面向多時間尺度的光-火-鋁孤島微電網綜合能量管理方法

杜善周，黃涌波，劉瑞平，韓碩，唐建玲，劉緒斌，吳晉波

(1．神華準格爾能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2．中南大學自動化學院，湖南 長沙 410083；3．國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410208)

0 引言

在我國推進能源結構轉型的過程中，單一種類能源的利用已受到多方掣肘，建設高效、靈活的綜合能源體系將成為能源發展的重點[1]。因此，越來越多的新能源接入到微電網中，微電網的能源結構日益復雜。而新能源發電的不確定性給微電網系統帶來了較大的沖擊，單靠火電機組調節難以平抑新能源接入帶來的波動。在我國的“三北”地區，火電機組類型多為熱電機組，熱電機組電功率調節能力受限，導致新能源就地消納形勢嚴峻。

負荷側需求響應是實現源荷協調互補、新能源充分消納的有效途徑。電解鋁負荷具有高耗能、功率密集、熱慣性大及可控性高等特點，是一種典型的柔性負荷，可以參與微電網系統需求響應[2]。電解鋁負荷參與需求響應可以提高系統運行的經濟性和靈活性[3-5]。而且，相比火電機組，電解鋁負荷響應速度更快，可以縮短系統的調節時間，適用于跟蹤具有不確定性的新能源波動[6-7]。但現有的文獻多集中在研究電解鋁負荷參與電網頻率調節控制方法[8-9]，對電解鋁負荷參與電網優化調度涉及較少。文獻[10]針對風電的不確定性和傳統火電的調節能力有限的問題，提出了電解鋁負荷參與電力系統需求響應的優化調度方法。文獻[11]提出了考慮電解鋁負荷提供輔助服務的機組承諾模型。文獻[12]針對電力系統成本和電解鋁企業收益問題提出了雙層優化調度模型來指導電解鋁負荷參與需求響應。以上研究都是基于電解鋁企業和電力系統源荷協調優化的角度考慮的，而一般的電解鋁廠都配有自備火電廠，形成孤立控制的工業微電網，這也是本文的研究對象。但電解鋁生產工藝過程復雜，鋁電解槽受溫度影響大，電解槽內部溫度過高或過低會導致電解槽腐蝕或電解質凝固，這些問題限制了電解鋁負荷靈活性調節的能力，因此，如何在保證電解鋁生產安全的情況下充分挖掘電解鋁負荷參與需求響應的潛力是目前研究的一個難點。另外，目前對于電解鋁負荷建模多采用有限元方法，難以應用到一般微電網調度中。

在微電網中，為應對光伏或風電預測誤差的不確定性，常采用多時間尺度滾動調度策略。多時間尺度調度包括日前調度和日內調度，通過滾動修正、實時調節可以有效跟蹤負荷變化，提高電網適應風電出力不確定性的能力[13-14]。文獻[15]根據電力系統源荷兩側的調節特性，引入了需求響應機制，建立了含光熱-風電的電力系統多時間尺度的調度模型。文獻[16]考慮到風電功率預測誤差給系統調度帶來的困難，提出了考慮負荷側需求響應的日前-日內-實時多時間尺度優化調度方法，提高了系統消納風電的能力。文獻[17]針對風電消納問題，提出了電熱聯合調度策略，將不同類型柔性負荷作為需求響應資源，以系統成本最小構建了日前-日內-實時3個不同時間尺度的調度模型。雖然目前國內外已有很多關于多時間尺度滾動調度的研究，但很多都是針對電動汽車或用戶側負荷等常見的柔性負荷提出的多時間尺度滾動協調策略，對于電解鋁工業負荷參與系統實時調度優化的研究很少，缺乏在“雙碳”政策背景下電解鋁負荷參與需求響應的孤島微電網多時間尺度的具體調度模型。

因此，本文提出考慮鋁電解槽內部能量約束的電解鋁負荷優化調度建模方法，在規避電解鋁生產風險的基礎上，充分挖掘電解鋁負荷參與系統源荷協調的潛力，有效平抑孤島微電網系統的功率波動。在此基礎上，提出電解鋁負荷參與需求響應的日前-日內多時間尺度的孤島微電網能量管理方法。利用電解鋁負荷功率調節速度快的特點，在日內時間尺度上實時響應系統新能源的波動，實現系統高效消納新能源，降低運行成本。

