汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型研究

摘要：為充分利用水電站水庫汛期在預(yù)報(bào)無洪水或小洪水時(shí)的調(diào)節(jié)能力，將汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制域?qū)?yīng)庫容作為調(diào)節(jié)風(fēng)光運(yùn)行的可用庫容，在提高水庫調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上給出了考慮入庫洪水實(shí)時(shí)狀態(tài)的汛期水電站水庫動(dòng)態(tài)消納風(fēng)光調(diào)度模式，以風(fēng)光出力期望值加水電出力之和與負(fù)荷偏差最小為目標(biāo)，結(jié)合風(fēng)光出力不確定性建立了汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，并以福建省水口水電站為例進(jìn)行模擬調(diào)度計(jì)算。結(jié)果表明：所提動(dòng)態(tài)消納風(fēng)光調(diào)度模式能夠在保證防洪安全的前提下充分合理利用水位動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)的調(diào)節(jié)能力來調(diào)節(jié)風(fēng)光出力，使失負(fù)荷時(shí)段數(shù)和發(fā)電量缺口期望值相較于傳統(tǒng)調(diào)度模式分別降低約37%和32%，水電站水庫平均發(fā)電水頭提高約4.39%，不僅可提高系統(tǒng)出力可靠性，且能增加系統(tǒng)運(yùn)行效益。研究成果可為汛期調(diào)節(jié)風(fēng)光出力提供參考。

關(guān) 鍵 詞：汛期運(yùn)行； 水位動(dòng)態(tài)控制； 水風(fēng)光多能互補(bǔ)； 動(dòng)態(tài)調(diào)度模型； 水口水電站

中圖法分類號： TV697.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.005

0 引 言

近年來，水風(fēng)光等可再生能源裝機(jī)容量及規(guī)模越來越大，在電力系統(tǒng)中的占比越來越高［1-3］，其中，以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的新能源出力的波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了電力系統(tǒng)對新能源的消納能力，導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重［4-7］。而水電具有操作靈活、啟停迅速、可調(diào)度等優(yōu)點(diǎn)，是理想的優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源，特別是對電力系統(tǒng)負(fù)荷的快速響應(yīng)能力使得水電常被用作調(diào)峰、調(diào)頻及備用電源。因此，利用水電調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏發(fā)電出力，形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)，是目前解決大規(guī)模間歇性能源集中消納的有效途徑之一［8］。針對如何最大化利用水電站水庫的調(diào)節(jié)能力來消納風(fēng)光的問題，已有學(xué)者開展了大量研究［9-12］，例如，蔣光梓等［13］通過在負(fù)荷側(cè)引入價(jià)格型需求響應(yīng)技術(shù)優(yōu)化日負(fù)荷曲線，建立了考慮價(jià)格型需求響應(yīng)的水風(fēng)光多能互補(bǔ)短期優(yōu)化調(diào)度模型，促進(jìn)了風(fēng)光資源消納；李研［14］建立了嵌套短期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的水風(fēng)光多能互補(bǔ)中長期優(yōu)化調(diào)度模型；馬曉偉等［15］提出了計(jì)及短期運(yùn)行特征的水風(fēng)光互補(bǔ)中長期調(diào)度規(guī)則編制方法，結(jié)果表明該方法能夠降低系統(tǒng)棄電與失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)，提高風(fēng)光資源利用率。

現(xiàn)有研究多聚焦于非汛期水風(fēng)光互補(bǔ)，這是由于此時(shí)水風(fēng)光具有天然互補(bǔ)性，并且此時(shí)水電富裕大量調(diào)節(jié)能力，能夠更好地平抑風(fēng)、光出力。而在汛期，考慮到水庫承擔(dān)的防洪任務(wù)，水電站水庫的調(diào)度運(yùn)行會受到汛期限制水位的約束，即存在一個(gè)汛期允許興利蓄水的最高上限水位，一般要低于正常蓄水位，因此水電站水庫此時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)光出力的能力并不充分。雖然一般情況下汛期風(fēng)光出力處于低谷期，但是伴隨著以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的不可調(diào)度能源占比的不斷增加，汛期水電站水庫在面臨著較大的調(diào)節(jié)風(fēng)光壓力時(shí)往往運(yùn)行效果不佳，易出現(xiàn)系統(tǒng)出力與負(fù)荷不匹配、水電棄水較多等不利情況，在一定程度上影響著水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。聞昕等［16］通過對雅礱江流域清潔能源基地進(jìn)行水風(fēng)光模擬調(diào)度并評價(jià)全年互補(bǔ)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)與效益，發(fā)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)在5月初至7月末，累計(jì)缺負(fù)荷時(shí)長及累積缺失電量分布集中，該時(shí)段失負(fù)荷天數(shù)占全年失負(fù)荷天數(shù)的96%以上。分析原因可知，正是由于水電站水庫在汛期水位較低，電站水頭效益低，出現(xiàn)了互補(bǔ)系統(tǒng)出力無法滿足負(fù)荷的情況，源荷匹配能力較弱，導(dǎo)致互補(bǔ)系統(tǒng)的可靠性較低。

