抽水蓄能電站在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)優(yōu)化作用

鄧振辰*，文冰

（1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司）

0 引言

當前，能源低碳化、清潔化發(fā)展的趨勢日益彰顯，風力發(fā)電、光伏發(fā)電快速崛起，可再生能源在電力系統(tǒng)中的占比顯著上升。但隨著波動性可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電力系統(tǒng)也面臨一系列挑戰(zhàn)，棄風棄光、調(diào)峰困難、電壓及頻率波動等問題亟待解決[1]。高比例可再生能源并網(wǎng)將改變電力系統(tǒng)的形態(tài)，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制、調(diào)度運行等領(lǐng)域帶來重大變革[2]。文獻[2]對不同可再生能源發(fā)電滲透率進行電力系統(tǒng)發(fā)展階段劃分，將可再生能源發(fā)展分為中比例（10%～30%）、高比例（30%～50%）和極高比例（50%～100%）3個階段，而應對高比例可再生能源電力系統(tǒng)面臨的諸多新挑戰(zhàn)，核心是解決可再生能源間歇性帶來的時空不確定性與并網(wǎng)方式帶來的高比例電力電子化兩大關(guān)鍵科學問題[3-4]。針對可再生能源出力的間歇性和波動性造成的棄電問題，文獻[5]利用常規(guī)水電進行補償調(diào)節(jié)電源，通過水風光互補，以降低組合電源波動，更好地匹配負荷特性，降低棄電限電；文獻[6]提出利用電化學儲能配比可再生能源降低棄電的經(jīng)濟性計算方法；文獻[7]提出了新能源大規(guī)模并網(wǎng)情景下，集中式儲能的規(guī)劃方法，提出儲能在電力系統(tǒng)中的應用場景，并分析儲能的引入對規(guī)劃問題建模的影響；文獻[8]提出采用氫能虛擬電廠的方法與集中式風電場聯(lián)合運行，利用棄風進行制氫，從而降低棄風限電增加系統(tǒng)的能量利用效率，并建立以典型日運行成本最低為目標的虛擬棄風-制氫聯(lián)合體經(jīng)濟調(diào)度模型，計算分析該方法的經(jīng)濟性?？梢?，利用儲能或調(diào)節(jié)電源對可再生能源進行補償調(diào)節(jié)。優(yōu)化調(diào)度是應對高比例可再生能源波動性、間歇性的關(guān)鍵舉措[9-12]。抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)最經(jīng)濟的規(guī)?；瘍δ苷{(diào)節(jié)電源，它既是發(fā)電廠，又是用戶，具備調(diào)峰填谷、儲能調(diào)節(jié)作用。抽水蓄能電站與可再生能源配合運行，可以通過優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)對電源出力靈活的補償調(diào)節(jié)，組合電源可調(diào)可控，與負荷特性更好地匹配，緩解由于電源出力的波動性、間歇性造成的棄電和對電網(wǎng)的沖擊，有效地為上述問題提供解決方案。

為探索抽水蓄能電站在高比例可再生能源電力系統(tǒng)的運行方式，量化它在系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用和效益，本文以某地方電網(wǎng)為例，梳理高比例可再生能源電力系統(tǒng)存在問題，結(jié)合抽水蓄能電站的運行方式和特點，分析研究抽水蓄能電站的運行效益和作用，并分析該系統(tǒng)相對較優(yōu)的抽水蓄能電站規(guī)模。

1 研究思路及方法

1.1 研究思路

選取某高比例可再生能源的區(qū)域電網(wǎng)作為典型案例，擬定不同的抽水蓄能裝機規(guī)模情景，通過建立量化模型，模擬優(yōu)化各類電源運行，并對組合電源進行優(yōu)化調(diào)度，分析不同規(guī)模的抽水蓄能電站對高比例可再生能源電力系統(tǒng)的作用和效益。研究主要分為3個步驟：第一，建立量化模型，明確研究邊界條件，梳理區(qū)域電力系統(tǒng)的電源組成及出力特性、負荷特性等邊界條件；第二，以無抽水蓄能方案模擬電力系統(tǒng)運行，分析電力系統(tǒng)存在的主要問題；第三，考慮新增不同規(guī)模的抽水蓄能電站作為補充，分析計算系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并量化其效益。

1.2 系統(tǒng)運行模擬

模型可根據(jù)電網(wǎng)的負荷、各類電源的運行特性，模擬出力，并優(yōu)化組合電源的運行，通過逐小時的電力電量平衡得到各類電源的上網(wǎng)電量、棄電量等參數(shù)，從而得到電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)。