1 孤島微電網源荷調度模型

1.1 孤島微電網系統結構

本文研究的孤島微電網系統源側包括納米碳氫燃料熱電機組和光伏發電機組，其中，光伏裝機容量占比大；荷側包括電解鋁負荷、動力負荷、可中斷負荷和其他負荷，其中電解鋁負荷占系統總負荷的絕大部分，是本文的主要研究對象和可調節資源。熱電機組的熱功率主要用于生產氧化鋁，因此不考慮熱電機組熱功率調節部分。由于該孤島微電網系統新能源滲透率高，熱電機組電功率調節有限，導致系統棄光嚴重，如何挖掘電解鋁負荷的調節潛力，充分消納新能源是本文的研究重點。具體的孤島微電網系統網絡結構如圖1所示。圖中chp為熱電聯(combined heat and power，以下簡稱“chp”)。

鋁產品是通過電解槽電解氧化鋁得到的，具體的電解鋁生產工藝流程如圖2所示。

圖1 孤島微電網系統結構

圖2 電解鋁生產工藝流程

1.2 熱電機組模型

熱電機組通常分為背壓式熱電機組和抽凝式熱電機組兩種類型[13]，其中，抽凝式熱電機組是我國熱電機組發展的重點，該機組可以同時滿足電負荷和熱負荷需求，但由于其電出力和熱出力存在一定的耦合關系，機組的電出力調節能力受限。為實現熱電機組的熱電解耦，通常將熱電機組與其他類型機組或設備聯合運行。

熱電機組i總輸出功率可表示為：

Pi,t=Pe,i,t+cv,iPh,i,t

(1)

式中：Pi,t為第i熱電機組在t時段輸出的總功率；Pe,i,t為第i熱電機組在t時段輸出的電功率；Ph,i,t為第i熱電機組在t時段輸出的熱功率；cv,i為第i熱電機組的電熱特性系數。

熱電機組煤耗成本Cchp可表示為：

Di(Pe,i,t)2+EiPe,i,tPh,i,t+Fi(Ph,i,t)2]

(2)

式中：λfule表示煤價格；Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi都是熱電機組i的煤耗系數。

熱電機組碳排放量Echp可用下式計算得到：

(3)

1.3 電解鋁負荷模型

通常情況下，電解鋁負荷功率工作在最大值，以保證鋁產量最高、鋁產品利潤最大。但電解鋁負荷屬于柔性負荷，具有調節速度快、調節容量大等優點，一般調節范圍可達到±20%，因此，電解鋁負荷可以參與系統需求響應，向系統提供能量響應，充分消納光伏，給系統帶來一部分經濟效益。在本文中，電解鋁消耗的電能來源于自備火電廠的熱電機組和光伏發電站。

1)電解鋁廠收益主要來自鋁產品，獲得的利潤A，可表示如下：

(4)

式中：l為電解槽的系列編號；L為電解槽系列總數；t為調度時段編號；T為總調度時段；D為每噸電解鋁產品獲得的利潤，元/t；Pl,t為電解槽系列l在t時段的電功率；k為生產每噸電解鋁產品所消耗的電量系數，一般為13 500 kW·h/t。

2)在電解鋁生產過程中，氧化鋁、陽極炭塊等原材料需要不斷加入電解槽，還需要耗費一定的人工，總的生產成本Y可簡化認為與產鋁量成正比，可表示如下：

(5)

式中：Cy表示經過折合后的每噸鋁生產成本系數。

3)電解鋁負荷參與需求響應可以為系統帶來一定的經濟收益M，用一個能量響應價格Ce來評估電解鋁負荷向系統提供能量響應獲得的經濟效益，可表示如下：

(6)

式中：Pl,max為電解鋁負荷的最大值。

4)電解鋁廠提供需求響應需要設備運行維護成本，假定電解鋁提供系統需求響應所需要的運行維護成本R為提供響應能量的二次函數，表示如下[4]：

(7)

