融合改造的混合式抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行短期調(diào)度模型

羅 彬，陳永燦，苗樹敏，劉昭偉，劉欣雨

(1.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610042；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

1 研究背景

“雙碳”目標(biāo)下，風(fēng)電、光伏為主的清潔能源迎來快速發(fā)展。截至2021年底，我國風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量為6.35億kW，預(yù)計(jì)至2030年，將達(dá)到12億kW以上，2050年將達(dá)到36億kW[1]。間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性新能源的大規(guī)模并網(wǎng)給電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性帶來前所未的挑戰(zhàn)[2-3]。

儲(chǔ)能技術(shù)是解決新能源并網(wǎng)靈活性的重要途徑之一。截至2021年底，全球儲(chǔ)能裝機(jī)容量為205.2 GW[4]，其中抽水蓄能177.4 GW，占比86.0%；我國儲(chǔ)能裝機(jī)容量為43.44 GW，其中抽水蓄能37.57 GW，占比87.0%?？梢?，無論全球還是我國，抽水蓄能在儲(chǔ)能裝機(jī)容量中均是主導(dǎo)力量。國家能源局印發(fā)的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》也明確了我國抽水蓄能建設(shè)目標(biāo)[5]，即2025年抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200萬kW以上，2030年投產(chǎn)總規(guī)模1.2億kW左右，其中依托我國規(guī)模龐大的常規(guī)水電站增建混合式抽水蓄能是重點(diǎn)任務(wù)之一，具有建設(shè)周期短、成本低、環(huán)境影響小、運(yùn)行方式靈活等突出優(yōu)勢。常規(guī)水電的功能定位由“量為主，調(diào)為輔”逐步向“量調(diào)并重”過渡也成為諸多專家學(xué)者的共識(shí)[6-8]。

目前，除了容量配置規(guī)劃[9-10]之外，抽水蓄能與風(fēng)電等新能源的聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度已有較多研究，例如，文獻(xiàn)[11-12]以系統(tǒng)負(fù)荷跟蹤為目標(biāo)的風(fēng)電與抽蓄聯(lián)合調(diào)度，文獻(xiàn)[13]以風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合體輸出功率平滑為目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，文獻(xiàn)[14]以減少電網(wǎng)棄風(fēng)為目標(biāo)的風(fēng)電與抽水蓄能協(xié)調(diào)運(yùn)行，文獻(xiàn)[15-16]以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)的含抽蓄的多能源協(xié)調(diào)調(diào)度，文獻(xiàn)[17]以聯(lián)合系統(tǒng)收益最大為目標(biāo)的風(fēng)電與抽水蓄能調(diào)度，文獻(xiàn)[18]建立了基于主從博弈的風(fēng)光蓄網(wǎng)短期優(yōu)化調(diào)度模型，文獻(xiàn)[19]建立了含抽水蓄能機(jī)組電網(wǎng)的安全約束機(jī)組組合模型，文獻(xiàn)[20]探索了在相鄰上下游水庫之間增加泵站的大型梯級(jí)水電儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。然而，針對混合式抽水蓄能電站運(yùn)行調(diào)度的研究相對較少，已有的研究主要集中在考慮混合式抽水蓄能的梯級(jí)水電站群運(yùn)行調(diào)度[21-23]，并未涉及類似常規(guī)水電融合改造的混合式抽水蓄能與新能源的聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度建模研究，與常規(guī)水電和抽水蓄能調(diào)度建模相比具有新的特點(diǎn)和難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

(1)傳統(tǒng)抽水蓄能電站的上下庫一般為獨(dú)立修建的蓄水水庫，無天然徑流來水，日常運(yùn)行時(shí)僅簡單地考慮了水力約束，而融合改造的混合式抽水蓄能電站利用已有常規(guī)電站的水庫，相比傳統(tǒng)抽水蓄能電站需要考慮更為復(fù)雜的水力聯(lián)系；

