一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法

技术领域

本发明属于清洁能源消纳方式技术领域，涉及一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法。

背景技术

为响应中国政府“碳达峰”和“碳中和”目标，中国风电装机容量必然会持续迅猛增加，因调峰困难导致的弃风电量也会随之增长。未来，清洁能源并网规模持续增长的背景下，向负荷侧挖掘调峰资源是一种经济可行的方式。在建设新一代电力系统的大背景下，负荷侧参与电力市场的程度不断加深，负荷不再仅作为电能的消费者，而是向产消者过度。负荷侧多元化的发展趋势为负荷参与主动配电网消纳清洁能源提供了可能性。未来应高度重视负荷侧需求响应，依托市场化手段，引导用户主动提供调峰调频辅助服务、优化用电负荷特性，全面提升系统运行的整体效率。

海水淡化负荷具有可控、可时移、高耗能的特点，可全年运行，不受季节影响，在参与电网调峰、消纳清洁能源方面展现出巨大潜力。随着电力市场制度的逐渐完善，在我国东北地区，可中断负荷已逐步可以参与到调峰辅助服务市场中。考虑中长期电力需求，在电力调度机构的审核与监管下，海水淡化负荷与风电企业签订双边交易合同。在电力市场建设初期，双边交易的签约价格处于探索阶段，只有保证交易价格的合理与公正，才能促进双边交易主体参与辅助服务市场的积极性，保证电力市场建设的长期稳定发展。本发明旨在充分考虑两个交易主体利润分配的前提下，在满足消纳弃风电量的约束下，制定合理的双边交易价格区间。

发明内容

本发明的目的是提供一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法，能得到合理的双边交易的签约价格。

本发明所采用的技术方案是，一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法，包括以下步骤：

步骤1、建立海水淡化厂运行能耗模型；

步骤2、建立双边交易参与主体的收益模型，参与主体包括海水淡化厂和风电场；

步骤3、将海水淡化厂每日收益最大作为目标函数，建立海水淡化厂运行优化模型，求解不同弃风电价下，双边交易参与主体的收益及消纳弃风电量；

步骤4、分别向双边交易参与主体的收益、消纳弃风电量中引入市场中的利益分配参数、消纳弃风预期范围参数，得到弃风电价优化区间。

本发明的特点还在于：

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、计算在海水淡化过程中维持反渗透过程的最小压力渗透压Δπ：

Δπ＝f

上式中，f

R＝V/V

上式中，V为海水淡化厂每时刻的产水量，V

步骤1.2、设海水平均温度为25℃，渗透压系数为73.9Pa/(mg/L)，按照如下方式计算维持最小压力渗透压所需要的能量DSE

步骤1.3、计算生产每吨淡水消耗的电能DSE

DSE

上式中，j为水的通量，R

步骤1.4、根据生产每吨淡水消耗的电能DSE

W

上式中，η

步骤1.5、根据实际能耗W

上式中，ΔT为每个时段的时长。

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、海水淡化厂的售水收入R

上式中，S

步骤2.2、根据海水淡化厂的每日额定产水量V

C

上式中，CRF为资本回收率，γ为海水淡化厂资金的年利率，n为海水淡化厂生命周期；

步骤2.3、海水淡化厂生产淡水电耗成本C

上式中，p

P

步骤2.4、设化学添加剂的预处理成本约为0.0225元/m

OC

步骤2.5、反渗透膜更换每日成本OC

OC

上式中，Pri

步骤2.6、设备保养成本OC

OC

上式中，OC

步骤2.7、根据工人的工资、人数计算人工成本OC

OC

上式中，Coe

步骤2.8、结合公式(10)-(15)，计算海水反渗透的运行费用C

C

步骤2.9、海水淡化厂每日的最大收益f

f

步骤2.10、风电场通过供给海水淡化厂弃风电的收益为f

f

上式中，c

步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、以海水淡化厂每日的收益f

maxf

上式中，V为海水淡化厂的产水量，为储水罐水位高度，P

步骤3.2、目标函数的不等式约束条件如下：

0≤P

V

H

0≤P

V

上式中，P

步骤3.3、目标函数的等式约束条件如下：

H[0]＝H[24] (25)；

上式中，H(0)第0小时的储水罐水位，H(24)第24小时的储水罐水位，H[t-1]为t-1时刻储水罐水位高度；

步骤3.4、根据公式(19)-(27)，建立海水淡化厂运行优化模型如下，并求解不同弃风电价下，双边交易参与主体的收益及消纳弃风电量：

上式中，g

步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1、根据步骤3得到海水淡化厂运行优化模型得到不同弃风电价下，双边交易参与主体的收益；向双边交易参与主体的收益中引入市场中的利益分配参数α，对海水淡化厂和风电场的收益进行合理分配，需满足约束条件为：

