基于電量共享的梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略

夏依莎，劉俊勇，劉繼春，李蕓漫，韓曉言，丁理杰，高紅均

（1. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2. 國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國售電側(cè)改革的穩(wěn)步推進(jìn)，電力市場中將涌入大量社會(huì)主體展開激烈競爭，逐漸形成主體多元、競爭有序的電力交易格局［1］。在偏遠(yuǎn)地區(qū)有很多含豐富水光電源的獨(dú)立鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體，其在滿足自身負(fù)荷需求的同時(shí)，也試圖充分協(xié)調(diào)利用內(nèi)部資源以實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益［2］。由于各個(gè)用電體都是獨(dú)立運(yùn)行的，其用電模式和行為存在差異性，對(duì)這類鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體進(jìn)行互補(bǔ)式經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，能夠合理利用其內(nèi)部資源來實(shí)現(xiàn)資源共享，提升整體經(jīng)濟(jì)效益。此外，用電體內(nèi)分布式光伏發(fā)電出力隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)給電網(wǎng)的平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)［3］，通常通過配置水電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組來補(bǔ)償光伏發(fā)電出力，平滑該出力波動(dòng)。

目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法開展了研究［4-5］。文獻(xiàn)［4］建立風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，提高了總出力的可調(diào)能力和對(duì)風(fēng)光的消納能力。文獻(xiàn)［5］建立以最大化系統(tǒng)收益以及平滑風(fēng)電和光伏發(fā)電出力波動(dòng)性為目標(biāo)的調(diào)度模型，并利用機(jī)會(huì)成本方法對(duì)可調(diào)元素的替代效益進(jìn)行分析。雖然關(guān)于清潔能源高比例滲透的多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究已較為成熟，但這些研究主要針對(duì)風(fēng)光水互補(bǔ)，實(shí)際上梯級(jí)水電與光伏互補(bǔ)系統(tǒng)在緩解光伏波動(dòng)的同時(shí)會(huì)影響梯級(jí)水電基于水資源利用而制定的發(fā)電計(jì)劃，造成水資源無法得到充分利用，因此應(yīng)該考慮在發(fā)電側(cè)利用靈活性更強(qiáng)的抽水蓄能機(jī)組來平抑光伏波動(dòng)［6］，如四川小金縣等地區(qū)采用比常規(guī)恒速恒頻抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)、發(fā)電／抽水效率更高的變速恒頻抽水蓄能機(jī)組。然而，目前針對(duì)水光蓄三者互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究還較少。

此外，眾多學(xué)者在運(yùn)營商對(duì)單個(gè)用電體的優(yōu)化管控和可控元素的協(xié)調(diào)調(diào)用方面開展了大量研究［7-8］。文獻(xiàn)［7］提出基于指數(shù)變化的需求響應(yīng)機(jī)制，以改善源荷兩側(cè)的匹配度以及提升系統(tǒng)風(fēng)光消納量。文獻(xiàn)［8］通過改變可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的時(shí)間使光伏發(fā)電出力與負(fù)荷曲線更貼合，從而提高對(duì)光伏發(fā)電的消納。然而上述文獻(xiàn)都只針對(duì)單個(gè)用電體，沒有考慮對(duì)不同用電體的管控協(xié)調(diào)和資源共享。將單個(gè)用電體能源管控?cái)U(kuò)展到多用電體聯(lián)盟形成的聯(lián)合體中，擴(kuò)大資源共享優(yōu)化范圍，能夠進(jìn)一步提高各用電體以及整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［9］驗(yàn)證在社會(huì)資本大量涌現(xiàn)的背景下，多獨(dú)立個(gè)體的聯(lián)盟有利于各個(gè)體之間的信息和能量流動(dòng)。文獻(xiàn)［10］以最小化成本和減少電量偏差為目標(biāo)，優(yōu)化得到可中斷負(fù)荷量及電量互給時(shí)的轉(zhuǎn)移電量，并對(duì)集合總費(fèi)用進(jìn)行分配。上述文獻(xiàn)采用的共享策略均可應(yīng)用于直接與主網(wǎng)交易的用電體聯(lián)盟的優(yōu)化調(diào)度中，但不能應(yīng)用于地處偏遠(yuǎn)地區(qū)而無法直接與主網(wǎng)交易的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體聯(lián)盟的優(yōu)化調(diào)度中。

