梯級互補儲能對新能源的長期消納作用分析

明 波，成楸語，黃 強，王義民，謝小平，程 龍

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.國家電投集團黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008；3.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 研究背景

在“碳達峰、碳中和”以及“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”等國家重大戰(zhàn)略背景下，我國清潔能源的發(fā)展必將迎來歷史性機遇[1]。截止2020年底，我國風(fēng)、光、水清潔能源裝機規(guī)模分別為2.82億kW、2.54億kW、3.40億kW，世界占比高達38.6%、35.6%、28.1%[2]。然而，根據(jù)《中國2030年能源電力發(fā)展規(guī)劃研究及2060年展望》，要實現(xiàn)“雙碳”目標，2030年，2050年以及2060年的清潔裝機須達到25.7億kW、68.7億kW和76.8億kW[3]。對于規(guī)模如此龐大的清潔能源體系，如何提高新能源的消納水平，是能源轉(zhuǎn)型階段亟待攻克的瓶頸問題。實施多能互補運行管理[4-7]、跨區(qū)域電力消納[8-10]以及增加儲能設(shè)施[11]是促進新能源消納的三個主要途徑。相較于前兩者，儲能被認為是支撐新能源深度消納的基礎(chǔ)性技術(shù)。目前，儲能主要包括：機械儲能、電化學(xué)儲能、化學(xué)儲能、電氣儲能、熱儲能等[12-15]。盡管目前國內(nèi)外主流儲能技術(shù)均取得了較大突破，但或多或少地存在技術(shù)不夠成熟、開發(fā)成本較高、安全隱患大或者難以大規(guī)模推廣等缺陷[16]。因此，亟待探索能夠大規(guī)模開發(fā)，并且安全、高效的新型儲能方式，以助力“雙碳”目標和新型電力系統(tǒng)的實現(xiàn)。

目前，我國已建成十四大水電基地，形成了世界最大規(guī)模的流域梯級水電站群[17]。流域梯級水電站群可將富余的電能以水的勢能形式進行存儲，具有巨大的儲能潛力。利用流域梯級水電站群建設(shè)梯級互補儲能是一種新思路。其原理是，在梯級水電站之間建設(shè)大型泵站，利用新能源余電驅(qū)動泵站，將下級水庫的水轉(zhuǎn)移至上級水庫，同時利用傳統(tǒng)水電機組發(fā)電。與傳統(tǒng)抽水蓄能電站不同，梯級互補儲能不受地形因素影響，可在原有梯級水電站的基礎(chǔ)上直接進行改造，并且抽水儲能與發(fā)電可同步進行，靈活性較強；同時，通過合理調(diào)度，不會產(chǎn)生嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。然而，現(xiàn)有文獻缺少對梯級互補儲能概念以及運行方式的相關(guān)介紹，特別是對于梯級互補儲能消納新能源作用機制方面缺乏足夠的認識。鑒于此，本文首先對梯級互補儲能的定義、運行方式進行介紹，在“以水定電”模式下，結(jié)合模擬和優(yōu)化方法，探索梯級互補儲能對新能源的長期消納作用，具體包括如下三個問題：梯級互補儲能消納電網(wǎng)棄電的整體運行效率有多高；梯級互補儲能中梯級水電站電量增加的主控因素有哪些；儲能運行模式下，梯級水電站運行方式又是如何變化的。本文以龍羊峽-拉西瓦梯級互補儲能為例，驗證結(jié)果的合理性和有效性。

2 梯級互補儲能的定義及運行方式

梯級互補儲能是在梯級水電站水庫之間增設(shè)大型泵站，服務(wù)大規(guī)模新能源消納的水工程集合體(圖1)。其本質(zhì)依然是抽水儲能，但其建設(shè)、運行管理方式與傳統(tǒng)抽水蓄能不同。此外，與電化學(xué)儲能相比，梯級互補儲能具有調(diào)節(jié)周期長、容量大、安全系數(shù)高等優(yōu)點。儲能原理是通過梯級水電站水庫以及泵站的聯(lián)合調(diào)蓄以循環(huán)利用水資源，從而實現(xiàn)剩余電能的時移。具體運行方式可概括為：當新能源產(chǎn)生剩余電能(實際發(fā)電量低于最大發(fā)電能力，即“棄風(fēng)、棄光”)時，采用大型泵站從下級水庫抽水至上級水庫，將剩余電能以水的勢能儲存，即充電；當電網(wǎng)用電需求不能滿足時，通過水電站原有機組發(fā)電，即放電。

