對(duì)風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型的分析

馬正杰 樊遠(yuǎn)冬

摘要：我國(guó)關(guān)于風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行模式的研究起步較晚，目前處于快速發(fā)展階段，國(guó)外相對(duì)來(lái)說(shuō)在這方面的研究較多。風(fēng)能是可再生能源，利用其發(fā)電在減少燃料消耗的同時(shí)也減少了對(duì)環(huán)境的污染。但是風(fēng)能發(fā)電存在許多問(wèn)題，例如上升的風(fēng)電穿透率會(huì)影響電網(wǎng)安全。風(fēng)電并網(wǎng)存在間歇性、波動(dòng)性、反調(diào)峰等特性，由此產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)等問(wèn)題會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，研究風(fēng)電并網(wǎng)后的優(yōu)化調(diào)度對(duì)于解決上述問(wèn)題具有重要的意義。隨著電網(wǎng)容量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源的比重需求有所增加，例如現(xiàn)階段成熟先進(jìn)的抽水蓄能技術(shù)。抽水蓄能電站啟停迅速，運(yùn)行方式切換靈活，可彌補(bǔ)風(fēng)電反調(diào)峰特性，提高了電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;抽水蓄能;聯(lián)合運(yùn)行;優(yōu)化調(diào)度模型

引言

風(fēng)力發(fā)電輸出的功率具有間歇性、隨機(jī)變化性、不確定性、難以預(yù)測(cè)性和波動(dòng)性等特性。針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)建立抽水蓄能與風(fēng)電的聯(lián)合運(yùn)行模型來(lái)解決聯(lián)合運(yùn)行的效益最優(yōu)的問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，通過(guò)抽水蓄能電站與風(fēng)電的聯(lián)合運(yùn)行，能夠解決風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的不穩(wěn)定和不能儲(chǔ)能的問(wèn)題，而且能夠提高發(fā)電效益，有益于風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。

1風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行原理

1.1抽水蓄能的工作原理

抽水蓄能電站的原理就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，將水從下水庫(kù)通過(guò)壓力水管輸送到上水庫(kù)貯存起來(lái)，在電網(wǎng)用電高峰期，再將儲(chǔ)存在上水庫(kù)的水放出來(lái)，用來(lái)發(fā)電，以滿足所需求的供電量，就這樣循環(huán)往復(fù)地工作。

1.2聯(lián)合運(yùn)行的意義

風(fēng)是由于太陽(yáng)輻射到地球而引起的自然現(xiàn)象。風(fēng)能是廉價(jià)的清潔的可再生能源。隨著科技的進(jìn)步、人類(lèi)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求量急劇升高，不可再生能源例如化石能源等越來(lái)越不能滿足人類(lèi)需求而且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，所以人們對(duì)于清潔可再生的能源極為需求。風(fēng)能不會(huì)污染環(huán)境，而且地球上的風(fēng)能蘊(yùn)藏量也很大，所以風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用應(yīng)運(yùn)而生，隨著研究的不斷深入發(fā)展，風(fēng)能已經(jīng)被大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用。而且近年來(lái)風(fēng)電裝機(jī)容量急劇升高，很多的國(guó)家都出臺(tái)相對(duì)的政策來(lái)開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能以代替其他的不可再生能源，但是隨著對(duì)風(fēng)能需求量以及開(kāi)發(fā)量的增多，風(fēng)能的劣勢(shì)也逐漸體現(xiàn)了出來(lái)。人們認(rèn)識(shí)到自然風(fēng)會(huì)受到很多條件的制約，而且風(fēng)力發(fā)電受到的制約更大，例如風(fēng)的強(qiáng)度和方向、氣候、溫度、天氣以及風(fēng)電場(chǎng)所處的地理位置等等，導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電的輸出功率具有間歇性、隨機(jī)變化性、不確定性、難以預(yù)測(cè)性和波動(dòng)性等特點(diǎn)[11]，大大限制了對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用，而且給風(fēng)電的管理運(yùn)營(yíng)等造成了很多不便，還會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失和安全上的隱患。所以為了提高風(fēng)力發(fā)電的可靠性，風(fēng)能這些劣勢(shì)亟待解決。抽水蓄能電站是一種可再生能源，而且對(duì)環(huán)境效益有益，還能起到很好的調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)峰等工作。對(duì)于風(fēng)電的劣勢(shì)也能有很好的補(bǔ)充調(diào)節(jié)作用，因此需要抽水蓄能電站來(lái)配合風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電，提高其輸出功率的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

2風(fēng)電-抽水蓄能優(yōu)化運(yùn)行模型

風(fēng)力發(fā)電廠既與抽水蓄能機(jī)組相連，又與電網(wǎng)相連。此處，設(shè)并入電網(wǎng)的風(fēng)電功率不超過(guò)系統(tǒng)負(fù)荷的20%。實(shí)線表示傳輸電能的導(dǎo)線，虛線表示實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)逆溌?。本文不考慮電網(wǎng)的輸電瓶頸，即風(fēng)力發(fā)電廠和抽水蓄能機(jī)組聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率為風(fēng)力發(fā)電廠輸出功率和抽水蓄能機(jī)組輸出功率之和。本文以風(fēng)電-抽水蓄能機(jī)組聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo)函數(shù)，發(fā)電成本包括常規(guī)機(jī)組發(fā)電成本和抽水蓄能機(jī)組啟停單價(jià)成本，如下所示