(2)混合式抽水蓄能具備鮮明的“量調(diào)并重”特點(diǎn)，一方面既要確保電站的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性，另一方面也需要協(xié)調(diào)促進(jìn)新能源的消納，提升聯(lián)合系統(tǒng)的可調(diào)度性，如何發(fā)揮混合式抽水蓄能的優(yōu)勢選擇合適的建模目標(biāo)也是關(guān)鍵；

(3)混合式抽水蓄能電站包括只“發(fā)”的常規(guī)水電機(jī)組和“抽-發(fā)”兼具的抽水蓄能機(jī)組，如何建模體現(xiàn)差異化運(yùn)行特性并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的關(guān)聯(lián)切換，并保證求解效率，也是模型建模和求解中面臨的難點(diǎn)問題。

因此，為探索常規(guī)水電站融合改造后的混合式抽水蓄能電站的運(yùn)行模式，本文提出了一種混合式抽水蓄能電站與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行短期調(diào)度模型。該模型以聯(lián)合體整體收益最大為目標(biāo)，以機(jī)組為最小調(diào)度單元，針對常規(guī)機(jī)組和抽蓄機(jī)組的差異化運(yùn)行特性分別精細(xì)化建模，并引入狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的解耦與關(guān)聯(lián)切換。在模型求解方面，通過線性化方法及建模技巧將原模型轉(zhuǎn)換為MILP模型，最后在JAVA環(huán)境中采用CPLEX工具進(jìn)行求解。以西南某流域電站為參考構(gòu)建的應(yīng)用示例驗(yàn)證本文模型和求解方法的有效性，可為推進(jìn)常規(guī)水電站的融合改造提供借鑒。

2 混合式抽蓄-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行模式

混合式抽水蓄能電站與風(fēng)電所構(gòu)成的聯(lián)合系統(tǒng)如下圖1所示，常規(guī)水電站A通過融合改造為混合式抽水蓄能電站，并與相同并網(wǎng)通道內(nèi)的風(fēng)電場聯(lián)合運(yùn)行，需要說明的是，本模型中下游水電站B未參與調(diào)度，其上庫視作混合式抽水蓄能電站的下庫。利用混合式抽水蓄能電站的互補(bǔ)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)電力電量在時(shí)間尺度上的合理再分配，跟隨風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)，盡量保證聯(lián)合體出力跟隨負(fù)荷的變化，更好地發(fā)揮混合式抽水蓄能“量調(diào)并重”的優(yōu)勢。日常運(yùn)行主要包括以下3個(gè)步驟。

圖1 混合式抽水蓄能電站與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行模式

(1)聯(lián)合體從電網(wǎng)調(diào)度中心獲取次日該地區(qū)的96點(diǎn)電網(wǎng)負(fù)荷曲線，并通過預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測風(fēng)電場次日96點(diǎn)出力曲線，并獲取來水情況、檢修計(jì)劃等基礎(chǔ)信息。

(2)綜合考慮抽水蓄能電站來水、地區(qū)負(fù)荷、市場電價(jià)、機(jī)組運(yùn)行成本等因素，聯(lián)合體制定聯(lián)合體次日發(fā)電計(jì)劃，并上報(bào)電網(wǎng)調(diào)度中心。電網(wǎng)調(diào)度中心綜合考慮網(wǎng)架容量限制、聯(lián)絡(luò)線受送電計(jì)劃、區(qū)域負(fù)荷平衡等因素，雙方通過磋商與優(yōu)化，修正確定聯(lián)合體上報(bào)的次日發(fā)電計(jì)劃并下發(fā)。

(3)次日，聯(lián)合體按照電網(wǎng)調(diào)度中心下發(fā)的發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行，若實(shí)際出力與發(fā)電計(jì)劃存在偏差，則根據(jù)正負(fù)偏差電價(jià)和偏差電量進(jìn)行懲罰，此舉措可以有效激勵(lì)聯(lián)合體提高風(fēng)電的預(yù)測精度，并制定合理的發(fā)電計(jì)劃。