1.2.1 優(yōu)化目標

整體優(yōu)化策略以實現(xiàn)在一定的負荷條件下，通過抽水蓄能的調(diào)節(jié)作用，使得可再生能源的消納量最大、棄電量最小為目標，即各時段光伏發(fā)電、風電、水電的總上網(wǎng)電量加上儲能的變化量最大[13]，即：

式中：F——t時段內(nèi)等效可再生能源的最大消納量，kW；Pi,t——可再生能源種類i在t時段的出力，kW；Ps,t——抽水蓄能在t時段的出力（抽水為負，發(fā)電為正），kW；Pload——t時段系統(tǒng)的負荷需求，kW。

1.2.2 電源模擬及平衡策略

1.2.2.1 電源模擬原則

模型主要考慮的電源包括：抽水蓄能電站、常規(guī)水電、風電、光伏發(fā)電、地熱發(fā)電、燃煤火電及電網(wǎng)互聯(lián)通道。常規(guī)水電根據(jù)其調(diào)節(jié)庫容、徑流特性，以及生態(tài)、防洪、航運等運行調(diào)度要求，根據(jù)平水代表年的徑流過程進行出力模擬；風電和光伏發(fā)電根據(jù)其資源特性，按照不同季節(jié)典型出力過程計入；地熱發(fā)電按照典型日出力過程計入，燃煤火電按最高壓負荷率不高于30%計入[14]。

1.2.2.2 模型平衡原則

模型逐時段根據(jù)負荷對電源出力進行平衡安排。當各電源的整體出力大于負荷時：首先由外送通道送出，具備調(diào)節(jié)能力的水電蓄水降低出力，再次考慮抽水蓄能電站抽水運行；當上述操作之后仍有出力富余則形成棄水。當電源整體出力小于負荷時：首先根據(jù)水電的庫容判斷是否具備加大出力條件，若有則加大出力；其次判斷抽水蓄能電站儲能是否滿足發(fā)電條件，由抽水蓄能電站發(fā)電；最后加大互聯(lián)通道送電規(guī)模；以上操作完成后若仍然缺電則計入缺電[15]。

1.2.3 各類電源及約束

1.2.3.1 抽水蓄能機組

1）抽水發(fā)電工況約束

式中：a(t)——抽水蓄能機組抽水工況變量，1表示抽水工況，0表示處于非抽水工況；b(t)——抽水蓄能機組放水狀態(tài)變量，1表示發(fā)電工況，0表示處于非發(fā)電工況。

2）總蓄能量約束

式中：Smin——抽水蓄能電站最小蓄能值，kW·h；Smax——抽水蓄能電站最大蓄能值，kW·h；P(t)——抽蓄能電站t時段出力，kW；S(t)——抽蓄能電站t時段蓄能值，kW·h。

3）庫容約束

式中：Vup(t)、Vdown(t)——上下水庫任意時刻的水量，m3；Vsum——抽水蓄能電站上下庫運行總水量，m3；Vup,min、Vup,max——上水庫的最小、最大庫容，m3；Vdown,min、Vdown,max——下水庫的最小、最大庫容，m3。

4）發(fā)電出力和抽水入力約束

式中：Gmin、Gmax——機組的發(fā)電最小出力和發(fā)電最大出力，kW；Pum,min、Pum,max——機組的抽水最小入力和抽水最大入力，kW。

1.2.3.2 常規(guī)水電機組

1）機組出力約束

式中：Ph——水電出力，kW；Re——發(fā)電流量，m3/s；H——發(fā)電水頭，m；Ph,min、Ph,max——滿足該時段運行調(diào)度要求的最小和最大出力，kW。

2）流量約束

式中：Rout——水庫總的下泄流量，m3/s；Rmin、Rmax——該時段運行調(diào)度要求的最大、最小發(fā)電流量，m3/s；Rc——水庫棄水流量，m3/s。

3）水庫庫容

式中：Vh——庫容，m3；I——入庫流量，m3/s；Vmin、Vmax——最小庫容和最大庫容，m3。

4）水庫蓄能量

式中：Eh——水庫的蓄能量，kW·h。

5）棄水電量

式中：Eh,c——水庫的棄水電量，kW·h。

1.2.3.3 出力約束

式中：Pw、Ps——風電和光伏的實時出力，kW；Pw,th、Ps,th——風電和光伏的理論出力，kW。

1.2.3.4 聯(lián)網(wǎng)輸電線路

1）傳輸容量約束

式中：P(t)——線路實時傳輸?shù)娜萘?，kW；送入為正，送出為負；Pt,max——線路最大傳輸容量，kW。

2）負荷平衡約束

式中：i——不同的電源種類及線路；Pi——i類型能源的出力，kW；L——負荷，kW。

2 抽水蓄能在某高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的應用

某區(qū)域電網(wǎng)可再生能源發(fā)電裝機規(guī)模占比超過80%，是典型的高比例可再生能源電網(wǎng)，未來仍將不斷擴大可再生能源的開發(fā)利用規(guī)模。隨著風電、光伏發(fā)電裝機占比的不斷提高，近年來電網(wǎng)面臨著一系列的挑戰(zhàn)：該電網(wǎng)近三年棄光率超過25%，豐水期棄電與枯水期缺電并存，日間棄電與夜間缺電并存，新能源脫網(wǎng)等事故頻發(fā)[16-20]。

