6、展與系統(tǒng)安全運行的矛盾逐步顯現(xiàn)，棄風現(xiàn)彖不斷出現(xiàn)，風電接納已經成為 影響中國風電健康發(fā)展的關鍵問題。電網接納風電能力主要取決于電源結構與調峰能力、電網的負荷水平與負荷特性以及風 電特性與風電技術裝備水平2。而我國以煤電為主的電源結構己經成為制約我國風電發(fā)展的 關鍵問題，然而電源的結構性難以短時內被扭轉。需求響應(demand response, dr)是保 證電力工業(yè)長效可持續(xù)發(fā)展的重要手段將成為解決冃前風電接納問題的重要途徑?；?價格的需求響應項目屮，分時電價(timc-of-usc pricing, tou)是目前被廣泛執(zhí)行的電價機 制，是一種靜態(tài)電價機制，反映了電力系統(tǒng)的長期供電成本。

7、tou對口內負荷的削峰填谷作 川明顯，為系統(tǒng)接納風電等間歇式能源發(fā)揮了重耍的作川。但是，tou對周期性的尖峰負 基金項14 ：高等學校博士學科點&項科研基金資助項1-1(20100201110022) 作者簡介：崔強(i985-),男，博士研究生，主要研究方向：電力市場 通信聯(lián)系人：王秀麗(1961-),女，教授，博士生導師，主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、可靠性及電力市場. e-mail: xiuliw荷的削減作川有限，而周期性的尖峰負荷是阻礙系統(tǒng)接納風電的重耍原因。大規(guī)模風電接入電網，對電網屮英他發(fā)電機組的調峰、調頻性能，特別是對機組最小開 機方式及對應的最小開機出力都提出了更高耍求。

8、我國的常規(guī)調峰電源以火電為主，火電機 組昂貴的啟停費用要求調峰機組長期在線運行。為了滿足電力用戶短時間尖峰用電要求，調 峰電源長期在線運行，增加了系統(tǒng)的開機容量，使得系統(tǒng)非尖峰時段的常規(guī)電源出力降不下 來，阻礙了系統(tǒng)接納風電等間歇性能源。降低系統(tǒng)周期性的尖峰負荷是解決風電接納問題的 關鍵。尖峰電價(critical peak pricing, cpp)是在 tou 和實時電價(real-time pricing, rtp) 的基礎上發(fā)展起來的一種動態(tài)電價機制，它通過在tou上疊加可以靈活安排的尖峰費率而形 成。cpp削減尖峰負荷的作用顯著，統(tǒng)計數據表明，從工商業(yè)用戶到居民川戶，cpp均達 到了

9、良好的效果5創(chuàng)。因而，制定合埋的cpp費率體系，能有效降低系統(tǒng)周期性尖峰負荷， 有助于風電接納問題的緩解。文獻7針對固定時段cpp (cpp-f)模式,提出了綜合考慮用戶和供電公司利益的cpp 尖峰日決策模型，并闡述了 cpp的實施機制。cpp-f模式中尖峰電價的費率體系是爭先給 定的，只有尖峰口可以靈活選擇，該模式缺乏靈活性。木文針対變動時段cpp (cpp-v)進 行研究。在該模式中，尖峰日及尖峰時段的起止時間都不是事先確泄的，cpp費率也是待楚 量，因而該模式比cpp-f更具有靈活性。本文在上述文獻的基礎上，考慮了 cpp削減尖峰負荷對系統(tǒng)接納風電的作用，提出了 一種綜合考慮風電場、電力

10、用戶及供電公司利益的多目標cpp決策模型。通過對風速進行 monte carlo模擬，利用遺傳算法對模型進行求解。1 cpp決策基礎1.1 cpp費率休系cpp通常在tou的基礎上形成。在執(zhí)行tou時間內，選擇具有尖峰事件的日期作為 尖峰口，本文中的尖峰事件指的是影響風電接納的尖峰負荷。同時對尖峰口內的尖峰事件的 起止時間及cpp費率做出決策.非尖峰日的費率、尖峰i的尖峰時段的起止時刻及尖峰費率 共同構成cpp費率體系。cpp費率體系中，電力用戶可以獲得非尖峰日的電價折扣，為了 減少系統(tǒng)負荷低谷時段的棄風，非尖峰日低谷時段獲得電價折扣，如表1所示?？紤]電力負 荷的價格彈性，與tou相比，cpp