為了使水電站水庫在汛期能夠在不降低防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下獲得更好的運(yùn)行效益，提高水資源的利用效率，汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制的理論被提出并得到了廣泛的研究［17-20］。當(dāng)前對于水庫汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制的研究主要聚焦于在不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過提高水庫的水量利用率和水頭來獲取更多的發(fā)電量，提高水資源的利用率，而對于基于來水預(yù)報(bào)將汛限水位至動(dòng)態(tài)控制域上限之間的庫容用于水電調(diào)節(jié)風(fēng)光出力運(yùn)行的研究尚不多見，這對于汛期調(diào)節(jié)能力本就極度短缺的電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常必要的。尤其在來水特枯的年份，例如2022年長江流域發(fā)生了歷史性極端干旱事件，汛期發(fā)生了流域性嚴(yán)重枯水，水電站水庫面臨的防洪壓力小，此時(shí)若能將空閑的防洪庫容用來調(diào)節(jié)風(fēng)光出力，將為水風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行及風(fēng)光資源消納提供良好條件，緩解缺電情況。因此，本文從改善水電站水庫在汛期預(yù)報(bào)無洪水或小洪水時(shí)，針對水庫水位維持在汛限水位運(yùn)行的傳統(tǒng)調(diào)度方式導(dǎo)致可用的調(diào)節(jié)風(fēng)、光出力的庫容較小及能力較差的問題，引入水庫汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制的思想，通過設(shè)定一個(gè)允許水位浮動(dòng)的動(dòng)態(tài)控制域并將其對應(yīng)的庫容用作調(diào)節(jié)風(fēng)、光出力的動(dòng)態(tài)庫容，提出了一種防洪約束條件下水電站水庫汛期消納風(fēng)光的動(dòng)態(tài)調(diào)度模式，通過構(gòu)建考慮風(fēng)光出力不確定性的汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，從出力系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對比了水電站以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行與以本文所提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行的差異。

1 汛期水電站消納風(fēng)光調(diào)度模式

1.1 傳統(tǒng)調(diào)度模式

水電站汛期不同調(diào)度模式如圖1所示。以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行的水電站水庫一般將水位保持在汛限水位運(yùn)行，不得擅自在汛期限制水位以上蓄水，這使得水電站水庫的調(diào)節(jié)能力大打折扣，水電站將基本上按徑流發(fā)電。水風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行的大背景下，在風(fēng)、光出力較大需要水電減小出力來對其進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)（圖1中t點(diǎn)左側(cè)時(shí)段），由于水電站水庫無法突破汛限水位的約束，將無法通過抬升水位存水的方式來減小出力，水電站水庫將被迫棄水，此現(xiàn)象在水庫來水較多且風(fēng)光出力較大的時(shí)段尤為明顯；當(dāng)風(fēng)、光出力較小需要水電加大出力來對其進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)（圖1中t點(diǎn)右側(cè)時(shí)段），水電若動(dòng)用水庫水位來發(fā)電將使水位低于汛限水位，此舉將在一定程度上二次降低其汛期原本就受到影響的水頭效益。因此，當(dāng)水電站在汛期以傳統(tǒng)調(diào)度模式與風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，其調(diào)節(jié)能力將受限，基本按照徑流發(fā)電，進(jìn)而易出現(xiàn)棄電與缺電現(xiàn)象。