上式中，[α,1-α]表示市场中利益分配的范围，通过考虑式(29)的约束条件，得出电价区间为[p

步骤4.2、向步骤3得到的消纳弃风电量中引入消纳弃风预期范围参数为β

上式中，β

得出预期弃风消纳范围下的电价区间为[p

步骤4.3、综合满足步骤4.1-4.2的约束条件，得到弃风电价优化区间为：

[p

本发明的有益效果是：

本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法，充分考虑反渗透海水淡化技术的非线性运行特性，通过对反渗透海水淡化的能耗与海水淡化厂利用率之间的关系进行建模，在满足供水需求和海水淡化负荷运行边界等关键参数的前提下，充分尊重双边交易主体的利润分配关系，以消纳清洁能源为目标，优化双边交易的签约价格，得到合理的双边交易的签约价格；有效适应中长期风电消纳需求情况下，海水淡化厂与风电企业交易的公正性、持久性，具有较高的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法的流程图；

图2是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法的实施例中某日弃风电量分布图；

图3是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中某日淡水需求分布图；

图4是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中电网分时电价图；

图5a是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中弃风电价0.1元/kWh下海水淡化厂用电量与弃风利用情况图；

图5b是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中弃风电价0.2元/kWh下海水淡化厂用电量与弃风利用情况图；

图5c是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中弃风电价0.28元/kWh下海水淡化厂用电量与弃风利用情况图；

图5d是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中弃风电价0.3元/kWh下海水淡化厂用电量与弃风利用情况图；

图6是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中典型弃风电价下各时刻水位高度图；

图7a是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中典型弃风电价下各时刻产水量图；

图7b是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中典型弃风电价下各时刻利用率图；

图8是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中海水淡化厂能耗与弃风电价的关系图；

图9是本发明一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法实施例中海水淡化厂收益成本及风电场收益分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法，包括以下步骤：

步骤1、根据反渗透海水淡化技术的非线性运行特性，建立海水淡化厂运行能耗模型；

步骤1.1、计算在海水淡化过程中维持反渗透过程的最小压力渗透压Δπ：

Δπ＝f

上式中，f

R＝V/V

上式中，V为海水淡化厂每时刻的产水量，V

步骤1.2、设海水平均温度为25℃，渗透压系数为73.9Pa/(mg/L)，按照如下方式计算维持最小压力渗透压所需要的能量DSE

步骤1.3、海水淡化厂的实际运行中，除需要保持淡水与海水之间平衡所需的能量(即维持最小压力渗透压所需要的能量DSE

DSE

上式中，j为水的通量，R

步骤1.4、在海水淡化过程中，高压泵将电能转化为机械能，推动海水通过渗透膜。所以，在计算海水淡化厂的实际能耗W

W

上式中，η

步骤1.5、根据实际能耗W

上式中，ΔT为每个时段的时长。

步骤2、建立双边交易参与主体的收益模型，参与主体包括海水淡化厂和风电场；

步骤2.1、海水淡化厂主要通过出售淡水获得收益，海水淡化厂的售水收入R

上式中，S

步骤2.2、根据海水淡化厂的每日额定产水量V

C

上式中，CRF为资本回收率，γ为海水淡化厂资金的年利率，n为海水淡化厂生命周期；

步骤2.3、海水淡化厂生产淡水电耗成本C

上式中，p

P

步骤2.4、设化学添加剂的预处理成本约为0.0225元/m

OC

步骤2.5、反渗透膜更换每日成本OC

OC

上式中，Pri

步骤2.6、设备保养成本OC

OC

上式中，OC

步骤2.7、根据工人的工资、人数计算人工成本OC

OC

上式中，Coe

步骤2.8、结合公式(10)-(15)，计算海水反渗透的运行费用C

C

步骤2.9、海水淡化厂每日的最大收益f

f

步骤2.10、风电场通过供给海水淡化厂弃风电的收益为f

f

上式中，c

步骤3、将海水淡化厂每日收益最大作为目标函数，建立海水淡化厂运行优化模型，求解不同弃风电价下，双边交易参与主体的收益及消纳弃风电量；

步骤3.1、以海水淡化厂每日的收益f

maxf

上式中，V为海水淡化厂的产水量，为储水罐水位高度，P

步骤3.2、为了约束目标函数的变量并满足供水需求要求，该模型应包含海水淡化厂利用弃风约束、产水量约束、储水罐水位高度约束、海水淡化厂实际运行功率约束与供水需求约束。目标函数的不等式约束条件如下：

0≤P

V

H

0≤P

V

上式中，P

步骤3.3、为保证海水淡化系统的稳定运行，海水淡化厂需满足储水罐每日的运行约束、产水量与储水罐水位高度关系约束、海水淡化厂消纳弃风需求约束，则目标函数的等式约束条件如下：

H[0]＝H[24] (25)；

上式中，H(0)第0小时的储水罐水位，H(24)第24小时的储水罐水位，H[t-1]为t-1时刻储水罐水位高度；

步骤3.4、根据公式(19)-(27)，建立海水淡化厂运行优化模型如下，并求解不同弃风电价下，双边交易参与主体的收益及消纳弃风电量：

上式中，g

步骤4、分别向双边交易参与主体的收益、消纳弃风电量中引入市场中的利益分配参数、消纳弃风预期范围参数，得到弃风电价优化区间。

步骤4.1、根据步骤3得到海水淡化厂运行优化模型得到不同弃风电价下，双边交易参与主体的收益；向双边交易参与主体的收益中引入市场中的利益分配参数α，在海水淡化厂和风电场都具有收益的情况下，对海水淡化厂和风电场的收益进行合理分配，需满足约束条件为：