式中：N為該成本的二次項系數。

5)在鋁行業中氧化鋁和電解鋁是主要的碳排放環節，為方便分析，只考慮電解鋁的碳排放成本。電解鋁碳排放來源主要包括碳陽極消耗、電解鋁生產過程中產生的陽極效應和電力消耗導致的碳排放[18]。其中，電力消耗導致的碳排放已在上文敘述。

作為電解鋁原材料的碳陽極消耗導致的碳排放量EC可表示如下[19]：

(8)

(9)

式中：Fc為碳陽極消耗的二氧化碳排放因子；Cc為生產每噸鋁的電解槽碳陽極消耗量；Sc為碳陽極平均含硫量；Ac為碳陽極平均灰分含量。根據中國有色金屬工業協會的推薦值，Cc為0.42，Sc為2%，Ac為0.4%。

電解鋁生產過程中，發生陽極效應也會導致溫室氣體產生，產生的碳排放量Ecf可表示為[19]：

(10)

式中：6 500、9 200分別為CF4和C2F6的溫室效應折算指數；FCF4為CF4排放因子；FC2F6為C2F6排放因子。根據中國有色金屬工業協會的推薦值，FCF4為0.034 kg/t，FC2F6為0.003 4 kg/t。

綜上所述，孤島微電網系統總碳排放成本C總為：

C總=τ(Ec+Ecf+Echp)

(11)

式中：τ為碳排放價格系數，元/t。

2 日前-日內經濟調度模型

2.1 多時間尺度滾動調度策略

為減小光伏預測誤差對系統的影響，制定出與光伏實際出力配合度更高的調度計劃。采用日前-日內多時間尺度的調度方法，利用電解鋁負荷調節速度快的特點，在日內時間尺度實時響應系統光伏功率變化，提高孤島微網光伏利用率。

日前調度優化是指在系統執行計劃前一天，進行光伏和負荷預測，在此基礎上進行調度優化，得出機組的運行計劃，日前調度計劃通常是在執行前一天完成，調度總時長為24 h。本文制定的日前單位調度時長為1 h，共有24個調度時段。日內調度是在系統執行計劃前一段短時間內，根據最新光伏、負荷預測數據重新進行多次滾動調度，調整日前計劃數據。本文的日內調度時段周期制定為6 h，每隔1 h更新一次，即第一次滾動調度周期為1～6 h，第二次滾動調度周期為2～7 h，以此類推，一共需要完成19次調度；最后的6 h只調度一次，取15 min為一個調度時段，這樣每個調度周期有24個調度時段，與日前調度一致。具體的日前、日內調度方法如圖3和圖4所示。

圖3 孤島微電網調度流程

圖4 多時間尺度調度策略

2.2 日前調度目標函數

日前調度以孤島微電網系統運行總成本最小為優化目標，對系統進行優化調度，目標函數如下：

(12)

式中：F1為日前調度目標函數；T1為日前調度時段總數；Cpw為熱電機組單位功率維護成本系數，元/MW；Pload,t為t時段內切負荷量；Clcut為切負荷懲罰價格，元/MW；Cscut為棄光懲罰價格，元/MW；Psvd,t為t時段內棄光量；Csw為光伏機組單位功率維護成本系數，元/MW；Psv,t為t時段內光伏發電功率。

2.3 日內調度目標函數

日內調度同樣以孤島微電網系統總運行成本最小為優化目標，對系統進行優化調度，其目標函數可表示如下：

(13)

式中：F2為日內調度目標函數；T2為日內調度時段總數。

2.4 約束條件

2.4.1不計網損的電功率平衡約束

(14)

式中：Ld,t為孤島微電網動力負荷，這里認為保持不變；Lz,t為孤島微電網可中斷負荷；Lq,t為孤島微電網其他負荷。

2.4.2熱電機組電和熱出力約束

抽凝式熱電機組電出力的調節范圍會受到熱出力的制約，因此，熱電機組的工作區間為一個四邊形。為了保證熱電機組不超出工作范圍，需對電功率和熱功率進行如下約束：

max(Pe,i,min-c2Ph,i,t,c3(Ph,i,t-Ph,i0))≤Pe,i,t≤

Pe,i,max-c1Ph,i,t

(15)

