考慮短期波動(dòng)與棄電風(fēng)險(xiǎn)的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中長(zhǎng)期雙層嵌套優(yōu)化調(diào)度

鮮于虎成 黃顯峰 張艷青 李 旭 許 昌

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院 南京 210098 2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴陽(yáng) 550081 3.華能瀾滄江水電股份有限公司 昆明 650214 4.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 南京 210098）

0 引言

我國(guó)水、光電資源豐富，通過(guò)建立以水能調(diào)蓄為調(diào)度機(jī)制的多能互補(bǔ)系統(tǒng)[1-2]，促進(jìn)清潔能源并網(wǎng)消納，是推動(dòng)能源發(fā)展和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的重要舉措[3]。與此同時(shí)，區(qū)域性清潔能源的高效利用，不僅對(duì)清潔能源基地運(yùn)行管理影響重大，也將為“雙碳”順利完成做出巨大貢獻(xiàn)。而如何制定合理的互補(bǔ)策略并充分挖掘庫(kù)群的調(diào)蓄互補(bǔ)潛力，保障系統(tǒng)送電過(guò)程的穩(wěn)定與可靠性能[4-5]，則是完善互補(bǔ)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)運(yùn)行效能的關(guān)鍵技術(shù)。

光電等多種可再生能源具有隨機(jī)波動(dòng)的不穩(wěn)定性[6]。當(dāng)互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電功率的波動(dòng)程度超出電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力時(shí)，將引發(fā)棄電風(fēng)險(xiǎn)[7]，出現(xiàn)棄水、棄光等現(xiàn)象。一是不利于互補(bǔ)系統(tǒng)消納電量效益；二是不利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[8]。另外，基于水、光互補(bǔ)性的評(píng)估方法[9]，合理的裝機(jī)容量比例有助于提升系統(tǒng)整體送電效益，并降低獨(dú)立運(yùn)行的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)[10]。而對(duì)于工程特定的裝機(jī)容量，通過(guò)多能互補(bǔ)方法提升混合能源的調(diào)節(jié)平衡能力，是保障新能源消納電量與發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量的重要途徑[11]。

針對(duì)互補(bǔ)效能研究，文獻(xiàn)[12-14]從短期優(yōu)化角度建立了消納電量與功率穩(wěn)定之間的優(yōu)化目標(biāo)，緩解了發(fā)電量與出力波動(dòng)之間的矛盾；文獻(xiàn)[15-16]從源-荷互動(dòng)角度分析了系統(tǒng)發(fā)電能力與電網(wǎng)負(fù)荷需求的調(diào)控性能，旨在協(xié)調(diào)系統(tǒng)與電網(wǎng)的運(yùn)行策略。上述過(guò)程主要集中于短期互補(bǔ)調(diào)節(jié)，對(duì)于大型互補(bǔ)系統(tǒng)的全周期運(yùn)行指導(dǎo)，還需要進(jìn)一步從中長(zhǎng)期決策的角度出發(fā)。文獻(xiàn)[17-19]建立了消納電量目標(biāo)的中長(zhǎng)期互補(bǔ)調(diào)度模型，分別引入了短期棄電函數(shù)和電量約束條件，并將短期消納電量反饋至中長(zhǎng)期調(diào)度過(guò)程，以此制定了防棄電調(diào)度規(guī)則。

然而，輸電過(guò)程中出力波動(dòng)導(dǎo)致的電流諧波疊加問(wèn)題會(huì)加劇電網(wǎng)運(yùn)行壓力[20]。以光伏為例，光伏出力受天氣等外界因素影響較大，呈現(xiàn)出顯著的間歇性與波動(dòng)性，且在中、微尺度氣象下伴隨著對(duì)高壓輸電穩(wěn)定非常不利的鋸齒形出力[21]。該情況下，不同于電力系統(tǒng)電壓閃變、諧波與頻率等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的是：本文從發(fā)電端的能源消納難題入手，主要考慮發(fā)電并網(wǎng)過(guò)程中的棄電與輸電功率波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)不確定性問(wèn)題展開(kāi)分析，文獻(xiàn)[22-23]從分階調(diào)度的角度降低預(yù)測(cè)誤差，建立了滾動(dòng)預(yù)測(cè)驅(qū)動(dòng)的水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行模型，旨在提高長(zhǎng)期發(fā)電量；文獻(xiàn)[24]從光伏出力預(yù)測(cè)偏差角度擬定光電場(chǎng)景波動(dòng)幅度；文獻(xiàn)[25]從隨機(jī)特性分析與提取角度構(gòu)建了光伏出力模擬模型；文獻(xiàn)[26-28]則結(jié)合歷史資料，采用馬爾科夫鏈、蒙特卡洛、魯棒優(yōu)化等方法模擬光伏出力時(shí)序。