1.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度模式

針對傳統(tǒng)調(diào)度模式存在的問題，本文提出一種防洪約束條件下水電站水庫汛期消納風(fēng)光的動(dòng)態(tài)調(diào)度模式，通過改變水電站水庫在無洪水或小洪水時(shí)的調(diào)度方式，來盡可能挖掘其調(diào)節(jié)能力，提升水風(fēng)光多能互補(bǔ)運(yùn)行效益。動(dòng)態(tài)調(diào)度模式區(qū)別于傳統(tǒng)調(diào)度模式的關(guān)鍵之處在于：根據(jù)水電站水庫的洪水有效預(yù)見期、下泄流量約束及預(yù)報(bào)入庫流量等已知數(shù)據(jù)確定在每個(gè)時(shí)段允許水位浮動(dòng)的范圍，即確定一個(gè)水位動(dòng)態(tài)控制域。當(dāng)前，針對單庫的汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制研究已較為成熟，其科學(xué)理論和管理方式已經(jīng)基本形成。文獻(xiàn)表明［21-23］，以中國當(dāng)前的氣象水文監(jiān)測、預(yù)報(bào)防洪調(diào)度能力和服務(wù)水平，能夠使水庫在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下上浮水位，以緩解其防洪與興利矛盾，這為本文所提汛期水電站水庫動(dòng)態(tài)調(diào)度模式奠定了合理性基礎(chǔ)。

同時(shí)，已有的汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制研究與所提汛期水電站水庫動(dòng)態(tài)調(diào)度模式的相同之處在于：均以不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)為前提，確定一個(gè)水位動(dòng)態(tài)控制域并對水庫汛期運(yùn)行水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。但其區(qū)別在于：已有的汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制將重點(diǎn)聚焦于根據(jù)有效預(yù)見期內(nèi)的預(yù)報(bào)入庫流量來決定上浮或下降水位，旨在增加發(fā)電量，減少棄水量，提高洪水資源利用率；本文所提的汛期水電站水庫動(dòng)態(tài)調(diào)度模式的調(diào)度決策則更多取決于水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)對于水電調(diào)節(jié)能力的需求情況，在風(fēng)、光出力較小時(shí)（圖1中t點(diǎn)右側(cè)時(shí)段）通過降低水位增加發(fā)電流量來加大水電出力，在風(fēng)光出力較大時(shí)（圖1中t點(diǎn)左側(cè)時(shí)段）通過抬升水位減少發(fā)電流量來減小水電出力并存水用作后續(xù)時(shí)段發(fā)電，以此來響應(yīng)風(fēng)、光出力上網(wǎng)時(shí)的調(diào)節(jié)需求，該模式能夠根據(jù)不同的調(diào)節(jié)風(fēng)、光出力要求進(jìn)行水電站水庫的再調(diào)度，以期提高水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)打捆出力對負(fù)荷的適應(yīng)能力并在一定程度上減少棄電現(xiàn)象。

2 汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型

基于上述保持汛限水位運(yùn)行的傳統(tǒng)調(diào)度模式和本文所提動(dòng)態(tài)調(diào)度模式，假設(shè)以風(fēng)光出力優(yōu)先上網(wǎng)為前提，構(gòu)建汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，并分析兩種調(diào)度方式的差異。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

水風(fēng)光一體化運(yùn)行要保證水風(fēng)光系統(tǒng)出力盡可能滿足電網(wǎng)分配給水風(fēng)光系統(tǒng)的部分負(fù)荷需求?？紤]到風(fēng)光出力具有的波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性特征，采用生成多個(gè)風(fēng)光典型出力場景最終求取期望的方式來考慮其不確定性。為此，本文模型在考慮風(fēng)光出力不確定性的基礎(chǔ)上，以風(fēng)光出力期望值加水電出力之和與負(fù)荷偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建適應(yīng)不同調(diào)度模式的汛期水風(fēng)光一體化多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

minF=Tt=1load（t）-{E［Nw+s（t）］+Nh（t）}（1）

E［Nw+s（t）］=ni=1{［Niw（t）+Nis（t）］×ρi}（2）

式中：F為系統(tǒng)出力與負(fù)荷偏差，MW；t為調(diào)度時(shí)段數(shù)，t=1，2，…，T；load（t）為第t時(shí)段系統(tǒng)負(fù)荷，MW；E［Nw+s（t）］為第t時(shí)段風(fēng)光出力的期望值，MW；Nh（t）為第t時(shí)段水電的出力，MW；i為風(fēng)光典型出力場景數(shù)，i=1，2，…，n；Niw（t）和Nis（t）分別為第t時(shí)段第i個(gè)風(fēng)光典型出力場景下的風(fēng)電和光伏出力值，MW；ρi為第i種風(fēng)光典型出力場景發(fā)生的概率。