11、不但具有tou削峰填谷的作用，而且能育效降低系統(tǒng) 尖峰負荷，提髙非尖峰日的負荷水平。表1 tou與cpp比較tab 1 comparison between tou and cppcpp時段tou非尖峰日尖峰日psp峰pppppp平pmpmpm谷pv注："為非尖峰日谷時段的電價折扣率供電公司以相對穩(wěn)定的標桿電價購電，以尖峰電價售電，英營業(yè)收益來白售電收入與購 電成木收益之差。通過實施尖峰電價，系統(tǒng)接納風電的能力將增加，棄風電量將減少，減少 的棄風電量以折扣電價出住給供電公司，使供電公司可以從中受益，從而提高供電公司組織實施尖峰電價的積極性。1.2風速風功率時序模型風速為隨機變量，本模

12、型采用服從形狀參數與尺度參數分別為r和c的weibull分布瀕 數(式(1)模擬風速的時間序列。式中,-1.086g)mean其中，3町、o分別為研究區(qū)域給定時段風速的平均值和標準并。fo0 < cd< (dzw/ 4(0) pw (0)= ' 7cd/; < gj<1 pratedcor < cd < 3mllo0) > coomjt中，(oin> cor> coout分別表示切入風速、額定風速和切出風速，frated為風機額定功率。風機的有功出力pm可表示為風速co的函數,參考文獻8,如式(4)所示。(4)r 系數01、u2和0

13、3町依據(oin和cdr給岀，如式(6)-(8)。01 =(din - (or)213(co/m(c0/7? 4- (0/ ) - 4(0加0>彳 e +| y ' 1根據式(4),風機的功率輸出特性如圖1所示，木文以下的所冇算例所使用的風速數據: 切入風速coin=4m/s,額加風速3r=16m/s,切岀風速(oout=25m/so2圖1風功率曲線fig. 1 power curve for wind turbine1.3用戶價格響應模型用戶對電價的響應表現(xiàn)在根據電價侍號調整自身的用電方式，常用電量電價彈性來量化 用戶的價格響應。電力川戶在某一時段的用電雖不僅與該時段的電價有關

14、，還受其他時段電 價的影響，分別用白彈性系數和交叉彈性系數來描述。電量電價彈性是指電價的相対變動所 引起的電量的相對變動，即在一段時間內，電量的變動率與電價變動率的比值：apm/|i )m00 "i iqo? (10)其屮，加為研究時段，e為電量電價彈性矩陣, e/ e/2.1 e ee = 2122 .e = | 21.e/m 1iie?m其屮，q和p分別為電量和電價的增ffi, qo和po分別為電價變動前的電量及電價。創(chuàng)為電量電價彈性系數，當j=i時為自彈性系數，當j右時為交叉彈性系數。 引入電量電價彈性矩陣來描述用戶多時段的價格響應：q/ir q門q刃l(wèi)qm u i lq帥川

15、l 0(11)l©m/ em2 emm | 創(chuàng)和eu分別為自彈性系數和交叉彈性系數。2 cpp決策模型通過分析實施尖峰電價對風電場、電力用戶以及供電公司收益的影響，得到了各方的獲 益函數。綜合考慮各方的利益沖突，建立了變動時段cpp多h標決策模型。2.1風電場減少棄風獲益電網最小開機方式的最小開機出力是電網接納風電的關鍵所在。所謂最小開機機方式下最小開機出力.指的是能夠滿足高峰供電(包括負荷備用和事故備刀)的常規(guī)電源在負荷低谷 時所能降到的最小發(fā)電出力。調峰約束下，系統(tǒng)棄風電量是風電出力與系統(tǒng)風電消納能力z 差，風電出力小于系統(tǒng)消納能力的部分可全額上網，多丁部分受消納能力的約束不得不

16、棄掉, 如圖2所示。風電的棄風電量0.由式(給出。i0pw 5 l lj min(12)ipw (厶一lj min ) pw > l lj min其中，l表示系統(tǒng)負荷，umin表示系統(tǒng)最小技術出力。系統(tǒng)風電消納能力r為系統(tǒng)負荷曲線與最小技術出力之間的距離。5000(13)130001kki0ikhkiloooawo4s1216時間/hour 圖2調峰約束下系統(tǒng)風電消納能力fig. 2 wind power accommodation capacityr = l ac/min斂爾風電出力眾小技術出力202440co鄉(xiāng)sammg3 2通過實施尖峰電價，降低系統(tǒng)尖峰負荷，從而降低系統(tǒng)最小技術出

17、力增加系統(tǒng)風電的消納能力，減少棄風，增加風電場收益。通過風速的monte carlo模擬，模擬出實施尖峰電價前厲系統(tǒng)風電的棄風電量，棄風電ni. 24工工工(0w ( pw,ijt, lo,jt ) 0h' ( pw,ijt ) s“心卜日2量的減少量sw由式(14)給出?！?14)式屮，x d tp(：pp為模型決策集，d表示尖峰日決策，/表示尖峰執(zhí)行時刻決策，pepp表示尖峰電價水平。d ch i=isis + jie , di為第，天是否為尖峰日的01決策變量(1表示是，0表示否)，l和分別為研究時段起始日和結束日的編號；/ ts tc ， 以tc分別表示尖峰口中尖峰電價開始時刻