2.1 電力系統(tǒng)概況

2.1.1 電源結(jié)構(gòu)及出力特性

根據(jù)該區(qū)域的電源發(fā)展規(guī)劃，至2030年，發(fā)電總裝機為1 295×104kW，各類電源規(guī)模見表1。其中，可再生能源裝機占比約 96.8%，化石能源發(fā)電裝機占比 3.2%。水電和光伏發(fā)電是區(qū)域的主力電源，但由于80%以上的水電站為徑流式或日調(diào)節(jié)電站，調(diào)節(jié)能力弱，受冬季河流徑流減少影響，水電站出力大幅下降，豐水期與枯水期出力比約為5:1。

表1 某地區(qū)2030年發(fā)電裝機規(guī)模及類型

該區(qū)域有兩條電力輸送通道，分別為正負400 kV直流線路和220 kV交流線路，可與外部電網(wǎng)進行電力互換，平衡系統(tǒng)的豐枯供需矛盾，豐期最大送出電力190×104kW，枯期最大受入電力約95×104kW。

2.1.2 負荷特性

根據(jù)預測，該區(qū)域 2030年最大負荷為 510×104kW，全社會用電量238×108kW·h，年負荷特性見圖1。冬季12月負荷最大，夏季的8月、9月負荷較低。日負荷分冬、夏兩個典型日，負荷特性見圖2。

圖1 2030年該區(qū)域年負荷特性曲線

圖2 2030年該區(qū)域日負荷特性曲線

2.1.3 電源出力特性

常規(guī)水電根據(jù)其調(diào)節(jié)庫容、徑流特性，以及生態(tài)、防洪、航運等運行調(diào)度要求，根據(jù)平水代表年的徑流過程進行出力模擬。根據(jù)當?shù)仫L力發(fā)電和光伏發(fā)電近3年逐小時的出力曲線，分析得到不同月份典型日出力過程，采用各典型日的出力過程計入模型。

2.2 無抽水蓄能的運行狀態(tài)分析

2.2.1 典型日運行狀態(tài)

按照上述規(guī)劃電源的規(guī)模和出力特性、電網(wǎng)負荷，使用量化模型進行優(yōu)化運行模擬，得到冬季和夏季典型日的運行參數(shù)。

2.2.1.1 夏季典型日

在夏季，火電機組關(guān)機，運行的電源包括：水電、光伏發(fā)電、風電、地熱發(fā)電，聯(lián)網(wǎng)通道以送出方式運行。由于正值豐水期，水電出力大，全天平均出力 410×104kW，加之部分電站承擔防洪等任務，水電調(diào)峰難度加大；風電、光伏發(fā)電按其日典型出力曲線運行，全天最大出力約 410×104kW，最小出力3×104kW；聯(lián)網(wǎng)通道全天滿負荷外送190×104kW 電力。模擬運行結(jié)果表明：電網(wǎng) 7:00—17:00出現(xiàn)棄電，最大棄電量139×104kW，全天棄電量3 554×104kW。

2.2.1.2 冬季典型日

冬季時，火電機組開機運行，系統(tǒng)的電源包括：水電、光伏發(fā)電、風電、火電、地熱發(fā)電，聯(lián)網(wǎng)通道以受入電力方式運行。由于正值枯水期，水電出力大幅降低，平均出力 120×104kW。光伏和風電最大出力約425×104kW，最小出力4×104kW?；痣娨詿犭娐?lián)供方式運行，調(diào)節(jié)能力有限；聯(lián)網(wǎng)線路全天以受入電力方式運行，平均受入電力 120×104kW，棄電時段受入電力降低10%。運行成果表明：除光伏出力高峰時段 9:00—15:00存在棄光現(xiàn)象外，晚間高峰時段存在較大的電力缺口，全天光伏出力高峰段棄電量 741×104kW，夜間負荷高峰時段缺電量461×104kW。夜間缺電與白天棄電并存。

2.2.2 年內(nèi)運行狀態(tài)