2.2 約束條件

本文不考慮通道容量限制，模型考慮的約束條件如下：

（1） 水量平衡約束。

Vt+1=Vt+（Qt-qt）Δt（3）

（2） 水庫水位約束。

Zmint≤Zt≤Zmaxt（4）

（3） 下泄流量約束。

qmint≤qt≤qmaxt（5）

（4） 出力約束。

Nminh（t）≤Nh（t）≤Nmaxh（t）（6）

Nminw（t）≤Nw（t）≤Nmaxw（t）（7）

Nmins（t）≤Ns（t）≤Nmaxs（t）（8）

（5） 非負(fù)約束。

以上各式中：Vt和Vt+1分別為第t時(shí)段初和時(shí)段末水庫的蓄水量，m3；Qt和qt分別為第t時(shí)段的入庫流量和出庫流量，m3/s；Δt為時(shí)段長度，s；Zt為第t時(shí)段初水庫水位值，m；Zmint和Zmaxt分別為水庫水位在第t時(shí)段初的下限值和上限值，m；qmint和qmaxt分別為第t時(shí)段水庫所允許的最小下泄流量和最大下泄流量，m3/s；Nh（t）為第t時(shí)段水電站的實(shí)際出力，MW；Nminh（t）和Nmaxh（t）分別為第t時(shí)段水電站出力的最小值和最大值，MW；Nw（t）為第t時(shí)段風(fēng)電站的實(shí)際出力，MW；Nminw（t）和Nmaxw（t）分別為第t時(shí)段風(fēng)電站出力的最小值和最大值，MW；Ns（t）為第t時(shí)段光伏電站的實(shí)際出力，MW；Nmins（t）和Nmaxs（t）分別為第t時(shí)段光伏電站出力的最小值和最大值，MW。

2.3 求解方法

考慮到國家清潔能源發(fā)展及新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的要求，同時(shí)由于風(fēng)電、光伏發(fā)電出力的不可調(diào)度性，假設(shè)電網(wǎng)考慮優(yōu)先將風(fēng)光出力接入。對于多場景多調(diào)度時(shí)段的模型采用逐時(shí)段逐場景的遍歷求解方法，對于某一場景的某一時(shí)段求解流程如圖2所示，模型具體求解步驟如下：

（1） 確定調(diào)度期、調(diào)度時(shí)段、風(fēng)光典型出力場景及相應(yīng)概率和水風(fēng)光系統(tǒng)負(fù)荷過程等數(shù)據(jù)，令調(diào)度時(shí)段數(shù)t=1，風(fēng)光典型出力場景數(shù)i=1。

（2） 采用水風(fēng)光系統(tǒng)負(fù)荷減去第i個(gè)風(fēng)光出力典型場景，得到第i種水電余留負(fù)荷過程。

（3） 對于第t時(shí)段，假定出庫流量q′ck（t），令發(fā)電流量q′fd（t）=0。

（4） 根據(jù)水量平衡方程計(jì)算時(shí)段末蓄水量V（t+1）。

（5） 根據(jù)水電站水庫所采用的調(diào)度方式，來確定相應(yīng)時(shí)段水庫水位約束，進(jìn)而得到時(shí)段末蓄水量上限值Vmax（t+1）。當(dāng)采用傳統(tǒng)調(diào)度模式時(shí)，水庫水位保持在汛限水位不變，因此時(shí)段末蓄水量上限Vmax（t+1）即為汛限水位對應(yīng)的水庫蓄水量；當(dāng)采用動(dòng)態(tài)調(diào)度模式時(shí)，水庫水位可在動(dòng)態(tài)控制域內(nèi)浮動(dòng)，對于第t時(shí)段的動(dòng)態(tài)控制域上限需根據(jù)預(yù)報(bào)來水情況、當(dāng)前水庫水位、泄流約束、有效預(yù)見期等參數(shù)綜合試算確定，此時(shí)的動(dòng)態(tài)控制域上限所對應(yīng)的水庫蓄水量即為相應(yīng)時(shí)段的蓄水量上限Vmax（t+1）。動(dòng)態(tài)控制域下限選取汛限水位。