為此，本文針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出基于電量共享策略的梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。首先，搭建由包括分布式光伏、梯級(jí)小水電、剛性負(fù)荷和可控負(fù)荷的鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體與可調(diào)用抽水蓄能的區(qū)域電網(wǎng)組成的系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體之間、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體與區(qū)域電網(wǎng)之間、區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的信息和能量流動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析；其次，搭建以實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體和區(qū)域運(yùn)營商經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)的日前兩階段共享優(yōu)化調(diào)度模型，在模型中考慮梯級(jí)水電中水力、電力之間聯(lián)系產(chǎn)生的復(fù)雜約束，可控負(fù)荷可中斷時(shí)間和轉(zhuǎn)移時(shí)間約束以及區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)的購售電約束，并按參與共享的鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)函數(shù)進(jìn)行利益最優(yōu)分配；最后，通過不同場景下的算例分析驗(yàn)證所提模型和方法的合理性和有效性。

1 基于電量共享的水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略

1.1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體之間的電量共享策略

經(jīng)濟(jì)對(duì)等的多方利益主體可以構(gòu)成聯(lián)合體，多個(gè)主體之間良好的交互性有利于合理分配資源，提高整體收益，進(jìn)而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。由于電能充足的用電體向配電網(wǎng)的售電電價(jià)低于存在電能缺口的用電體的購電電價(jià)，因此余電鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體與缺電鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體可以構(gòu)成聯(lián)合體，采用電量共享策略使剩余電量在聯(lián)合體內(nèi)部充分消耗后，再與上級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行交互。剩余電量是指鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體滿足其自身日用負(fù)荷、可控負(fù)荷和水電發(fā)電需求之后所剩的電量。由用電體內(nèi)部優(yōu)化共享模型可得到鄉(xiāng)鎮(zhèn)需要從區(qū)域電網(wǎng)購買的電量或售給區(qū)域電網(wǎng)的剩余電量。該調(diào)度方法有利于實(shí)現(xiàn)更大范圍的可控資源優(yōu)化共享，減少從配電網(wǎng)的購電量，提升鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體經(jīng)濟(jì)效益。每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部的可控元素為可中斷負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和水電，不可控元素為剛性負(fù)荷和光伏發(fā)電。參與電量共享的鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal architecture of township consortium

1.2 水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法

鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)部資源經(jīng)區(qū)域運(yùn)營商的統(tǒng)一管控被充分消耗后再與區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行交互。若鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體存在電量缺口，則區(qū)域電網(wǎng)向其售電，所售電量一部分來自抽水蓄能機(jī)組出力，另一部分從主網(wǎng)購買。若鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)光伏發(fā)電有富余，則區(qū)域電網(wǎng)從鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體購買剩余電量，并調(diào)用抽水蓄能機(jī)組與之進(jìn)行互補(bǔ)，使輸出的功率曲線更平滑，在保證自身負(fù)荷需求以及滿足購售電波動(dòng)約束的前提下將電量售給主網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自身效益最大化。梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化共享模型如圖2所示。

圖2 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化共享模型Fig.2 Optimal sharing model for hybrid generation system

2 梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化共享模型

2.1 基于電量共享的鄉(xiāng)鎮(zhèn)日前優(yōu)化調(diào)度模型2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體中每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)可以與鄰近鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行電量共享，然后鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體在電量出現(xiàn)缺額或盈余時(shí)與區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行交易，實(shí)現(xiàn)整體效益最大的目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)中除了外部售電收益還考慮外部購電費(fèi)用、需求響應(yīng)成本、梯級(jí)水電購電成本和過網(wǎng)費(fèi)成本，如式（1）所示。

2.1.2 約束條件

鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體日前調(diào)度模型的約束條件包括系統(tǒng)的運(yùn)行約束，光伏發(fā)電、梯級(jí)水電等各類型電源機(jī)組的運(yùn)行特性約束及各可控元素的約束等，具體如下：

部分研究［3，11-12］采用二次函數(shù)模型如式（9）所示，通過流量計(jì)算梯級(jí)水電出力，梯級(jí)水電的水位約束、出力約束、流量約束以及上、下游水庫水力聯(lián)系約束如附錄A 式（A1）—（A7）所示；式（10）為分布式光伏發(fā)電的出力模型，本文采用場景生成法解決分布式電源的不確定性問題［13］；式（11）為電量平衡約束；式（12）為光伏最大出力約束；式（13）和式（14）分別為可中斷負(fù)荷上、下限約束和各時(shí)段狀態(tài)連續(xù)性約束；式（15）為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷一個(gè)時(shí)段的上、下限約束；式（16）為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)間約束；式（17）為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷守恒約束；式（18）為電量共享的上、下限約束；式（19）表示2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體之間在同一時(shí)段只能單向傳輸電量；式（20）表示鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體和區(qū)域電網(wǎng)在同一時(shí)段只能單向輸送電量；式（21）表示區(qū)域電網(wǎng)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體間輸電線路容量約束。