綜上所述，水電調(diào)節(jié)能力受裝機(jī)容量限制還有水量資源的約束，短期光伏出力則具有波動(dòng)性與不確定性。水光在短期內(nèi)如何形成良好的互補(bǔ)策略，而該策略如何影響并調(diào)控中長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)決策？上述問(wèn)題具體表現(xiàn)為：①現(xiàn)有的出力波動(dòng)指標(biāo)難以保證高比例新能源滲透下電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行；②傳統(tǒng)的互補(bǔ)過(guò)程對(duì)于中長(zhǎng)期運(yùn)行效益與短期并網(wǎng)波動(dòng)、棄電風(fēng)險(xiǎn)缺乏統(tǒng)籌考慮，所制訂的方案難以滿足發(fā)電場(chǎng)景不確定性集合下的決策偏好需求。

本文基于水光出力特性解析兩者的互補(bǔ)關(guān)系，對(duì)輸電通道實(shí)施電量區(qū)域標(biāo)識(shí)，旨在識(shí)別通道空間的多樣化功能。將平抑系統(tǒng)出力波動(dòng)與棄電風(fēng)險(xiǎn)作為提升并網(wǎng)質(zhì)量的切入點(diǎn)，提出波動(dòng)參數(shù)與波動(dòng)平抑方法，旨在重構(gòu)電量區(qū)域形成短期互補(bǔ)策略并生成效益風(fēng)險(xiǎn)量化信息，進(jìn)而制訂互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃與量化短期消納電量、波動(dòng)量、棄電量信息。建立中長(zhǎng)期-短期雙層嵌套調(diào)度模型與求解方法，引入水光消納矢量關(guān)系協(xié)同粒子群算法提高模型求解效率。

最后通過(guò)模擬水光場(chǎng)景與選取波動(dòng)參數(shù)確定決策邊界，以此構(gòu)建互補(bǔ)系統(tǒng)在多情景下的調(diào)度方案集。通過(guò)評(píng)估-決策，形成具有實(shí)際指導(dǎo)意義的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)與效益信息展示平臺(tái)，該平臺(tái)支持快速選取符合系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)決策偏好的調(diào)度方案。本文以瀾滄江西藏段水光互補(bǔ)系統(tǒng)為研究背景（包括光伏電站和多個(gè)具有水力聯(lián)系的梯級(jí)水電站，通過(guò)控制中心統(tǒng)一調(diào)度，采用水光發(fā)電打捆并網(wǎng)的輸電模式，支持光伏裝機(jī)容量占比超過(guò)50%），通過(guò)實(shí)例分析進(jìn)行效果驗(yàn)證，為互補(bǔ)系統(tǒng)的多樣化發(fā)展與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)提供新的技術(shù)思路。

1 短期水光互補(bǔ)策略

1.1 水光出力特性與互補(bǔ)關(guān)系解析

光伏短期出力過(guò)程受太陽(yáng)輻射與天氣影響[22]，以日為周期，形成“晝發(fā)夜歇”與“隨機(jī)波動(dòng)”的出力特性。出力大小從零至裝機(jī)容量間變化。本文以出力形狀與電量為切入點(diǎn)，進(jìn)行水光出力特性分析，光伏出力場(chǎng)景聚類如圖1 所示。在光電形狀上，根據(jù)雨、陰、晴三類場(chǎng)景聚類，提取各場(chǎng)景的典型光伏出力，依次描述為鋸齒梯形、多峰分布、平滑曲線；在電量上，三者在輸電通道內(nèi)占用的空間為“光伏消納區(qū)”，該區(qū)域占用空間依次增加。隨著光電形狀的波動(dòng)幅度加劇，系統(tǒng)需要調(diào)用其他能源的調(diào)節(jié)能力平衡該區(qū)域輸電形式[29]，以保障互補(bǔ)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定可靠的電能，將該區(qū)域定義為“水電平衡區(qū)”。

圖1 光伏出力場(chǎng)景聚類Fig.1 PV output scenarios clustering

水電出力上限受裝機(jī)容量與預(yù)想出力限制，下限受最小出力限制；水電電量則受通道空間與光伏電量限制。即水電調(diào)節(jié)能力受到出力邊界與水電電量影響，其中水電出力下限需要的通道空間為“水電保證區(qū)”。水光互補(bǔ)關(guān)系可表述為：①光電波動(dòng)性與水電調(diào)節(jié)能力將直接影響水光電量區(qū)域標(biāo)識(shí)；②光電電量與波動(dòng)幅度的增加將直接擠兌水電消納空間，同時(shí)需要更多的水電電量補(bǔ)償平衡區(qū)以降低出力波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水電調(diào)節(jié)能力要求更加苛刻；③水電出力約束邊界與水電電量的增加可以促進(jìn)調(diào)節(jié)能力，但水電電量溢出輸電通道的棄電風(fēng)險(xiǎn)隨之上升，出現(xiàn)棄“光”或棄“水”。因此，需要綜合考慮水光出力形狀與電量上的互補(bǔ)關(guān)系，以提升消納電量、平抑波動(dòng)與棄電風(fēng)險(xiǎn)的互補(bǔ)效能。