（6） 當(dāng)V（t+1）>Vmax（t+1）即時(shí)段末蓄水量超出了蓄水量上限的約束時(shí)，說明假設(shè)的出庫流量q′ck不當(dāng)，此時(shí)令時(shí)段末蓄水量與上限值相等，并據(jù)此計(jì)算出新的出庫流量q′ck（t），進(jìn)而計(jì)算出水頭H和發(fā)電流量

qfd（t）；當(dāng)V（t+1）≤Vmax（t+1）即時(shí)段末蓄水量未超過蓄水量上限的約束時(shí)，無需對出庫流量q′ck（t）修正，直接計(jì)算出水頭H和發(fā)電流量qfd（t）。

（7） 當(dāng)計(jì)算得到的發(fā)電流量qfd（t）與前期設(shè)定值相差小于設(shè)定的精度εQ，認(rèn)為在第i種風(fēng)光典型出力場景下的這一時(shí)段計(jì)算完成，統(tǒng)計(jì)這一時(shí)段的水庫水位、出庫流量、發(fā)電流量、棄水流量、水風(fēng)光出力過程等調(diào)度結(jié)果。若該時(shí)段水電出力無法達(dá)到負(fù)荷需求，將此時(shí)段記為失負(fù)荷時(shí)段，記錄出力缺口。

（8） 重復(fù)步驟（3）～（7）直至遍歷所有調(diào)度時(shí)段，得到水電站水庫在第i種風(fēng)光典型出力場景下所有時(shí)段的運(yùn)行情況。

（9） 重復(fù)步驟（2）～（8）直至遍歷所有風(fēng)光出力典型場景。

3 算例分析

3.1 算例概況

本算例以水口水電站為研究對象，該水電站位于福建省閩清縣境內(nèi)的閩江干流上，是華東地區(qū)最大的常規(guī)水電站，具有不完全季調(diào)節(jié)能力，是以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、過木等綜合效益的大型水電樞紐工程。其防洪任務(wù)特點(diǎn)是確保水利樞紐本身安全為主，保護(hù)上游庫區(qū)內(nèi)城市、村鎮(zhèn)、鐵路在一定防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下不受淹沒影響，并以建壩后不惡化下游防洪條件為原則。水口水電站水庫特征參數(shù)見表1。

3.2 研究數(shù)據(jù)及方案設(shè)置

根據(jù)水口水電站水庫調(diào)度規(guī)程，預(yù)泄階段下游河道允許最大泄量為16 000 m3/s，水庫有效洪水預(yù)見期為9～12 h?？紤]到該流域洪水多為復(fù)峰形，采用分級預(yù)報(bào)預(yù)泄法確定水位動(dòng)態(tài)控制域的上限，即首先確定汛期運(yùn)行水位的允許變化范圍，根據(jù)預(yù)報(bào)的洪水流量確定汛期運(yùn)行控制水位，當(dāng)預(yù)報(bào)洪水流量較小時(shí)可將水位預(yù)降到較高的汛期控制水位而不是直接降至汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制域的下限，該方法能夠更好地應(yīng)對復(fù)峰洪水過程。

水電站水庫的相關(guān)數(shù)據(jù)來自于福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料。分別選定枯水年典型日（下稱典型日①）和豐水年典型日（下稱典型日②）作為典型入庫流量過程，將水庫汛限水位61.00 m作為汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制域的下限，經(jīng)試算后確定不同入庫流量下水位動(dòng)態(tài)控制域的范圍如圖3所示。當(dāng)預(yù)報(bào)入庫流量小于3 500 m3/s時(shí)，水位動(dòng)態(tài)控制域?yàn)?1.00～63.50 m；當(dāng)預(yù)報(bào)入庫流量在3 500～5 000 m3/s時(shí)，水位動(dòng)態(tài)控制域上限由63.50 m逐漸降低至62.50 m，下限為61.00 m；當(dāng)預(yù)報(bào)入庫流量在5 000～8 000 m3/s時(shí)，水位動(dòng)態(tài)控制域上限由62.50 m逐漸降低至61.75 m，下限為61.00 m；當(dāng)預(yù)報(bào)入庫流量在8 000～12 000 m3/s時(shí)，水位動(dòng)態(tài)控制域上限由61.75 m逐漸降低至61.00 m，下限為61.00 m；當(dāng)預(yù)報(bào)入庫流量達(dá)到12 000 m3/s時(shí)，為了保證水庫防洪能力不降低，應(yīng)盡快將水位降至汛限水位。

