抽水蓄能—光伏—風(fēng)電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行研究

高 潔

（水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京市 100120）

0 引言

為緩解全球氣候變化影響，實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排承諾，高比例可再生能源已成為能源電力發(fā)展的必然選擇。太陽(yáng)能和風(fēng)能作為可再生能源發(fā)展的主導(dǎo)力量，在資源條件方面，具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力，據(jù)測(cè)算，太陽(yáng)能資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)量可達(dá)1.86萬(wàn)億kW，風(fēng)能資源在80m高度層的技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約為102.8億kW[1]。此外，截至2019年底，并網(wǎng)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電分別為2.10億kW和2.05億kW[2]，雖然不及自身資源量的2%和0.01%，但合計(jì)已達(dá)到全口徑發(fā)電裝機(jī)容量的20.6%，是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主力軍。同時(shí)，太陽(yáng)能和風(fēng)能作為間歇性可再生能源，大規(guī)模并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)帶來(lái)壓力。相關(guān)研究表明，間歇性可再生能源滲透率不宜超過(guò)電力需求的30%～35%[3]。未來(lái)的電力系統(tǒng)需要更加靈活的調(diào)峰儲(chǔ)能特性。

抽水蓄能電站主要在電力系統(tǒng)中承擔(dān)了調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)等多種功能，具有運(yùn)行靈活、清潔高效、經(jīng)濟(jì)較優(yōu)的特點(diǎn)。截至2019年底，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模3029萬(wàn)kW，位居世界第一。隨著高比例可再生能源的發(fā)展，部分抽水蓄能電站功能定位也逐漸拓展到面向光伏、風(fēng)電等多品種間歇性能源，通過(guò)多能互補(bǔ)的方式，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量電能輸出和利用。

基于合適的容量配比，抽水蓄能電站通過(guò)調(diào)節(jié)上、下水庫(kù)水量，平抑光伏、風(fēng)電等間歇性可再生能源出力過(guò)程，實(shí)現(xiàn)趨近需求的電能輸出。光伏發(fā)電出力特性與光照輻射強(qiáng)度、組件光敏性等因素有關(guān)，白天正午大發(fā)、夜晚不發(fā)，與電力系統(tǒng)用電負(fù)荷特性在時(shí)間上匹配性較好，但電量上存在差異。風(fēng)電出力具有相對(duì)較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，對(duì)于接入電力系統(tǒng)、適應(yīng)負(fù)荷需求的壓力相對(duì)較大，因此，新能源與抽水蓄能等儲(chǔ)能的混合系統(tǒng)是研究熱點(diǎn)方向。

1 模型方法

如果從全生命周期考慮，多能互補(bǔ)系統(tǒng)需要計(jì)入抽水蓄能、新能源等各類(lèi)電源在投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)不同時(shí)期的收入和成本。風(fēng)電場(chǎng)成本效益模型[4]發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電和抽水蓄能的匹配難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行最優(yōu)，需要引入更多的能源品種。西班牙Canary等小島風(fēng)能—抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行案例[5]研究發(fā)現(xiàn)，可以?xún)?yōu)先通過(guò)風(fēng)電和抽水蓄能運(yùn)行滿(mǎn)足負(fù)荷的情況下[6]，引入基荷電源。由于上水庫(kù)水量有限，如果全部風(fēng)電用于抽水，需要引入腰荷電源。多能互補(bǔ)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度模型[7]，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最大和可再生能源棄電量最小為目標(biāo)函數(shù)。如果為了反映多能互補(bǔ)對(duì)間歇性可再生能源的平抑[8]，以聯(lián)合輸出功率波動(dòng)最小，即方差最小[9]，可建立平滑功率輸出的高斯模型[10]或時(shí)段輸出功率與均值偏差最小模型[11]。多能互補(bǔ)系統(tǒng)建模時(shí)還可考慮[12]發(fā)電滿(mǎn)足輸電通道可用容量，安裝運(yùn)維總費(fèi)用最少[13]；輸出功率偏離發(fā)電計(jì)劃的懲罰費(fèi)用最小[14]；在減小棄風(fēng)、火電最小出力的基礎(chǔ)上，盡可能利用抽水蓄能吸納多余電量。以促進(jìn)光伏、風(fēng)電消納為目標(biāo)的模型[15]，可按照多能互補(bǔ)綜合出力與負(fù)荷特性吻合度最高、時(shí)段出力標(biāo)幺值與負(fù)荷率偏差最小建模。此外，還可采用經(jīng)濟(jì)效益最大[16]，即電價(jià)收益扣除水泵啟停成本最大為目標(biāo)函數(shù)，建立全天96個(gè)時(shí)段聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型。以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)時(shí)，可將電能質(zhì)量作為約束條件，令出力時(shí)間序列的均方差小于某一閾值[17]。為了兼顧發(fā)電效益和電能質(zhì)量，也可在目標(biāo)函數(shù)中考慮抽水蓄能機(jī)組啟停成本，并以偏離發(fā)電計(jì)劃作為懲罰項(xiàng)[18]。