1.2 電量區(qū)域標(biāo)識(shí)與波動(dòng)平抑方法

水光互補(bǔ)性體現(xiàn)在水電以容量保障光電質(zhì)量，光伏以電量補(bǔ)充水電功能[30]。結(jié)合水光互補(bǔ)關(guān)系制定合理的水光互補(bǔ)策略，是提升互補(bǔ)性的前提要素。具體為：提取中長(zhǎng)期調(diào)度決策中的階段n，n=1,…，N，N為中長(zhǎng)期階段數(shù)量，以下通過(guò)中長(zhǎng)期第n階段的水光信息展示補(bǔ)償過(guò)程。

將水、光電量按區(qū)域?qū)傩砸来畏峙浣o水電保證區(qū)、光伏消納區(qū)、水電平衡區(qū)，前兩項(xiàng)同步跟蹤水、光電量變化，其空間容量為

光伏電量分配完成后，其波動(dòng)性還需要水電平衡區(qū)給予調(diào)節(jié)。針對(duì)高比例光伏接入，水電的調(diào)節(jié)能力難以完全補(bǔ)償光電波動(dòng)性的問(wèn)題[31]。本文將水電平衡區(qū)進(jìn)一步劃分為局部與整體平衡區(qū)，水電調(diào)節(jié)能力不足時(shí)優(yōu)先補(bǔ)償前者；充足時(shí)則繼續(xù)補(bǔ)償后者。以此提出系統(tǒng)出力的波動(dòng)平抑方法。短期互補(bǔ)策略與流程如圖2 所示。

圖2 短期互補(bǔ)策略Fig.2 Short-term complementary strategy

1.2.1 局部平衡區(qū)邊界構(gòu)建

系統(tǒng)外送電能具有穩(wěn)定需求，結(jié)合光伏出力特性分析，宜采用階梯輪廓作為局部平衡區(qū)邊界。原因?yàn)椋孩倥c光伏出力形狀具有高適配度；②在水電調(diào)節(jié)能力不足的情況下，通過(guò)分階段保障電力穩(wěn)定，對(duì)于系統(tǒng)發(fā)電間歇時(shí)段電力不足的問(wèn)題，可以調(diào)用外源電力[31]；③區(qū)域構(gòu)建效率高，逐時(shí)段搜索光伏出力曲線的外輪廓即可形成最佳閉合區(qū)域。

式中，A1、A2分別為曲線上最高點(diǎn)兩側(cè)的閉合階梯形區(qū)域面積；1l、l2分別為1A、2A的斜邊，如圖3 第1 行所示，斜邊搜索方式為：逐時(shí)段生成斜邊，直至該側(cè)位于斜邊內(nèi)，根據(jù)式（4）確定最小閉合區(qū)域；f為積分函數(shù)。該區(qū)域旨在明確系統(tǒng)出力局部平滑穩(wěn)定的最佳階梯直線邊界范圍。

圖3 波動(dòng)平抑方法Fig.3 Fluctuation damping method

1.2.2 局部平衡區(qū)波動(dòng)平抑

局部平衡區(qū)表示水電優(yōu)先補(bǔ)償區(qū)，通過(guò)區(qū)域提取與重構(gòu)定義為初始波動(dòng)區(qū)域，如圖3 第2 行所示。

區(qū)域鋸齒形出力變幅不利于電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上需要結(jié)合相鄰時(shí)段光伏出力的波動(dòng)情況，調(diào)用水電出力逐次平抑系統(tǒng)出力的局部波動(dòng)性。引入局部波動(dòng)參數(shù)ΔS調(diào)控該過(guò)程，具體步驟為：

1）識(shí)別初始波動(dòng)區(qū)域與區(qū)域波動(dòng)強(qiáng)度。

2）賦予波動(dòng)參數(shù)，調(diào)用水電出力逐次平抑波動(dòng)區(qū)域。返回步驟1），直至區(qū)域波動(dòng)強(qiáng)度不高于波動(dòng)參數(shù)，局部平衡區(qū)波動(dòng)平抑完成。

3）引入函數(shù)1f記錄局部波動(dòng)參數(shù)與水電補(bǔ)償出力、水電局部平衡電量的映射關(guān)系。

1.2.3 整體平衡區(qū)邊界構(gòu)建

系統(tǒng)外送電能需要兼顧穩(wěn)定與防棄電需求，結(jié)合水光互補(bǔ)關(guān)系分析，宜采用輸電通道水光電量的消納輪廓作為整體平衡區(qū)邊界，如圖3 第3 行所示。受水電調(diào)節(jié)能力、光伏擠占空間和輸電通道限制，整體平衡區(qū)的空間容量為

