龍羊峽水光互補(bǔ)的日優(yōu)化調(diào)度研究

錢梓鋒，李庚銀，安源，丁航，王頌凱，王浩（.華北電力大學(xué)，北京　006；.西安理工大學(xué)，陜西西安　70048）

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龍羊峽水光互補(bǔ)的日優(yōu)化調(diào)度研究

錢梓鋒1，李庚銀1，安源2，丁航2，王頌凱2，王浩2
（1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.西安理工大學(xué)，陜西西安710048）

摘要：提出了水光2種清潔能源互補(bǔ)發(fā)電模型。以水光互補(bǔ)在負(fù)荷高峰時(shí)段總出力最大為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮各種約束條件，構(gòu)建了水光互補(bǔ)日間調(diào)度模型。采用模擬優(yōu)化的方法求解該模型，結(jié)果表明水光互補(bǔ)可以明顯提高調(diào)峰能力。

關(guān)鍵詞：清潔能源；水光互補(bǔ)發(fā)電；模擬優(yōu)化方法；調(diào)峰能力

KEY W0RDS：c1ean energY；comP1ementarY generation of hYdro-Photovo1taic；simu1ation oPtimization method；Peak 1oad caPacitY

光伏是一種清潔能源，具有間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，光伏的并網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來一系列問題［1-3］。雖然光伏總裝機(jī)容量逐年增加，但實(shí)際并網(wǎng)容量小，光伏的消納存在很大的問題［4］。

清潔能源例如風(fēng)能和太陽(yáng)能的并網(wǎng)消納存在很大的問題，為了使電力系統(tǒng)更好的消納可再生清潔能源，學(xué)者們研究了很多種清潔能源和常規(guī)能源互補(bǔ)發(fā)電的方式。文獻(xiàn)［5-7］研究了風(fēng)光互補(bǔ)，得到風(fēng)光互補(bǔ)比單獨(dú)風(fēng)、光發(fā)電更加穩(wěn)定；文獻(xiàn)［8］用風(fēng)水互補(bǔ)發(fā)電，使得穩(wěn)定性比風(fēng)電和光電互補(bǔ)得以提高；文獻(xiàn)［9］研究了風(fēng)、水、火聯(lián)合調(diào)度，使系統(tǒng)并網(wǎng)容量有了很大的提高；文獻(xiàn)［10］研究了水電和光伏互補(bǔ)發(fā)電，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明光伏和水能互補(bǔ)發(fā)電效果顯著。

水電也是一種傳統(tǒng)的清潔可再生的能源，我國(guó)有豐富的水力資源［11］。光伏發(fā)電和水電均受自然條件和天氣的限制，具有一定的局限性，但是存在一定的互補(bǔ)性。光伏和水電互補(bǔ)可以在一定程度上提高光伏并網(wǎng)容量，減小并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響［12］。

目前水光互補(bǔ)的研究還比較少，但是水光互補(bǔ)為光伏的消納指出了一個(gè)新方向。本文就龍羊峽水光互補(bǔ)一期項(xiàng)目進(jìn)行了日優(yōu)化調(diào)度研究。

1　水光互補(bǔ)發(fā)電

所謂互補(bǔ)發(fā)電，就是利用多種變化規(guī)律不同的電源聯(lián)合運(yùn)行，各種發(fā)電方式在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)互為補(bǔ)充，通過其協(xié)調(diào)配合再提供穩(wěn)定、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能［13］。

水能和光伏都是清潔能源。水、光在時(shí)間和季節(jié)上具有很好的互補(bǔ)特性，在水量比較充沛的季節(jié)，光照會(huì)不足；在光照充足的季節(jié)，天氣又比較干旱。水電和光伏相互補(bǔ)充，協(xié)調(diào)配合，可以提高光伏的發(fā)電量，為系統(tǒng)提供更多優(yōu)質(zhì)的電能。