3 模型建模

3.1 目標(biāo)函數(shù)混合式抽水蓄能電站與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行，既可以利用抽蓄機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力跟隨風(fēng)電出力波動(dòng)，降低計(jì)劃執(zhí)行偏差考核，又可以同時(shí)發(fā)揮常規(guī)水電機(jī)組的調(diào)峰和發(fā)電作用。因此以聯(lián)合體整體收益最大為目標(biāo)函數(shù)，用公式描述為：

maxF=max(F1+F2-F3-F4)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3.2 約束條件為精細(xì)化建?；旌鲜匠樗钅芘c風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度模型，將約束分為電站約束、常規(guī)機(jī)組約束和抽水蓄能機(jī)組約束三類，分別描述如下。

3.2.1 電站約束

(1)上下庫水量平衡約束

(6)

(7)

(2)庫容大小約束

(8)

(9)

(10)

(11)

(3)水位-庫容關(guān)系

(12)

(13)

(4)電站機(jī)組總數(shù)關(guān)系

Npump+Ntrad=N

(14)

式中Npump、Ntrad、N分別為抽蓄機(jī)組、常規(guī)水電機(jī)組以及總機(jī)組臺(tái)數(shù)，臺(tái)。

(5)電站發(fā)電與抽水互斥約束

(15)

(16)

(17)

(6)調(diào)度期末水位控制

(18)

式中δ為調(diào)度期末允許的水位變幅，目的是保證下一個(gè)調(diào)度期的調(diào)度需求。

(7)互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃約束

(19)

式中ε為給定的發(fā)電計(jì)劃偏差系數(shù)，避免了聯(lián)合體實(shí)際出力與發(fā)電計(jì)劃的過大偏差。

3.2.2 常規(guī)水電機(jī)組約束

(1)出力上下限約束

(20)

(2)發(fā)電流量約束

(21)

(3)振動(dòng)區(qū)約束

(22)

(4)機(jī)組開、停機(jī)持續(xù)時(shí)間約束

(23)

(5)機(jī)組發(fā)電水頭約束

(24)

(6)機(jī)組動(dòng)力特性關(guān)系

(25)

(7)出力爬坡約束

(26)

式中ΔPi為第i臺(tái)常規(guī)機(jī)組的爬坡能力，MW/h。

(8)機(jī)組出力波動(dòng)限制約束

(27)

式中te為常規(guī)機(jī)組在一輪出力升降過程中需持續(xù)的最少時(shí)段數(shù)，te>1。

3.2.3 抽水蓄能機(jī)組約束 抽水蓄能機(jī)組與常規(guī)機(jī)組相比，在啟動(dòng)靈活性、爬坡速度等性能上更具優(yōu)勢，能夠更好匹配風(fēng)電等隨機(jī)性能源的快速波動(dòng)。抽蓄機(jī)組在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，一般沒有爬坡和出力波動(dòng)的限制，除滿足式(20)—(25)的約束之外，在抽水狀態(tài)還需滿足以下約束。

(1)抽水功率約束

(28)

(2)抽水流量約束

(29)

(3)抽水功率特性曲線

(30)

式中fj(·)為第j臺(tái)抽蓄機(jī)組的抽水功率-流量-水頭的關(guān)系函數(shù)。

(4)抽水和發(fā)電互斥約束

(31)

對于任意抽水蓄能機(jī)組，同一時(shí)刻不能出現(xiàn)同時(shí)發(fā)電和抽水的情況，發(fā)電與抽水狀態(tài)互斥。

(5)啟停次數(shù)約束

(32)

(6)機(jī)組狀態(tài)切換約束

(33)

此約束保證了抽蓄機(jī)組在抽水和發(fā)電狀態(tài)切換時(shí)必須經(jīng)歷停機(jī)狀態(tài)，避免出現(xiàn)上一時(shí)段抽水、下一時(shí)段發(fā)電，或者上一時(shí)段發(fā)電、下一時(shí)段抽水的情況。

