計(jì)及天氣因素影響的風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電策略研究

曾柏琛，王 琦，于若英，陳 寧

(1.南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210046；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京210000)

新能源的迅速發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重了的消納問(wèn)題[1-2]，其主要原因來(lái)自火電(核電)機(jī)組深度調(diào)峰壓力過(guò)大以及響應(yīng)速率不高，對(duì)此使負(fù)荷發(fā)生“時(shí)移”是解決其消納問(wèn)題的重要思路。抽水蓄能電站具有啟動(dòng)迅速、功率調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn)，可以為新能源并網(wǎng)提供保障和支撐，確保波動(dòng)性及間歇性很強(qiáng)的新能源無(wú)法輸出連續(xù)穩(wěn)定的功率時(shí)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)功率平衡造成較大影響，減小新能源并網(wǎng)的不確定因素對(duì)電網(wǎng)的沖擊從而緩解電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力[3]。

國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者針對(duì)含抽水蓄能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度開(kāi)展了研究，文獻(xiàn)[4-9]研究了抽水蓄能電站對(duì)于可再生能源消納能力的提升以及其經(jīng)濟(jì)性的改善，表明抽水蓄能電站機(jī)組的調(diào)節(jié)性能非常強(qiáng)，升降負(fù)荷的速度較快，合理調(diào)度對(duì)其運(yùn)行意義重大。

水庫(kù)水量是抽水蓄能電站的能量載體，其受天氣因素影響較大。以往對(duì)抽水蓄能電站的研究較少考慮天氣因素對(duì)于抽水蓄能電站水量的影響，鑒于此本文擬提出一種計(jì)及天氣因素影響的風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電策略，首先考慮天氣因素對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行建模，完善更為精確的水量模型；在此基礎(chǔ)上將該模型應(yīng)用于風(fēng)光-抽水蓄能-火電機(jī)組微電網(wǎng)聯(lián)合模型；最后，根據(jù)每日負(fù)荷曲線預(yù)測(cè)結(jié)果，利用抽蓄日充放電次數(shù)決策方法，提出聯(lián)合發(fā)電策略。本文擬結(jié)合寧夏自治州氣候氣象條件結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際進(jìn)行仿真，對(duì)新能源簡(jiǎn)單系統(tǒng)和寧夏電網(wǎng)進(jìn)行算例分析，對(duì)所提策略的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論證明所建模型可以更加精確的考慮抽水蓄能電站的運(yùn)行狀況，所提策略可以提高微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 考慮天氣因素的抽水蓄能電站模型

1.1 天氣因素對(duì)于水庫(kù)的影響

對(duì)于抽水蓄能電站的水庫(kù)而言，水庫(kù)水面蒸發(fā)是其水量損失中非常重要的一部分。各計(jì)算時(shí)段(月、年)的蒸發(fā)損失

Wz=EsFk

(1)

式中，Wz為單位時(shí)間內(nèi)的水庫(kù)水量蒸發(fā)損失，m3；Fk為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均水庫(kù)面積，m2；Es為計(jì)算時(shí)段內(nèi)庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)深度，m。

蒸發(fā)量的實(shí)際值測(cè)量較為復(fù)雜，可在采用以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體公式為

(2)

式中，αev(k)為抽水蓄能電站庫(kù)區(qū)k時(shí)段的蒸發(fā)量，m3；Wz(i)為第i月平均蒸發(fā)量，m3；D為該月采樣時(shí)間段總數(shù)；Pev為當(dāng)日蒸發(fā)概率。

同理，對(duì)于降水量可得

WJ=EJFk

(3)

(4)

式中，WJ為單位時(shí)間內(nèi)增加的水庫(kù)降水水量，m3；Fk為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均水庫(kù)面積，m2；EJ為計(jì)算時(shí)段內(nèi)庫(kù)區(qū)降水量，m；βpr(k)為抽水蓄能電站庫(kù)區(qū)k時(shí)段的降水量，m3；WJ(i)為第i月平均降水量，m3；Ppr為當(dāng)日降水概率。