根據(jù)福建省2025年全省電力規(guī)劃裝機(jī)情況，省內(nèi)水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電比例為12∶9∶5，因此設(shè)置算例中風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別為1 207.5 MW和670.0 MW?？紤]到風(fēng)光出力的不確定性，采用拉丁超立方抽樣與K-means方法生成25種風(fēng)光典型出力場景如圖4所示，其中風(fēng)速、輻射和氣溫資料來自ECMWF官網(wǎng)（https：∥cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/home）。

3.3 結(jié)果分析

首先采用前述汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，對水電站水庫以傳統(tǒng)調(diào)度模式和動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行在不同典型日入庫流量和不同風(fēng)光典型出力場景下進(jìn)行求解，然后對調(diào)度結(jié)果從多方面進(jìn)行分析比較。

3.3.1 出力系統(tǒng)可靠性分析

水電站水庫在典型日①的入庫流量條件下，以傳統(tǒng)調(diào)度模式和動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行的水風(fēng)光出力過程如圖5所示。由圖5（a）可以看出，水電站水庫在以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，在大部分風(fēng)光典型出力場景中，僅能夠在日間00∶00～02∶00完成負(fù)荷需求，其余時(shí)段出力系統(tǒng)均伴隨著較為明顯的缺電現(xiàn)象，僅在某些場景中能夠在日間14∶00～18∶00完成負(fù)荷需求。而由圖5（b）可以看出，水電站水庫在以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，在絕大部分場景中，能夠在日間00∶00至07∶00和12∶00～14∶00完成負(fù)荷需求，并且在部分場景中能夠在16∶00～20∶00甚至24∶00均完成負(fù)荷需求。可以看出，水電站水庫以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)能夠在一定程度上改善系統(tǒng)缺電情況，使水風(fēng)光出力系統(tǒng)可靠性得到一定的提高。

使用失負(fù)荷時(shí)段數(shù)、發(fā)電量缺口指標(biāo)來對比傳統(tǒng)調(diào)度模式與動(dòng)態(tài)調(diào)度模式這兩種方式在25種風(fēng)光典型出力情景下的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性情況，結(jié)果如圖6所示。可以看出，系統(tǒng)按照傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)日內(nèi)失負(fù)荷時(shí)段約為13～20 h且發(fā)電量缺口約為3 300～7 500 MW·h，失負(fù)荷率高達(dá)54.2%～83.3%，結(jié)合各個(gè)風(fēng)光典型出力場景的概率可知，失負(fù)荷時(shí)段期望值約為16.44 h且發(fā)電量缺口期望值約為5 200.9 MW·h，這在很大程度上難以滿足電力系統(tǒng)對于出力系統(tǒng)可靠性的要求；而以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的日內(nèi)失負(fù)荷時(shí)段和發(fā)電量缺口均有所減少，普遍在5～15 h和500～6 000 MW·h左右，失負(fù)荷率降至208%～62.5%，結(jié)合各個(gè)風(fēng)光典型出力場景的概率可知，失負(fù)荷時(shí)段期望值約為10.36 h且發(fā)電量缺口期望值約為3 529.02 MW·h，動(dòng)態(tài)調(diào)度模式相較于傳統(tǒng)調(diào)度模式能夠?qū)⒒パa(bǔ)系統(tǒng)失負(fù)荷時(shí)段和發(fā)電量缺口期望值分別降低37%和32%，這在一定程度上提升了系統(tǒng)出力的可靠性。

為探究出現(xiàn)上述差異的詳細(xì)原因，選取一種風(fēng)光典型出力場景下兩種調(diào)度模式的水庫水位過程和失負(fù)荷情況進(jìn)行分析。圖7（a）為典型日①入庫流量及水電站水庫以兩種調(diào)度模式運(yùn)行的發(fā)電流量過程，圖7（b）為以兩種調(diào)度模式運(yùn)行的水位過程及出力缺額情況?？梢钥闯?，在01∶00～06∶00，由于入庫流量較大且負(fù)荷需求較低，以兩種調(diào)度模式運(yùn)行均未出現(xiàn)出力缺額。區(qū)別在于：在以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，對于這一時(shí)間段入庫流量大于發(fā)電流量的情況，水電站水庫由于受到汛限水位61.00 m的限制，其余來水將被迫棄掉；而當(dāng)水電站水庫以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，在這一時(shí)段選擇將水位自61.00 m抬升至61.09 m，將剩余來水存入庫中。隨后，隨著入庫流量減小且負(fù)荷需求增加，以兩種調(diào)度模式運(yùn)行均會出現(xiàn)出力缺額。但有所不同的是，在07∶00～09∶00和19∶00～23∶00，以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行盡管已經(jīng)將入庫流量全部用作發(fā)電但只依靠徑流將難以使水電站達(dá)到負(fù)荷要求，系統(tǒng)隨即出現(xiàn)出力缺額。而以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行由于在前一段時(shí)間內(nèi)有所存水，在此時(shí)段水電站水庫可以充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)能力，通過降低水庫水位的方式來加大出力以使系統(tǒng)盡可能滿足負(fù)荷需求。但值得注意的是，如果將水庫水位降至61.00 m時(shí)仍無法滿足負(fù)荷需求，即認(rèn)為此時(shí)出現(xiàn)了極端工況條件，水位動(dòng)態(tài)控制域?qū)?yīng)庫容空間的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)用盡，水電將難以繼續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)光出力，這種情況下為了保證水電站自身興利效益，將不再降低水位加大出力，進(jìn)而系統(tǒng)將出現(xiàn)失負(fù)荷的情況，如圖7（b）中10∶00～12∶00。