4 模型求解

經(jīng)分析，由式(1)—(33)所述的混合式抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行模型是一個(gè)高維度、多變量、多約束的混合整數(shù)非線性規(guī)劃(Mixed Integer Nonlinear Programming，MINLP)問題，非線性約束包括式(3)(5)(12)(13)(15)(22)(25)(27)(30)(31)?？紤]到直接求解面臨的求解效率低、初始解影響大等問題，本文將原MINLP問題轉(zhuǎn)化為MILP問題進(jìn)行求解。MILP模型具有求解算法成熟、計(jì)算效率高、輸出結(jié)果穩(wěn)定等突出優(yōu)勢，已在水電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[17，24]，其核心關(guān)鍵在于非線性約束的處理，建模技巧和線性化方法的好壞直接影響求解效率和精度。其中，水位-庫容關(guān)系(式(12)(13))、機(jī)組振動(dòng)區(qū)約束(式(22))、機(jī)組動(dòng)力特性關(guān)系(式(25))、抽水功率特性曲線(式(30))采用參考文獻(xiàn)[17]中的線性化方法，下面重點(diǎn)介紹其他非線性約束的處理和建模方法。

4.1 模型轉(zhuǎn)換

4.1.1 目標(biāo)函數(shù)線性化 目標(biāo)函數(shù)中式(3)和式(5)包含的max{·}函數(shù)導(dǎo)致了目標(biāo)函數(shù)的非線性，難以直接求解。以式(3)為例，任意時(shí)刻t，本文通過引入2個(gè)0-1變量zt，m和3個(gè)連續(xù)變量wt，n實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，具體地：

(34)

(35)

wt，1≤zt，1

(36)

wt，2≤zt，1+zt，2

(37)

wt，3≤zt，2

(38)

(39)

(40)

4.1.2 常規(guī)機(jī)組出力波動(dòng)限制約束線性化 由式(27)可知，常規(guī)機(jī)組的出力波動(dòng)限制約束是和時(shí)段相關(guān)的非線性約束，需要考慮相鄰多個(gè)時(shí)段的出力變化情況。本文通過引入功率上下調(diào)節(jié)指標(biāo)變量、以及上下調(diào)節(jié)總次數(shù)變量進(jìn)行線性化建模，描述如下：

(41)

αi，t+βi，t≤1

(42)

(43)

式中：αi，t∈{0，1}、βi，t∈{0，1}為第i臺(tái)常規(guī)機(jī)組在時(shí)段t的功率向上、向下調(diào)節(jié)指標(biāo)變量，αi，t=1表示時(shí)段t+1功率向下調(diào)節(jié)；βi，t=1表示時(shí)段t+1功率向上調(diào)節(jié)；當(dāng)功率不發(fā)生變化時(shí)，αi，t=0或βi，t=0；Mαβ為功率調(diào)整(向上和向下)時(shí)段數(shù)上限。因此，為避免機(jī)組出力頻繁出現(xiàn)相鄰時(shí)段的上調(diào)和下調(diào)情況，保證機(jī)組每次調(diào)整之后，均可以穩(wěn)定出力一定時(shí)段，功率上下調(diào)節(jié)指標(biāo)還應(yīng)滿足以下公式約束：

(44)

式中：st、γ均為循環(huán)指示變量，無物理意義。如此，式(27)所述的出力波動(dòng)限制非線性約束可用式(41)—(44)等價(jià)轉(zhuǎn)換。

4.1.3 運(yùn)行工況關(guān)聯(lián)與互斥約束線性化 混合式抽水蓄能電站機(jī)組類型包括常規(guī)機(jī)組和抽蓄機(jī)組。常規(guī)機(jī)組有發(fā)電、停機(jī)兩種狀態(tài)，抽蓄機(jī)組有發(fā)電、抽水、停機(jī)三種狀態(tài)，如式(15)和(31)可知，電站和機(jī)組的運(yùn)行工況都存在互斥關(guān)系，電站的運(yùn)行狀態(tài)又和機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)耦合關(guān)聯(lián)，如何有效建模直接影響求解結(jié)果和效率。本文提出了以下基于狀態(tài)變量解耦的建模和線性化方法，具體描述如下：