圖1 梯級互補儲能結(jié)構(gòu)示意圖

3 梯級互補儲能調(diào)度規(guī)則型式

調(diào)度規(guī)則是指導(dǎo)水電站水庫運行的最有效工具之一。本研究在“以水定電”模式下，依據(jù)調(diào)度規(guī)則生成梯級互補儲能長系列調(diào)度過程?？紤]梯級互補儲能的基本構(gòu)成單元(上級水庫、下級水庫以及泵站)，確定其調(diào)度規(guī)則通用型式。根據(jù)當前時段電網(wǎng)可能產(chǎn)生的棄電量以及上、下級水庫時段初蓄水量，生成當前時段梯級互補儲能調(diào)度決策(即當前時段上、下級水電站出力及泵站的抽水流量)，函數(shù)型式如下：

(1)

在梯級互補儲能中，上、下級水庫可分別依據(jù)其自身的調(diào)度規(guī)則確定其調(diào)度決策。上、下級水庫調(diào)度規(guī)則型式可分別表示為：

(2)

(3)

圖2 SOP示意圖

(4)

式中：P為決策出力；PEA為可用能量對應(yīng)出力；Pfirm為水電站保證出力；PR為以出力形式表征的正常蓄水位對應(yīng)蓄能；EA為可用能量；EAfirm為保證出力對應(yīng)能量；EAR為正常蓄水位對應(yīng)蓄能。

4 梯級互補儲能多目標優(yōu)化調(diào)度建模

為提高梯級互補儲能的整體運行效能，本研究構(gòu)建多目標儲能調(diào)度模型，在模擬-優(yōu)化框架下進行求解，通過優(yōu)化上述調(diào)度規(guī)則參數(shù)，以協(xié)調(diào)水力發(fā)電、水資源利用與新能源消納之間的關(guān)系。為不失一般性，考慮水力發(fā)電、新能源消納以及水庫供水三個基本功能，構(gòu)建梯級水電站年平均發(fā)電量最大、梯級水電站發(fā)電歷時保證率最高、缺水指數(shù)最小以及電網(wǎng)余留棄能最小(即在一定的“棄風(fēng)、棄光”水平下泵站消納的新能源量達到最大)多目標優(yōu)化模型。須指出的是，研究系統(tǒng)自上游至下游共包含M級水電站和M-1級泵站，假定最后一級水庫承擔下游供水任務(wù)，且發(fā)電與供水相結(jié)合。

4.1 目標函數(shù)

(1)梯級水電站年平均發(fā)電量最大：

(5)

(2)梯級水電站發(fā)電歷時保證率最高：

(6)

(3)電網(wǎng)余留棄能最?。?/p>

(7)

(4)缺水指數(shù)最?。?/p>

(8)

4.2 約束條件

(1)水量平衡約束：

(9)

(2)水位約束：

(10)

(3)下泄流量約束：

(11)

(4)電站出力約束：

(12)

5 儲能調(diào)度模型優(yōu)化求解

布谷鳥搜索(Cuckoo Search，CS)算法是一種新穎的啟發(fā)式全局搜索算法，該算法參數(shù)少、魯棒性強、搜索效率高，已得到廣泛的研究和應(yīng)用[18-20]。本文采用基于非支配排序和擁擠距離的多目標布谷鳥搜索算法(Multi-objective Cuckoo Search，MOCS)[21]優(yōu)化梯級互補儲能調(diào)度規(guī)則參數(shù)，優(yōu)化變量包括調(diào)度圖的上、下基本調(diào)度線位置參數(shù)、調(diào)度圖區(qū)間出力值以及泵站提水流量，如下：

(13)

