摘要：農(nóng)業(yè)灌溉水泵的用電負(fù)荷(農(nóng)灌負(fù)荷)在時間維度上具有功率可調(diào)的特性，是電力系統(tǒng)中典型的柔性負(fù)荷。分析了農(nóng)灌負(fù)荷作為電力系統(tǒng)運行備用資源的可行性和經(jīng)濟性。首先，建立了一種以負(fù)荷代理聚合商為中心的農(nóng)灌負(fù)荷參與電力系統(tǒng)運行備用的控制模型，分析了其中的控制方法與商業(yè)運營模式;然后，分別從功率和能量維度分析單臺水泵的備用潛能，進而推導(dǎo)了水泵集群的備用能力評估方法;最后，構(gòu)建了以農(nóng)灌負(fù)荷代理聚合商收益最大化為目標(biāo)的調(diào)度優(yōu)化模型。以某地區(qū)冬小麥灌溉需求為算例的分析表明，在合理的灌溉電價、水泵數(shù)量規(guī)模下，農(nóng)灌負(fù)荷參與運行備用實現(xiàn)了多方參與者的共贏，具備實際應(yīng)用的可行性;并且指出農(nóng)灌水泵的功率(或揚程)、用電價格、地區(qū)的降水量是影響其運行備用能力的關(guān)鍵因素。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)灌負(fù)荷;水泵;運行備用;負(fù)荷代理;能力評估

　　作者：王宇晨

　　近年來，隨著我國清潔低碳安全高效能源體系的建設(shè)，大規(guī)?？稍偕茉床⑷腚娋W(wǎng)的趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)，以高比例可再生能源電力并入為主要特點的新型電力系統(tǒng)正在形成。然而，大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電出力的隨機性、不確定性卻給電網(wǎng)運行帶來極大挑戰(zhàn)，因此，以經(jīng)濟性方式提升電網(wǎng)運行效率的方式方法成為熱門研究課題[1-3]。

　　電能的生產(chǎn)、傳輸、利用具有瞬時平衡性，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)約束，都會引起電力系統(tǒng)運行的波動。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)僅考慮負(fù)荷側(cè)的隨機性，通過調(diào)節(jié)發(fā)電側(cè)備用資源實現(xiàn)功率平衡[4-5]。新型電力系統(tǒng)中，電源、負(fù)荷側(cè)都將出現(xiàn)很強的不確定性因素，需要建設(shè)更多的運行備用資源來滿足系統(tǒng)運行需要[6-7]。目前有關(guān)的研究主要集中在大規(guī)模儲能、分布式儲能以及電力輔助交易市場等方面[8-10]。黃海煜等研究了我國華中電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的交易機制[11]。吳巨愛等研究了將電動汽車作為移動儲能單元參與電網(wǎng)運行備用的能力[12]。

　　農(nóng)灌負(fù)荷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占比最大的負(fù)荷。在我國華北、西北等地，農(nóng)業(yè)灌溉負(fù)荷的需求尤為突出。農(nóng)灌負(fù)荷雖然要適應(yīng)作物的生長周期，但對實時性的要求并不突出，所以可考慮將農(nóng)灌負(fù)荷作為需求側(cè)可調(diào)資源，為電力系統(tǒng)提供運行備用?，F(xiàn)有對農(nóng)灌水泵運行的研究側(cè)重于泵站內(nèi)水泵運行的優(yōu)化組合與水泵控制[13-17]。在農(nóng)灌負(fù)荷與電網(wǎng)交互方面，主要集中在農(nóng)灌負(fù)荷與可再生能源出力協(xié)同，利用農(nóng)灌負(fù)荷優(yōu)化電能質(zhì)量等方面。徐慧慧等提出農(nóng)灌負(fù)荷由新能源供電的方法，以緩解地區(qū)棄風(fēng)光問題[15]。Bakelli等使用自然啟發(fā)算法優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的光伏水泵模型[16]。王亮利用AVC系統(tǒng)對農(nóng)灌負(fù)荷集中地的變電站母線電壓實時監(jiān)視，并進行電壓質(zhì)量控制[17]。