3.3.2 出力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

對于平均入庫流量較大的典型日②，從水能利用效率、發(fā)電量等經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行分析。

水電站水庫在25種風(fēng)光典型出力場景下的相關(guān)運(yùn)行指標(biāo)期望值如表2所列。水電站水庫以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，平均發(fā)電水頭從50.06 m提高到了5226 m，增幅約為4.39%。與以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行相比，以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行只能將平均水電發(fā)電量和平均水電發(fā)電效益提高約0.36%和0.33%（其中效益以水口電站上網(wǎng)電價(jià)0.268 5元/kW·h核算），但這主要是由于其采用“以電定水”的方式運(yùn)行，相當(dāng)于設(shè)定好了其出力曲線，所以兩種調(diào)度模式運(yùn)行帶來的發(fā)電量差異主要存在于系統(tǒng)失負(fù)荷時(shí)段，即以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行無法達(dá)到負(fù)荷需求，但以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行能夠達(dá)到或者更加接近負(fù)荷需求出力的時(shí)段。同時(shí)，水能資源利用率增幅約為82.69%，結(jié)合水庫蓄能變化情況可知這主要是因?yàn)樗畮炷軌蛟趤硭^為充沛的情況下存水蓄能，充分挖掘了水庫的調(diào)蓄能力。

水電站水庫在典型日②的入庫流量條件下，以兩種調(diào)度模式運(yùn)行的棄水量如圖8所示?？梢钥闯觯娬舅畮煲詡鹘y(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，在每種風(fēng)光典型出力場景下均存在著一定量的棄水，結(jié)合每種風(fēng)光典型出力場景概率可知其棄水量期望值約為15 007萬 m3，棄水率達(dá)到了46.66%，水能資源利用率較低；而以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，無棄水的場景約有32%，雖然其余場景仍然存在棄水，但是棄水量已大幅減少，結(jié)合每種風(fēng)光典型出力場景概率可知其棄水量期望值約為892萬 m3，棄水率僅有2.62%，相較于傳統(tǒng)調(diào)度模式降低了約94.06%和94.38%?？梢钥闯?，水電站水庫以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，能夠充分挖掘自身調(diào)節(jié)能力，更好地配合風(fēng)光出力運(yùn)行，使水能資源利用率明顯提高。

圖9為典型日②入庫流量過程及兩種調(diào)度模式下的水電站庫水位與出庫、發(fā)電、棄水流量過程圖。由圖9（a）可以看出，水電站水庫以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，水位始終維持在汛限水位61.00 m，由于來水較多，水電站在完成負(fù)荷需求后被迫棄水。尤其是在日間12∶00～18∶00，此時(shí)風(fēng)光出力較大需要水電提供調(diào)節(jié)能力，讓出發(fā)電空間，水電在減小出力的同時(shí)面臨著更多的棄水。而由圖9（b）可以看出，當(dāng)水電站水庫以動(dòng)態(tài)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)，能夠獲得更好的調(diào)節(jié)能力，在日間0∶00～17∶00，水電站水庫可以充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)能力，通過抬升水位的方式將原本以傳統(tǒng)調(diào)度模式運(yùn)行時(shí)需要棄掉的水存入庫中，避免了棄水，且水位均未超過汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制域的上限。但在18∶00和22∶00這兩個(gè)時(shí)段由于入庫流量較大且水庫水位已抬升至動(dòng)態(tài)控制域上限，若繼續(xù)上浮水庫水位將會增加水庫的防洪風(fēng)險(xiǎn)，即認(rèn)為此時(shí)出現(xiàn)極端工況條件，水位動(dòng)態(tài)控制域?qū)?yīng)庫容空間的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)用盡，水電將難以繼續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)光出力，水電站水庫將選擇棄水?？梢钥闯?，本文所提動(dòng)態(tài)調(diào)度模式能夠使水電站水庫在保證安全的前提下適當(dāng)抬升水位，實(shí)現(xiàn)減少棄水量、增加水庫蓄能的效果，在一定程度上提高了水能資源利用率。