在模擬-優(yōu)化過程中，須滿足兩類約束條件：(1)上、下調(diào)度線不交叉；(2)調(diào)度線不能波動太大。其他約束條件(如水量平衡、庫容、下泄流量)在模擬模型中直接修正決策即可滿足。針對約束(1)，采用罰函數(shù)進行處理；針對約束(2)，采用二維編碼策略進行處理，即只優(yōu)化調(diào)度圖的關(guān)鍵節(jié)點參數(shù)(橫、縱坐標)，節(jié)點間其他節(jié)點參數(shù)采用線性插值的方法獲取，二維編碼策略如圖3所示。其中，上調(diào)度線含3個關(guān)鍵節(jié)點(t1，x1)、(t2，x2)和(t3，x3)，優(yōu)化變量7個，分別為t1，t2，t3，x1，x2，x3，x4；下調(diào)度線含2個關(guān)鍵節(jié)點(t′1，x′1)、(t′2，x′1)，優(yōu)化變量為5個，分別為t′1，t′2，x′1，x′2，x′3。整體優(yōu)化過程是，通過輸入徑流數(shù)據(jù)驅(qū)動基于調(diào)度規(guī)則的模擬模型，采用MOCS算法不斷更新調(diào)度規(guī)則參數(shù)，最終使得目標函數(shù)逐漸逼近最優(yōu)；在滿足終止條件以后，算法停止迭代，從而得到優(yōu)化問題的Pareto解集。

圖3 調(diào)度圖關(guān)鍵節(jié)點示意圖(上調(diào)度線有3個關(guān)鍵節(jié)點，優(yōu)化變量為7個；下調(diào)度線有2個關(guān)鍵節(jié)點，優(yōu)化變量為5個)

6 研究實例

6.1 龍羊峽-拉西瓦梯級互補儲能龍羊峽-拉西瓦梯級互補儲能主要由三個部分構(gòu)成(圖4)：龍羊峽水電站、拉西瓦水電站、龍-拉泵站。龍羊峽水電站是黃河上游龍羊峽-青銅峽河段的“龍頭”水庫，是一座具有多年調(diào)節(jié)性能的大型綜合利用水利樞紐工程。拉西瓦水電站的水庫末端與龍羊峽水電站尾水銜接，是一座日調(diào)節(jié)電站。龍羊峽、拉西瓦水電站參數(shù)如表1所示。根據(jù)《黃河上游梯級儲能工廠初步規(guī)劃報告》[22]，龍-拉泵站規(guī)模初擬為1000 MW(4×250 MW)，單臺泵站最大抽水流量為172.5 m3/s，平均效率系數(shù)η為0.9。

圖4 龍羊峽-拉西瓦梯級儲能示意圖

表1 梯級水電站水庫參數(shù)表

利用龍羊峽-拉西瓦梯級互補儲能消納某電網(wǎng)棄電，2015年風(fēng)、光棄電總量為211.73億kWh。根據(jù)該電網(wǎng)負荷特性曲線，假定一天中共有6個小時(負荷低谷期)會存在棄電，此時泵站開啟，即泵站實際運行6小時，如圖5所示。通過泵站機組最大流量與機組臺數(shù)，確定泵站日平均提水流量最大值為172.5 m3/s。

圖5 梯級互補儲能典型日運行過程

6.2 方案與參數(shù)設(shè)置調(diào)度模型輸入為龍羊峽2006—2015年日入庫徑流資料，依據(jù)唐乃亥水文站日徑流資料和相應(yīng)流域面積比值推求得到。為使得中長期調(diào)度計算更精準，采用變綜合出力系數(shù)[23]，依據(jù)龍羊峽、拉西瓦機組的N-H-Q曲線計算得到。

為評估梯級互補儲能對新能源棄電的消納效果，本研究共設(shè)置4種調(diào)度方案，如表2所示。其中方案一、二為模擬調(diào)度方案，方案三、四為多目標優(yōu)化調(diào)度方案。通過類比方案一、二，探討加入泵站對于梯級電站發(fā)電效率的影響及其影響因素。通過對比方案三、四，探討梯級互補儲能運行效率系數(shù)(梯級水電站增發(fā)電量與泵站消納棄能的比值)。需要說明的是，方案三優(yōu)化對象是梯級水電站(不包含泵站)，調(diào)度結(jié)果可作為梯級電站增發(fā)電量的本底值，優(yōu)化目標函數(shù)分別為：梯級水電站多年平均發(fā)電量最大、梯級水電站發(fā)電歷時保證率最高和缺水指數(shù)最小。方案四優(yōu)化的對象是梯級互補儲能，相比于方案三多了目標函數(shù)f3，即電網(wǎng)余留棄能最小，且方案四優(yōu)化了泵站不同月份的抽水流量。在優(yōu)化方案中，MOCS算法種群規(guī)模、迭代次數(shù)分別為200和2000。