0≤Ph,i,t≤Ph,i,max

(16)

式中：c1、c2和c3分別為熱電機組工作運行區間的3條曲線斜率，表征電功率和熱功率的耦合關系；Pe,i,max和Pe,i,min分別為熱電機組i熱出力為0時的最大和最小電功率；Ph,i,max為熱電機組i熱出力最大值；Ph,i0為常數，由機組特性決定。

2.4.3熱電機組爬坡約束

為了保證熱電機組的安全穩定運行，熱電機組的上、下爬坡速率都不能超過一定值，上下爬坡速率限制與機組性能有關。

(17)

(18)

式中：Peup,i、Pedw,i分別表示熱電機組i在1個調度時段內向上和向下的最大電功率爬坡功率；Phup,i、Phdw,i分別表示熱電機組i在1個調度時段內向上和向下的最大熱功率爬坡功率。

2.4.4光伏出力約束

光伏發電受光伏電池性能、光照強度等因素影響，導致光伏輸出功率不穩定，每個時間段光伏的實際出力不能超出該時間段光伏輸出功率的最大值。

0≤Psv,t≤Psv,t,max

(19)

式中：Psv,t,max表示光伏發電站在t時刻輸出的的最大發電功率。

2.4.5電解鋁功率約束

電解鋁負荷調節范圍有限，電解鋁負荷功率過低或過高都會影響到電解槽的安全運行，需要把電解鋁負荷功率限制在一定的范圍內。

(20)

式中：Plmin為電解鋁負荷的最小運行功率；Il,t為電解槽系列l在時段t通入的電流強度；Ul為電解槽電壓，這里視為常數。

2.4.6電解鋁負荷爬坡約束

電解鋁負荷調節速度快，但爬坡速率不能超過一定范圍，否則會影響到電解鋁的生產過程。

(21)

式中：Pup,l、Pdw,l分別為電解鋁負荷功率的上、下功率限制值。

2.4.7電解槽內部能量約束

由于鋁電解槽受溫度影響較大，為保證電解鋁的安全生產，在一定時間段內需要維持電解槽的能量供應。

(22)

式中：ηeh表示電熱轉換效率；τ表示電解槽維持熱平衡的時間，這里取4 h；Eτ,min表示在連續的τ時段內電解槽為維持熱平衡所需的最小能量輸入。

2.4.8電解鋁日產量約束

電解鋁參與需求響應會影響到鋁產品的產量，為保證電解鋁在不影響生產計劃的前提下參與系統的需求響應，需要對鋁產品的日產量進行一定的約束。由于電解鋁的能耗與產量成正比，約束可表示如下：

(23)

式中：Ed,max、Ed,min表示電解鋁日能耗的最大值和最小值，與鋁產品日產量的最大值和最小值成正比。

3 仿真分析

3.1 仿真參數

以某孤島微電網系統為算例進行分析，該孤島微電網系統包含2臺100 MW納米碳氫燃料熱電機組、1個100 MW的光伏發電站；負荷包括電解鋁負荷(100 MW)、動力負荷、可中斷負荷和其他負荷。由此構成了一個光伏發電站-熱電聯產火電廠-鋁電解廠互聯的9節點孤島微電網系統，如圖5所示，鋁電解槽和熱電機組的相關參數見表1和表2。

圖5 9節點孤島微電網系統

表1 熱電機組參數 MW

表2 電解槽參數

3.2 日前調度結果

通過MATLAB軟件編寫相關的模型程序，再調用Cplex求解器求解，結果如圖6和圖7所示。

圖6 源荷平衡圖

圖7 各負荷功率情況

由圖6和圖7可知，2臺熱電機組電出力較為平穩，當光伏出力增加時，熱電機組出力才會隨之減少，使負荷優先消納光伏。電解鋁負荷功率調節范圍為±20%，電解鋁負荷參與系統需求響應后，當光伏出力最大時，為充分消納光伏，電解鋁負荷功率也會逐漸上升到最大值，此時熱電機組電出力最小。

