考慮輸出波動的風電-抽蓄聯合日前優(yōu)化運行

王毛毛，佘 瑾，張 且，金之瑜

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.國網咸寧供電公司，湖北 咸寧 437000)

近年來，全球風電發(fā)展迅速，隨著風力發(fā)電研究的日臻進步，我國已成為風電裝機容量最大的國家[1]。然而風電出力存在間歇性和隨機性的特點，大規(guī)模風電并網會對電網安全和經濟運行造成負面影響[2]。

如何應對風電大規(guī)模并網問題已經刻不容緩，研究人員越來越青睞儲能系統(tǒng)與風電聯合運行[3]。針對風電和抽水蓄能聯合供電的理論研究，文獻[4]建立了風電并網的3種可行的運行方案，優(yōu)選出了風電-抽水蓄能聯合系統(tǒng)的最佳運行方案。文獻[5]從提高風電場效益和供電可靠性的角度出發(fā)，建立了風電-抽水蓄能電站聯合運行系統(tǒng)的優(yōu)化模型，證明了風電-抽水蓄能電站的聯合運行能夠提高風電場的收益和供電可靠性。文獻[6]構建了風電-抽水蓄能聯合運行系統(tǒng)的小型模擬電網，驗證了風電-抽水蓄能聯合運行系統(tǒng)是最大化開發(fā)利用風能資源的有效途徑。文獻[7]研究了風電-抽水蓄能聯合日運行的優(yōu)化調度問題，研究了風電-抽水蓄能聯合日運行的優(yōu)化方法，提出了電網消納風電出力的新模式。

目前，對于風電-抽蓄聯合系統(tǒng)的研究主要考慮效益最大化，而本文主要考慮的是聯合體輸出波動。隨著風電-抽水蓄能聯合運行的推進，如何平抑風電輸出波動愈顯重要。電力市場環(huán)境下，風蓄聯合體的安全穩(wěn)定運行對于電改的推進具有重要意義。

1 考慮輸出波動的風蓄聯合運行模型

1.1 目標函數

在已知風能資源的前提下，提前一天優(yōu)化風電場發(fā)電和抽水蓄能電站的輸出，來獲得日輸出功率最平滑[8]，用聯合輸出功率的均方差來判斷聯合體出力平滑的指標：

(1)

1.2 約束條件

風電場約束:

(2)

電網功率限制約束:

Pmin≤(Pw,t+Pg,t)≤Pmax

(3)

式中：Pmin、Pmax分別為風蓄聯合體輸送給電網的最小、最大功率。

抽水蓄能電站抽水工況約束：

(4)

式中：Pp,t為第t時段抽水的總功率；ut表示第t時段處于抽水狀態(tài)時抽水蓄能機組的數量；Pp,min、Pp,max為單臺抽水機組最小、最大抽水功率；ηp為抽水蓄能機組處于抽水時的效率；Emax為抽水蓄能電站上水庫最大可運行水庫儲能；Et為第t時段抽水蓄能電站上水庫的水庫儲能。

t時刻受上水庫最小運行庫容和機組本身額定功率的局限，該站的總發(fā)電出力應小于等于可供發(fā)電機組數的最大發(fā)電功率總和，或小于等于可供發(fā)電的最大可利用庫容。故發(fā)電工況約束：

(5)

式中：Pg,t為第t時段該站發(fā)電的總功率；kt為t時段處于發(fā)電狀態(tài)的該站機組數量；Pg,min、Pg,max為單臺抽水蓄能機組最小、最大發(fā)電功率；Emin為該站上水庫最小可運行水庫儲能；Et為第t時段該站上水庫的水庫儲能；ηg為抽水蓄能機組發(fā)電效率。

抽水蓄能電站的抽水蓄能機組不能同時發(fā)電和抽水，抽發(fā)互斥約束：

Pp,t*Pg,t=0

(6)

最大啟停次數限制：

(7)

(8)

(9)

(10)

上水庫庫容從第t時段到第(t+1)時刻的變化滿足上水庫變化約束：

(11)

式中：Et+1、Et分別為第(t+1)時刻、第t時段抽水蓄能電站上水庫的水庫儲能。

上庫容安全約束：

Emin≤Et≤Emax

(12)

式中：Emin、Emax分別為上水庫安全運行最小、最大庫容儲能。

為保障每天發(fā)電耗水量和抽水儲水量基本相同，上庫容經濟約束：

|E24-E0|≤εΕ

(13)

式中：E24為1天運行周期最后時刻的庫容儲能；E0為1天運行周期最初時刻的庫容儲能；εΕ為保存上水庫可持續(xù)經濟運行的最大庫容儲能差。

2 模型求解

風電出力可分為平穩(wěn)、振蕩、上爬坡、下爬坡4種不同類型[9]。本文以裝機容量為4 000 MW的風電場為例，為驗證模型能在不同風電出力場景下具有可行性，取風電基地4種典型的風功率預測曲線樣本，風電場的每天可利用的風能大體可分為4類，如圖1所示。

圖1 不同風功率預測曲線樣本分類

樣本1為下爬坡特性風電類型，其白天的風功率輸出值較少，風功率輸出值多在夜間輸出；樣本2為上爬坡特性風電類型，其風功率輸出與電力系統(tǒng)負荷變化趨勢接近一致；樣本3為平穩(wěn)風電類型，全天風功率輸出基本不變，趨勢為平緩穩(wěn)定；樣本4則表現為強烈的風功率輸出波動性，變化強度劇烈。本文抽水蓄能電站參數如表1、表2、表3所示。