表2 方案設(shè)置表

7 結(jié)果分析與討論

7.1 儲能模式對梯級電站發(fā)電效率的影響方案一和方案二中泵站抽水流量為固定值，取值從0～172.5 m3/s之間變化(步長5 m3/s)，分別生成36組模擬結(jié)果，泵站耗能、龍羊峽發(fā)電量、拉西瓦發(fā)電量隨泵站抽水流量的變化見圖6。

圖6 梯級水電站電量隨泵站抽水流量變化圖

如圖6所示，兩種方案下的調(diào)度結(jié)果變化規(guī)律趨于一致，泵站能耗、龍羊峽發(fā)電量隨著泵站抽水流量的增加而增加，而拉西瓦發(fā)電量幾乎無變化，穩(wěn)定在100億kWh左右。方案一中，當泵站抽水流量達到最大值172.5 m3/s時，泵站多年平均消納棄電量為25億kWh，占總棄電的11.81%，龍羊峽發(fā)電量74.45億kWh，拉西瓦發(fā)電量99.82億kWh，梯級電站總發(fā)電量174.27億kWh，相比于不抽水時梯級電站發(fā)電量增加16.1億kWh；方案二中，當泵站抽水流量達到最大值172.5 m3/s時，泵站多年平均消納棄電量為24.93億kWh，占總棄電的11.77%，龍羊峽發(fā)電量75.42億kWh，拉西瓦發(fā)電量99.51億kWh，梯級電站發(fā)電量174.92億kWh，相比于不抽水時梯級電站發(fā)電量增加9.68億kWh。綜合方案一和方案二可知，梯級互補儲能在利用泵站抽水消耗棄電時，上級電站發(fā)電量增加，下級電站發(fā)電量幾乎無變化。

在模擬調(diào)度方案中，進一步探索梯級互補儲能運行效率系數(shù)(梯級水電站增發(fā)電量與泵站消納棄電的比值)，結(jié)果見圖7。

圖7 梯級互補儲能效率系數(shù)圖

如圖7所示，梯級互補儲能運行效率系數(shù)總體上隨著泵站抽水流量的增加然后減小最后趨于穩(wěn)定。方案一、二中，梯級互補儲能運行效率系數(shù)穩(wěn)定值分別為0.66和0.37?？紤]到泵站抽水的最終目的是盡可能多的消耗電網(wǎng)棄電，抽越多水消耗棄電越多。當泵站抽水流量達到最大值172.5 m3/s時：方案一中效率系數(shù)為0.644，即10度棄電換6.4度水電；方案二中效率系數(shù)為0.388，即10度棄電換3.9度水電。平均來看，在模擬調(diào)度情景中，梯級互補儲能運行效率系數(shù)約為0.516，即10度棄電換5.2度水電。

7.2 梯級電站發(fā)電效率變化的影響因素為進一步探究梯級水電站電量變化的主控因素，需要分析梯級電站發(fā)電流量、發(fā)電水頭隨泵站抽水流量變化，結(jié)果見圖8。

圖8 梯級電站發(fā)電流量和水頭隨泵站抽水流量的變化圖

從圖8可知，隨著泵站抽水流量的增加，拉西瓦發(fā)電流量與拉西瓦發(fā)電水頭均未發(fā)生明顯變化，分別維持在650 m3/s和220 m左右。因此，拉西瓦發(fā)電量不隨泵站抽水流量的變化而變化。龍羊峽發(fā)電水頭穩(wěn)定在140 m左右，但龍羊峽發(fā)電流量隨著泵站抽水流量的增加而增加，方案一中龍羊峽多年平均發(fā)電流量從620 m3/s增加到700 m3/s，方案二中發(fā)電流量從640 m3/s增加到716 m3/s，兩種方案下的龍羊峽發(fā)電流量增幅分別為12.9%和11.8%。因此，在儲能運行模式下，龍羊峽發(fā)電量增加的主控因素是其發(fā)電流量，而非水頭。

7.3 儲能運行模式下梯級水庫運行方式的轉(zhuǎn)變規(guī)律以方案三的最優(yōu)解(梯級電站發(fā)電量為171.2億kWh、發(fā)電保證率為100.0%、缺水指數(shù)為56.6)為基準，對方案四中Pareto解集進行篩選，得到3組均衡解，如表3所示，對應(yīng)調(diào)度規(guī)則見圖9。

