不同規(guī)模抽水蓄能下風(fēng)電-光電-火電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行研究

陳 隆

（中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

近年來(lái)，中國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，新疆哈密地區(qū)作為我國(guó)重要的風(fēng)電基地之一，預(yù)計(jì)2020年哈密風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到10800MW，光伏電站規(guī)模達(dá)到2000MW；遠(yuǎn)景2030年風(fēng)電場(chǎng)總規(guī)劃容量達(dá)到20800MW，光伏電站規(guī)模達(dá)到3000MW。由于風(fēng)力發(fā)電具有很強(qiáng)隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性、反調(diào)峰性（夜間負(fù)荷低谷時(shí)往往風(fēng)力最大）等特點(diǎn)，并且現(xiàn)有風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)誤差還較大[1]，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)了很大困難，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)備用、電力電量平衡、調(diào)峰調(diào)頻、網(wǎng)絡(luò)安全等方面[2]。電網(wǎng)必須為風(fēng)電配套足夠的調(diào)峰調(diào)頻容量，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和峰谷差調(diào)度[3]。另外，哈密—鄭州±800kV直流外送工程的火電裝機(jī)比例達(dá)到40%以上，受輸電線路容量限制，風(fēng)、光出力高峰期，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，造成了風(fēng)光資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也給風(fēng)電光伏企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)抽蓄電站）是目前最為成熟經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰電源，建設(shè)一定規(guī)模的抽蓄電站可以有效增加哈鄭直流外送工程的調(diào)峰能力和電量，減少棄風(fēng)和棄光，因此需要對(duì)配套哈鄭直流外送工程的抽蓄蓄能規(guī)模進(jìn)行詳細(xì)研究。

文章基于哈密—鄭州±800kV直流外送工程，構(gòu)建了抽水蓄能電站和風(fēng)、光、火電聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化模型，介紹了抽蓄電站與風(fēng)、光、火電聯(lián)合運(yùn)行的相關(guān)規(guī)則，并求解了棄風(fēng)、棄光時(shí)產(chǎn)生的電量，對(duì)不同規(guī)模抽蓄電站規(guī)模條件下的電量變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，可供類(lèi)似工程參考與借鑒。

1 抽蓄電站與風(fēng)、光、火電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行建模

在風(fēng)、光、火電等電源規(guī)模確定的條件下，抽水蓄能運(yùn)行方式是電力系統(tǒng)調(diào)度的核心內(nèi)容。本文根據(jù)抽蓄電站日時(shí)序內(nèi)“先蓄水后發(fā)電”的原則，建立抽蓄電站與風(fēng)、光、火電等電源的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型。目標(biāo)函數(shù)為輸變線路輸送電量最大；約束條件包括電源參數(shù)約束（運(yùn)行特性、出力上下限、檢修時(shí)間）、線路容量約束等；邊界條件包括電源參數(shù)（風(fēng)光電源可用容量率）等。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

以研究輸變線路輸送總電量最大為目標(biāo)函數(shù)：

1.2 約束條件

（1）容量約束條件。約束條件包括機(jī)組出力上下限約束、線路輸送容量約束。電源分為火電、風(fēng)電、光伏和抽蓄電站，根據(jù)不同機(jī)組特性考慮相應(yīng)的檢修時(shí)間，最后折算成有效容量。約束條件如下：

（2）火電機(jī)組10min級(jí)爬坡能力約束。由于風(fēng)、光電能優(yōu)先上網(wǎng)，需要考慮風(fēng)、光電的波動(dòng)性，為此考慮常規(guī)火電機(jī)組的10min級(jí)爬坡能力約束。根據(jù)火電機(jī)組運(yùn)行特性，每隔10min火電機(jī)組出力系數(shù)變化不超過(guò)0.1。

（3）風(fēng)、光電可用率。風(fēng)、光電能屬于可再生能源，但由于其出力過(guò)程的波動(dòng)性較大，為了保障電網(wǎng)運(yùn)行安全，當(dāng)風(fēng)、光電的出力超過(guò)一定范圍，電網(wǎng)會(huì)限制超出部分上網(wǎng)，這一限制閾值就是風(fēng)、光電的最大可用容量，最大可用容量與裝機(jī)容量的比值就作為風(fēng)、光電源容量的可用率，通常取值50%～60%。

2 抽蓄電站與風(fēng)、光、火電聯(lián)合運(yùn)行規(guī)則

2.1 火電運(yùn)行規(guī)則

根據(jù)火電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，隨著機(jī)組出力越大，燃煤效率越高。為保證火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，火電機(jī)組最低出力系數(shù)為0.5；火電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，其爬坡能力按照每10min出力系數(shù)變化0.1。日內(nèi)時(shí)段19：00—21：00，火電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，保證調(diào)峰需求。