4 結(jié) 論

面對中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型所帶來的新型電力系統(tǒng)對靈活調(diào)節(jié)能力需求急劇增大的客觀情況，迫切需要對現(xiàn)有電源的靈活調(diào)節(jié)能力進(jìn)行挖掘。為此，本文從水風(fēng)光一體化運(yùn)行的角度出發(fā)，引入汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制思想，提出防洪約束條件下汛期水電站水庫動(dòng)態(tài)調(diào)度模式，建立以風(fēng)光出力期望值加水電出力之和與負(fù)荷偏差最小為目標(biāo)的汛期水風(fēng)光多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，并以水口水電站為例開展了不同場景的模擬調(diào)度計(jì)算，主要結(jié)論如下：

（1） 相較于傳統(tǒng)調(diào)度模式，所提動(dòng)態(tài)調(diào)度模式能夠充分調(diào)動(dòng)水庫調(diào)節(jié)能力，在不降低原有防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下將水位在允許的范圍內(nèi)進(jìn)行浮動(dòng)，以調(diào)節(jié)風(fēng)光出力的波動(dòng)性。模擬調(diào)度結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)調(diào)度模式相較于傳統(tǒng)調(diào)度模式能夠?qū)⒒パa(bǔ)系統(tǒng)失負(fù)荷時(shí)段數(shù)和發(fā)電量缺口期望值分別降低37%和32%，顯著提高了水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力可靠性，源荷匹配能力較好。

（2） 所提動(dòng)態(tài)調(diào)度模式能夠顯著提升水電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，在汛期無洪水或小洪水時(shí)適當(dāng)抬升水庫水位，在抬升水庫水位的過程中，能夠很大程度上降低水庫棄水量，提高水能資源利用率。經(jīng)模擬調(diào)度計(jì)算可知，動(dòng)態(tài)調(diào)度模式在多種風(fēng)光典型出力場景下，水能資源利用率期望值相較于傳統(tǒng)調(diào)度模式增幅明顯。同時(shí)，存入水庫中的水也可作為水庫蓄能供未來時(shí)段使用，以避免未來需要水電加大出力時(shí)出現(xiàn)無水可用的情況。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on dynamic scheduling model for multi-energy complementarity of hydro，wind and solar power during flood season

ZHANG Yanke1，WU Wenlong1，WANG Yuankun1，XIE Ruchang2

（1.School of Water Resources and Hydropower Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China； 2.Fujian Shuikou Hydropower Generation Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350001，China）

Abstract：

To fully utilize the regulation capacity of hydropower reservoirs during flood seasons when no flood or only minor floods are forecasted，the reservoir's storage capacity within the dynamic control range of the flood season operation water level is considered as the available capacity for regulating wind and solar power generation.On the premise of enhancing the reservoir's regulation capability，a dynamic scheduling mode for the absorption of wind and solar power was proposed，considering the real-time state of incoming floods.The model aimed to minimize the deviation between the sum of expected wind，solar power，and hydropower output，and the load demand.The model was established considering the uncertainties in wind and solar power output.A case study was conducted with the Shuikou Hydropower Station in Fujian Province.The results showed that the proposed dynamic operation model for wind and solar power absorption can fully and rationally utilize the regulation capacity within the dynamic control range of the water level，ensuring flood safety.Compared to the traditional operation model，the proposed model reduced the number of periods with load deficits and the expected value of generation shortfalls by approximately 37% and 32%，respectively，while increasing the average hydropower generation head by about 4.39%.This not only improved system output reliability but also enhanced system operational benefit.The research findings can provide a reference for regulating wind and solar power output during the flood season.

Key words：

flood season operation； dynamic control of water level； hydro-wind-solar multi-energy complementation； dynamic operation mode； Shuikou Hydropower Station