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

4.2 求解流程經(jīng)過上述模型轉(zhuǎn)換，將原MINLP模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的MILP模型，求解流程如下。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化。包括風(fēng)電場預(yù)測出力、系統(tǒng)負(fù)荷、機(jī)組出力的上下限、抽蓄機(jī)組抽水功率上下限、水庫庫容上下限、振動(dòng)區(qū)、爬坡能力、最小開停機(jī)持續(xù)時(shí)間、穩(wěn)定出力持續(xù)時(shí)間等基礎(chǔ)信息。

(2)約束線性化處理。采用4.1節(jié)所述建模技巧和線性化方法，對模型中涉及到的非線性約束進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)化，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的MILP模型。

(3)模型求解。CPLEX優(yōu)化軟件提供了JAVA接口jar包，可在JAVA環(huán)境中完成模型的建模編碼和接口調(diào)用，實(shí)現(xiàn)MILP模型的高效求解。

(4)結(jié)果輸出與分析。輸出目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解、計(jì)算時(shí)間、機(jī)組各時(shí)段狀態(tài)、機(jī)組出力、機(jī)組抽水功率、抽水和發(fā)電流量等結(jié)果信息。

5 實(shí)例分析

5.1 工程背景以西南地區(qū)某梯級(jí)水電站為應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證所提模型和求解方法的有效性。簡化的系統(tǒng)網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，水電站A目前已有4臺(tái)常規(guī)機(jī)組，擬通過融合改造新增2臺(tái)抽水蓄能機(jī)組，形成混合式抽水蓄能電站，并與周邊風(fēng)電場聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行。常規(guī)機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組的特征參數(shù)如表1所示，以15 min為1個(gè)時(shí)段，日調(diào)度期共96個(gè)時(shí)段。需要說明的是，常規(guī)的抽蓄機(jī)組在抽水工況時(shí)，一般運(yùn)行在最優(yōu)功率點(diǎn)附近，為提升抽蓄機(jī)組在抽水工況的調(diào)節(jié)能力，變速抽蓄技術(shù)是重要方向，已在國內(nèi)開展示范應(yīng)用[25-26]。文中以變速抽蓄機(jī)組進(jìn)行建模，參考文獻(xiàn)[27]，設(shè)置最小發(fā)電出力為額定出力的30%，最小抽水功率為額定抽水功率的70%。風(fēng)電機(jī)組出力及聯(lián)合體發(fā)電計(jì)劃如圖2所示。

表1 混合式抽水蓄能電站機(jī)組特征參數(shù)

圖2 風(fēng)電預(yù)測出力與聯(lián)合體發(fā)電計(jì)劃

設(shè)置懲罰電價(jià)的目的是為了有效激勵(lì)提高風(fēng)電預(yù)測精度和聯(lián)合體發(fā)電計(jì)劃可執(zhí)行性。不同電網(wǎng)和市場環(huán)境有不同的懲罰機(jī)制，文中參考國外日前電力市場的典型經(jīng)驗(yàn)公式[28]，設(shè)置ω=0.4，如式(53)(54)所示?？紤]我國日前電力市場尚未全面開展，假設(shè)峰平谷上網(wǎng)電價(jià)如表2所示。

表2 不同時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)

(53)

(54)

5.3 模型結(jié)果分析按照上述模型及求解方法，計(jì)算得到聯(lián)合體發(fā)電總收益為938.95萬元，其中按發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行的發(fā)電收益為944.83萬元，高于發(fā)電計(jì)劃的額外發(fā)電收益為0.86萬元，開停機(jī)成本為2.1萬元，低于發(fā)電計(jì)劃的懲罰為4.64萬元。聯(lián)合體出力過程如圖3所示，通過混合式抽水蓄能電站和風(fēng)電的互補(bǔ)協(xié)調(diào)，發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行平均偏差為0.7%，滿足所設(shè)置的偏差要求。