對電網(wǎng)進行各月電力電量平衡分析，結(jié)果表明：豐水期6—10月，水電出力加大，電網(wǎng)出現(xiàn)電能過剩，通道滿負荷送出，仍有大規(guī)模的棄電產(chǎn)生；枯水期11月—次年5月，水電出力顯著降低，電網(wǎng)出現(xiàn)缺電和日內(nèi)電力供需矛盾。分析結(jié)果可得：2030年區(qū)域電網(wǎng)豐水期系統(tǒng)可發(fā)電量173.5×108kW·h，需電量 61.4×108kW·h，通道送出電量 53.7×108kW·h，富余電量58.5×108kW·h；枯水期系統(tǒng)發(fā)電量128.8×108kW·h，通道受入電量37.1×108kW·h，需電量 176.6×108kW·h，缺電10.7×108kW·h（如圖3、表2所示）。

圖3 電力系統(tǒng)各月平均出力及平均負荷曲線

表2 電力系統(tǒng)豐枯水期電量盈虧平衡情況

2.3 系統(tǒng)存在問題

根據(jù)上述分析，系統(tǒng)主要存在3個方面的問題：

一是“日盈夜缺”，日內(nèi)供需失衡。夏季典型日最大棄電容量139×104kW，全天棄電量3 554×108kW·h?？菟诘湫腿兆畲箅娏θ笨诩s90×104kW，全天缺電量461×108kW·h。

二是“豐盈枯缺”，年內(nèi)供需失衡。由于系統(tǒng)存在大量無調(diào)節(jié)性能的小水電，豐枯出力差異大，易造成豐水期電網(wǎng)大量棄電、枯水期缺電的現(xiàn)象。豐期電量富余 58.5×108kW·h，枯期缺電量10.7×108kW·h。

三是電力系統(tǒng)運行可靠性、穩(wěn)定性較差。電網(wǎng)波動性能源占比高，出力波動引發(fā)電壓、頻率的波動和閃變，新能源并網(wǎng)比例大引發(fā)的潮流變化加大了正常運行電壓調(diào)整的難度，造成系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性相對較差。

2.4 抽水蓄能電站作用分析

為應對上述挑戰(zhàn)設(shè)置裝機規(guī)模為30×104kW、60×104kW、90×104kW的抽水蓄能電站方案，分析不同規(guī)模抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用和效益（其他電源規(guī)模仍按表1）。

2.4.1 典型日運行狀態(tài)

2.4.1.1 冬季典型日

為緩解電力系統(tǒng)日內(nèi)的日盈夜缺，抽水蓄能電站充分發(fā)揮儲能調(diào)節(jié)作用，在日間光伏出力高峰時段9:00—15:00以抽水工況運行，30×104kW、60×104kW、90×104kW抽水蓄能裝機方案平均抽水入力分別為28×104kW、53×104kW和75×104kW，可減少棄光電量224×108kW·h、422×108kW·h和595×108kW·h。在晚高峰的18:00—23:00以發(fā)電工況運行，各方案平均出力29×104kW、52×104kW和74×104kW，發(fā)電量 175×108kW·h、317×108kW·h和 443×108kW·h，有效緩解了電網(wǎng)的日間棄電和夜間缺電現(xiàn)象。其中，90×104kW抽水蓄能電站方案還可降低聯(lián)網(wǎng)送入電量約 1×108kW·h?？梢?，抽水蓄能電站促進了可再生能源的消納，改善了電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。各方案冬季典型日電力系統(tǒng)運行情況見圖4～圖7。

圖4 無抽水蓄能方案冬季典型日運行圖

圖5 30×104 kW方案冬季典型日運行圖

圖6 60×104 kW方案冬季典型日運行圖

圖7 90×104 kW方案冬季典型日運行圖

2.4.1.2 夏季典型日

夏季典型日，由于僅常規(guī)水電的出力已經(jīng)超過電網(wǎng)負荷需求，系統(tǒng)全天電力富余，抽水蓄能電站主要以抽水工況運行。各計算方案中，無抽水蓄能方案全天棄電量2 426×108kW·h，抽水蓄能方案以運行16 h為基準，30×104kW方案可減少棄電量410×108kW·h，60×104kW可減少棄電量725×108kW·h，90×104kW抽水蓄能電站可減少棄電量1 015×108kW·h。當上水庫水位達到正常蓄水位之后，抽水蓄能電站停止抽水，作為系統(tǒng)的備用電源保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。各方案夏季典型日電力系統(tǒng)運行情況見圖8～圖11。