18、及持續(xù)時間。n表示monte carlo模擬次數。is、ie分別表示規(guī)劃時段的開始和結束日。由于棄風電量減少，售電量增加，風電場從中獲益，但是售電增加量不再以標桿電價售 出，而是以一個折扌【i電價售出。風電場從尖峰電價實施中所獲收益fw：fw ( x)= 7 phsw ( x)其中pn. y分別表示上網標桿電價及風電場增加電量的電價折扌ii系數。2.2用戶獲益函數尖峰電價的實施以電力用戶的積極響應為冃的，要保證尖峰電價的實施效果，必須給沖 用戶必要的經濟利益作為激勵。電力用戶參與尖峰電價項h的經濟利益體現(xiàn)在平均電價的減 少上。ie 24/ ic 24b(x)二poijqo.ij /z z qg

19、ji=ixj=/ /=/xy =1ie24/ ie 24pcpp.ij ( x)q(pp,ij(x) /xx qcppm ( x )i =w =/= 1(16)式(16)給出了尖峰電價實施前后電力用戶平均電價的變化，前一項為實施前用戶的平均 電價，后一項為實酒厲平均電價。其中，p。、0。分別為尖峰電價實施前的售電電價及電量； pwp、qcpp分別為尖峰電價實施后的售電電價及電量；pcpp rh式(17)給出。ji d. * po.iptppj x- i l(i-m).*po.i + pcppmx i di = /(17)其中，d為電價折扣列向量，谷時段元素為非尖峰口電價折扣率“，峰、平時段為1

20、。i 為全1列向量，m為尖峰時段內元素為1其他時段都為()的列向量。2.3供電公司獲益函數供電公司作為尖峰電價實施的組織者，也要從屮獲的經濟利益。供電公司的銷售利潤來 白售電銷售額與購電成木只差。實施尖峰電價前供電公司收益：ie 24ie 24co (x)=工工pojjqoj廠九工工q(“ji =/j j =1i -is j =1(18)實施尖峰電價后供電公司收益：ie 24(x )= x pcpp.ij ( x ) qcpp.ij ( x )-i =b j =/r ( ie 24)1pb|. x s qcpp.ij (x)-sw(x) ih-fw(x)!l li=u=/丿 uci(19)實施

21、尖峰電價供電公司獲益：(20)c(x) = ci (x) - co (x)2.4決策模型分別以風電場、電力用戶及供電公司在尖峰電價實施過程中所獲收益最人化為目標，建 立尖峰電價多日標決策模型。max fw (x) = y pb sw (x)ie 24max fb(x) = b(x) x x qftiji =is九xfc(x) = c(x)(21)約束條件：尖峰電價實施需保證參與者的利益，電力用戶的平均電價不增加，供電公司 的利益不受損。還需滿足最大尖峰口允許執(zhí)行天數和尖峰事件的最小允許間隔約束。(x)>0c(x)>0工/鐘pt =r/vl/st j -1min式屮，n<pp為

22、最大尖峰日允許執(zhí)行天數，bi為第i次執(zhí)行尖峰事件的開始時刻，加" 為兩次尖峰事件的最小允許間隔。3模型算法上述模型為泯合整數規(guī)劃，其屮涉及風速序列的monte carlo模擬，采用慕于monte carlo 隨機模擬的遺傳算法為解決木文問題提供了一般的途徑®。首先川線性加權法將多忖標規(guī)劃 轉化為單目標規(guī)劃：(23)(24)max f( x) = fw ( x) + ifb (x) + mfc (x)a.1 + 九2 + 九3 = 1其中,xl> h和a3分別為權系數。目前，越來越多的研究者己經意識到了不可行解的巫要性。在對種群進行遺傳操作時， 靠近可行域邊界的不可行解

23、，很容易穿越約束邊界進入可行域，產生可行解或接近最優(yōu)解的 后代。根據這一思想，本文利用文獻10提出的將可行解與不可行解進行算術交叉的方法， 對問題的解空間進行搜索，對可行種群和不可行種群分別按照適應度和約束違反度進行選 擇。該方法避免了如懲罰函數法引入懲罰因子而帶來的不確定性問題。本文中不可行種群的 約束違反度由下式確定。fs (x) = xb max(0, -b ( x) + xc max(0, -c (x)(25)其中，心、ac為定標系數。max函數表示取參數的較大值。約束違反度越大，說明該染 色體偏離可行域越遠，被選擇的概率就越小，該染色體的適應度就越低。不可行-種群的適應 度函數由下式