針對(duì)風(fēng)光等新能源與抽水蓄能多能互補(bǔ)系統(tǒng)：以調(diào)度期經(jīng)濟(jì)效益最大，即考慮峰谷電價(jià)和水泵啟停成本的售電收入最大；實(shí)現(xiàn)風(fēng)光等新能源與抽水蓄能配合運(yùn)行，綜合出力趨近于負(fù)荷需求或外送要求，滿(mǎn)足輸出功率平穩(wěn)或偏差懲罰費(fèi)用最小。為簡(jiǎn)化求解，還可將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)將多目標(biāo)通過(guò)懲罰系數(shù)、權(quán)重等方式進(jìn)行組合，也可將某個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件，比如將輸出功率偏差閾值作為約束條件。

2 模型結(jié)構(gòu)

本文在模型構(gòu)造時(shí)，先進(jìn)行無(wú)量綱化處理，負(fù)荷需求采用負(fù)荷率，隨時(shí)間變化形成負(fù)荷曲線。模型的目標(biāo)函數(shù)是光伏、風(fēng)電等間歇性可再生能源出力過(guò)程，經(jīng)抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)電或抽水調(diào)度后，與負(fù)荷曲線的均方差最小。在約束條件中，體現(xiàn)抽水蓄能上、下水庫(kù)庫(kù)容約束、發(fā)電工況和抽水工況的功率約束及互斥約束、計(jì)算周期內(nèi)抽發(fā)平衡約束以及上、下水庫(kù)在抽水儲(chǔ)能和放水發(fā)電之間水量平衡。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：Pws——多能互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏風(fēng)電出力，kW；

Ph——抽水蓄能機(jī)組發(fā)電出力，kW；

Pp——抽水蓄能機(jī)組抽水功率，kW；

Pd——需求功率，kW；

n——時(shí)段數(shù)，下標(biāo)i表示第i時(shí)段。

對(duì)于每一個(gè)時(shí)段i的約束條件如下：

式中：Vup、Vdown——抽水蓄能電站上、下水庫(kù)庫(kù)容；

Ph,max、Ph,min、Pp,max、Pp,min——抽水蓄能電站發(fā)電出力和抽水功率的最大值和最小值；

Phwork、Ppwork——抽水蓄能電站的發(fā)電工況和抽水工況，兩者均為0/1變量，且存在互斥關(guān)系，不能同時(shí)既抽水又發(fā)電。

時(shí)間遞推關(guān)系如下：

式中：Qp、Qh分別為時(shí)段t平均抽水流量和發(fā)電流量。

變量關(guān)系如下：

式中：Zup、Zdown——抽水蓄能電站上、下水庫(kù)水位，可通過(guò)水位庫(kù)容曲線計(jì)算；

Ph、Pp——抽水蓄能電站的發(fā)電功率和抽水功率；

η——抽水/發(fā)電功率轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。

系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)抽發(fā)平衡，上、下水庫(kù)水位回歸初始狀態(tài)；抽水和發(fā)電功率按照效率系數(shù)轉(zhuǎn)換。該模型的目標(biāo)函數(shù)通過(guò)對(duì)負(fù)荷曲線的逼近，體現(xiàn)了抽水蓄能平抑光伏風(fēng)電輸出功率波動(dòng)以及與需求相匹配的電能輸出。

3 案例構(gòu)造

3.1 邊界條件

本文以西北某光伏、風(fēng)電清潔能源基地3月典型周出力過(guò)程，配套180萬(wàn)kW抽水蓄能電站，趨近負(fù)荷曲線為例進(jìn)行模擬，基于優(yōu)化算法建模[19]，構(gòu)造整型非線性規(guī)劃模型展開(kāi)研究，模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