2.2 考慮水光互補(bǔ)的區(qū)域電網(wǎng)日前優(yōu)化模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文區(qū)域電網(wǎng)收益來源是向鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體和主網(wǎng)售電，成本包括與鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體、主網(wǎng)的交易成本和抽水蓄能抽水儲(chǔ)電總成本。本階段目標(biāo)為區(qū)域電網(wǎng)在滿足自身負(fù)荷需求和購、售電波動(dòng)約束的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大。

2.2.2 約束條件

約束條件如下：

式（29）為區(qū)域電網(wǎng)的電量平衡約束。式（30）為購、售電波動(dòng)率約束。根據(jù)互補(bǔ)性指標(biāo)可以判斷區(qū)域電網(wǎng)水光蓄互補(bǔ)出力變化率是否滿足向主網(wǎng)售電的要求［14］。式（32）為水光蓄互補(bǔ)約束，表示區(qū)域電網(wǎng)向主網(wǎng)售電時(shí)源側(cè)總出力曲線變化率不得超過限值。抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行特性約束如附錄A 式（A8）—（A12）所示。

3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體收益分配模型

多參與者合作模型效益分?jǐn)倖栴}的求解方法有多種［15］，如最大最小費(fèi)用MCRS（Minimum Cost Re?maining Saving）法等。每個(gè)參與鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體都希望自身分配的利益高，分?jǐn)偟某杀镜停虼诵璞ＷC鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體能夠按照自身貢獻(xiàn)公平公正地分配收益和分?jǐn)偝杀?。鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體按集體統(tǒng)一決策決定其與其他用電體之間以及與區(qū)域電網(wǎng)之間的交換電量，這屬于合作博弈問題，當(dāng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體數(shù)量較多時(shí)，計(jì)算的場景數(shù)量和難度呈指數(shù)增加，因此采用MCRS法進(jìn)行鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體總效益在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體間的分配。MCRS 法按照參與聯(lián)盟者愿意接受的最大收益和最小收益的差值的比例來分?jǐn)傎M(fèi)用［13］。將全體鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體的集合記為大聯(lián)盟N=｛1，2，…，n｝，其中n為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體總數(shù)。虛擬集合的費(fèi)用為v(N)，v(i)和v(N{i})分別為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體i單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的費(fèi)用和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體i沒有加入集合N時(shí)的總費(fèi)用。將鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體i的單獨(dú)優(yōu)化效益和邊際收益分別作為其最低分配效益xi，min和最高分配效益xi，max，如式（33）和式（34）所示。

采用MCRS 法得到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體i的分配效益xi為：

4 求解算法

對(duì)本文模型求解的具體步驟如下。

1）采用場景分析法由原始光伏發(fā)電生成典型場景集。

式中：ε(t-1)為單位沖擊函數(shù)。令ω表示可中斷負(fù)荷持續(xù)中斷或不中斷時(shí)間，θ(ω，t)、η(ω，t)、θj，0、ηj，0如式（37）所示。

由此將偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和區(qū)域電網(wǎng)的日前優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，本文根據(jù)上述模型進(jìn)行編程并利用MATLAB 2015a 中CPLEX 商業(yè)軟件包進(jìn)行仿真求解，以驗(yàn)證模型的有效性。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文算例以四川某縣水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為驗(yàn)證模型的合理性和有效性，將該地區(qū)劃分為3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別的區(qū)域，以夏季某日用電情況為例，以Δt=1 h 為1 個(gè)時(shí)段，對(duì)全天共T=24 個(gè)時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。首先各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體對(duì)內(nèi)部資源進(jìn)行聚合共享，再由區(qū)域電網(wǎng)根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果制定下一步?jīng)Q策方案。參與聯(lián)盟的用戶均同意進(jìn)行與鄰域的電量共享。算例中各參數(shù)如下。

1）鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體和區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù)。

本文算例中的日負(fù)荷數(shù)據(jù)取自該縣的實(shí)際數(shù)據(jù)，該縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體的日負(fù)荷曲線和可控負(fù)荷參數(shù)分別如附錄A 圖A1 和表A1 所示。區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷參考文獻(xiàn)［17］。