1.2 抽水蓄能電站功率建模

本文研究對(duì)象為天氣因素對(duì)于抽水蓄能電站調(diào)峰能力的影響問(wèn)題。在天氣因素對(duì)于抽水蓄能電站水庫(kù)水量造成較大影響時(shí)，抽水蓄能系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式以及抽蓄時(shí)間等，從而改善其對(duì)于新能源的消納能力以及其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

抽水蓄能電站有2種工作模式，蓄能模式與發(fā)電模式，實(shí)質(zhì)是電能到重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換效率與電機(jī)功率有關(guān)。水量變化如圖1所示。

圖1 上下水庫(kù)水量變化示意

水庫(kù)的模型為

V(u，k)=αev(k)-βpr(k)+(Q(Pump，k)-Q(Tur，k))Δt+V(u，k-1)

(5)

V(d，k)=αev(k)-βpr(k)-(Q(Pump，k)-Q(Tur，k))Δt+V(d，k-1)

(6)

式中，V(u，k)、V(d，k)分別為k時(shí)段上、下水庫(kù)的實(shí)際庫(kù)容，m3；Q(Pump，k)、Q(Tur，k)分別為k時(shí)段抽水、放水的流量，m3/s；Δt為時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)，15 min。

重力勢(shì)能與能量轉(zhuǎn)換模型為

P(Pump，k)=-ηPumpρgQ(Pump，k)h

(7)

P(Tur，k)=-ηTurρgQ(Tur，k)h

(8)

式中，P(Pump，k)為k時(shí)蓄能功率，kW；Q(Pump，k)為流量，m3/s；ηPump為蓄能效率；P(Tur，k)為發(fā)電機(jī)組功率，kW；Q(Tur，k)為流量，m3/s；ηTur為發(fā)電機(jī)組效率；ρ為水密度，取1 000 kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為水庫(kù)的水頭高度，m。

同時(shí)由于抽水蓄能電站不可以同時(shí)工作運(yùn)行在發(fā)電模式與蓄能模式，但是可以同時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，工作狀態(tài)可以用數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)

U(Tur，k)+U(Pump，k)≤1

(9)

式中，U(Tur，k)、U(Pump，k)分別表示抽水蓄能電站處于發(fā)電模式、蓄能模式的狀態(tài)變量，1為處于該狀態(tài)，0為不處于該狀態(tài)。

為了抽水蓄能電站能夠滿足安全穩(wěn)定正常的運(yùn)行抽水蓄能電站庫(kù)容約束為

(10)

式中，Vumin、Vumax分別表示上水庫(kù)庫(kù)容的上、下邊界，m3；Vdmin、Vdmax分別為下水庫(kù)庫(kù)容的上、下邊界，m3；ΔVumax、ΔVdmax分別為抽水蓄能電站上、下水庫(kù)水量單位時(shí)段變化的最大值，m3；采樣時(shí)間為15 min。

由于抽水蓄能電站在使用中常常與電網(wǎng)相連需要滿足功率平衡條件，平衡條件為

P(Pump，k)+P(L，k)=P(Tur，k)+P(g，k)

(11)

式中，P(L，k)、P(g，k)分別為k時(shí)負(fù)荷與電網(wǎng)的功率大小，kW。根據(jù)上述條件可以建立抽水蓄能電站的功率模型，從而分析抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)能力。

2 計(jì)及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)節(jié)策略

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)表示為

(12)

2.2 約束條件

針對(duì)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益運(yùn)行模型的目標(biāo)函數(shù)，建立等式約束條件。為了保持電力系統(tǒng)電量平衡，需要建立等式約束

P(Tur，k)-P(Pump，k)+Pwind(k)+PPV(k)+Pc(k)=P(L，k)

(13)

同時(shí)需要規(guī)定各機(jī)組運(yùn)行邊界，建立不等式約束條件。

功率范圍約束

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量約束[10]

(19)

(20)

啟停次數(shù)約束[4]

KPump≤M

(21)