續(xù)表

3.2 計(jì)算方案

風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性較大，尤其在我國(guó)西部地區(qū)多出現(xiàn)連續(xù)大風(fēng)天氣，易造成出力過(guò)程的間歇性。疊加光伏出力后，雖然仍存在波動(dòng)性，但增加了出力過(guò)程的規(guī)律性，體現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)。但是，尖峰和低谷仍不可避免，對(duì)電力系統(tǒng)仍存在不利影響。抽水蓄能電站兼具調(diào)峰和填谷能力，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。本文首先分析間歇性可再生能源風(fēng)電、光伏與抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模配比對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的影響。其次，考慮不同的抽水蓄能電站初始庫(kù)容對(duì)調(diào)節(jié)效果的影響。

3.2.1 規(guī)模配比

在綜合考慮風(fēng)電、火電、抽水蓄能電站、輸電通道運(yùn)行要求的大系統(tǒng)平衡中，相關(guān)研究[7]采用400萬(wàn)kW抽水蓄能配合2131萬(wàn)kW風(fēng)電基地進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算。風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)[15]，采用350萬(wàn)kW風(fēng)電、光伏配套180萬(wàn)kW抽水蓄能進(jìn)行負(fù)荷平衡計(jì)算。對(duì)于中小型混合系統(tǒng)，相關(guān)案例研究采用的抽水蓄能與間歇性可再生能源裝機(jī)容量比例在18% ～ 80%[7-8，10-11，14，16-18]。本研究基于180萬(wàn) kW 抽水蓄能，按照光伏、風(fēng)電和負(fù)荷曲線的標(biāo)幺值，選取500萬(wàn)kW和1000萬(wàn)kW間歇性可再生能源進(jìn)行配比方案研究。

3.2.2 初始蓄水量

抽水蓄能電站上、下水庫(kù)的初始庫(kù)容決定了抽水蓄能初始儲(chǔ)能，是優(yōu)化算法的初始條件，賦值過(guò)小或過(guò)大均可能導(dǎo)致局部尋優(yōu)，結(jié)果有偏。上水庫(kù)蓄水量的下限和上限在717萬(wàn)～4940萬(wàn)m3，相應(yīng)地，下水庫(kù)蓄水量范圍為6083萬(wàn)～1860萬(wàn)m3。上水庫(kù)蓄水量中值為2828.5萬(wàn)m3，上下水庫(kù)蓄水量均值為3400萬(wàn)m3。以上水庫(kù)為例，初始庫(kù)容選取2800萬(wàn)m3，以1000萬(wàn)m3為步長(zhǎng)，分析1800萬(wàn)、2800萬(wàn)、3800萬(wàn)、4800萬(wàn)m34種初始蓄水量對(duì)抽水蓄能電站運(yùn)行調(diào)度方式的影響。

3.2.3 結(jié)果分析

（1）規(guī)模配比對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的影響。

兩方案中，方案一多能互補(bǔ)系統(tǒng)整體規(guī)模較小，抽水蓄能電站比重相對(duì)較大，配比達(dá)到1：0.36。經(jīng)抽水蓄能調(diào)度后，不同庫(kù)容時(shí)，系統(tǒng)出力與負(fù)荷曲線偏差的均方差在38.96～58.95，原間歇性可再生能源出力與負(fù)荷曲線偏差的均方差為110.24。經(jīng)抽水蓄能調(diào)度平滑后，與需求過(guò)程的偏差占原水平的35%～53%。方案二，多能互補(bǔ)系統(tǒng)整體規(guī)模增倍，間歇性可再生能源出力與需求偏差的均方差增倍，為220.48。但是，抽水蓄能規(guī)模不變，配比為1：0.18。經(jīng)調(diào)節(jié)后，多能互補(bǔ)系統(tǒng)出力與需求偏差的均方差在114.25～122.14，達(dá)到原水平的52%～55%。隨著抽水蓄能電站規(guī)模比重減小，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性將大幅減小。

