农灌负荷参与电力系统运行备用的评估与分析

　　摘要：农业灌溉水泵的用电负荷(农灌负荷)在时间维度上具有功率可调的特性，是电力系统中典型的柔性负荷。分析了农灌负荷作为电力系统运行备用资源的可行性和经济性。首先，建立了一种以负荷代理聚合商为中心的农灌负荷参与电力系统运行备用的控制模型，分析了其中的控制方法与商业运营模式;然后，分别从功率和能量维度分析单台水泵的备用潜能，进而推导了水泵集群的备用能力评估方法;最后，构建了以农灌负荷代理聚合商收益最大化为目标的调度优化模型。以某地区冬小麦灌溉需求为算例的分析表明，在合理的灌溉电价、水泵数量规模下，农灌负荷参与运行备用实现了多方参与者的共赢，具备实际应用的可行性;并且指出农灌水泵的功率(或扬程)、用电价格、地区的降水量是影响其运行备用能力的关键因素。

　　关键词：农灌负荷;水泵;运行备用;负荷代理;能力评估

　　作者：王宇晨

　　近年来，随着我国清洁低碳安全高效能源体系的建设，大规模可再生能源并入电网的趋势已经显现，以高比例可再生能源电力并入为主要特点的新型电力系统正在形成。然而，大规模可再生能源发电出力的随机性、不确定性却给电网运行带来极大挑战，因此，以经济性方式提升电网运行效率的方式方法成为热门研究课题[1-3]。

　　电能的生产、传输、利用具有瞬时平衡性，任何一个环节出现约束，都会引起电力系统运行的波动。传统电力系统仅考虑负荷侧的随机性，通过调节发电侧备用资源实现功率平衡[4-5]。新型电力系统中，电源、负荷侧都将出现很强的不确定性因素，需要建设更多的运行备用资源来满足系统运行需要[6-7]。目前有关的研究主要集中在大规模储能、分布式储能以及电力辅助交易市场等方面[8-10]。黄海煜等研究了我国华中电力调峰辅助服务市场正负旋转备用的交易机制[11]。吴巨爱等研究了将电动汽车作为移动储能单元参与电网运行备用的能力[12]。

　　农灌负荷是农业生产中占比最大的负荷。在我国华北、西北等地，农业灌溉负荷的需求尤为突出。农灌负荷虽然要适应作物的生长周期，但对实时性的要求并不突出，所以可考虑将农灌负荷作为需求侧可调资源，为电力系统提供运行备用。现有对农灌水泵运行的研究侧重于泵站内水泵运行的优化组合与水泵控制[13-17]。在农灌负荷与电网交互方面，主要集中在农灌负荷与可再生能源出力协同，利用农灌负荷优化电能质量等方面。徐慧慧等提出农灌负荷由新能源供电的方法，以缓解地区弃风光问题[15]。Bakelli等使用自然启发算法优化灌溉系统的光伏水泵模型[16]。王亮利用AVC系统对农灌负荷集中地的变电站母线电压实时监视，并进行电压质量控制[17]。

　　当前，农灌负荷参与电力系统运行备用方面的研究尚处于空白阶段。如果将分散的农灌水泵进行集群控制，在满足农业灌溉需求的前提下，作为电网运行备用参与电网的有序调节，则可在需求侧挖掘出一种新的备用资源。基于此，本研究给出含有农灌负荷运行备用的电网控制系统模型，分析农灌负荷参与运行备用的能力，得出运行备用能力的评估计算方法。在此基础上，建立以农灌负荷代理聚合商经济效益最大为目标，考虑灌溉需求、电网运行需求等为约束的优化模型。并通过算例分析所提思路的有效性，以及影响农灌负荷备用能力的关键因素。

　　1 农灌负荷作为运行备用的系统模型

　　1.1 系统物理结构模型

　　灌溉对农作物生长至关重要，然而在不误农时的条件下，适当调整灌溉的起始时间、灌溉水量，并不会影响农作物的生长。因此，灌溉水泵的运行负荷具有一定的可调节性。如果将区域内分散的多台灌溉水泵进行有序集群控制，实现灌溉负荷的灵活调节，即可实现对电网的运行备用。单台水泵的功率一般在几千瓦到几十千瓦，接入在不同的配电台区下。图1给出了一种含有多台农灌水泵的电力控制系统模型，能够实现对区域内农灌负荷的集群控制。

　　模型以電力系统源端电网为例。系统电源包含风力发电、光伏发电和火电机组，生产出的电能一部分满足本地负荷需求，另一部分外送至大电网。农灌负荷属于本地负荷，在实际运营中，农灌负荷代理将分散的农灌负荷进行聚合控制，并与电力交易中心、电网调度控制中心磋商，形成有利于电网运行和可再生能源消纳的农灌水泵集群总体用电策略。同时，农灌负荷代理根据各农灌水泵差异化灌溉需求，合理控制灌溉开始时间、工作功率、工作时长等因素，实现预期的用电策略。

　　1.2 农灌负荷特性与控制变量

　　农灌负荷在时间和功率尺度上均有一定的弹性。考虑农作物的生产需求，灌溉调节存在最晚灌溉时间的限制，灌溉水量也有一定调节空间。图2为3种能够达到农作物灌溉需求的水泵工作“时间-水量”路径。对比3种灌溉模式，开启水泵的起始时间、抽水的时长、抽水的功率、抽水量均有不同，其中核心的控制因素为起始时间和运行功率。因此，这2个变量可作为单台灌溉水泵的控制变量。

　　1.3 灌溉负荷代理工作模式

　　实际运行中，只有灌溉用户接受电网调度，灌溉负荷才能参与到电网运行备用中。灌溉负荷代理通过负荷聚合商与用户签订双边合约获得调度控制权。图3为灌溉负荷聚合商在电力市场中参与磋商的流线，其用电策略以自身收益最大化为目标，影响该目标的主要环节由3部分构成：与用户签订有序用电合约的博弈环节、对农灌水泵的用电策略优化环节，以及在电力市场中的竞标环节。与电力市场的合约主要包含用电电价、提供运行备用的容量价格。与用户的合约主要包含灌溉水量、灌溉时限、灌溉价格等，可通过灌溉价格打折模式吸引农户参与灌溉负荷调节。

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文章名称： 农灌负荷参与电力系统运行备用的评估与分析

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