　　當(dāng)前，農(nóng)灌負(fù)荷參與電力系統(tǒng)運行備用方面的研究尚處于空白階段。如果將分散的農(nóng)灌水泵進行集群控制，在滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求的前提下，作為電網(wǎng)運行備用參與電網(wǎng)的有序調(diào)節(jié)，則可在需求側(cè)挖掘出一種新的備用資源?；诖?，本研究給出含有農(nóng)灌負(fù)荷運行備用的電網(wǎng)控制系統(tǒng)模型，分析農(nóng)灌負(fù)荷參與運行備用的能力，得出運行備用能力的評估計算方法。在此基礎(chǔ)上，建立以農(nóng)灌負(fù)荷代理聚合商經(jīng)濟效益最大為目標(biāo)，考慮灌溉需求、電網(wǎng)運行需求等為約束的優(yōu)化模型。并通過算例分析所提思路的有效性，以及影響農(nóng)灌負(fù)荷備用能力的關(guān)鍵因素。

　　1 農(nóng)灌負(fù)荷作為運行備用的系統(tǒng)模型

　　1.1 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)模型

　　灌溉對農(nóng)作物生長至關(guān)重要，然而在不誤農(nóng)時的條件下，適當(dāng)調(diào)整灌溉的起始時間、灌溉水量，并不會影響農(nóng)作物的生長。因此，灌溉水泵的運行負(fù)荷具有一定的可調(diào)節(jié)性。如果將區(qū)域內(nèi)分散的多臺灌溉水泵進行有序集群控制，實現(xiàn)灌溉負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)對電網(wǎng)的運行備用。單臺水泵的功率一般在幾千瓦到幾十千瓦，接入在不同的配電臺區(qū)下。圖1給出了一種含有多臺農(nóng)灌水泵的電力控制系統(tǒng)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域內(nèi)農(nóng)灌負(fù)荷的集群控制。

　　模型以電力系統(tǒng)源端電網(wǎng)為例。系統(tǒng)電源包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和火電機組，生產(chǎn)出的電能一部分滿足本地負(fù)荷需求，另一部分外送至大電網(wǎng)。農(nóng)灌負(fù)荷屬于本地負(fù)荷，在實際運營中，農(nóng)灌負(fù)荷代理將分散的農(nóng)灌負(fù)荷進行聚合控制，并與電力交易中心、電網(wǎng)調(diào)度控制中心磋商，形成有利于電網(wǎng)運行和可再生能源消納的農(nóng)灌水泵集群總體用電策略。同時，農(nóng)灌負(fù)荷代理根據(jù)各農(nóng)灌水泵差異化灌溉需求，合理控制灌溉開始時間、工作功率、工作時長等因素，實現(xiàn)預(yù)期的用電策略。

　　1.2 農(nóng)灌負(fù)荷特性與控制變量

　　農(nóng)灌負(fù)荷在時間和功率尺度上均有一定的彈性?？紤]農(nóng)作物的生產(chǎn)需求，灌溉調(diào)節(jié)存在最晚灌溉時間的限制，灌溉水量也有一定調(diào)節(jié)空間。圖2為3種能夠達到農(nóng)作物灌溉需求的水泵工作“時間-水量”路徑。對比3種灌溉模式，開啟水泵的起始時間、抽水的時長、抽水的功率、抽水量均有不同，其中核心的控制因素為起始時間和運行功率。因此，這2個變量可作為單臺灌溉水泵的控制變量。

　　1.3 灌溉負(fù)荷代理工作模式

　　實際運行中，只有灌溉用戶接受電網(wǎng)調(diào)度，灌溉負(fù)荷才能參與到電網(wǎng)運行備用中。灌溉負(fù)荷代理通過負(fù)荷聚合商與用戶簽訂雙邊合約獲得調(diào)度控制權(quán)。圖3為灌溉負(fù)荷聚合商在電力市場中參與磋商的流線，其用電策略以自身收益最大化為目標(biāo)，影響該目標(biāo)的主要環(huán)節(jié)由3部分構(gòu)成：與用戶簽訂有序用電合約的博弈環(huán)節(jié)、對農(nóng)灌水泵的用電策略優(yōu)化環(huán)節(jié)，以及在電力市場中的競標(biāo)環(huán)節(jié)。與電力市場的合約主要包含用電電價、提供運行備用的容量價格。與用戶的合約主要包含灌溉水量、灌溉時限、灌溉價格等，可通過灌溉價格打折模式吸引農(nóng)戶參與灌溉負(fù)荷調(diào)節(jié)。

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