（2）初始庫(kù)容對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的影響。

本案例通過(guò)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)上下水庫(kù)蓄水量回歸初始狀態(tài)，便于進(jìn)行下一個(gè)周期接續(xù)計(jì)算。通過(guò)比較1800萬(wàn)、2800萬(wàn)、3800萬(wàn)、4800萬(wàn)m34種初始蓄水量相應(yīng)綜合出力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)抽水蓄能在多能互補(bǔ)系統(tǒng)占比較大時(shí)，上水庫(kù)初始蓄水量處于上下水庫(kù)總水量平均狀態(tài)3800萬(wàn)m3時(shí)，優(yōu)化調(diào)度的綜合出力效果優(yōu)于其他工況。該狀態(tài)在抽水和發(fā)電兩方面均具有較大空間，且優(yōu)化計(jì)算不易陷入局部最優(yōu)。

隨著多能互補(bǔ)系統(tǒng)規(guī)模增大，抽水蓄能占比相對(duì)減小，為了配合新能源、充分發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，抽水蓄能經(jīng)常需要啟動(dòng)全發(fā)全抽模式，因此方案二的日內(nèi)和全周期消落深度均增大。由于本案例全周期總發(fā)電量28050萬(wàn)kWh，負(fù)荷曲線總需求電量27692萬(wàn)kWh，且間歇性可再生能源供給波動(dòng)較大、尖峰突出。通過(guò)上水庫(kù)蓄水量變化可見(jiàn)，水量多次接近上限，但基本不探底。因此，抽水蓄能在該過(guò)程中以抽水儲(chǔ)能工況更為顯著。由此，上水庫(kù)儲(chǔ)能較小、抽水空間較大的方案如初始蓄水量1800萬(wàn)m3時(shí)，效果更好。

（3）抽水蓄能運(yùn)行方式。

服務(wù)于電力系統(tǒng)的抽水蓄能電站，通常在白天負(fù)荷高峰發(fā)電、夜晚負(fù)荷低谷抽水。但是，與間歇性可再生能源配合，尤其與光伏配套運(yùn)行的抽水蓄能電站，主要在光伏大出力的白天9：00～16：00抽水儲(chǔ)能，其他時(shí)段發(fā)電。該方式不同于傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)，有待出臺(tái)針對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的綜合電價(jià)體系。

表2 規(guī)模配比和初始庫(kù)容對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)影響Table 2 Effect by scale matching ratio and initial water storage

圖1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)出力情況Figure 1 Output of hybrid system

圖2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)庫(kù)容變化情況Figure 2 Variation of water storage of hybrid system

圖3 多能互補(bǔ)系統(tǒng)抽水發(fā)電情況Figure 3 Working state of pumped-storage station in the hybrid system

4 結(jié)論建議

（1）本文梳理了抽水蓄能與風(fēng)電、光伏等間歇性可再生能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)的研究進(jìn)展，按照歸一化處理方法，建立了以多能互補(bǔ)系統(tǒng)綜合出力與負(fù)荷需求偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮上下水庫(kù)庫(kù)容約束、抽水發(fā)電功率約束、抽水發(fā)電工況約束、抽水發(fā)電效率轉(zhuǎn)換、抽發(fā)平衡、水量平衡等因素，可以通過(guò)抽水蓄能上、下水庫(kù)蓄水量變化，調(diào)節(jié)多能互補(bǔ)系統(tǒng)出力過(guò)程的優(yōu)化模型。

（2）本文基于優(yōu)化算法建立整型非線性規(guī)劃優(yōu)化模型，以西北某光伏、風(fēng)電清潔能源基地出力過(guò)程配套180萬(wàn)kW抽水蓄能電站構(gòu)造算例，分析規(guī)模配比和初始蓄能量對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)出力效果的影響。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)抽水蓄能調(diào)節(jié)，綜合出力與需求偏差的均方差可減小50%左右。隨著抽水蓄能比重的減小，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的可調(diào)性相應(yīng)減少。抽水蓄能在多能互補(bǔ)系統(tǒng)占比較大時(shí)，初始蓄水量處于平均狀態(tài)較優(yōu)。抽水蓄能占比相對(duì)較小時(shí)，根據(jù)間歇性可再生能源的調(diào)峰儲(chǔ)能需求，以?xún)?chǔ)能為主時(shí)，上水庫(kù)初始蓄水量較小更優(yōu)。

（4）相對(duì)于服務(wù)電力系統(tǒng)負(fù)荷需求的常規(guī)抽水蓄能電站，與間歇性可再生能源配套的抽水蓄能電站，尤其在光伏白天大出力時(shí)采取抽水工況，有別于傳統(tǒng)方式，有待出臺(tái)考慮多能互補(bǔ)一體化運(yùn)營(yíng)的綜合電價(jià)政策。