2）光伏參數(shù)。

本文首先通過分析歷史數(shù)據(jù)得到各場景下的光伏發(fā)電出力和概率，再通過式（10）得到光伏發(fā)電出力預(yù)測值，結(jié)果如附錄A 圖A2所示。鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體某日光伏電站出力與負(fù)荷如附錄A圖A3所示。

3）抽水蓄能和梯級(jí)水電參數(shù)。

區(qū)域電網(wǎng)中的變速恒頻抽水蓄能機(jī)組蓄放電成本為0.008元／（kW·h），蓄電量上限為30 MW·h，初始容量為10 MW·h，其他參數(shù)如附錄A 表A1 所示。梯級(jí)水電的售電價(jià)格以及在不同來水期的具體參數(shù)見文獻(xiàn)［3］。

4）電價(jià)參數(shù)。

將全天24 h 的用電情況劃分成高峰時(shí)段、平時(shí)段和低谷時(shí)段，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體1和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體2采用工業(yè)電價(jià)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體3 采用商業(yè)電價(jià)［14］。區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)執(zhí)行的分時(shí)電價(jià)體系以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體中可中斷負(fù)荷的中斷成本和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的成本見文獻(xiàn)［10］。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體與區(qū)域電網(wǎng)的電價(jià)見文獻(xiàn)［18］。過網(wǎng)費(fèi)成本為區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)購、售電電價(jià)的差值。

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提模型和方法的有效性，設(shè)置6個(gè)不同的對(duì)比場景如表1所示。

表1 仿真場景信息Table 1 Information of simulation scenarios

5.2.1 電量共享策略對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體的負(fù)荷大小在不同時(shí)段存在明顯差異，因此可在該鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)實(shí)現(xiàn)剩余電量的有效共享。附錄A 圖A4為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體1在場景1下的功率平衡圖，可看出，對(duì)各可控元素的合理調(diào)用使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體1 與外部區(qū)域電網(wǎng)的交易方式發(fā)生了很大變化：在00:00—03:00 和20:00—24:00 光伏發(fā)電出力不足，不能滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體1 的負(fù)荷需求，其通過調(diào)用可中斷負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和梯級(jí)小水電，以及從其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體獲得電量的方式來減少自身電量的缺額，減少從區(qū)域電網(wǎng)的購電量；在08:00和17:00—21:00 電價(jià)較高，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體1 向其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體供電，可以減少鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體的購電量以及增加向區(qū)域電網(wǎng)的售電量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)MCRS 法，效益分配結(jié)果見表2。由表可知：單獨(dú)交易時(shí)3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體費(fèi)用總計(jì)1 460 萬元；經(jīng)本文模型優(yōu)化，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體在單獨(dú)交易時(shí)的效益均低于在鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體中參與電量共享時(shí)的交易效益。

表2 不同虛擬集合的效益Table 2 Benefit of different virtual sets

場景1 和場景3 下鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體3 內(nèi)可控負(fù)荷的調(diào)用情況如表3 所示。由表可知，電量共享的參與使可控負(fù)荷的調(diào)用次數(shù)明顯減少，由于可控負(fù)荷的調(diào)用成本較高，當(dāng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體電量出現(xiàn)缺口時(shí)首先從其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體吸收功率，使資源在鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)部被充分消耗，其次再考慮調(diào)用可控負(fù)荷。各可控元素通過協(xié)同配合共同提高了鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體的經(jīng)濟(jì)性。

表3 場景1和場景3下鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體3可控負(fù)荷的調(diào)用情況Table 3 Dispatching condition of controllable loads for Township Level Power Consumer 3 under Scenario 1 and Scenario 3

圖3 為場景1 下鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體2 的電量交換情況。在07:00—08:00、10:00—14:00、15:00—17:00和20:00—21:00，由于光伏發(fā)電出力不足，鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體中與鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體2 相鄰的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體將剩余電量輸送到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體2，滿足其內(nèi)部負(fù)荷需求。在其他光伏發(fā)電出力充足的時(shí)段，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體2在運(yùn)營商的管控協(xié)調(diào)下將一部分電量貢獻(xiàn)給存在電量缺口的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體，將另一部分電量售給區(qū)域電網(wǎng)。

圖3 場景1下鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體2的電量交換情況Fig.3 Power exchange condition of Township Level Power Consumer 2 under Scenario 1

