摘要：農業灌溉水泵的用電負荷(農灌負荷)在時間維度上具有功率可調的特性，是電力系統中典型的柔性負荷。分析了農灌負荷作為電力系統運行備用資源的可行性和經濟性。首先，建立了一種以負荷代理聚合商為中心的農灌負荷參與電力系統運行備用的控制模型，分析了其中的控制方法與商業運營模式;然后，分別從功率和能量維度分析單臺水泵的備用潛能，進而推導了水泵集群的備用能力評估方法;最后，構建了以農灌負荷代理聚合商收益最大化為目標的調度優化模型。以某地區冬小麥灌溉需求為算例的分析表明，在合理的灌溉電價、水泵數量規模下，農灌負荷參與運行備用實現了多方參與者的共贏，具備實際應用的可行性;并且指出農灌水泵的功率(或揚程)、用電價格、地區的降水量是影響其運行備用能力的關鍵因素。
關鍵詞：農灌負荷;水泵;運行備用;負荷代理;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，大規模可再生能源并入電網的趨勢已經顯現，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正在形成。然而，大規模可再生能源發電出力的隨機性、不確定性卻給電網運行帶來極大挑戰，因此，以經濟性方式提升電網運行效率的方式方法成為熱門研究課題[1-3]。
電能的生產、傳輸、利用具有瞬時平衡性，任何一個環節出現約束，都會引起電力系統運行的波動。傳統電力系統僅考慮負荷側的隨機性，通過調節發電側備用資源實現功率平衡[4-5]。新型電力系統中，電源、負荷側都將出現很強的不確定性因素，需要建設更多的運行備用資源來滿足系統運行需要[6-7]。目前有關的研究主要集中在大規模儲能、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峰輔助服務市場正負旋轉備用的交易機制[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運行備用的能力[12]。
農灌負荷是農業生產中占比最大的負荷。在我國華北、西北等地，農業灌溉負荷的需求尤為突出。農灌負荷雖然要適應作物的生長周期，但對實時性的要求并不突出，所以可考慮將農灌負荷作為需求側可調資源，為電力系統提供運行備用。現有對農灌水泵運行的研究側重于泵站內水泵運行的優化組合與水泵控制[13-17]。在農灌負荷與電網交互方面，主要集中在農灌負荷與可再生能源出力協同，利用農灌負荷優化電能質量等方面。徐慧慧等提出農灌負荷由新能源供電的方法，以緩解地區棄風光問題[15]。Bakelli等使用自然啟發算法優化灌溉系統的光伏水泵模型[16]。王亮利用AVC系統對農灌負荷集中地的變電站母線電壓實時監視，并進行電壓質量控制[17]。
當前，農灌負荷參與電力系統運行備用方面的研究尚處于空白階段。如果將分散的農灌水泵進行集群控制，在滿足農業灌溉需求的前提下，作為電網運行備用參與電網的有序調節，則可在需求側挖掘出一種新的備用資源。基于此，本研究給出含有農灌負荷運行備用的電網控制系統模型，分析農灌負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。在此基礎上，建立以農灌負荷代理聚合商經濟效益最大為目標，考慮灌溉需求、電網運行需求等為約束的優化模型。并通過算例分析所提思路的有效性，以及影響農灌負荷備用能力的關鍵因素。
1 農灌負荷作為運行備用的系統模型
1.1 系統物理結構模型
灌溉對農作物生長至關重要，然而在不誤農時的條件下，適當調整灌溉的起始時間、灌溉水量，并不會影響農作物的生長。因此，灌溉水泵的運行負荷具有一定的可調節性。如果將區域內分散的多臺灌溉水泵進行有序集群控制，實現灌溉負荷的靈活調節，即可實現對電網的運行備用。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下。圖1給出了一種含有多臺農灌水泵的電力控制系統模型，能夠實現對區域內農灌負荷的集群控制。
模型以電力系統源端電網為例。系統電源包含風力發電、光伏發電和火電機組，生產出的電能一部分滿足本地負荷需求，另一部分外送至大電網。農灌負荷屬于本地負荷，在實際運營中，農灌負荷代理將分散的農灌負荷進行聚合控制，并與電力交易中心、電網調度控制中心磋商，形成有利于電網運行和可再生能源消納的農灌水泵集群總體用電策略。同時，農灌負荷代理根據各農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，實現預期的用電策略。
1.2 農灌負荷特性與控制變量
農灌負荷在時間和功率尺度上均有一定的彈性。考慮農作物的生產需求，灌溉調節存在最晚灌溉時間的限制，灌溉水量也有一定調節空間。圖2為3種能夠達到農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 灌溉負荷代理工作模式
實際運行中，只有灌溉用戶接受電網調度，灌溉負荷才能參與到電網運行備用中。灌溉負荷代理通過負荷聚合商與用戶簽訂雙邊合約獲得調度控制權。圖3為灌溉負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，影響該目標的主要環節由3部分構成：與用戶簽訂有序用電合約的博弈環節、對農灌水泵的用電策略優化環節，以及在電力市場中的競標環節。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戶參與灌溉負荷調節。
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