考虑多重不确定性的垃圾焚烧...电联产电厂日前鲁棒申报策略_赵会茹.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220919 考虑多重不确定性的垃圾焚烧热电联产电厂 日前鲁棒申报策略 赵会茹，王学杰，斯琴卓娅(华北电力大学经济与管理学院，北京 102200)摘要：垃圾焚烧电厂是处理固体废弃物的主要方式之一，并且越来越多的垃圾焚烧电厂具有热电联产模式，既可以在电力市场出售电能，又能为相邻区域供热。基于此，在考虑日前电力市场价格和固体废弃物来量不确定性的前提下，构建了垃圾焚烧热电联产电厂的两阶段鲁棒申报模型。该模型可以在最坏场景下保证垃圾焚烧热电联产电厂的预期收益最大化。为了对模型进行求解，引入 Benders 分解将该模型分解为易求解的主问题和子问题。最后，算例仿真结果表明，该模型可以帮助运营商制定经济合理的电能申报策略。并通过对比分析和敏感性分析验证了该模型的优越性与适用性。关键词：垃圾焚烧电厂；热电联产模式；鲁棒优化；申报策略；Benders 分解 Day-ahead robust offering strategy of waste-to-energy combined heat and power plant considering multiple uncertainties ZHAO Huiru,WANG Xuejie,SIQIN Zhuoya(School of Economic and Management,North China Electric Power University,Beijing 102200,China)Abstract:Using waste-to-energy plant is one of the main ways of dealing with solid waste.More and more waste-to-energy plants have a combined heat and power model.Plants in this model both heat adjacent areas and sell electricity in the electricity market.Based on this,a two-stage robust trading strategy model of a waste-to-energy combined heat and power(WTE-CHP)plant is constructed considering the uncertainty of the day-ahead market price of electricity and the amount of solid waste.The model can ensure that the expected benefits of WTE-CHP plant are maximized under the worst-case scenario.In order to analyze the model,Benders decomposition is introduced to decompose the model into easy-to-solve main problems and sub-problems.Finally,simulation results show that the model can help operators to formulate economical and reasonable power trading strategies.The superiority and applicability of the model are verified by comparative and sensitivity analysis.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.71973043).Key words:waste to energy plant;combined heat and power mode;robust optimization;offering trading strategy;Benders decomposition 0 引言 在经济快速发展和城市化水平日益提高的背景下，我国的电能消费量和固体废弃物堆存量都呈现快速增长趋势1-2。其中，2021 年我国用电量 8.31万亿千瓦时，同比增长 10.3%；固体废弃物历史堆存量已超过 600 亿吨，并且以每年约 100 亿吨数量 基金项目：国家自然科学基金项目资助(71973043)增长3。因此我国城市发展将面临两个重要问题：如何满足持续的电能增长需求以及如何有效管理固体废弃物。而垃圾焚烧发电技术不仅为城市生活垃圾管理提供了有效的解决方案4，也为能源的可持续利用提供了可能性。垃圾焚烧发电厂可以围绕负荷中心而建，在完成发电任务的同时，余热可以就近输送至城市热网管道，为附近城市居民供热5-6。由于距离较近，所以热量的传输损耗较少，资源利用效率较高。然而，赵会茹，等 考虑多重不确定性的垃圾焚烧热电联产电厂日前鲁棒申报策略 -105-由于复杂的耦合特性，垃圾焚烧热电联产(waste-to-energy combined heat and power,WTE-CHP)电厂的运营具有挑战性。另外，若其参与电力市场(例如，日前或实时市场)，由于日前市场电价的波动性和不确定性，运营将变得更为困难7。目前垃圾焚烧电厂是处理固体废弃物的主要方式之一，但是关于垃圾焚烧电厂的申报策略研究较少。文献8构建了包含余热回收装置的垃圾焚烧电厂的能效优化模型，以提高电厂的调度收益。