圖3 聯(lián)合體出力過程

不同時(shí)段機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和臺(tái)數(shù)如圖4所示。在凌晨00∶00—07∶00前風(fēng)電出力高峰和系統(tǒng)負(fù)荷低谷階段，2臺(tái)抽水蓄能機(jī)組(5#和6#)全部啟動(dòng)，并運(yùn)行于抽水工況；隨著08∶00早高峰電負(fù)荷的增長及風(fēng)電出力的降低，為有效支撐聯(lián)合體發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行，抽蓄機(jī)組由抽水工況轉(zhuǎn)換為發(fā)電工況，可發(fā)揮其快速爬坡能力，加大水電出力，特別在早晚負(fù)荷高峰時(shí)段，伴隨負(fù)荷的進(jìn)一步增大，常規(guī)水電機(jī)組(3#和4#)開始投入運(yùn)行，保證了高峰用電負(fù)荷的同時(shí)，增加了高峰出力，提高了聯(lián)合體整體發(fā)電收益，充分體現(xiàn)了常規(guī)水電站融合改造后的“量調(diào)并重”的優(yōu)勢。

圖4 不同時(shí)段不同運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)組臺(tái)數(shù)

混合式抽水蓄能電站的上游水位如圖5所示?？梢钥闯?，在夜晚時(shí)段，抽蓄機(jī)組抽水，水位上升，伴隨白天抽蓄機(jī)組和常規(guī)機(jī)組的出力，水位逐漸下降，滿足調(diào)度期末水位控制要求。

圖5 混合式抽水蓄能電站上游水庫水位變化過程

抽水蓄能機(jī)組的抽水和發(fā)電功率如下圖6所示。在晚上負(fù)荷低谷階段，2臺(tái)抽蓄機(jī)組均處于抽水狀態(tài)，有別于常規(guī)抽蓄機(jī)組以固定功率抽水不同，變速抽蓄機(jī)組在抽水狀態(tài)也具備調(diào)節(jié)能力，能夠很好地與波動(dòng)性風(fēng)電互補(bǔ)，跟蹤負(fù)荷運(yùn)行；白天發(fā)電狀態(tài)下，充分發(fā)揮靈活調(diào)節(jié)優(yōu)勢，一方面跟隨風(fēng)電的波動(dòng)，避免了常規(guī)水電機(jī)組的頻繁調(diào)節(jié)，另一方面，與常規(guī)水電機(jī)組一起共同支撐發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行。同時(shí)也可以看出，抽蓄機(jī)組的運(yùn)行工況、開停機(jī)持續(xù)時(shí)段、發(fā)電振動(dòng)區(qū)等均滿足所設(shè)置約束要求。

圖6 抽水蓄能機(jī)組的抽水和發(fā)電過程

常規(guī)水電機(jī)組的出力過程如下圖7所示。從出力過程來看，在夜間00∶00—07∶00負(fù)荷低谷時(shí)段，常規(guī)機(jī)組保持停機(jī)狀態(tài)，主要由抽水蓄能機(jī)組承擔(dān)低谷調(diào)峰作用；在早高峰10∶00和晚高峰19∶00前后時(shí)段，當(dāng)抽蓄機(jī)組出力基本滿發(fā)還不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，常規(guī)機(jī)組啟動(dòng)，有效支撐晚高峰負(fù)荷。早上07∶30左右，由于抽蓄機(jī)組在進(jìn)行抽水到發(fā)電工況的轉(zhuǎn)換，且必須經(jīng)過停機(jī)工況過渡(式(33))，4#常規(guī)機(jī)組短時(shí)間開機(jī)出力，保證了負(fù)荷需求。此外，可以直觀看出，機(jī)組出力有效避開了振動(dòng)區(qū)，同時(shí)也滿足所設(shè)置的開停機(jī)持續(xù)時(shí)間(1 h)、出力波動(dòng)限制約束(1 h)、爬坡約束(60 MW/時(shí)段)等要求，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了文中約束處理的有效性。