水光互補(bǔ)是利用具有日及以上調(diào)節(jié)能力水電站的補(bǔ)償能力，對(duì)距離較近的光伏電站先補(bǔ)償，并借用水電站的多余送出能力，節(jié)省了輸電投資，以達(dá)到電網(wǎng)最終的電力需求，促進(jìn)穩(wěn)定性差的光伏電源的消納，盡可能實(shí)現(xiàn)水電站和光伏發(fā)電的利益最大化［14］。

2　水光互補(bǔ)發(fā)電模型

調(diào)峰能力是指機(jī)組對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化的追蹤能力，是機(jī)組啟停時(shí)間、出力變化幅值和出力調(diào)整速率等因素的綜合體現(xiàn)。水電機(jī)組具有啟停迅速、出力調(diào)整速度快等優(yōu)點(diǎn)，可快速對(duì)光伏電站進(jìn)行補(bǔ)償，在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段使得水光互補(bǔ)總出力盡可能大，因而可在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段承擔(dān)更多的負(fù)荷。

已知水資源綜合利用要求龍羊峽水庫(kù)下放的日水量，電網(wǎng)給定水電站的典型日負(fù)荷曲線，預(yù)測(cè)的光伏出力曲線等，求水光互補(bǔ)日調(diào)度方案。以水光互補(bǔ)在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段總出力最大為目標(biāo)，綜合考慮各種約束條件，建立水光互補(bǔ)日調(diào)度模型。

2.1目標(biāo)函數(shù)

式中：pT為水光互補(bǔ)出力的最大值；pW，m和pP，m分別表示水電和光伏發(fā)電電在第m時(shí)段的出力；W為調(diào)度期時(shí)間段。

2.2約束條件

2.2.1電力系統(tǒng)約束條件

電力系統(tǒng)約束條件，主要包括電力系統(tǒng)功率平衡、電力電量平衡、水電出力、出力上下限、出力曲線形狀等約束。

1）電力系統(tǒng)功率平衡約束：

式中：pL，m為系統(tǒng)第m時(shí)段負(fù)荷需求；pW，m和pP，m分別表示水電和光電在第m時(shí)段的出力。

2）電力電量平衡約束：

3）水電出力約束：

式中：A為水電站出力系數(shù)；Qm和Hm為第m時(shí)段平均發(fā)電流量和水頭高度；pW，m，min和pW，m，max為第m時(shí)段水電出力的上下限。

4）總出力上下限約束：

式中：pT，m，min與pT，m，max分別為水光總出力在第m時(shí)段的上下限，須根據(jù)實(shí)際情況而定。

5）總出力曲線形狀約束：

式中：g（t）為水光互補(bǔ)后概化的水光總出力曲線；φ（t）為水光互補(bǔ)前概化的水電站出力曲線。

2.2.2水資源系統(tǒng)約束

水資源系統(tǒng)約束是針對(duì)水庫(kù)系統(tǒng)自身的約束，主要分為水量平衡約束、庫(kù)容約束、水位約束、下泄流量約束等。

1）水量平衡約束：

式中：Vt+1、Vt分別為水庫(kù)在t+1、t時(shí)段的庫(kù)容；It為水庫(kù)在t時(shí)段的入庫(kù)流量；Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)。

2）庫(kù)容約束：

式中：Vt，min為水庫(kù)在t時(shí)段所允許的庫(kù)容下限；Vt，max為水庫(kù)在t時(shí)段所允許的庫(kù)容上限。

3）水位約束：

式中：Zt，min為水庫(kù)在t時(shí)段所允許的水位下限；Zt，max為水庫(kù)在t時(shí)段所允許的水位上限。Zt，min一般取死水位，Zt，max要綜合考慮防洪要求才能確定。

4）下泄流量約束：

式中：Qt，min為水庫(kù)在t時(shí)段所允許的下泄流量下限；Qt，max為水庫(kù)在t時(shí)段所允許的下泄流量上限。Qt，min由下游綜合用水、航運(yùn)要求等確定；Qt，max要根據(jù)下游防洪等要求確定。

