水光互補基地水庫調(diào)度圖繪制及應(yīng)用策略

尹麗君,許 昌,黃顯峰,吳志遠

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)新能源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

為了全力實現(xiàn)“雙碳”目標,我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型重點放在綠色能源的轉(zhuǎn)型上,水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等多種綠色清潔能源的聯(lián)合利用成為我國能源轉(zhuǎn)型和發(fā)展的重點和規(guī)劃方向。但是光伏發(fā)電普遍存在波動幅度大、隨機性強和間接性突出等特點,大量光伏發(fā)電接入水電站將會導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定輸電過程產(chǎn)生一系列問題,使電網(wǎng)也無法持續(xù)穩(wěn)定的工作。水電機組能夠靈活開閉,有較好的調(diào)節(jié)性能,對光伏發(fā)電的不穩(wěn)定出力具有較好的平抑作用。由于水力與電力關(guān)系復(fù)雜,系統(tǒng)的調(diào)度運行受到能源的多種隨機性的影響,同時電網(wǎng)電站受多種約束條件限制,因此如何合理進行水光互補調(diào)度成為亟須解決的問題。目前,雅礱江、金沙江、烏江等大型水電基地開展了水風(fēng)光多能互補研究[1],建設(shè)了一批風(fēng)光試點項目。如羊峽水光互補發(fā)電站,通過水光互補技術(shù)實現(xiàn)了水力發(fā)電和光伏發(fā)電快速補償?shù)墓δ?解決了光伏發(fā)電的棄電和并網(wǎng)難題。目前我國清潔能源互補基地多依托大型流域建設(shè),利用水電調(diào)節(jié)性能達到平抑光伏波動的效果,從而實現(xiàn)水光互補調(diào)度的穩(wěn)定運行。

國內(nèi)外學(xué)者對水光互補調(diào)度圖已經(jīng)開展了許多研究:明波等[2]對水光互補中長期隨機優(yōu)化調(diào)度方法進行評估,基于參數(shù)-模擬-優(yōu)化方法定制水光互補調(diào)度圖,有效提高了發(fā)電量和發(fā)電保證率。黃顯峰等[3]建立不同調(diào)度周期的逐步遞進水光互補優(yōu)化模型,有效提高了光電消納率,提升了水光系統(tǒng)總發(fā)電效益。王立平等[4]提出了一種基于水光互補的多虛擬電廠兩階段優(yōu)化調(diào)度方法,有效降低了光伏固有的隨機性以及可中斷負荷響應(yīng)的不確定性對系統(tǒng)運行和決策的影響,提高了能源利用率。李秀峰等[5]基于等效電廠的梯級水光短期互補調(diào)度方法,發(fā)揮了不同調(diào)節(jié)類型水電站對光伏電互補的作用,提升水光整體調(diào)峰效果。郭曉雅等[6]建立嵌套決策相應(yīng)函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度模型,提高了系統(tǒng)發(fā)電量及保證率。Opan等[7]以發(fā)電量最大為目標開展了水風(fēng)長期優(yōu)化調(diào)度研究,根據(jù)比較實例計算發(fā)電量可知發(fā)電量類似的情況均高于無風(fēng)電情景。Yang等[8]基于以最大化系統(tǒng)發(fā)電量和發(fā)電保證率為目標建立的確定性水光互補優(yōu)化調(diào)度模型,結(jié)合隱隨機優(yōu)化方法,提取了水光混合發(fā)電系統(tǒng)的長期調(diào)度規(guī)則。Singh等[9]建立了以發(fā)電成本最小為目標的水火光長期優(yōu)化調(diào)度模型,嵌套了短期優(yōu)化調(diào)度模塊,能夠有效降低發(fā)電成本。

目前國內(nèi)外針對水光互補的調(diào)節(jié)方法重點在調(diào)度模型建立和優(yōu)化方法,針對光伏發(fā)電接入水電站方面的研究尚不充分,對水光互補水庫調(diào)度圖的具體繪制方法更是少有研究。為此,本文針對瀾滄江上游實際情況,創(chuàng)新調(diào)度圖繪制方法,按照來水頻率分組繪制水光互補優(yōu)化調(diào)度圖,并給出相應(yīng)的應(yīng)用策略,以期能為清潔能源基地水光互補調(diào)度運行提供理論支撐。