圖7 常規(guī)水電機(jī)組出力過程

5.4 模型參數(shù)影響分析文中模型涉及較多參數(shù)，這些參數(shù)若設(shè)置不合理，很可能導(dǎo)致模型無法求解，模型參數(shù)的設(shè)置除了參考實(shí)際工程之外，開展模型參數(shù)的影響分析也十分有必要。在短期模型中，合理的調(diào)度期末水位控制偏差δ不僅能夠有效保證次日下一個(gè)調(diào)度期的調(diào)度需求，同時(shí)也反映了中長期調(diào)度對短期調(diào)度的約束，豐平枯不同季節(jié)可有不同的限制值，是本文模型的關(guān)鍵參數(shù)之一。基于本文實(shí)例，分別將調(diào)度期末水位允許變幅δ設(shè)置為0.15和0.05 m，分析其對模型結(jié)果的影響，如下表3所示。從結(jié)果中可以看出，隨著調(diào)度期末水位允許變幅的增加，聯(lián)合體總收益增加、高于發(fā)電計(jì)劃的額外收益增加、開停機(jī)成本不變、懲罰費(fèi)用減少，主要原因是隨著調(diào)度期末允許變幅的擴(kuò)大，混合式抽水蓄能電站可調(diào)水量增加，使得額外發(fā)電收益增加，同時(shí)也能減少低于偏差帶來的懲罰費(fèi)用。然而，短期過大的末水位允許變幅可能導(dǎo)致中長期水位控制需求難以滿足，影響后期可調(diào)度能力，需結(jié)合調(diào)度實(shí)際合理設(shè)置。

表3 不同調(diào)度期末水位允許變幅結(jié)果對比分析 (單位：萬元)

6 結(jié)論

充分利用我國規(guī)模龐大的常規(guī)水電站增建混合式抽水蓄能是快速推進(jìn)抽水蓄能建設(shè)的重要途徑，為促進(jìn)風(fēng)光等新能源的大規(guī)模消納提供了靈活性保障。為探索常規(guī)水電站融合改造后的混合式抽水蓄能電站的運(yùn)行模式，本文提出一種混合式抽水蓄能電站與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)度模型，通過模型建模與實(shí)例分析，得到以下結(jié)論和發(fā)現(xiàn)。

(1)混合式抽水蓄能電站包括常規(guī)機(jī)組和抽蓄機(jī)組，二者的運(yùn)行特性差異較大。以機(jī)組為單元進(jìn)行精細(xì)化建模，根據(jù)運(yùn)行特性的不同分別設(shè)置運(yùn)行約束，并通過引入機(jī)組狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的解耦與關(guān)聯(lián)切換，實(shí)例表明，常規(guī)機(jī)組和抽蓄機(jī)組的運(yùn)行均滿足所設(shè)置約束要求，符合實(shí)際調(diào)度需求。

(2)混合式抽水蓄能電站具有典型的“量調(diào)并重”的優(yōu)勢，在夜晚負(fù)荷低谷時(shí)段，抽蓄機(jī)組處于抽水工況，有效支撐了低谷調(diào)峰并存儲(chǔ)電量；在白天，抽蓄機(jī)組主要處于發(fā)電工況，承擔(dān)著靈活快速調(diào)節(jié)的角色，一方面跟隨風(fēng)電出力保證了發(fā)電計(jì)劃的執(zhí)行，另一方面也避免了常規(guī)機(jī)組頻繁調(diào)節(jié)帶來的出力波動(dòng)。

(3)以混合式抽水蓄能電站和風(fēng)電所構(gòu)成聯(lián)合體整體的收益最大為目標(biāo)函數(shù)，并通過引入獎(jiǎng)懲電價(jià)機(jī)制，可以有效激勵(lì)聯(lián)合體提高風(fēng)電的預(yù)測精度并制定合理的發(fā)電計(jì)劃，從而提高聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃的可執(zhí)行性。

后續(xù)，考慮將新能源出力的不確定性納入模型，并繼續(xù)圍繞梯級(jí)混合式抽水蓄能電站與風(fēng)光新能源的互補(bǔ)調(diào)度、聯(lián)合體的利益分配機(jī)制等方面開展深入研究。