5.2.2 不同來水期梯級(jí)水電對(duì)內(nèi)部優(yōu)化結(jié)果的影響

為充分對(duì)比不同季節(jié)的來水對(duì)水光互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行收益的影響，對(duì)場景1 豐水期、場景4 平水期和場景5 枯水期下鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)部水光互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化出力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表4所示。

表4 光伏發(fā)電利用率和效益Table 4 Photovoltaic generation utilization and benefits

由于水電出力能力受到水資源的限制，豐水期、平水期、枯水期各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水光互補(bǔ)電量呈逐漸下降的趨勢，豐水期的效益是最高的。在豐水期，梯級(jí)水電來水充足，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體在滿足自身負(fù)荷和可控元素所需后將剩余電量售給區(qū)域電網(wǎng)，相比于不考慮梯級(jí)水電，效益得到明顯提高；在平水期，梯級(jí)水電來水量減少，梯級(jí)水電的調(diào)節(jié)能力在一定程度上減弱，但仍能與光伏發(fā)電互補(bǔ)出力來提高光伏發(fā)電利用率；在枯水期，梯級(jí)水電的調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步減弱，對(duì)光伏發(fā)電利用率的提高程度有所下降，效益較豐水期降低，梯級(jí)水電的發(fā)電比例隨著梯級(jí)水電水量的減少而降低。

5.2.3 區(qū)域電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化結(jié)果分析

鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體水光互補(bǔ)出力具有較大的波動(dòng)性，電源質(zhì)量較差，不能滿足主網(wǎng)的購、售電波動(dòng)約束。區(qū)域電網(wǎng)需調(diào)用抽水蓄能平滑水光出力波動(dòng)，因此在得到鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體內(nèi)部優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)運(yùn)行電力系統(tǒng)仿真計(jì)算。

水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)與主網(wǎng)交換功率的仿真結(jié)果如圖4 所示，其中交換功率為正值時(shí)表示從主網(wǎng)購電，為負(fù)值時(shí)表示向主網(wǎng)售電。在00:00—07:00、09:00—10:00 和18:00—24:00，區(qū)域電網(wǎng)從鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體購買的剩余電量遠(yuǎn)不及負(fù)荷需求，且這些時(shí)段的市場電價(jià)不高，此時(shí)缺額電量需從主網(wǎng)購買。在其余時(shí)段，市場電價(jià)高，抽水蓄能放水發(fā)電與購買的剩余電量互補(bǔ)后用以滿足內(nèi)部負(fù)荷需求，在有多余電能時(shí)區(qū)域電網(wǎng)向主網(wǎng)售電，從而獲取相應(yīng)收益。

圖4 電量交互情況Fig.4 Power exchanging condition

對(duì)于水光蓄互補(bǔ)特性，本文分別從水光蓄互補(bǔ)和水光互補(bǔ)的角度對(duì)互補(bǔ)發(fā)電時(shí)的波動(dòng)率進(jìn)行分析，如表5 所示。水光蓄互補(bǔ)時(shí)波動(dòng)率低于水光互補(bǔ)時(shí)的波動(dòng)率，這說明梯級(jí)水電、光伏發(fā)電和抽水蓄能三者聯(lián)合發(fā)電功率輸出的互補(bǔ)性優(yōu)于水光互補(bǔ)功率輸出的互補(bǔ)性。梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電增加了區(qū)域電網(wǎng)的效益，平緩了區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的購、售電波動(dòng)。

表5 不同運(yùn)行方式下的結(jié)果比較Table 5 Comparison of results between different operation modes

6 結(jié)論

本文針對(duì)光能豐富和輸電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)，考慮清潔能源出力的季節(jié)性和波動(dòng)性，提出基于電量共享的梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。通過對(duì)某縣的實(shí)際算例分析得出以下結(jié)論。

1）參與電量共享的鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)合體可以有效整合各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體的資源，以集中優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)外部電網(wǎng)與本地資源的合理交易。

2）梯級(jí)水電出力、光伏發(fā)電出力和抽水蓄能三者合成功率輸出的互補(bǔ)性高于水光功率輸出的互補(bǔ)性，梯級(jí)水光蓄聯(lián)合發(fā)電可以有效平抑光伏發(fā)電的波動(dòng)性。調(diào)用抽水蓄能與水光出力互補(bǔ)可以削弱區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)進(jìn)行電量交易時(shí)的功率波動(dòng)。

3）在效益分配階段，按參與共享的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)用電體的貢獻(xiàn)函數(shù)進(jìn)行利益最優(yōu)分配，可充分調(diào)動(dòng)各成員參與聯(lián)盟進(jìn)行電量共享的積極性。

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