抽水蓄能與風電等可再生能源聯(lián)合供電系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

歐傳奇

(國際小水電中心，浙江 杭州 310002)

1 概 述

抽水蓄能與風電等可再生能源聯(lián)合供電系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合供電系統(tǒng))的主要電源點為風電場、抽水蓄能電站(水泵和水輪發(fā)電機組分設，抽水、發(fā)電可同時進行[1])，還可能存在太陽能等其他可再生能源發(fā)電站、常規(guī)電站以及備用的柴油發(fā)電廠(見圖1)。為保證該系統(tǒng)的供電質量和穩(wěn)定性，風電等可再生能源發(fā)電的輸出功率僅允許直接接入承擔系統(tǒng)負荷的部分，其余負荷則必須由抽水蓄能電站發(fā)電機組(以下簡稱水輪機組)和常規(guī)電站機組來保證。當水輪機組不發(fā)電即可保證系統(tǒng)電力需求時，水輪機組用作旋轉備用；當水輪機組滿發(fā)電而系統(tǒng)供電仍有缺口時，柴油發(fā)電機組充當備用電源啟動運行。同時，風電等可再生能源發(fā)電的輸出功率除直接接入系統(tǒng)的部分外，剩余電能利用抽水蓄能電站的水泵抽水轉換為水能存蓄在上水庫。

圖1 聯(lián)合供電系統(tǒng)示意圖

該聯(lián)合供電系統(tǒng)通過適時地重構配置組合來適應負荷需求并存蓄隨機變化的多余電能，可直接、間接地使得風電等可再生能源最大程度地輸入電網，且對于海島等區(qū)域孤立供電系統(tǒng)，相比“風(光)—蓄電池”[2-3]“風(光)—柴”[4-6]以及“風—柴—蓄電池”[7]等獨立運行系統(tǒng)，其供電質量和可靠性將明顯提高。由于該系統(tǒng)中的電源種類較多，而其運行模式各不相同又相互關聯(lián)，且存在多種的條件限制，如：可再生能源發(fā)電的接入比重限制、抽水蓄能電站的上水庫最高和最低水位限制、水泵和水輪機組的裝機規(guī)模限制以及水輪機組是否投入備用、柴油機組是否啟動等限制，這與已有文獻[8-14]中的獨立運行系統(tǒng)相比，其聯(lián)合運行模式、優(yōu)化約束條件等要復雜很多。在已知或給定系統(tǒng)負荷曲線時，如何建立計算模型并正確求解獲得系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，是該系統(tǒng)工程設計以及運行調度的關鍵技術問題。

2 基本方程和限制條件

系統(tǒng)優(yōu)化配置計算模型基于系統(tǒng)實時配置的運行模式和電力電量平衡方程，當各實時對應的限制條件發(fā)生變化時，計算模型的組成和形式也各不相同。根據系統(tǒng)運行控制要求，設置電源利用的優(yōu)先級別為：常規(guī)電站(可直接接入電網的電源)→限制性電源(接入功率受限的電源，即風電等可再生能源電站)→抽水蓄能電站的水輪機組→備用柴油發(fā)電機組。據此即可根據實際負荷和各電源可供電量，列寫計算方程，依次判別并計算出每一時刻所需的抽水容量、各電源發(fā)電容量、蓄能電站備用容量、系統(tǒng)供電保證率(滿足供電需求的小時數占計算周期內總小時數的百分比)、水庫庫容和水位等(見圖2)。

以風電與抽水蓄能電站的聯(lián)合運行方式為例，系統(tǒng)配置的主要參數包括：風機臺數，抽水蓄能電站水庫調節(jié)庫容、水泵裝機容量、水輪機裝機容量，備用電源(柴油發(fā)電機)裝機容量等。該系統(tǒng)優(yōu)化配置計算過程中涉及的基本方程和相關限制條件簡介如下。

圖2 聯(lián)合供電系統(tǒng)實時配置求解程序流程

2.1 基本方程

a.系統(tǒng)電力電量平衡。在設定的計算周期(如一年)內，任意時刻系統(tǒng)必須滿足其所有發(fā)供電量與所有負荷量的供需平衡。對于風電與抽水蓄能電站的聯(lián)合運行方式，其電力平衡方程為

DLS+DPS=PWF+PHP

(1)

式中PWF、PHP——風電場、水輪機組在任意時刻的出力；

DLS、DPS——任意時刻的系統(tǒng)負荷和水泵抽水功率。

考慮到系統(tǒng)中還存在其他類型電源以及存在受限電源的允許接入比例、水庫容積、抽水和發(fā)電設備裝機規(guī)模等的限制，還可能存在供電缺口或棄風等情況，因此，需要根據各種電源投入的數量及先后順序分別確定其方程。

b.抽水蓄能電站水量平衡。假定在微小計算時步Δt時段內，蓄能電站的水庫水位變化很小，則其上水庫的蓄水容積Ve可由前一計算時步的蓄水容積Ve0、水泵抽水功率DPS以及水輪機組發(fā)電出力PHP求出，即