3　求解方法

龍羊峽水光互補(bǔ)涉及到的約束條件較多，目前難以采用粒子群算法、蟻群算法等人工智能優(yōu)化算法求解。本文建立水光互補(bǔ)日優(yōu)化調(diào)度模型，并采用模擬優(yōu)化的方法求解，用以分析水光互補(bǔ)后對(duì)調(diào)峰能力的影響。

模擬優(yōu)化模型通常難以采用系統(tǒng)最優(yōu)化方法進(jìn)行求解，此類模型的求解主要采用模擬的手段，并同時(shí)嵌入優(yōu)化的思想，經(jīng)過不斷迭代反演取得多組較優(yōu)解。

3.1問題分析

光伏出力具有間歇性，光伏電站在晚間發(fā)電幾乎為零，可認(rèn)為只在白天發(fā)電。為了充分結(jié)合光伏發(fā)電提高系統(tǒng)的調(diào)峰能力，在晚間可令水光互補(bǔ)總出力與原來水電站的出力保持基本一致，只在白天系統(tǒng)負(fù)荷的高峰時(shí)段進(jìn)行抬升。通過分析系統(tǒng)負(fù)荷曲線可知，西北電網(wǎng)存在兩個(gè)負(fù)荷高峰，第一個(gè)高峰出現(xiàn)在上午11：00左右；第二個(gè)高峰出現(xiàn)在晚間20：00左右。很明顯，要結(jié)合光伏抬升系統(tǒng)的調(diào)峰能力，只能是在早高峰，其余時(shí)段的出力均按照一定的比例進(jìn)行分配，使得所推出曲線滿足系統(tǒng)電力電量平衡，同時(shí)曲線形狀基本與原來水電站出力形狀一致。通過不斷調(diào)整負(fù)荷分配過程，使得所推求的出力曲線滿足各項(xiàng)約束條件，并使得系統(tǒng)負(fù)荷的早高峰時(shí)段水光互補(bǔ)總出力最大。

因此，可得到調(diào)峰能力最大數(shù)學(xué)模型的求解思路：根據(jù)水電站典型出力曲線以及預(yù)測(cè)出的光伏出力曲線，綜合各種約束條件，反推水光互補(bǔ)總出力曲線，使得該曲線的形狀與原來水電站出力曲線基本一致，同時(shí)使得在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段水光互補(bǔ)出力盡量最大。

3.2求解步驟

調(diào)峰能力最大數(shù)學(xué)模型包含的約束條件眾多，難以采用系統(tǒng)最優(yōu)模型進(jìn)行求解。本文采用模擬優(yōu)化方法對(duì)調(diào)峰能力數(shù)學(xué)模型求解，主要步驟如下：

1）劃分晝夜分界線。光伏電站在晚間不發(fā)電，水電站則按照水光互補(bǔ)之前所制訂的發(fā)電計(jì)劃運(yùn)行。

2）確定系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)段水光互補(bǔ)總出力。此時(shí)，水電站按照裝機(jī)容量滿發(fā)，光伏電站根據(jù)實(shí)際情況發(fā)電。

3）按照一定的比例推求負(fù)荷早高峰相鄰幾個(gè)時(shí)段的水光互補(bǔ)總出力。

4）根據(jù)電力電量平衡原則，推求剩余時(shí)段的水光互補(bǔ)總出力；判斷水光互補(bǔ)總出力的形狀是否與水電站之前出力曲線形狀一致，若不一致，返回步驟3）；若一致，結(jié)束迭代。

采用模擬優(yōu)化算法求解調(diào)峰能力最大數(shù)學(xué)模型流程圖如圖1所示。

4　模型求解及分析

4.1模型設(shè)置

不同天氣類型的光伏出力過程存在顯著差異，對(duì)調(diào)峰能力的影響也不同。天氣類型眾多，具有代表性的主要有3種：晴天、陰天和雨天。根據(jù)龍羊峽光伏電站的實(shí)際運(yùn)行資料（2013年12月5日—2014 年8月4日，共230 d），分別選取了典型天氣類型的光伏出力過程進(jìn)行計(jì)算。