1.2.4 整體平衡區(qū)波動(dòng)平抑整體平衡區(qū)波動(dòng)平抑過(guò)程如圖3 第3 行所示，水電電量在整體平衡區(qū)內(nèi)沿水平面引導(dǎo)邊界上升，配合局部平衡區(qū)進(jìn)一步平抑系統(tǒng)出力的整體波動(dòng)性。引入整體波動(dòng)參數(shù)RΔ 調(diào)控該過(guò)程，具體為

綜上所述，波動(dòng)平抑方法旨在合理引導(dǎo)水電出力，提升局部、整體波動(dòng)平抑效果，在有限的調(diào)節(jié)能力下盡可能保證系統(tǒng)輸電形式趨近平滑穩(wěn)定。

1.3 水光互補(bǔ)效益與風(fēng)險(xiǎn)量化信息

效益要素對(duì)應(yīng)消納電量，風(fēng)險(xiǎn)要素對(duì)應(yīng)棄電量和并網(wǎng)質(zhì)量。依據(jù)互補(bǔ)關(guān)系，水電電量超過(guò)輸電通道中水電消納區(qū)的空間容量即發(fā)生棄電。中長(zhǎng)期第n階段系統(tǒng)消納電量、棄電量分別為

式中，Wn、分別為第n階段系統(tǒng)消納電量、棄電量、水電電量與水電消納空間。

系統(tǒng)發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量主要由水電平衡區(qū)的波動(dòng)平抑方法實(shí)施效果決定。一是水電電量能夠完全補(bǔ)償局部平衡區(qū)，剩余水電電量可以進(jìn)一步平抑整體平衡區(qū)內(nèi)的出力峰谷差，降低外調(diào)能源風(fēng)險(xiǎn)；二是水電電量只能平抑局部平衡區(qū)內(nèi)的出力波動(dòng)?；谏鲜鰞煞N情況，引入峰谷差En和波動(dòng)區(qū)域波動(dòng)幅度nF指標(biāo)分別表征系統(tǒng)出力整體、局部并網(wǎng)質(zhì)量，有

式中，調(diào)入f1按式（5）～式（10）計(jì)算；調(diào)入按式（13）～式（15）計(jì)算?；谒娖胶鈪^(qū)與波動(dòng)平抑方法，采用系統(tǒng)出力峰谷差與波動(dòng)區(qū)域波動(dòng)幅度指標(biāo)更加具有工程實(shí)踐意義。

2 調(diào)度模型

互補(bǔ)系統(tǒng)短期與中長(zhǎng)期調(diào)度是一個(gè)多時(shí)間尺度嵌套問(wèn)題，合理的中長(zhǎng)期調(diào)度決策有助于提高系統(tǒng)的長(zhǎng)期效益并降低短期風(fēng)險(xiǎn)。調(diào)度模型在中長(zhǎng)期以消納電量最大為目標(biāo)；在短期以波動(dòng)、棄電風(fēng)險(xiǎn)控制為約束。采用波動(dòng)參數(shù)調(diào)控搜索空間實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)控制，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)如下。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

中長(zhǎng)期以消納電量最大為目標(biāo)，月為調(diào)度期、日為調(diào)度階段步長(zhǎng)，具體為

式中，W為中長(zhǎng)期消納電量。

2.2 約束函數(shù)

1）水電電量平衡

2）光伏出力約束

3）水量平衡約束

式中，Vi,n1-、Vi,n分別為第i級(jí)電站在n階段初、末庫(kù)容；Qi,n、qi,n分別為第i級(jí)電站在n階段出庫(kù)流量、壩前區(qū)間流量；tz為水流滯時(shí)。

4）外層水庫(kù)庫(kù)容約束

5）下泄流量約束

6）短期波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)控制

7）短期棄電風(fēng)險(xiǎn)控制

3 雙層嵌套求解方法

水光互補(bǔ)調(diào)度是高維的非線性離散問(wèn)題，采用嵌套優(yōu)化可以降低變量維度[32-33]，但求解過(guò)程往往因?yàn)槭懿煌瑫r(shí)間尺度的調(diào)度邊界影響而引發(fā)局部解問(wèn)題。為此，本文開(kāi)發(fā)了一種雙層嵌套求解方法。基本思想是將調(diào)度模型分為內(nèi)、外兩層：在外層搜索月度庫(kù)容調(diào)蓄決策，計(jì)算水電電量后導(dǎo)入內(nèi)層；在內(nèi)層優(yōu)化日內(nèi)輸電形式，并將短期風(fēng)險(xiǎn)與效益信息反饋至外層更新中長(zhǎng)期決策制訂。形成中長(zhǎng)期-短期層間信息傳遞與反饋、層內(nèi)決策搜索與優(yōu)化的循環(huán)聯(lián)動(dòng)求解過(guò)程。