KTur≤M

(22)

式中，KPump為水泵的日啟停次數(shù)；KTur為發(fā)電機(jī)的日啟停次數(shù)；M為抽水蓄能電站機(jī)組最大啟停次數(shù)。

2.3 抽水蓄能電站對(duì)于電網(wǎng)新能源消納能力的提升分析

由于電力系統(tǒng)的電量平衡約束，且火電機(jī)組存在爬坡與調(diào)峰深度約束，所以新能源會(huì)發(fā)生發(fā)“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。棄電量的計(jì)算如下

(23)

式中，Sre為新能源棄電量；SPV為光伏棄電量；Swind為風(fēng)電棄電量。

本文將風(fēng)電、光伏與抽水蓄能協(xié)調(diào)后建立風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)方式見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)在新能源高發(fā)階段，抽水蓄能電站可以處于蓄能模式增加新能源的消納；同時(shí)抽水蓄能可以在發(fā)電狀態(tài)下，與新能源機(jī)組共同出力減輕火電機(jī)組出力負(fù)擔(dān)。

同時(shí)抽水蓄能可以降低新能源機(jī)組出力的波動(dòng)性使聯(lián)合機(jī)組出力更加穩(wěn)定，改善風(fēng)電反調(diào)峰的情況，有利于火電機(jī)組響應(yīng)新能源消納[3，11-12]。

圖2 新能源抽蓄聯(lián)合機(jī)組協(xié)調(diào)方式

抽水蓄能電站具有一抽一發(fā)以及兩抽兩發(fā)的運(yùn)行方式。本文擬在日負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線分析的基礎(chǔ)上分析，選擇合適的運(yùn)行方式，更好地提高抽水蓄能電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

本文日負(fù)荷曲線預(yù)測(cè)按文獻(xiàn)[13]方法確定，以圖3的曲線為例。

圖3 負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線

為了判斷每日負(fù)荷高峰低谷時(shí)段，將每天高于平均值的時(shí)段定義為高峰時(shí)段，低于平均值的時(shí)段定義為低谷時(shí)段。瞬時(shí)負(fù)荷值是否超過(guò)當(dāng)日負(fù)荷的平均值判斷結(jié)果邏輯值的情況如圖4所示。

圖4 負(fù)荷峰谷分布情況

圖4中，1為高于平均負(fù)荷時(shí)段，0為低于平均負(fù)荷時(shí)段。

當(dāng)出現(xiàn)較為明顯的雙高峰時(shí)宜采用兩抽兩發(fā)，反之則采用一抽一發(fā)的工作方式。建立抽水蓄能混合抽發(fā)概率模型，將雙高峰中凹部與當(dāng)日平均負(fù)荷作比較，建立概率策略模型，公式為

(24)

式中，K為采用何種工作方式的判斷結(jié)果，當(dāng)K=1時(shí)，采用兩抽兩發(fā)的工作模式；當(dāng)K=0時(shí)，采用一抽一發(fā)的工作模式；Pav(i)為第i日的負(fù)荷平均值；φ為判讀閾值，取值范圍為(0，1)。

3 仿真及結(jié)果分析

以西北地區(qū)某風(fēng)-光-火-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，應(yīng)用本文所提出的抽水蓄能電站功率模型進(jìn)行仿真分析。各類(lèi)型電源裝機(jī)容量如表1所示。本算例設(shè)置以15 min為時(shí)間精度，1天共計(jì)96個(gè)點(diǎn)，計(jì)算周期為10 d，分析并計(jì)算考慮天氣條件對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行的影響。設(shè)置3種工況條件進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 各機(jī)組參數(shù)

3.1 典型工況下的仿真

選擇3種電網(wǎng)運(yùn)行的典型工況。工況1：考慮抽水蓄能電站不出力時(shí)。工況2：考慮抽水蓄能電站出力但未考慮天氣因素時(shí)。工況3：考慮抽水蓄能電站出力也考慮天氣因素時(shí)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 各工況評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