24、確定。cmaxfa (工)if fs ( x)v cmax(26)0else195fig.3 flow chart of the algorithm4算例200系統(tǒng)的負荷數據取為nord pool全系統(tǒng)某一周負荷數據。風電裝機容量10000mw。根 據歷史數據跡行統(tǒng)計回歸分析可以得出24階電量電價彈性矩陣&汕。研究時段取為一周， 最人尖峰日允許執(zhí)行天數為1天。tou足價方案：低谷時段為23:00-7:00,費率対=473.2 元/mwh,峰時段為 7:00-23:00,費率 pp=708.3 元/mwh。囹4 原始負荷曲線fig.4 original load curve原始負荷ill

25、i線如圖4所示，最大負荷為37576mw,出現(xiàn)在周五，從負荷|11|線上看，該 負荷是木周的尖峰負荷。最小負荷為23328mw,出現(xiàn)在周口。采用第3節(jié)提岀的模型求解方法可以得到多目標決策模型的折衷解。尖峰日：周五，尖 峰時段：7： 00-15:00,尖峰費率：868.46元/mwh。圖5優(yōu)化負荷曲線fig.5 optimize load curve執(zhí)行尖峰電價后，根據用戶對電價的需求響應，得到了響應后的負荷曲線，如圖5所示。 系統(tǒng)最大負荷變?yōu)?6727mw,降低849mw,最小負荷變?yōu)?3573mw,增加245mw。與 原負荷曲線圖4相比，系統(tǒng)的尖峰負荷消失，負荷率升高。電力用戶對尖峰電價的響

26、應對風 電場意義重大，伴隨著尖峰負荷的消失，系統(tǒng)最小開機方式下的最小技術出力降低，可冇效 提髙系統(tǒng)的風電接納能力。表2執(zhí)行cpp前后的經濟數拯比較tab 2 economic data comparison between tou and cpptoucpp齊風(mwh)1459410827總用 ilafi(mwh)51490005149800平均售電價格（元/mwh）642.11641.96用戶購電費用（力元）330626330593供電公司購電費用（萬元）197465197422表2列出了執(zhí)行尖峰電價前后的各項經濟指標，執(zhí)行尖峰電價后，用戶的平均購電電價 降低了 0.16元/mwh,購電費

27、用降低33萬元，收益增加81.2萬元；供電公司節(jié)省購電費用 43.55萬元,銷售利潤增加10.36萬元；風電場減少棄風3767mwh,收益增加72.23萬元。 社會總效益增加163.8萬元，山于社會總用電量增加了 800mw,說明將近3000mw的火電 被風電所取代，按照度電標準煤耗320g計算，可減少co2排放約3520噸，日均可減少500 噸，具有可觀的節(jié)能減排效益，實現(xiàn)了多方共藏。5結語系統(tǒng)接納風電的能力受限于系統(tǒng)的電源結構，以火電為主的電源結構，系統(tǒng)調峰難，缺 少尖峰電力是造成系統(tǒng)接納風電等間歇式能源閑難的重耍原因。相對丁電源建設的條件和巨 大的投資，通過建立合理的需求響應機制，鼓勵電

28、力用戶參與調峰，協(xié)調風電等可再生能源 發(fā)電的途徑更為可行和經濟。本文從理論上研究了需求響應下的尖峰電價實施機制，建立了綜合考慮新能源利用及各 方利益的多h標決策模型。通過對模型的仿真分析，實施尖峰電價后，系統(tǒng)尖峰負荷得到了 削減，町有效降低系統(tǒng)最小開機方式下的最小技術出力，從而増加系統(tǒng)的風電接納能力。系 統(tǒng)棄風減少，風電資源得到了更為冇效的利用，而且各方收益均冇所增加，提高了各方參與 尖峰電價實施的積極性。分時電價和尖峰電價對可再生能源的作用主要體現(xiàn)在系統(tǒng)接納能力的提升上，這類需求 響應項h是h前條件下可行的激勵電力用戶協(xié)調新能源發(fā)電的機制。但是，由于缺乏靈活性, 此類項冃并不能激勵用戶實時的響應間歇式能源的波動，隨著智能電網的建設、電力市場的 成熟以及風電預測技術的提高，為實施實時的需求響應項鬥（如實時電價）創(chuàng)造了必耍條件, 該類項目更加靈活，可引導用戶實時調整用電方式以響應間歇式能源出力的波動，下一步可 針對該類需求響應項目進行研究。參考文獻(references)1 朱凌志，陳寧，韓華玲.風電消納關鍵問題及應對措施分析j.電力系統(tǒng)自動化,2011,35(22): 29-34.2 崔宏