表3 梯級互補儲能多目標優(yōu)化均衡解相關(guān)指標

(注：a1和a2對應(yīng)解1；b1和b2對應(yīng)解2；c1和c2對應(yīng)解3)

結(jié)合圖9和表3可知，在儲能運行模式下，上級水庫調(diào)度圖加大出力區(qū)(Ⅰ)和保證出力區(qū)(Ⅱ)面積明顯增大，降低出力區(qū)(Ⅲ)面積變小，并且三個區(qū)間的最優(yōu)決策出力數(shù)值均明顯變大。其原因是：在泵站抽水時，會導(dǎo)致上游水庫水量增加，為避免水庫產(chǎn)生棄水，迫使水電站發(fā)電出力增大。此外，根據(jù)圖9中泵站每月抽水流量可以發(fā)現(xiàn)，除8月抽水流量(約為130 m3/s)相對偏小外，其他月份都接近最大抽水流量172.5 m3/s。這是由于泵站以最大流量抽水可以盡可能消納新能源棄電，但是當水庫處在汛期(如8月份)蓄水量較大時，進一步抽水可能會導(dǎo)致棄水發(fā)生，此時，泵站抽水流量需要相對減小。

此外，從表3中可知，泵站年平均消納棄電量為19億kWh，約占電網(wǎng)總棄電(211.73億kWh)的9%。相比于基準值(方案三)，梯級電站年平均發(fā)電量增加了13.3億kWh。因此，梯級互補儲能運行效率系數(shù)為0.7，即10度棄電換7度水電。為進一步分析儲能運行方式下梯級電站發(fā)電量增加的原因，表4給出了梯級互補儲能多目標優(yōu)化均衡解中發(fā)電要素的變化情況。

表4 梯級互補儲能模式下龍羊峽水庫調(diào)度圖決策出力變化

由表4可知，梯級電站發(fā)電量增加了7.8%左右，其中龍羊峽發(fā)電量增加22.7%，拉西瓦發(fā)電量減少0.6%左右。其中，龍羊峽發(fā)電水頭呈現(xiàn)下降趨勢，下降約0.7%，而發(fā)電流量增加為23.3%。而對于拉西瓦，其發(fā)電水頭下降0.5%左右，同時發(fā)電流量減少0.2%左右。因此，在優(yōu)化情景中，上級電站發(fā)電量增加，下級電站發(fā)電量幾乎無變化，并且發(fā)電流量增加是影響上級電站發(fā)電量增加關(guān)鍵控制因素，這一結(jié)果與模擬調(diào)度相一致。

表5 梯級互補儲能多目標優(yōu)化均衡解發(fā)電要素變化

8 結(jié)論

本文提出實現(xiàn)新能源深度消納的梯級互補儲能新思路。在“以水定電”模式下，采用模擬和優(yōu)化方法，探索梯級互補儲能對新能源的消納作用。以龍羊峽-拉西瓦梯級互補儲能為實例，得到如下結(jié)論：

(1)梯級互補儲能運行效率系數(shù)約為0.5～0.7。在不影響下游水資源綜合利用條件下，泵站平均消納棄電量達19億kWh/a，相當于降低電網(wǎng)棄電9%；梯級水電站平均增發(fā)電量為13.3億kWh/a，增幅為7.8%。

(2)在儲能運行模式下，上級水電站發(fā)電量增大，下級水電站發(fā)電量幾乎無變化；上游水電站發(fā)電量增大的主要原因是由于發(fā)電流量的增加所導(dǎo)致。

(3)梯級互補儲能在利用泵站提水消納棄電的同時，會使得上級水庫的蓄水量增加；為盡量避免水庫產(chǎn)生棄水，迫使水電站發(fā)電出力增大，表現(xiàn)為調(diào)度圖保證出力區(qū)和加大出力區(qū)面積增大，并且相應(yīng)決策出力提高。

由于搜集資料有限，本文研究對象中僅考慮了兩座水電站和一座泵站，且徑流資料系列較短，可能對研究結(jié)論產(chǎn)生一定影響。針對以上不足，后期將開展更大規(guī)模、長系列的調(diào)度優(yōu)化計算，以充分挖掘梯級互補儲能調(diào)度規(guī)律。