2.2 風(fēng)、光電運(yùn)行規(guī)則

風(fēng)、光資源具有較大的不確定性，為保證電網(wǎng)運(yùn)行安全，風(fēng)電與光電上網(wǎng)容量通常占到其裝機(jī)容量的50%～60%。當(dāng)風(fēng)電出力超過(guò)其裝機(jī)容量50%時(shí)，此時(shí)超出出力部分作為棄風(fēng)，限制上網(wǎng)發(fā)電；當(dāng)光伏電站出力超過(guò)其裝機(jī)容量50%時(shí)，此時(shí)超出出力部分作為棄光，限制上網(wǎng)發(fā)電。

2.3 抽蓄電站運(yùn)行規(guī)則

抽蓄電站作為調(diào)峰填谷的優(yōu)勢(shì)電源，在出現(xiàn)棄風(fēng)棄光時(shí)，可以通過(guò)抽水工況收集棄風(fēng)與棄光產(chǎn)生的電量，并將風(fēng)、光能量轉(zhuǎn)化為水能，存儲(chǔ)在水庫(kù)中；負(fù)荷高峰期，可以通過(guò)發(fā)電工況，將水能轉(zhuǎn)化為電能，為電網(wǎng)提供容量與電量。抽蓄電站運(yùn)行規(guī)則主要受其庫(kù)容和裝機(jī)規(guī)模控制，為保證抽蓄電站庫(kù)容最大化利用，其抽水工況與發(fā)電工況在時(shí)序內(nèi)選擇是關(guān)鍵問(wèn)題。

結(jié)合上述火電以及風(fēng)、光電的運(yùn)行規(guī)則，抽水蓄能在庫(kù)容允許條件下，日時(shí)序內(nèi)應(yīng)盡可能多蓄水，保證棄風(fēng)與棄光最??；同時(shí)考慮日時(shí)序內(nèi)，受輸電線路容量限制，后續(xù)時(shí)段最大可發(fā)電能量，即日時(shí)序內(nèi)“先蓄水后發(fā)電”的運(yùn)行規(guī)則。

3 求解方法

目標(biāo)函數(shù)追求輸變線路發(fā)電量最大，即棄風(fēng)、棄光電量最小。棄風(fēng)、棄光時(shí)產(chǎn)生的電量公式：

按照上述方法對(duì)日時(shí)序內(nèi)出力過(guò)程進(jìn)行處理，即可確定日時(shí)序內(nèi)棄風(fēng)棄光電力過(guò)程。抽蓄電站抽發(fā)邊界條件公式：

式中：Picc表示抽蓄電站第i時(shí)段抽水工況最大出力；Picf表示抽蓄電站第i時(shí)段發(fā)電工況最大出力。

根據(jù)抽蓄電站“先蓄水后發(fā)電”的原則，按照下述公式確定抽蓄電站抽水和發(fā)電工況運(yùn)行方式：

4 算例分析

哈密—鄭州±800kV特高壓直流外送電源方案為風(fēng)電裝機(jī)容量8000MW，火電裝機(jī)容量6600MW，光伏裝機(jī)容量1250MW；線路輸送容量限制8000MW；抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模按照風(fēng)電裝機(jī)比例（0%、5%、10%、15%、20%、25%）進(jìn)行測(cè)算。

根據(jù)前述火電、風(fēng)電、光電等電源運(yùn)行規(guī)則，配套0%～25%規(guī)模比例的抽蓄電站。哈密—鄭州±800kV特高壓直流外送工程其輸電量成果變化如表1所示。

表1 哈密風(fēng)光火電源外送配套抽水蓄能方案成果表

由表1可知，哈密—鄭州±800kV特高壓直流外送工程配套的抽水蓄能比例越大，棄風(fēng)和棄光小時(shí)數(shù)越?。怀樾铍娬疽?guī)模從0%增加至15%以上時(shí)，同等代價(jià)條件下，獲得的電量效益基本持平，隨著抽蓄電站規(guī)模持續(xù)增加，電量效益越來(lái)越小，收益代價(jià)比低。

5 結(jié)語(yǔ)

文章以哈密—鄭州±800kV特高壓直流外送工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了不同規(guī)模抽水蓄能電站與風(fēng)電、光電、火電聯(lián)合運(yùn)行的可行性和效率。針對(duì)風(fēng)、光電的間歇性和波動(dòng)性，建立了抽蓄電站和風(fēng)、光、火電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型。通過(guò)模擬實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，分析不同規(guī)模抽蓄電站條件下，哈鄭直流外送工程電量變化規(guī)律。算例成果表明抽蓄電站占風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模比例在5%～15%時(shí)，其電量增加效益較為可觀，隨著抽蓄電站比例進(jìn)一步增加，電量效益增加有限。