曾柏琛，王 琦，于若英，陳 寧

(1.南京師范大學電氣與自動化學院，江蘇南京210046；2.中國電力科學研究院有限公司，江蘇南京210000)

新能源的迅速發(fā)展帶來嚴重了的消納問題[1-2]，其主要原因來自火電(核電)機組深度調(diào)峰壓力過大以及響應速率不高，對此使負荷發(fā)生“時移”是解決其消納問題的重要思路。抽水蓄能電站具有啟動迅速、功率調(diào)節(jié)速度快等特點，可以為新能源并網(wǎng)提供保障和支撐，確保波動性及間歇性很強的新能源無法輸出連續(xù)穩(wěn)定的功率時，不會對電網(wǎng)功率平衡造成較大影響，減小新能源并網(wǎng)的不確定因素對電網(wǎng)的沖擊從而緩解電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力[3]。

國內(nèi)外已有不少學者針對含抽水蓄能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度開展了研究，文獻[4-9]研究了抽水蓄能電站對于可再生能源消納能力的提升以及其經(jīng)濟性的改善，表明抽水蓄能電站機組的調(diào)節(jié)性能非常強，升降負荷的速度較快，合理調(diào)度對其運行意義重大。

水庫水量是抽水蓄能電站的能量載體，其受天氣因素影響較大。以往對抽水蓄能電站的研究較少考慮天氣因素對于抽水蓄能電站水量的影響，鑒于此本文擬提出一種計及天氣因素影響的風-光-火-儲聯(lián)合發(fā)電策略，首先考慮天氣因素對抽水蓄能電站進行建模，完善更為精確的水量模型；在此基礎上將該模型應用于風光-抽水蓄能-火電機組微電網(wǎng)聯(lián)合模型；最后，根據(jù)每日負荷曲線預測結(jié)果，利用抽蓄日充放電次數(shù)決策方法，提出聯(lián)合發(fā)電策略。本文擬結(jié)合寧夏自治州氣候氣象條件結(jié)合電網(wǎng)實際進行仿真，對新能源簡單系統(tǒng)和寧夏電網(wǎng)進行算例分析，對所提策略的可行性進行驗證，結(jié)論證明所建模型可以更加精確的考慮抽水蓄能電站的運行狀況，所提策略可以提高微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

1 考慮天氣因素的抽水蓄能電站模型

1.1 天氣因素對于水庫的影響

對于抽水蓄能電站的水庫而言，水庫水面蒸發(fā)是其水量損失中非常重要的一部分。各計算時段(月、年)的蒸發(fā)損失

Wz=EsFk

(1)

式中，Wz為單位時間內(nèi)的水庫水量蒸發(fā)損失，m3；Fk為計算時段內(nèi)的平均水庫面積，m2；Es為計算時段內(nèi)庫區(qū)水面蒸發(fā)深度，m。

蒸發(fā)量的實際值測量較為復雜，可在采用以往的數(shù)據(jù)進行預測，具體公式為

(2)

式中，αev(k)為抽水蓄能電站庫區(qū)k時段的蒸發(fā)量，m3；Wz(i)為第i月平均蒸發(fā)量，m3；D為該月采樣時間段總數(shù)；Pev為當日蒸發(fā)概率。

同理，對于降水量可得

WJ=EJFk

(3)

(4)

式中，WJ為單位時間內(nèi)增加的水庫降水水量，m3；Fk為計算時段內(nèi)的平均水庫面積，m2；EJ為計算時段內(nèi)庫區(qū)降水量，m；βpr(k)為抽水蓄能電站庫區(qū)k時段的降水量，m3；WJ(i)為第i月平均降水量，m3；Ppr為當日降水概率。

1.2 抽水蓄能電站功率建模

本文研究對象為天氣因素對于抽水蓄能電站調(diào)峰能力的影響問題。在天氣因素對于抽水蓄能電站水庫水量造成較大影響時，抽水蓄能系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)運行方式以及抽蓄時間等，從而改善其對于新能源的消納能力以及其運行的經(jīng)濟性。

抽水蓄能電站有2種工作模式，蓄能模式與發(fā)電模式，實質(zhì)是電能到重力勢能的相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換效率與電機功率有關。水量變化如圖1所示。

圖1 上下水庫水量變化示意

水庫的模型為

V(u，k)=αev(k)-βpr(k)+(Q(Pump，k)-Q(Tur，k))Δt+V(u，k-1)

(5)

V(d，k)=αev(k)-βpr(k)-(Q(Pump，k)-Q(Tur，k))Δt+V(d，k-1)

(6)

式中，V(u，k)、V(d，k)分別為k時段上、下水庫的實際庫容，m3；Q(Pump，k)、Q(Tur，k)分別為k時段抽水、放水的流量，m3/s；Δt為時間段時長，15 min。

重力勢能與能量轉(zhuǎn)換模型為

P(Pump，k)=-ηPumpρgQ(Pump，k)h

(7)