上式中，[α,1-α]表示市场中利益分配的范围，通过考虑式(29)的约束条件，得出电价区间为[p

步骤4.2、为了让海水淡化厂在提供调峰辅助服务时消纳更多的弃风，向步骤3得到的消纳弃风电量中引入消纳弃风预期范围参数为β

上式中，β

得出预期弃风消纳范围下的电价区间为[p

步骤4.3、综合满足步骤4.1-4.2的约束条件，得到弃风电价优化区间为：

[p

应用时，如图1所示，将弃风电价、分时弃风电量、电网购电电价、淡水需求输入海水淡化厂运行优化模型中，得到海水淡化厂与风电场的收益、消纳弃风电量，根据海水淡化厂与风电场在市场总利益中的占比，引入不同范围参数，对收益进行分配，得到最优弃风电价交易区间。

通过以上方式，一种海水淡化负荷参与双边交易的价格区间优化方法，充分考虑反渗透海水淡化技术的非线性运行特性，通过对反渗透海水淡化的能耗与海水淡化厂利用率之间的关系进行建模，在满足供水需求和海水淡化负荷运行边界等关键参数的前提下，充分尊重双边交易主体的利润分配关系，以消纳清洁能源为目标，优化双边交易的签约价格，得到合理的双边交易的签约价格；有效适应中长期风电消纳需求情况下，海水淡化厂与风电企业交易的公正性、持久性，具有较高的实际应用价值。

实施例

针对某反渗透海水淡化系统，研究本发明的优化策略效果。该省某日的弃风情况如图2所示。海水淡化厂需满足每时刻居民的用水需求。某日淡水需求情况如图3所示。该海水淡化厂的主要参数在表1中给出。电网售电单价如图4所示，用电高峰时段的电价为低谷时段的3倍，海水淡化厂的能耗成本具有显著优化空间。

表1海水淡化厂的主要参数

弃风电价通常偏低，本实施例首先在电网购电最低电价0.2643元/kWh附近，选取[0.1,0.2,0.28,0.3]元/kWh作为典型弃风电价对海水淡化厂进行运行优化。然后，对0.1-0.3元/kWh区间的连续弃风电价进行运行能耗与利润分析，引入不同范围参数对价格区间进行优化。

图5a-5d显示典型弃风电价下，各时段海水淡化厂的用电情况和弃风消纳情况。当弃风电价低于0.2643元/kWh时，海水淡化厂优先使用弃风电量满足产水需求(图5a,图5b)。当弃风电价高于0.2643元/kWh时，海水淡化厂在用电低谷时段全部从电网购电满足产水需求，此时被消纳的弃风电量为0kWh，导致弃风消纳量急剧减少(图5c,图5d)。

图6显示了储水罐水位高度的变化情况。图7a-7b显示了海水淡化厂在一天中的产水量(图7a)和海水淡化厂利用率(图7b)变化情况。海水淡化厂在用电高峰期降低产水量，在平价时期适当提升产水量，优先利用弃风电量，减少电网电量使用，利用储水罐中储备淡水平衡供水需求，获得更大利润(图9)。

图8给出了海水淡化厂在不同弃风电价下消纳弃风电量和从电网购电情况。图中海水淡化厂的产水总能耗随弃风电价的升高缓慢下降。弃风电价较低时，总能耗升高的原因是由于弃风阶段海水淡化厂的利用率较高导致的。尽管较高的海水淡化厂利用率会增加弃风阶段的产水能耗，但是因为弃风电价非常低，一天中的总能耗成本和净利润都是可接受的(图9)。

图9给出了海水淡化厂和风电场的净利润以及海水淡化厂的电费成本。随着弃风电价的升高，海水淡化厂的电费成本提高，海水淡化厂利润减少，海水淡化厂利用弃风电量的经济性降低。当弃风电价低于电网低谷售电电价(0.2643元/kWh)时，风电场净收益随着弃风电价的升高而增长；当弃风电价高于电网低谷售电电价(0.2643元/kWh)时，风电场收益出现骤降现象，这是由于在此阶段下，海水淡化厂为了保证收益最大化，只会在用电高峰和平谷时期消纳弃风电量，风电场出售给海水淡化厂的弃风电量显著降低，从而导致风电场收益骤降。

海水淡化厂与风电场在市场总利益中的占比与弃风利用率情况如表2所示。引入不同范围参数，对弃风电价区间进行优化，结果如表3所示。从表中可知价格区间范围宽度会影响双边交易中交易双方的利益占比，交易价格区间越小，交易双方在市场中利益占比分配的可能性越少，双方利益分配差距缩小。当市场分配利益不变时，弃风利用率不断增加，价格区间会缩小。因此若希望增加海水淡化厂的弃风利用率时，弃风电价应适当减少。

表2海水淡化厂与风电场在市场总利益中的占比

表3不同价格区间优化