圖1　模擬優(yōu)化算法求解調(diào)峰能力最大模型步驟Fig. 1 Steps of the simulation optimization method of peak load regulation

根據(jù)晴天、陰天、雨天3個(gè)不同的典型光伏出力過程，設(shè)置了如下3種計(jì)算方案對(duì)調(diào)峰能力最大模型進(jìn)行求解。計(jì)算方案如表1所示。

表1　調(diào)峰能力最大數(shù)學(xué)模型計(jì)算方案Tab. 1 Computing schemes for the model of peak load regulation

4.2求解結(jié)果及分析

根據(jù)不同天氣類型的光伏出力過程以及水電站的典型出力過程，反推水光互補(bǔ)總出力曲線，模擬優(yōu)化模型得出的不同天氣模式下的水光互補(bǔ)總出力曲線分別見圖2～圖4。

由圖2～圖4可知，光伏電站在晴天和陰天的出力過程相對(duì)較大，因此，水光互補(bǔ)總出力曲線在原來水電站出力曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了抬升，但這種抬升并不是均勻的，而是在系統(tǒng)負(fù)荷的早高峰11：00左右進(jìn)行了大幅度抬升，其余時(shí)段水光互補(bǔ)總出力也在原來水電出力曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了抬升，但抬升幅度均較?。挥晏旃夥隽苄?，當(dāng)在系統(tǒng)負(fù)荷的早高峰進(jìn)行抬升之后，晚間的總出力反而降低，這是由于存在電量平衡約束所導(dǎo)致的。

圖2　雨天水光互補(bǔ)總出力過程Fig. 2 The total output of the hybrid system in a rainy day

圖3　陰天水光互補(bǔ)總出力過程Fig. 3 The total output of the hybrid system in a cloudy days

圖4　雨天水光互補(bǔ)總出力過程Fig. 4 The total output of the hybrid system in a rainy day

為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，表2～表4給出了不同天氣情況下水電站和光伏電站出力計(jì)算過程。

由表2～表4可知，不同計(jì)算方案下水電站和光伏電站在各時(shí)段均滿足電力、電量平衡約束，經(jīng)過水光互補(bǔ)之后，水電站的出力過程雖然發(fā)生了明顯的改變，但其一日出力之和與水光互補(bǔ)之前基本保持不變，均為22 603 MW。結(jié)合圖2～圖4可知，所推求的水光互補(bǔ)總出力曲線也與水電站原來的典型出力曲線形狀基本一致，表明計(jì)算結(jié)果合理、可靠。

從實(shí)際情況來看，光伏出力在下午14：00最有可能達(dá)到裝機(jī)容量320 MW，而此時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷處于低谷，光伏電站難以與用戶的用電需求進(jìn)行有效結(jié)合。因此，實(shí)際調(diào)峰容量應(yīng)該是在系統(tǒng)負(fù)荷的早高峰11：00時(shí)由水電的裝機(jī)容量與光伏電站實(shí)際出力共同組成。

表2　晴天水光總出力表Tab. 2 Total output of the hybrid system in a sunny day

將不同典型日的水光互補(bǔ)總出力進(jìn)行對(duì)比分析可知，當(dāng)光伏出力越大時(shí)，經(jīng)過水光互補(bǔ)后，總出力曲線的抬升效果越明顯。從本算例來看，晴天抬升效果大于陰天，陰天抬升效果大于雨天。但是，這種抬升效果并不是一成不變的，因?yàn)楣夥隽^程受云層、溫度、濕度等隨機(jī)性因素影響較大。也有可能出現(xiàn)其他的組合情況，此處不作分析。