表1 抽水蓄能電站機組參數

表2 上水庫庫容參數 MWh

表3 并網約束 MW

本文基于粒子群算法，不僅改進了慣性權重和學習因子，且重新調整了原有的參數，改進后的粒子群算法參數如表4所示。

粒子群算法是一種始于對鳥群捕食行為研究的優(yōu)化算法，其大量應用在電力系統(tǒng)運行與控制以及優(yōu)化規(guī)劃方面，這些問題的共同點是都為非線性高維度問題，而粒子群算法能夠很容易地解決這些問題[10-11]。改進粒子群算法求解流程如圖2所示。

3 仿真分析

為了驗證本文約束條件不等式修正及所改進粒子群算法的有效性，證明模型的可行性，以4種典型樣本風電功率為研究對象進行仿真，得到優(yōu)化后的風電場、抽水蓄能電站以及風蓄聯合體的日前計劃出力。

表4 改進粒子群算法的參數

圖2 改進算法求解流程

3.1 樣本1 (下爬坡風電)

圖3 抽水蓄能電站的最優(yōu)日出力變化曲線(樣本1)

圖3中橫、縱坐標分別表示時間、機組出力，其中出力為正，表示機組處于發(fā)電狀態(tài)；出力為負，表示抽水蓄能電站機組處于抽水狀態(tài)。

當風電場出力為樣本1下爬坡風電時配合抽水蓄能電站并網時，風電出力最大峰谷差從2 266 MW降至1 172 MW,下降48.28%；出力均方差從656 MW下降到312 MW，下降52.23%；出力均值由2 407 MW下降到2 364 MW，下降1.8%；并網電量由57 772 MWh下降到56 742 MWh，下降1.8%。風蓄聯合體出力最大在第22時刻，為2 805 MW，風蓄聯合體出力最小在第18時刻，為1 633 MW。風蓄聯合體平均輸出功率為2 364 MW，累計發(fā)電量為56 742 MWh，出力均方差為312.8 MW。

3.2 樣本2 (上爬坡風電)

當風電場出力為樣本2時配合抽水蓄能電站并網時，在抽水蓄能電站的作用下風力最大峰谷差從2 409 MW降至1 559 MW，下降35.3%；出力均方差從791 MW下降到520 MW，下降34.36%；出力均值由2 724 MW下降到2 596 MW，下降4.7%；并網電量由65 378 MWh下降到62 312 MWh，下降4.7%。風蓄聯合體出力最大在第12、13、19、21—23時刻，為3 200 MW，風蓄聯合體出力最小在第5時刻，為1 641 MW。風蓄聯合體平均輸出功率為2 596 MW，累計發(fā)電量為62 312 MWh，出力均方差為519 MW(見圖4)。

3.3 樣本3(平穩(wěn)風電)

圖4 抽水蓄能電站的最優(yōu)日出力變化曲線(樣本2)

當風電場出力為樣本3平穩(wěn)風電配合抽水蓄能電站并網時，風力最大峰谷差從1 185 MW降至606 MW,下降44.3%；出力均方差從360 MW下降到165 MW，下降54.2%；出力均值由2 594 MW下降到2 568 MW，下降1%；并網電量由62 258 MWh下降到61 635 MWh，下降1%。風蓄聯合體出力最大在第12時刻，為2 896 MW，風蓄聯合體出力最小在第8時刻，為2 236 MW。風蓄聯合體平均輸出功率為2 568 MW，累計發(fā)電量為61 635 MWh，出力均方差為152 MW，棄風量為0(見圖5)。

圖5 抽水蓄能電站的最優(yōu)日出力變化曲線(樣本3)

3.4 樣本4 (振蕩風電)

當風電場出力為樣本4振蕩風電時配合抽水蓄能電站并網時，風力最大峰谷差大小從3 569 MW降至1 693 MW,下降52.56%；出力均方差從876 MW下降到453 MW，下降48.2%；出力均值由1 974 MW下降到1 906 MW，下降3.4%；并網電量由4 736 MWh下降到45 760 MWh，下降3.4%；風蓄聯合體出力最大在第1時刻，為2 668 MW，風蓄聯合體出力最小在第8時刻，為975 MW。風蓄聯合體平均輸出功率為1 906 MW，累計發(fā)電量為45 760 MWh，出力均方差為453 MW，棄風量為0。由圖6可知，抽水蓄能電站的作用極大改變了震蕩型風電波動驟陡、驟急的特點。

3.5 4種樣本仿真結果

圖6 抽水蓄能電站的最優(yōu)日出力變化曲線(樣本4)

由表5可知：以均方差作為波動性劇烈程度的評價指標，仿真算例可知：與單一風電出力結果進行比較，采用風蓄聯合出力后，4種風電樣本中的振蕩風樣本的出力波動改善最明顯，其波動性下降52.6%；與單一風電出力結果進行比較，采用風蓄聯合出力后，對于下爬坡、平穩(wěn)兩種風樣本的出力效果改善高達50%以上；而且即使對于改善效果最小的上爬坡風樣本，其波動劇烈程度也下降了34.4%。

表5 4種樣本分析結果 MW

4 結束語

本文提出了考慮輸出波動的風電-抽蓄聯合日前優(yōu)化運行模式，以風蓄聯合體輸出最平滑為目標，模型中考慮了輸電線路的限制、抽水蓄能機組約束和上水庫約束等限制條件，采用改進的粒子群算法，對建立的模型進行求解。仿真結果表明，該模式利用抽水蓄能電站的儲能作用，將風電場輸出功率進行了平滑化，大大降低了風電場輸出功率的波動，具有很強的魯棒性，為清潔能源風電的大規(guī)模并入電網奠定了基礎，對實際生產具有重要意義。