文献9构建了基于碳循环利用的垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G 协调优化运行模型，在焚烧电厂烟气处理后加装 CO2 收集装置，结合 P2G 技术将回收的 CO2合成 CH4，实现碳循环和再利用。文献10构建了垃圾焚烧电厂的多目标优化模型，平衡热效率、经济性和环境三者间的复杂关系。文献11考虑了协调控制源荷两侧资源的含风电与垃圾焚烧电厂的综合能源系统优化调度，从而有效地减少了弃风量与风电波动带来的影响，并增加其经济效益。文献12提出了一种由有机朗肯循环和吸收式制冷循环组成的新型余热回收系统，提高了垃圾发电厂的热效率和经济性。分析上述文献可知，目前研究主要集中于提高能源利用效率以及降低运行成本等，然而鲜有涉及垃圾焚烧电厂在日前市场中申报策略的研究。具有热电联产模式的垃圾焚烧电厂即为垃圾焚烧热电联产电厂。尽管关于 WTE-CHP 电厂的研究较少，但是针对具有热电联产功能的综合能源系统已有相关研究。文献13构建了区域综合能源系统运营商的市场申报模型，为其参与市场交易提供指导。文献14针对综合能源系统参与日前市场，建立了风电申报以及市场运行的双层模型，提高了运营商的效益。文献15采用贝叶斯进化博弈方法研究综合能源系统和不同发电机组协同运行，并为实现自身利润最大化而制定最优申报策略。文献16设计了针对层级式综合能源系统与电力公司和天然气公司的申报方案，改进了自身的收益水平。然而上述文献较少考虑不确定性因素对申报策略的影响，并且综合能源系统与 WTE-CHP 电厂中所涉及的不确定变量也有所不同。如次日固体废弃物来量是 WTE-CHP 电厂中需要着重考虑的不确定性因素，而综合能源系统中无需考虑。考虑到多重不确定性(电力市场价格、固体废弃物来量等)的存在，WTE-CHP 电厂的运营可能会面临两种不利情景：1)在市场价格较低时，WTE-CHP电厂出售较多的电能，可能会导致其期望收益受损；2)若次日热负荷较高，WTE-CHP 电厂可能会无法满足供热需求。因此 WTE-CHP 电厂在日前电力市场中制定申报策略是复杂的优化问题，且受多种不确定性因素的影响。鲁棒优化17-18、随机优化19-20和分布鲁棒优化21是典型的处理不确定性问题的方法。然而，随机优化过度依赖计算场景，随着场景的增多，模型计算量呈指数级增长，带来维度灾难，从而导致求解效率低。分布鲁棒优化模型是典型的非凸问题，在向凸问题转化时难度较大，且对不确定参数的特性需求较大。随着不确定性因素的增多，其求解复杂度也随之提高。而鲁棒优化只在最坏的场景下求解，并使用 Benders 分解22等方法对原问题进行等效转化，求解效率高。基于此，在现有相关研究的基础上，本文提出了基于鲁棒优化的 WTE-CHP 电厂最优申报策略，以指导 WTE-CHP 电厂运营并最大化收益。首先，构建了综合考虑日前电力市场价格和固体废弃物来量不确定性的两阶段 WTE-CHP 电厂日前鲁棒申报策略模型，其中，第一阶段解决 WTE-CHP 电厂的电量申报问题，并在第二阶段寻求 WTE-CHP 电厂的收益最大化。其次，借助 Benders 分解方法，将原始非凸双层鲁棒优化问题转化为易求解的主问题和混合整数线性规划子问题，从而在降低模型求解难度的同时保障了较高的求解效率。最后，在典型的 WTE-CHP 电厂系统中进行了算例仿真，并通过与确定性优化进行对比，验证了所提出的两阶段鲁棒申报策略的适用性和优越性能。1 垃圾焚烧热电联产电厂结构与原理分析 本文所研究的垃圾焚烧电厂可以在热电联产模式下运行，其系统结构如图 1 所示。假设 WTE-CHP电厂自主运行，并为当地居民提供固体废弃物处理服务。图 1 WTE-CHP 电厂系统结构 Fig.1 System framework of WTE-CHP power plant 固体废弃物由垃圾收集车运输至 WTE-CHP 电厂进行处理。在 WTE-CHP 电厂中，储存仓内的固体废弃物经过燃烧，释放内部的化学能，并被锅炉-106-电力系统保护与控制 中的蒸汽吸收。最后热电联产机组利用蒸汽生产电能和热能。WTE-CHP 电厂为了最大化自身收益，将生产的电能销售至电力市场的同时也向附近居民的供暖系统供热。在日前市场运营时，WTE-CHP 电厂运营商需在第t天为第1t+天的运营制定申报策略，并向市场提交。然而在日前阶段电力市场价格以及固体废弃物的来量均未知，将影响 WTE-CHP 电厂预期收益。2 WTE-CHP 电厂两阶段鲁棒申报策略模型 本节构建考虑日前电力市场价格和固体废弃物来量不确定性的两阶段鲁棒优化模型，以指导WTE-CHP 电厂运营商制定经济且鲁棒的申报策略。其中，第一阶段为日前阶段，其决策变量为 WTE-CHP 电厂向电力市场的申报量。由于 WTE-CHP 电厂体量较小，在电力市场中为价格接受者，因此只需申报电量。第二阶段为实时阶段，其决策变量包括电厂中 CHP 机组的发电量、供热量等。2.1 不确定集构建 日前电力市场的价格和固体废弃物的来量受外部环境影响较大，且难以准确预测。因此本文构建了不确定性集合以描述不确定因素的波动范围。鲁棒优化在不确定集中寻找最坏场景，并在最坏场景下优化其运行结果。然而最坏场景发生概率较小，所以可能导致结果过于保守。因此，除了置信区间外，需要增加另一约束，使得可以在不牺牲鲁棒性的前提下降低保守性。基于此，构建了关于日前电力市场价格D和固体废弃物的来量DS的不确定集合。日前电力市场价格不确定集为 D,m,mhD1h,D,m,h,m,h,():,Ttttttttttt=-=-+R (1)固体废弃物来量不确定集为 D,m,mhD1h,D,m,h,m,h,(,):,TttSStttttttSS SSSSSSSSSt=-=-+R (2)式中：m和mS分别为日前电力市场价格和固体废弃物来量置信区间的中点；h和hS分别为日前电力市场价格和固体废弃物来量置信区间的一半长度；和S为可调整的不确定性预算参数，用于控制不确定集