式中，T表示24時(shí)刻;M表示火電機(jī)組數(shù)量;ai、bi、ci表示火電機(jī)組運(yùn)行成本的二次擬合系數(shù);Pi，t表示火電機(jī)組出力;ui，t表示火電機(jī)組啟停狀態(tài);1表示運(yùn)行，0表示停運(yùn);Csu、Csd表示水泵啟/停成本;nsut、nsdt表示t時(shí)刻啟/停水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)。

3仿真結(jié)果分析

有了目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)Matlab遺傳算法可以直接得出僅有風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力出力功率、水泵功率和水力發(fā)電功率在24h內(nèi)的每1h功率的數(shù)值以及最后的總效益S的值（121540元/d），較只有風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電的收益（113340.379元/d），每天多了8199.612元，大大提高了風(fēng)電場(chǎng)的收益，充分顯示出風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。并且，按照以上的分析和公式，按照上文中所給數(shù)據(jù)，可以畫(huà)出聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)各部分輸出功率圖和聯(lián)合運(yùn)行后系統(tǒng)輸出功率與僅有風(fēng)電時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率圖進(jìn)行分析比較。在一天中：0：00～8：00市場(chǎng)的電價(jià)為540元/（MW·h），是低電價(jià)的時(shí)段，同為低電價(jià)的時(shí)段還有22：00～24：00，也是540元/（MW·h），而8：00～22：00，市場(chǎng)的電價(jià)為1038.4元/（MW·h），是高電價(jià)時(shí)段。在0：00～8：00和22：00～24：00的低電價(jià)時(shí)段中，如果風(fēng)力過(guò)剩導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電單獨(dú)發(fā)電都能產(chǎn)生過(guò)剩的電量來(lái)滿足發(fā)電的需求，即“供大于需”，此時(shí)需要將過(guò)剩的電量用來(lái)帶動(dòng)水泵抽水（將水從下水庫(kù)抽到上水庫(kù)中），將電能轉(zhuǎn)化為抽水蓄能電站的重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，用以備用;當(dāng)然，如果風(fēng)量不足，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)發(fā)電所輸出的功率不能夠滿足市場(chǎng)所需發(fā)電功率時(shí)候，即“供不應(yīng)求”，這時(shí)候就需要水利發(fā)電機(jī)來(lái)工作，將儲(chǔ)存在上水庫(kù)的水放出來(lái)發(fā)電，和風(fēng)電場(chǎng)共同發(fā)電來(lái)滿足需求。而在高電價(jià)時(shí)段，在滿足電網(wǎng)上下限的情況下，則需要抽水蓄能電站盡可能地啟動(dòng)來(lái)發(fā)電，這樣風(fēng)電機(jī)組與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行來(lái)給電網(wǎng)提供發(fā)電，以使得其收益較大。聯(lián)合運(yùn)行的輸出功率始終在電網(wǎng)限制的上下限波動(dòng)，不會(huì)越限。而且當(dāng)只有風(fēng)力發(fā)電時(shí)候，發(fā)電輸出功率的波動(dòng)非常大，有跳躍性波動(dòng)。然而，風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行之后，輸出功率的波動(dòng)性明顯降低，較為平滑的波動(dòng)，這就說(shuō)明了風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行之后，明顯地改善了風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)供電所發(fā)生的時(shí)間和空間分配不均勻問(wèn)題，使得輸出功率能夠在電網(wǎng)限制范圍內(nèi)平滑波動(dòng)，提高了經(jīng)濟(jì)性和安全性。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)需求響應(yīng)使需求側(cè)資源參與優(yōu)化調(diào)度，證明了基于實(shí)時(shí)電價(jià)的需求側(cè)資源與抽水蓄能電站的聯(lián)合協(xié)作有助于優(yōu)化需求側(cè)負(fù)荷的分布。利用電力用戶對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)的響應(yīng)降低了用戶側(cè)負(fù)荷峰谷差，使谷時(shí)刻風(fēng)電消納能力有所提高，減少聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)電成本，提高了風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)得出的最終收益可以得出以下結(jié)論：1）風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行之后的效益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單獨(dú)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電帶來(lái)的效益，體現(xiàn)出了聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)越性。2）風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行解決了風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)發(fā)電的“供大于需”和“供不應(yīng)求”這兩個(gè)問(wèn)題，優(yōu)化了發(fā)電模式，提高了發(fā)電的質(zhì)量。3）比較單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電功率和風(fēng)電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的發(fā)電功率，可以看出風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行之后，輸出功率的波動(dòng)性明顯降低，波動(dòng)比較平滑。明顯改善了單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的間歇性、隨機(jī)變化性、不確定性、難以預(yù)測(cè)性和波動(dòng)性等安全性和經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題。

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