1 水光互補水庫調(diào)度圖繪制方法

水光互補水庫調(diào)度圖作為一種長期調(diào)度規(guī)則,旨在利用光伏、水能資源的季節(jié)性分布規(guī)律和互補特性,提高混合發(fā)電系統(tǒng)在長時間尺度的發(fā)電效益[10]。常規(guī)水庫調(diào)度圖通常以調(diào)度所在時段和當前水庫水位狀態(tài)作為決策依據(jù),不能有效利用光伏出力和徑流等信息。在常規(guī)水庫調(diào)度圖的基礎(chǔ)上,本文針對水光互補系統(tǒng),提出適用水光互補系統(tǒng)的水庫調(diào)度圖繪制方法。

1.1 代表年的選擇和處理

代表年的選取方法分為按供水期水量選取、按年水量選取、按供水期平均出力選取3種。本文以長系列的蓄水期水量為挑選代表年的標準。因蓄水期的水量大小對水光互補的棄光較敏感,故本文對長系列的蓄水期水量進行分組,根據(jù)水量頻率分為>50%～60%、>60%～70%、>70%～80%、>80%～90%、>90%～100%共5個蓄水期徑流組,分別繪制對應(yīng)的5個水庫調(diào)度圖。

1.2 調(diào)度圖繪制步驟

a.將汛期徑流資料進行排頻;根據(jù)排頻結(jié)果將資料分為>50%～60%、>60%～70%、>70%～80%、>80%～90%、>90%～100%的5個汛期徑流組。

b.選擇第n個汛期徑流集的第m個代表年;根據(jù)此代表年的汛期流量和對應(yīng)年份的光伏出力,按每月的臨界出力自蓄水期初的死水位順時序逐時段計算至水庫蓄滿,確定每個典型年的蓄滿月份。

c.由b得到的蓄滿月份的月末開始,再按每月臨界出力逆時序逐時段計算至蓄水期初得到蓄水過程線;將此線加入第n個蓄水過程線集;循環(huán)步驟b、c直至所有代表年均計算完成。

d.由于各代表年期年內(nèi)徑流分配不同,推求得到的指示線也不一樣,取各蓄水過程線集上、下包絡(luò)線,作為各汛期徑流集的汛期上、下基本調(diào)度線。

e.將所有徑流資料的枯水期資料組成枯水期徑流集;選擇其中某個徑流數(shù)據(jù),由枯水期末死水位開始起調(diào),按保證出力逆時序計算至枯水期初,得到放水過程線;將此線加入放水過程線集;取放水過程線集的上、下包絡(luò)線,得到枯期上、下基本調(diào)度線。

f.枯期上、下基本調(diào)度線與各汛期徑流集的上、下基本調(diào)度線分別進行組合,形成5個水光互補調(diào)度圖,最終得到長時間尺度的水光互補水庫調(diào)度圖集。

2 實例驗證

2.1 研究區(qū)概況

為充分利用西藏水電資源和太陽能資源,西藏自治區(qū)計劃在“十四五”期間重點打造瀾滄江西藏段千萬千瓦級可再生能源基地。同時建設(shè)特高壓直流外送通道,將清潔能源輸送到東部地區(qū),實現(xiàn)“西電東輸”戰(zhàn)略的大尺度資源優(yōu)化配置[11]。瀾滄江西藏段清潔能源基地規(guī)劃水電裝機952.5萬kW,計劃在“十四五”期間建成投運[12-15],各水電站特征參數(shù)見表1。

表1 瀾滄江西藏段水電站特征參數(shù)

瀾滄江左岸光伏場址主要包括芒康縣昂多場址,光伏裝機容量約400萬kW、貢覺縣它嶺場址光伏裝機容量約200萬kW,其他900萬kW光伏主要分布在瀾滄江右岸的左貢縣、察雅縣、八宿縣[16-17]。

本文收集所涉及的班達、如美、邦多、古學(xué)、曲孜卡以及古水6個電站1953—2018年的逐日徑流數(shù)據(jù),及此時段6個電站的逐日區(qū)間徑流數(shù)據(jù)。光伏出力分別采用該區(qū)域內(nèi)已建成的貢覺、八宿、芒康、左貢、察雅光伏電站2016年1月1日0:00至12月31日24:00逐小時日前輻射強度和溫度的預(yù)測和實測數(shù)據(jù),基地光伏電站裝機規(guī)?？紤]1000萬kW。