另外， 傳統(tǒng)粒子群優(yōu)化（ Particle Swarm Optimization, PSO）算法具有較強(qiáng)的通用性與收斂速度快的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于非線性離散問(wèn)題的求解。但受水位、流量、出力、風(fēng)險(xiǎn)控制等復(fù)雜環(huán)境約束的影響，其進(jìn)化方式難以有效處理上述求解過(guò)程中不滿足約束的變量，容易陷入非可行解，影響了求解效率[34]。為此，本文在傳統(tǒng)PSO 基礎(chǔ)上引入水光消納矢量信息，配合雙層嵌套求解方法引導(dǎo)變量進(jìn)化過(guò)程，加速模型求解效率。

1）外層長(zhǎng)期庫(kù)容決策搜索

步驟1：調(diào)入PSO 算法和徑流、光伏出力數(shù)據(jù)，選取ΔS、ΔR內(nèi)的波動(dòng)參數(shù)組成約束函數(shù)。以庫(kù)容為決策變量、短期n為階段變量，生成初始種群。

步驟2：根據(jù)種群內(nèi)各粒子的庫(kù)容變量，按徑流計(jì)算中長(zhǎng)期各階段的水電電量并導(dǎo)入內(nèi)層。

2）內(nèi)層短期輸電形式優(yōu)化

步驟3：以水電出力為決策變量，時(shí)段t為階段變量，根據(jù)1.2 節(jié)按電量區(qū)域標(biāo)識(shí)與波動(dòng)平抑方法實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)控制分析，生成短期發(fā)電計(jì)劃。

步驟4：根據(jù)1.3 節(jié)計(jì)算每個(gè)粒子的短期效益與風(fēng)險(xiǎn)信息；按式（28）～式（30）獲得各階段水電電量大于或小于約束范圍的電量，進(jìn)而獲得當(dāng)前迭代次數(shù)下的目標(biāo)函數(shù)值W與水光消納矢量信息；進(jìn)行種群排序與選擇，若最優(yōu)粒子滿足約束函數(shù)與收斂精度要求，進(jìn)入步驟6；否則，進(jìn)入步驟5。

3）水光消納矢量信息加速

步驟5：通過(guò)改進(jìn)PSO 進(jìn)化方式調(diào)整庫(kù)容變量，進(jìn)一步引入水光消納矢量信息中各階段水電電量違反方向與大小，引導(dǎo)庫(kù)容的變異方向與大小。如圖4所示，對(duì)于1、2 階段和3、4 階段，通過(guò)同時(shí)上調(diào)和下調(diào)庫(kù)容調(diào)整當(dāng)前階段發(fā)電流量，可以緩解其中一個(gè)階段電量破壞情況，而另一個(gè)階段呈不確定狀態(tài)；對(duì)于2、3 階段或6、7 階段，通過(guò)前后階段的庫(kù)容水量反調(diào)節(jié)效應(yīng)，可以同時(shí)緩解階段電量破壞情況?；谏鲜霾僮鳎梢约涌鞄?kù)容搜索以滿足風(fēng)險(xiǎn)控制的約束環(huán)境，完成庫(kù)容變量的進(jìn)化與更新后，返回步驟2，將步驟4 中的短期信息反饋至外層，將中長(zhǎng)期目標(biāo)效益搜索與短期風(fēng)險(xiǎn)控制過(guò)程相承接，保障中長(zhǎng)期、短期不同時(shí)間尺度間信息傳遞與反饋的連續(xù)性。

圖4 模型求解流程Fig.4 Model solution flow chart

步驟6：求解完成，求解流程如圖4 所示。

4 實(shí)例研究

4.1 工程背景

本研究以瀾滄江西藏段千萬(wàn)kW 清潔能源系統(tǒng)為案例支撐，對(duì)本文模型與求解進(jìn)行效果驗(yàn)證?；パa(bǔ)系統(tǒng)由梯級(jí)水電站與分布式光伏電站組成。水電裝機(jī)規(guī)模952.5 萬(wàn)kW；光電裝機(jī)規(guī)模1 200 萬(wàn)kW，通過(guò)1 000 萬(wàn)kW 輸電通道送至西藏與廣東等電網(wǎng)。光伏電站主要分布在西藏芒康、察雅和貢覺(jué)縣，基于Solargis 數(shù)據(jù)庫(kù)獲取輻射量氣象資料，誤差在0.5%以內(nèi)，通過(guò)Pvsyst 光伏出力分析軟件，計(jì)算2000—2019 年間20 年的光伏出力數(shù)據(jù)，步長(zhǎng)為小時(shí)；水電站主要任務(wù)為發(fā)電，工程參數(shù)見(jiàn)表1，提取1953—2018 年間65 年徑流信息，步長(zhǎng)為日。