(2)

式中ηP、ηT——任意時刻水泵抽水綜合效率和水輪機組發(fā)電綜合效率；

Zu、Zd——對應時刻的上、下水庫水位；

γw——水重度；

下標“0”表示前一計算時步。

2.2 限制條件

a.受限電源接入比重限制。風電等可再生能源電源的直接接入系統(tǒng)的最大允許功率僅為系統(tǒng)實時總負荷的比重α(α≤1，對于大電網一般α=0.1，對于區(qū)域孤網，配置蓄能電站后，α可另論證確定為較大值)，其剩余電能用于水泵抽水。

b.上水庫庫容限制。上水庫的水位波動須控制在允許范圍內。當其庫容計算值大于最大庫容時，表明水庫已滿應停止抽水，多余電能無法被利用；當庫容計算值小于死庫容時，表明因庫內存水量不足，水輪機組無法再發(fā)電滿足負荷需求，需啟動備用的柴油機組，否則將出現供電缺口，系統(tǒng)供電保證率下降。其中，由于蓄能電站抽水和發(fā)電裝置是分開的，在任意計算時步內，如忽略水位的微小變化，即使在最高水位附近，蓄能電站的抽水、發(fā)電仍可同時進行，此時發(fā)電耗水是主動行為，水泵耗電蓄水是被動行為，抽水蓄水量小于或等于發(fā)電耗水量；同理，在最低水位附近時，蓄能電站的抽水、發(fā)電也能同時進行，此時水泵耗電蓄水是主動行為，發(fā)電耗水是被動行為，發(fā)電耗水量小于或等于抽水蓄水量。

c.水泵裝機容量限制。在不作限制時，水泵裝機容量即按計算出的最大抽水需求規(guī)模確定，此時受風電等的隨機性特征影響，水泵容量一般會需配過大。因此，水泵裝機規(guī)模應給定必要的限制，這雖會造成一定的棄風，但可在抽水保證率降低不多的情況下顯著地減小水泵裝機容量。

d.水輪機組裝機容量限制。從提高系統(tǒng)供電保證率角度看，水輪機組裝機容量應取為計算周期內的蓄能電站可發(fā)電的最大功率。由于在低風或無風時，蓄能電站是系統(tǒng)的主要補充電源，所需水輪機組容量取決于對應時刻的系統(tǒng)負荷大小，一般會需要過大的裝機規(guī)模，因此，水輪機組裝機規(guī)模應給定必要的限制，這雖會造成系統(tǒng)供電保證率的下降，但可在備用柴油機組啟動不多的情況下顯著地減小水輪機組裝機容量，獲得較好的綜合經濟效益。

3 系統(tǒng)優(yōu)化配置設計計算

假設每臺風機出力相同，給定風機臺數、水庫庫容等基本參數，可依次確定水泵、水輪機以及柴油機的裝機容量。通過更改系統(tǒng)中的設計風機臺數、水庫庫容，可得到多個不同配置的系統(tǒng)設計方案。經優(yōu)化比選，可最終確定設計方案。

3.1 風機臺數和蓄能電站庫容的優(yōu)化計算

在備用電源不投運的情況下，通過給定各種風機臺數、水庫調節(jié)庫容的組合，可計算出系統(tǒng)供電保證率，并由此繪制出關于風機臺數、水庫調節(jié)庫容和供電保證率的莫諾圖，由圖中曲線族的疏密和曲線拐點，可選取風機臺數和水庫庫容較優(yōu)組合。

以大萬山島供電系統(tǒng)的計算結果為例(見圖3)，在相同的庫容條件下，風機臺數由8臺增至12臺時，供電保證率增幅相對較大，繼續(xù)增加風機臺數時，對供電保證率的貢獻逐漸降低，因此，較優(yōu)的風機臺數為10～12臺。對于庫容取值，當風機臺數選定時，隨著庫容的增大，均存在一個供電保證率增速由快到慢的拐點，從經濟的角度出發(fā)，取莫諾圖中對應曲線的拐點比較合適，相應上述風機臺數的蓄能電站調節(jié)庫容約為90萬～150萬m3。

圖3 大萬山島聯(lián)合供電系統(tǒng)供電保證率莫諾圖

3.2 水泵裝機容量的優(yōu)化計算

水泵裝機容量以盡量滿足抽水要求和減小規(guī)模的原則確定。首先，求得不棄風前提下計算周期內任意時步系統(tǒng)的抽水需求規(guī)模，找出最大值；然后，在最大值的基礎上逐漸減小水泵裝機取值，分析水泵需求規(guī)模對供電保證率的影響，最終根據該影響關系確定合適的取值。