2.2 調(diào)度圖繪制

以如美水電站為例,代表年的選取結(jié)果見表2。

表2 不同頻率徑流分組的代表年

水光互補水庫調(diào)度圖結(jié)果見表3,不同徑流頻率分組的水光互補水庫調(diào)度圖見圖1。

圖1 不同汛期徑流集的水光互補水庫調(diào)度圖Fig.1 Operation map of water-light complementary reservoir with runoff sets in different flood seasons

表3 水光互補調(diào)度圖上、下基本調(diào)度線結(jié)果

對水光互補性結(jié)果分析可得,水電總電量為411.26億kW·h,基地水量利用率為95.86%,光伏利用率為94.36%,光伏電量為165.34億kW·h,基地總電量為576.90億kW·h,基地綜合利用率為95.21%。水光互補發(fā)電量和實際運行資料接近,計算結(jié)果符合實際,通過瀾滄江實例表明,水光互補基地水庫調(diào)度圖能夠提高系統(tǒng)發(fā)電量,減少棄水,提高水庫發(fā)電效益。

3 水光互補調(diào)度圖應(yīng)用策略

水光互補調(diào)度圖的應(yīng)用策略如下:

a.根據(jù)入庫徑流,計算汛期、枯期來水頻率,選取與來水頻率一致的水光互補調(diào)度圖。

b.汛期針對該月來水和水庫當前水位,以水光互補系統(tǒng)月均臨界出力發(fā)電,計算確定控制水位。將控制水位與水光互補調(diào)度圖進行對比分析,確定水電站運行調(diào)度水位。若控制水位在水光互補調(diào)度圖該月上、下基本調(diào)度線中間,則可直接采用水光互補系統(tǒng)月均臨界出力指導(dǎo)發(fā)電。若月末水位在水光互補調(diào)度圖該月下基本調(diào)度線下,則以基本調(diào)度線下限為控制降低發(fā)電出力。若月末水位在水光互補調(diào)度圖該月上基本調(diào)度線上,則以基本調(diào)度線上限為控制加大發(fā)電出力。根據(jù)水庫當前水位、水光互補系統(tǒng)月均臨界出力、梯級上下游水力聯(lián)系等,可計算得到梯級各個電站的出力、水位、流量等,指導(dǎo)各個電站的實際運行調(diào)度。

c.枯期針對該月來水和水庫當前水位,以水光互補系統(tǒng)保證出力發(fā)電,計算確定水庫控制水位。根據(jù)計算得到的控制水位與水光互補調(diào)度圖進行對比分析,確定各個電站運行調(diào)度水位。若計算得到的控制水位在水光互補調(diào)度圖該月上、下基本調(diào)度線中間,則可以直接采用混合系統(tǒng)保證出力指導(dǎo)發(fā)電。若計算得到的控制水位在水光互補調(diào)度圖該月下基本調(diào)度線下面,則混合系統(tǒng)水電站需要降低出力發(fā)電,讓水位盡快升到上、下基本調(diào)度線之間。若計算得到的控制水位在水光互補調(diào)度圖該月上基本調(diào)度線上面,則基地需要加大出力發(fā)電,讓水位盡快回落到上、下基本調(diào)度線之間。

4 結(jié) 語

本文提出按照來水頻率分組方法繪制水光互補水庫調(diào)度圖,并對瀾滄江上游西藏段進行實例分析驗證。按汛期不同的來水頻率分組,在來水偏豐的年份,汛期以防棄水為調(diào)度原則,在來水平、偏枯的年份,汛期考慮光伏全部消納,以水電月臨界出力為控制,制定汛期水庫水位上、下基本調(diào)度線,指導(dǎo)汛期不同來水頻率的水光互補運行調(diào)度;枯期按基地保證出力制定基地上、下基本調(diào)度線,給出了水光互補調(diào)度圖應(yīng)用策略,以指導(dǎo)基地枯期水光互補運行調(diào)度。

本文在調(diào)度過程中沒有考慮水庫徑流來水預(yù)報,可能會影響調(diào)度圖繪制結(jié)果的誤差,同時本研究只針對年調(diào)節(jié)水庫進行調(diào)節(jié),沒有對多年調(diào)節(jié)水庫的調(diào)度進一步展開研究;在光伏電站數(shù)據(jù)輸入時沒有考慮年際變化等因素影響,因此相關(guān)研究工作還需進一步開展研究。