表1 梯級(jí)水電站參數(shù)Tab.1 Parameters of cascade hydropower station

4.2 計(jì)算參數(shù)

在實(shí)例計(jì)算中，對(duì)于光伏出力：采用場(chǎng)景模擬，一是按式（23）采用馬爾科夫鏈描述并記錄中長(zhǎng)期各階段光伏出力波動(dòng)與電量變化特性[26]，通過(guò)典型場(chǎng)景分類生成多個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，充分還原光電場(chǎng)景模擬中的波動(dòng)性；二是按式（24）采用蒙特卡洛在原有光伏場(chǎng)景上添加隨機(jī)擾動(dòng)[27]，能夠進(jìn)一步補(bǔ)充光電場(chǎng)景模擬中的隨機(jī)性。對(duì)于水電出力：提取徑流典型場(chǎng)景，按多年徑流資料中的月度平均流量進(jìn)行排頻，篩選典型月度平均流量區(qū)間表示為963～1 228 m3/s。在此基礎(chǔ)上，建立方案集多種場(chǎng)景下的水、光輸入信息。PSO 算法設(shè)置種群粒子為100，迭代次數(shù)為2 000。

4.3 結(jié)果分析

本節(jié)通過(guò)仿真計(jì)算，分析了波動(dòng)參數(shù)調(diào)用水電調(diào)節(jié)能力與提升發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量過(guò)程中的適配性；在此基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了波動(dòng)參數(shù)在短期、中長(zhǎng)期中的調(diào)控效果；并依據(jù)決策偏好與風(fēng)險(xiǎn)效益評(píng)估，制定了調(diào)度方案集，展現(xiàn)了所提方法的實(shí)際指導(dǎo)功能。

4.3.1 波動(dòng)參數(shù)與發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量的適配性

波動(dòng)參數(shù)的選取直接影響短期水電調(diào)節(jié)能力的調(diào)用程度與系統(tǒng)出力的波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)平抑效果。以徑流平均流量1 070 m3/s 為例，波動(dòng)參數(shù)對(duì)并網(wǎng)質(zhì)量與平衡電量的影響如圖5 所示。隨著ΔS內(nèi)的波動(dòng)參數(shù)增大，對(duì)水光補(bǔ)償后波動(dòng)區(qū)域的局部波動(dòng)控制要求逐漸降低，日均局部并網(wǎng)質(zhì)量即波動(dòng)幅度將從0擴(kuò)大到0.96。與此同時(shí)，需要調(diào)用的局部平衡電量從2.46×108kW·h 降至零；ΔR影響分析同上，隨著整體波動(dòng)控制要求降低，日均整體并網(wǎng)質(zhì)量即系統(tǒng)出力峰谷差從0 擴(kuò)大到900 萬(wàn)kW。需要調(diào)用的整體平衡電量從27.4×108kW·h 降至零，其中“零”表示當(dāng)前波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)控制要求失效。

圖5 波動(dòng)參數(shù)對(duì)并網(wǎng)質(zhì)量與平衡電量的影響Fig.5 Influence of fluctuation parameters on gridconnected quality and balance power

上述影響分析表明了波動(dòng)參數(shù)與發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量存在良好的適配關(guān)系：隨著ΔS、RΔ 增加，nF、En分別呈現(xiàn)平滑曲線上升與直線上升趨勢(shì)，相關(guān)性顯著；演示了電量補(bǔ)償與波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)平抑效果間的調(diào)控機(jī)理：隨著ΔS、RΔ 增加，平衡電量分別呈現(xiàn)平滑曲線下降趨勢(shì)，為電量效益與波動(dòng)、棄電風(fēng)險(xiǎn)的綜合分析明確了邊界范圍與影響趨勢(shì)。

4.3.2 波動(dòng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控效果分析

波動(dòng)參數(shù)ΔS、RΔ 能夠協(xié)同應(yīng)對(duì)系統(tǒng)出力局部與整體并網(wǎng)質(zhì)量。在內(nèi)層采用短期波動(dòng)區(qū)域的波動(dòng)幅度nF與系統(tǒng)出力峰谷差En兩個(gè)指標(biāo)信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)而調(diào)控外層中長(zhǎng)期各階段的水量調(diào)蓄，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的出力波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)控制要求。

為驗(yàn)證波動(dòng)參數(shù)在雙層調(diào)度模型中的調(diào)控效果。結(jié)合圖5 中波動(dòng)參數(shù)影響分析的邊界范圍，設(shè)置三組方案：ΔS=[200,0,0]萬(wàn)kW；ΔR=[1 000,1 000,500]萬(wàn)kW；如圖6 所示。方案一代表局部、整體波動(dòng)控制失效，水電無(wú)需調(diào)用平衡電量進(jìn)行波動(dòng)補(bǔ)償；方案二代表局部生效，整體失效，水電需要調(diào)用局部平衡電量完全補(bǔ)償局部平衡區(qū)；方案三代表局部、整體生效，水電需要在方案二的基礎(chǔ)上繼續(xù)調(diào)用整體平衡電量補(bǔ)償整體平衡區(qū)。