圖8為電解鋁負荷的響應量情況，可以看出，電解鋁負荷隨著光伏波動而調整功率。在光伏出力為0 MW時段，電解鋁負荷下降到最小值，功率維持穩定；在光伏出力較大時段，系統通過調用電解鋁負荷來消納光伏。

圖8 電解鋁負荷響應量

為了方便分析，本文設計兩個方案。方案1：電解鋁負荷不參與需求響應，一直維持在額定功率值。方案2：電解鋁負荷參與需求響應，電解鋁負荷功率調節范圍為±20%。

表3為系統各項成本與收益情況，由表3可知，孤島微電網系統一天凈收益為200多萬元，方案1的煤耗成本、棄光成本及碳排放成本都比方案2高，尤其是棄光成本。這是因為當電解鋁負荷維持在額定功率不變時，孤島微電網系統電力需求是比較穩定的，熱電機組電出力也有一定的下限值，在光照充足、光伏發電量比較大的情況下，系統無法充分消納，最終會導致大量棄光。電解鋁負荷參與需求響應后，可以根據光伏出力大小調節電解鋁負荷功率，這樣可以最大程度消納光伏，減少熱電機組煤耗成本，增加系統收益，提高系統運行的靈活性。

表3 系統各項成本與收益情況 萬元

當碳稅價格τ=50元/t時，系統的碳排放情況見表4，方案1的熱電機組和電解鋁的碳排放量都明顯比方案2高，方案2考慮電解鋁負荷參與需求響應后碳排放量減少了23.42%，碳減排效益明顯。這是電解鋁負荷充分消納光伏、減少熱電機組出力的結果，因此，電解鋁負荷參與需求響應有利于孤島微電網系統實現節能減排，促進企業綠色轉型。

表4 系統碳排放量情況

圖9為碳稅價格對系統運行成本和凈收益的影響，由圖可知，隨著碳稅價格的上升，碳排放成本增加，系統的總運行成本也增加，系統凈收益減少。當碳稅價格達到200元/t時，系統1天凈收益只有150萬元左右，系統損失較大。因此，考慮電解鋁負荷參與需求響應，充分消納新能源，減少機組煤耗，可以降低系統損失。

圖9 碳稅價格對系統成本和收益的影響

3.3 日前-日內調度結果

光伏出力預測誤差具有不確定性，會隨著預測時間尺度的縮短而降低，因此，日內光伏預測誤差比日前光伏預測誤差小。假設日前光伏預測誤差為5%，日內光伏預測誤差為2%，如圖10所示。

圖10 日前日內光伏預測曲線

電解鋁負荷調節速度快，可達到±10 MW/min，因此，電解鋁負荷調度可在日內完成。

圖11和圖12分別為孤島微電網系統日前日內源荷兩側的調度結果，從圖中可以看出，日內調度的熱電機組電出力與電解鋁負荷功率變化趨勢和日前的相似，日內的單位調度時段更短，調度曲線更陡。但日前調度光伏預測誤差較大，容易使日前調度計劃偏離系統實際需求，產生更多的棄光，導致系統棄光成本增加。而日內光伏出力預測結果更接近實際光伏出力，因此采用多時間尺度滾動調度策略。在日前計劃的基礎上，先通過日內滾動調度策略對日內剩余時段的調度計劃進行滾動修正，可以逐級減小光伏出力預測誤差對系統穩定性的影響，提高孤島微電網系統對光伏的納入能力。

(a)日前調度

(b)日內調度

(a)日前調度

(b)日內調度

4 結語

本文提出面向多時間尺度的光-火-鋁孤島微電網綜合能量管理方法。在電解鋁負荷參與需求響應的基礎上，分析源荷調度模型，制定日前日內多時間尺度的調度策略，構建面向多時間尺度的光-火-鋁孤島微電網的低碳經濟調度模型，并采用Cplex求解器對模型進行求解。仿真結果表明，考慮電解鋁負荷參與需求響應有利于提高孤島微電網系統的光伏消納率和碳減排效益；采用日前日內多時間尺度調度策略可以減小光伏出力預測誤差造成的系統棄光影響，提高系統運行的經濟性和穩定性。