例如，當圖3中選取的風機為12臺、調節(jié)庫容為150萬m3時，則對應不棄風的水泵裝機規(guī)模為6685kW。由裝機容量影響曲線(見圖4)知，水泵裝機取4000kW較合適，此時裝機減小了40%，但供電保證率下降不到2%。

圖4 水泵裝機容量對供電保證率的影響

3.3 水輪機組裝機容量的優(yōu)化計算

水輪機組裝機容量以盡量滿足發(fā)電需求和減小規(guī)模的原則確定。首先，求得計算周期內任意時步的系統(tǒng)發(fā)電需求，找出最大值；然后，在最大值的基礎上逐漸減小裝機取值，分析水輪機組裝機規(guī)模對供電保證率的影響，最終根據該影響關系確定合適的取值。

針對上述的風機臺數、水庫庫容和水泵裝機容量，可求出計算周期內蓄能電站最大發(fā)電需求的裝機為5850kW。但根據裝機容量影響曲線(見圖5)，水輪機組裝機取3500kW更合理。

3.4 備用電源裝機容量的優(yōu)化計算

在求得風機臺數、水庫庫容、水泵裝機容量和水輪機裝機容量后，在備用電源不投入的前提下，即可求出計算周期內的系統(tǒng)供電缺口大小，通過排序繼而可統(tǒng)計出備用電源裝機容量與供電保證率的對應關系(見圖6)，據此即可求出在目標供電保證率下的備用電源裝機容量。

圖5 水輪機裝機容量對供電保證率的影響

圖6 備用電源裝機容量對供電保證率的影響

3.5 系統(tǒng)配置以及電量分配結果

根據選定的風機臺數和水庫庫容，計算出水泵和水輪機組的裝機容量，再確定滿足保證率要求的柴油機組容量，最后可得到整個系統(tǒng)的配置結果(對應圖3實例參見表1)。對于該配置的系統(tǒng)，還可求出計算周期內任意時刻各電源的電力分配情況以及抽水耗電、供電和限電情況，在周期內累加，即可得到對應的電量分配結果(見表2)。

表1 大萬山島對本系統(tǒng)的需求配置

注柴油機組減少量為與系統(tǒng)全部用柴油發(fā)電相比結果。

表2 大萬山島系統(tǒng)各電源供電電量分配情況

注供電保證率95%。

根據計算出的系統(tǒng)配置參數(各電源裝機規(guī)模、水庫規(guī)模等)，可求出相關的經濟指標，以便評價對應設計配置方案的優(yōu)劣(可通過程序實現)。該聯(lián)合運行系統(tǒng)的經濟評價通常采用的綜合經濟指標為：優(yōu)化時段內每千瓦時的“電能收益+節(jié)煤效益-投資成本”，可參見文獻[1][10]進行計算分析。另外，對于海島孤立供電系統(tǒng)，考慮到海水抽水蓄能的技術困難和經濟因素，在滿足供電保證率的前提下，一般以減小上庫庫容和備用柴油機裝機規(guī)模為主要優(yōu)化目標，以此確定風機臺數、水庫庫容、水泵和水輪機組以及備用電源裝機容量等系統(tǒng)配置參數。

4 結 論

針對抽水蓄能與風電等可再生能源聯(lián)合供電系統(tǒng)，本文介紹了其配置方案的優(yōu)化設計計算模型以及相關限制條件，建立了逐步求解對應模型的設計計算方法，可計算分析各電源的實際利用情況、系統(tǒng)供電保證率情況、蓄能電站水庫庫容及水位變化情況。提出了通過繪制“風機臺數—蓄能電站調節(jié)庫容—系統(tǒng)供電保證率”的莫諾圖，建立系統(tǒng)供電保證率與系統(tǒng)配置參數的影響關系，據此可選擇較優(yōu)的風機臺數和水庫庫容組合，并最終求出整個系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案。本方法可利用長系列實測資料進行計算分析，不需要整理典型短期負荷，可適用于多種復雜需求情況：支持非限制性(常規(guī)電站)與限制性(風電等可再生能源)兩種性質電源的多種不同組合；支持抽水蓄能電站發(fā)電機組的旋轉備用和非旋轉備用運行模式；抽水蓄能電站水泵和水輪機組的裝機規(guī)?？扇藶榻o定限制，也可由計算機程序自動優(yōu)化求解；可在給定系統(tǒng)配置和負荷條件下，對各電源實際利用情況、供電保證率等進行計算分析；可用于系統(tǒng)配置方案的設計優(yōu)化以及特定聯(lián)合運行系統(tǒng)的優(yōu)化配置運行調度等。