根據(jù)調(diào)峰能力最大數(shù)學(xué)模型的求解結(jié)果，推算典型天氣情況下實(shí)際調(diào)峰容量表如表5所示。

龍羊峽水電站有4臺(tái)單機(jī)容量32萬kW的發(fā)電機(jī)組，光伏電站一期工程裝機(jī)容量32萬kW。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在3種典型天氣條件下調(diào)峰容量在晴天的增加值最大，增幅達(dá)到18%，雨天對(duì)調(diào)峰容量的貢獻(xiàn)最小，但是也使調(diào)峰容量增加了5%。

表3　陰天水光總出力表Tab. 3 Total output of the hybrid system in a cloudy day

5　結(jié)論

本算例證明了模型的正確性，表明了水光互補(bǔ)可以明顯地提高系統(tǒng)的調(diào)峰能力。通過分析最終得出如下結(jié)論：

1）將不同典型日的水光互補(bǔ)總出力進(jìn)行對(duì)比分析可知，當(dāng)光伏出力越大時(shí)，經(jīng)過水光互補(bǔ)后，總出力曲線的抬升效果越明顯。從本算例來看，晴天抬升效果大于陰天，陰天抬升效果大于雨天。但是，這種抬升效果并不是一成不變的，因?yàn)楣夥隽^程受云層、溫度、濕度等隨機(jī)性因素影響較大。也有可能出現(xiàn)其他的組合情況，此處不作分析。

表4　雨天水光總出力表Tab. 4 Total output of the hybrid system in a rainy day

表5　典型天氣類型下調(diào)峰容量對(duì)比表Tab. 5 Peak load capacity under the typical weather conditions

2）龍羊峽水電站的裝機(jī)容量為1 280 MW，龍羊峽光伏電站的裝機(jī)容量為320 MW，由于光伏電站只在白天發(fā)電，從理論上講，經(jīng)過水光互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行之后，白天的理論調(diào)峰容量應(yīng)該為1 600 MW，晚間為1 280 MW。龍羊峽水光互補(bǔ)的調(diào)峰能力比龍羊峽水電單獨(dú)的調(diào)峰能力增幅最大可達(dá)25%。

3）經(jīng)過水光互補(bǔ)之后，龍羊峽的調(diào)峰能力均有不同程度的提高。其中，晴天對(duì)于提升調(diào)峰能力最為明顯，在本算例中調(diào)峰能力最大可提高18%左右。

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錢梓鋒（1986—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)與穩(wěn)定、電力市場(chǎng)；

李庚銀（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師，第四屆全國(guó)電力系統(tǒng)管理及信息交換標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC82）委員，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，IEEE會(huì)員，主要研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)、電力市場(chǎng)；

安源（1968—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)、電力系統(tǒng)保護(hù)與自動(dòng)化；

丁航（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)、電力系統(tǒng)的測(cè)量和控制與保護(hù)；

王頌凱（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闉樾履茉措娏ο到y(tǒng)、電力系統(tǒng)的測(cè)量和控制與保護(hù)；

王浩（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闉樾履茉措娏ο到y(tǒng)、電力系統(tǒng)的測(cè)量和控制與保護(hù)。

（編輯黃晶）

Research on the 0ptimization of Daily 0peration of Longyangxia Hydro-Photovoltaic Power System

QIAN Zifeng1，LI GengYin1，AN Yuan2，DING Hang2，WANG Songkai2，WANG Hao2
（1. North China E1ectric Power UniversitY，Beijing 102206，China；2. Xi’an UniversitY of Techno1ogY，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

ABSTRACT：A comP1ementarY c1ean Power sYstem mode1 of hYdro Power and Photovo1taic is ProPosed in this PaPer. Taking the maximum outPut of the hYbrid sYstem at the 1oad Peak as the objective function and with various constraints considered，a dai1Y oPtimization mode1 of hYbrid sYstem is estab1ished. The simu1ation oPtimization method is Put forward to so1ve the bui1t mode1. The resu1ts show that the hYdro-Photovo1taic Power sYstem can substantia11Y imProve the Peak 1oad caPacitY.

文章編號(hào)：1674-3814（2016）04-0069-06中圖分類號(hào)：TM732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-08-22。

作者簡(jiǎn)介：