圖6 波動(dòng)參數(shù)對(duì)消納電量與并網(wǎng)質(zhì)量的影響Fig.6 Influence of fluctuation parameters on power accommodation and grid-connection quality

方案一中1～16 日平均波動(dòng)幅度為0.85，在局部波動(dòng)控制失效下，僅靠水光消納電量目標(biāo)調(diào)控互補(bǔ)過(guò)程，無(wú)法平抑系統(tǒng)出力局部波動(dòng)；方案二中波動(dòng)幅度下降至0，峰谷差相對(duì)于方案一無(wú)明顯變化，原因是在水電消納電量目標(biāo)的引導(dǎo)下，調(diào)用的平衡電量?jī)H夠補(bǔ)償局部平衡區(qū)；方案三中波動(dòng)幅度、峰谷差則被分別平抑至0、500 萬(wàn)kW 以下，相對(duì)于方案二，在1～16 日調(diào)用的平衡電量大幅增加，原因是需要進(jìn)一步調(diào)用平衡電量補(bǔ)償整體平衡區(qū)，22～30 日三者波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)基本一致，原因是該周期水電出力加大，水電電量能夠充分補(bǔ)償平衡區(qū)。

根據(jù)上述分析，表明波動(dòng)參數(shù)ΔS、RΔ 在互補(bǔ)調(diào)度中對(duì)中長(zhǎng)期水電電量分配影響明顯，對(duì)各階段系統(tǒng)出力局部與整體并網(wǎng)質(zhì)量的調(diào)控效果顯著。

對(duì)于短期尺度上系統(tǒng)出力峰谷差表征的整體并網(wǎng)質(zhì)量變化，可以通過(guò)圖6 中的中長(zhǎng)期信息直接得出。而對(duì)于波動(dòng)幅度指標(biāo)所表征的局部并網(wǎng)質(zhì)量變化，如圖7 所示。ΔR統(tǒng)一為1 000 萬(wàn)kW，ΔS= [0,20,200]萬(wàn)kW，隨著ΔS減小，局部平衡區(qū)中波動(dòng)區(qū)域相鄰時(shí)段的光伏出力鋸齒形波動(dòng)幅度得到顯著緩解。在ΔS=0 時(shí)，波動(dòng)區(qū)域降至0 呈現(xiàn)水平直線狀，表示光電虛擬輪廓得到完全補(bǔ)償，互補(bǔ)系統(tǒng)外送電力呈現(xiàn)階梯直線狀，滿足分段穩(wěn)定的功率輸出方式，可以有效降低電力系統(tǒng)運(yùn)行壓力。

圖7 波動(dòng)參數(shù)對(duì)短期系統(tǒng)出力波動(dòng)區(qū)域的影響Fig.7 Influence of fluctuation parameters on short-term system output fluctuation region

三種方案調(diào)度成果見(jiàn)表2，對(duì)于效益要素：方案一～方案三水電消納電量依次降低，降幅分別達(dá)到0.3%、1.2%，波動(dòng)參數(shù)對(duì)中長(zhǎng)期庫(kù)容調(diào)度決策的影響如圖8 所示。以梯級(jí)控制性水庫(kù)如美的庫(kù)容變化為例，方案二、方案三在波動(dòng)控制要求下需要額外增發(fā)電量，在1～16 日蓄水期間加大了發(fā)電流量。相對(duì)于方案一，庫(kù)群庫(kù)容抬升效益受損，導(dǎo)致月度水光消納電量效益下降。圖8 還顯示隨著系統(tǒng)出力波動(dòng)控制要求上升，該月度庫(kù)容平均變幅與最高水位相對(duì)下調(diào)，更有利于水庫(kù)擴(kuò)展防洪、供水等功能，保障了水資源綜合利用效能。

表2 調(diào)度成果Tab.2 Scheduling results

圖8 波動(dòng)參數(shù)對(duì)中長(zhǎng)期庫(kù)容調(diào)度決策的影響Fig.8 Influence of fluctuation parameters on medium -and long-term storage capacity scheduling decisions