圖8 無抽水蓄能方案夏季典型日運行圖

圖9 30×104 kW方案夏季典型日運行圖

圖10 60×104 kW方案夏季典型日運行圖

圖11 90×104 kW方案夏季典型日運行圖

2.4.2 年內(nèi)運行分析

由于電網(wǎng)年內(nèi)存在夏季電力大量富余、冬季部分時段富余、高峰時段缺電的現(xiàn)象。抽水蓄能電站的年內(nèi)運行以平衡夏、冬季節(jié)供需矛盾為主。在夏季，電站以連續(xù)抽水工況運行直至上水庫蓄滿，同時兼作為電網(wǎng)的備用電源，保障送出線路的穩(wěn)定運行；在冬季，以發(fā)電運行為主，兼顧調(diào)節(jié)日內(nèi)電網(wǎng)峰谷的供需矛盾。若要求抽水蓄能電站承擔進行季節(jié)性電能的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換，起到平衡豐枯出力的作用，則需要電站上水庫具備較大的庫容以存儲豐水期的季節(jié)性電能。根據(jù)計算，該系統(tǒng)豐水期總計富余電能58.5×108kW·h，以500 m發(fā)電水頭的抽水蓄能電站計算，需要約52×108m3的上水庫庫容。若具備良好的上庫庫容條件，30×104kW、60×104kW、90×104kW方案可將系統(tǒng)豐水期的棄電量5.1×108kW·h、8.5×108kW·h和12.3×108kW·h轉(zhuǎn)換到枯水期使用，相應增加枯水期發(fā)電能力約 3.6×108kW·h、6×108kW·h和9×108kW·h。

3 結(jié)論

高比例可再生能源帶來的挑戰(zhàn)主要源于風電、光伏發(fā)電、水電出力的隨機性造成的電力供需實時平衡的矛盾和風電光伏并網(wǎng)帶來的電壓、頻率穩(wěn)定問題。第一類問題的應對關(guān)鍵在于增加系統(tǒng)的靈活性及彈性，顯著有效的手段包括：建設(shè)抽水蓄能電站、儲能電站，進行火電靈活性改造，建設(shè)調(diào)節(jié)性能好的水電站等；第二類問題的解決需要加電網(wǎng)的柔性控制設(shè)備以及調(diào)頻調(diào)相手段，以增強系統(tǒng)電壓頻率的運行穩(wěn)定性。抽水蓄能電站具備調(diào)峰填谷、儲能調(diào)節(jié)作用，其啟動迅速，運行靈活，對負荷的變化可以作出快速反應，可承擔調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動等任務。抽水蓄能電站的運行特點為應對高比例可再生能源電力系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)提供了可行的解決方案。

在高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中，抽水蓄能可充分發(fā)揮日內(nèi)調(diào)節(jié)作用，將大量無法及時消納的風光隨機性電能，調(diào)節(jié)至負荷高峰時段使用，顯著改善系統(tǒng)的電力日內(nèi)供需矛盾。通過對不同規(guī)模的抽水蓄能電站在某電力系統(tǒng)中進行模擬運行，30×104kW、60×104kW和90×104kW抽水蓄能電站可分別降低冬季典型日的棄電率26%、56%和72%，相應減少系統(tǒng)棄電損失 6.8×108kW·h、13.1×108kW·h和 16.8×108kW·h，系統(tǒng)冬季缺電量從 10.7×108kW·h分別降低至5.6×108kW·h、0.9×108kW·h和 0。夏季抽水蓄能主要以抽水方式連續(xù)運行，30×104kW、60×104kW和90×104kW方案可分別降低夏季典型日棄電率17%、30%和42%，相應減少棄電量 410×104kW·h、725×104kW·h、1 015×104kW·h。可見，隨著抽水蓄能裝機容量的增大，作用顯著增加，就緩解系統(tǒng)冬季供需矛盾而言，90×104kW抽水蓄能電站可基本滿足系統(tǒng)需求。

具備良好庫容條件的抽水蓄能電站，可進行更大時間尺度內(nèi)的系統(tǒng)電能調(diào)節(jié)，如針對水電占比較高的電力系統(tǒng)，可將系統(tǒng)豐水期的季節(jié)性電能轉(zhuǎn)換到枯水期使用，緩解系統(tǒng)的豐枯季節(jié)性電力供需矛盾。通過對某電力系統(tǒng)進行研究表明，30×104kW、60×104kW和90×104kW抽水蓄能電站可分別降低系統(tǒng)豐水期的棄電量5.1×108kW·h、8.5×108kW·h和12.3×108kW·h，相應增加枯水期發(fā)電量約3.6×108kW·h、6×108kW·h和 9×108kW·h，極大緩解系統(tǒng)的季節(jié)性電力供需矛盾。