從表2可知，抽水蓄能電站可以有效地降低新能源的棄用，提新能源的利用率；在較為惡劣的天氣條件下新能源的棄用率上升，運(yùn)行成本上升，所以考慮天氣因素建模對(duì)于抽水蓄能電站的使用效應(yīng)評(píng)估與優(yōu)化運(yùn)行策略的提出有意義。

典型日仿真結(jié)果如圖5所示，圖5b、5c為兩抽兩發(fā)的工作模式。從圖5可以看出，在考慮降水與蒸發(fā)對(duì)于抽水蓄能電站的影響時(shí)，該典型日過(guò)程中，由于抽水蓄能電站對(duì)于能量的存儲(chǔ)與消納，有效地提高了風(fēng)電與光伏的消納量；由于火電爬坡率的下降可以降低火電機(jī)組運(yùn)行損傷，延長(zhǎng)火電機(jī)組使用壽命，也間接帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，從而提高了模型整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 聯(lián)合出力系統(tǒng)典型日仿真結(jié)果

3.3 水量變化的靈敏度分析

為了更加細(xì)致地分析水量變化對(duì)于抽水蓄能電站的影響，本文對(duì)抽水蓄能電站的條件進(jìn)行仿真模擬。設(shè)立運(yùn)行周期內(nèi)水庫(kù)水量總變化值Bw，m3。Bw的值可正可負(fù)，計(jì)算公式為

(25)

抽水蓄能出力約束條件與水庫(kù)水量及庫(kù)容有關(guān)，外界因素引起的水量變化將影響抽水蓄能電站的正常運(yùn)行。抽水蓄能電站出力由總發(fā)電量NS定義，NS的計(jì)算公式為

(26)

對(duì)于抽水蓄能出力與水量變化的關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯霎?dāng)水量變化達(dá)到-3.5×104m3，聯(lián)合出力系統(tǒng)出力達(dá)到最大值。

圖6 抽水蓄能出力與水量變化

同時(shí)分析了抽水蓄能電站的發(fā)電與蓄能狀態(tài)對(duì)原系統(tǒng)(不加抽蓄)新能源消納的改善情況，新能源棄用量與水量變化的關(guān)系如圖7所示。

圖7 新能源棄用量與水量變化

對(duì)于聯(lián)合出力系統(tǒng)總成本與水量變化的關(guān)系如圖8所示。

圖8 聯(lián)合出力系統(tǒng)總成本與水量變化

從上述情況分析可知，水量變化呈現(xiàn)二向性的情況，均存在極值情況。同時(shí)由仿真結(jié)果可知抽水蓄能水庫(kù)水量基本不發(fā)生變化時(shí)(即水量變化約等于0)，抽水蓄能運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效應(yīng)最好，新能源消納能力最強(qiáng)，抽水蓄能總功率(抽水狀態(tài)總功率的絕對(duì)值與發(fā)電狀態(tài)總功率的絕對(duì)值之和)最大。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)西北某微電網(wǎng)，考慮天氣因素對(duì)抽水蓄能電站的調(diào)峰能力與新能源消納情況，提出了一種最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益運(yùn)行模型的優(yōu)化運(yùn)行策略，并根據(jù)該策略進(jìn)行仿真模擬得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)天氣因素對(duì)于抽水蓄能電站調(diào)峰能力的影響分析，得到考慮天氣因素的抽水蓄能電站模型，該模型可以更為精確的評(píng)價(jià)抽水蓄能的運(yùn)行情況。

(2)以建立風(fēng)電-抽水蓄能-火電機(jī)組聯(lián)合出力為例，對(duì)3種典型工況的情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明本文提出的優(yōu)化運(yùn)行策略具有較好的提高抽水蓄能新能源消納能力。

(3)存在抽水蓄能電站水庫(kù)最佳水量，使得含抽水蓄能電站的微電網(wǎng)系統(tǒng)消納新能源能力最強(qiáng)且運(yùn)行成本也相對(duì)較低的情況，應(yīng)將初始庫(kù)容設(shè)定在該容量附近。