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)要素：在短期棄電風(fēng)險(xiǎn)控制下，中長(zhǎng)期棄電量均為0，消除了棄電風(fēng)險(xiǎn)，能夠有效避免棄光、或棄水現(xiàn)象。在短期波動(dòng)參數(shù)控制下，局部與整體并網(wǎng)質(zhì)量表征的波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢(shì)。方案二中整體并網(wǎng)質(zhì)量相對(duì)于方案一出現(xiàn)了失調(diào)。原因是平抑1～16 日的局部波動(dòng)，增發(fā)電量補(bǔ)償了局部平衡區(qū)。該電量不會(huì)影響整體平衡區(qū)的峰谷差，但導(dǎo)致后續(xù)電量相對(duì)于方案一出現(xiàn)下調(diào)，增加了后續(xù)整體平衡區(qū)的峰谷差?？傮w而言，中長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的波動(dòng)與棄電風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制。

4.3.3 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)決策的風(fēng)險(xiǎn)與效益方案集

水光消納矢量信息表征水電電量違反可行域的破壞信息。通過(guò)引導(dǎo)PSO 決策變量的空間進(jìn)化過(guò)程，相對(duì)常規(guī)PSO 呈現(xiàn)出更快的可行域搜索效率，以方案二求解為例，模型求解加速效果如圖9所示。本文方法迭代1 000 次即可獲得可行解，運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)153 s，而后者超過(guò)360 s，且難以搜索到可行解。表明本文方法能夠合理利用可行域的破壞信息，進(jìn)而為方案集中多情景的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)決策求解提供更可靠的求解方法。

圖9 模型求解加速效果Fig.9 Acceleration effect of model solution

風(fēng)險(xiǎn)與效益決策平臺(tái)以徑流平均流量和波動(dòng)參數(shù)為自變量，通過(guò)模擬光伏出力與典型徑流資料，以保持各場(chǎng)景中水、光出力的典型代表性。如圖10 所示，以波動(dòng)參數(shù)ΔS為例，在方案二RΔ =1 000 萬(wàn)kW的基礎(chǔ)上擴(kuò)展波動(dòng)參數(shù)向量集ΔS=[0, 200]萬(wàn)kW。選取徑流資料中963～1 228 m3/s 的平均流量區(qū)間。決策平臺(tái)上、下部分依次展示月度消納電量效益與出力波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)信息，其中電量效益隨徑流、ΔS的增加分別呈現(xiàn)加速與平滑曲線上升趨勢(shì)。波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)則隨徑流增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)、隨ΔS增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。表明在波動(dòng)參數(shù)一致情況下，徑流量增加能在一定程度上平抑波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；在徑流量一致情況下，波動(dòng)參數(shù)增加能以犧牲波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)為代價(jià)提升電量效益。同時(shí)場(chǎng)景預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與波動(dòng)參數(shù)選取的合理性有助于協(xié)調(diào)消納電量效益與電力波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系。

圖10 風(fēng)險(xiǎn)與效益決策平臺(tái)Fig.10 Risk and benefit decision platform

5 結(jié)論

本文針對(duì)高比例新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來(lái)的長(zhǎng)期消納電量效益與短期波動(dòng)、棄電風(fēng)險(xiǎn)并存的問(wèn)題，通過(guò)解析水光出力特性與互補(bǔ)關(guān)系，提出了基于短期水光互補(bǔ)策略的中長(zhǎng)期雙層嵌套優(yōu)化調(diào)度模型與求解方法，旨在實(shí)現(xiàn)跨時(shí)間尺度的效益、風(fēng)險(xiǎn)信息整合，為不確定性水光場(chǎng)景集合下的互補(bǔ)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供應(yīng)用指導(dǎo)。主要結(jié)論如下：

1）水光出力特性與互補(bǔ)關(guān)系揭示了消納電量效益與波動(dòng)、棄電風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)出力的波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)平抑效果與水電能夠調(diào)用的平衡電量呈正相關(guān)性，但平衡電量超出輸電通道的水光消納邊界則會(huì)引發(fā)棄電風(fēng)險(xiǎn)。

2）波動(dòng)參數(shù)與“波動(dòng)區(qū)域波動(dòng)幅度”“峰谷差”指標(biāo)具有良好的適配性，能夠根據(jù)光電滲透與波動(dòng)情況自適應(yīng)引導(dǎo)水電平衡電量進(jìn)行局部和整體波動(dòng)補(bǔ)償，在有限的調(diào)節(jié)能力下盡可能地保證系統(tǒng)出力趨近平滑穩(wěn)定的階梯直線輸電形式。

3）雙層嵌套優(yōu)化框架通過(guò)波動(dòng)參數(shù)與短期風(fēng)險(xiǎn)控制約束，對(duì)互補(bǔ)系統(tǒng)中長(zhǎng)期效益優(yōu)化與短期風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避實(shí)現(xiàn)了有效調(diào)控。為決策者提供了風(fēng)險(xiǎn)與效益決策平臺(tái)，有助于快速選取合理的調(diào)度方案，進(jìn)而充分協(xié)調(diào)互補(bǔ)系統(tǒng)的能源綜合利用效能與發(fā)電并網(wǎng)過(guò)程。