P(Tur，k)=-ηTurρgQ(Tur，k)h

(8)

式中，P(Pump，k)為k時蓄能功率，kW；Q(Pump，k)為流量，m3/s；ηPump為蓄能效率；P(Tur，k)為發(fā)電機組功率，kW；Q(Tur，k)為流量，m3/s；ηTur為發(fā)電機組效率；ρ為水密度，取1 000 kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為水庫的水頭高度，m。

同時由于抽水蓄能電站不可以同時工作運行在發(fā)電模式與蓄能模式，但是可以同時處于待機狀態(tài)，工作狀態(tài)可以用數(shù)學關系表達

U(Tur，k)+U(Pump，k)≤1

(9)

式中，U(Tur，k)、U(Pump，k)分別表示抽水蓄能電站處于發(fā)電模式、蓄能模式的狀態(tài)變量，1為處于該狀態(tài)，0為不處于該狀態(tài)。

為了抽水蓄能電站能夠滿足安全穩(wěn)定正常的運行抽水蓄能電站庫容約束為

(10)

式中，Vumin、Vumax分別表示上水庫庫容的上、下邊界，m3；Vdmin、Vdmax分別為下水庫庫容的上、下邊界，m3；ΔVumax、ΔVdmax分別為抽水蓄能電站上、下水庫水量單位時段變化的最大值，m3；采樣時間為15 min。

由于抽水蓄能電站在使用中常常與電網(wǎng)相連需要滿足功率平衡條件，平衡條件為

P(Pump，k)+P(L，k)=P(Tur，k)+P(g，k)

(11)

式中，P(L，k)、P(g，k)分別為k時負荷與電網(wǎng)的功率大小，kW。根據(jù)上述條件可以建立抽水蓄能電站的功率模型，從而分析抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)能力。

2 計及運行經(jīng)濟性的風-光-火-儲聯(lián)合調(diào)節(jié)策略

2.1 目標函數(shù)

以風-光-火-儲聯(lián)合系統(tǒng)運行成本最小為目標。目標函數(shù)表示為

(12)

2.2 約束條件

針對最優(yōu)經(jīng)濟效益運行模型的目標函數(shù)，建立等式約束條件。為了保持電力系統(tǒng)電量平衡，需要建立等式約束

P(Tur，k)-P(Pump，k)+Pwind(k)+PPV(k)+Pc(k)=P(L，k)

(13)

同時需要規(guī)定各機組運行邊界，建立不等式約束條件。

功率范圍約束

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

正負旋轉(zhuǎn)備用容量約束[10]

(19)

(20)

啟停次數(shù)約束[4]

KPump≤M

(21)

KTur≤M

(22)

式中，KPump為水泵的日啟停次數(shù)；KTur為發(fā)電機的日啟停次數(shù)；M為抽水蓄能電站機組最大啟停次數(shù)。

2.3 抽水蓄能電站對于電網(wǎng)新能源消納能力的提升分析

由于電力系統(tǒng)的電量平衡約束，且火電機組存在爬坡與調(diào)峰深度約束，所以新能源會發(fā)生發(fā)“棄風棄光”現(xiàn)象。棄電量的計算如下

(23)

式中，Sre為新能源棄電量；SPV為光伏棄電量；Swind為風電棄電量。

本文將風電、光伏與抽水蓄能協(xié)調(diào)后建立風-光-火-儲聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，風-光-火-儲聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)方式見圖2。由圖2可見在新能源高發(fā)階段，抽水蓄能電站可以處于蓄能模式增加新能源的消納；同時抽水蓄能可以在發(fā)電狀態(tài)下，與新能源機組共同出力減輕火電機組出力負擔。

同時抽水蓄能可以降低新能源機組出力的波動性使聯(lián)合機組出力更加穩(wěn)定，改善風電反調(diào)峰的情況，有利于火電機組響應新能源消納[3，11-12]。

圖2 新能源抽蓄聯(lián)合機組協(xié)調(diào)方式

抽水蓄能電站具有一抽一發(fā)以及兩抽兩發(fā)的運行方式。本文擬在日負荷預測曲線分析的基礎上分析，選擇合適的運行方式，更好地提高抽水蓄能電站運行的經(jīng)濟性。

本文日負荷曲線預測按文獻[13]方法確定，以圖3的曲線為例。

圖3 負荷預測曲線

為了判斷每日負荷高峰低谷時段，將每天高于平均值的時段定義為高峰時段，低于平均值的時段定義為低谷時段。瞬時負荷值是否超過當日負荷的平均值判斷結(jié)果邏輯值的情況如圖4所示。

圖4 負荷峰谷分布情況

圖4中，1為高于平均負荷時段，0為低于平均負荷時段。

當出現(xiàn)較為明顯的雙高峰時宜采用兩抽兩發(fā)，反之則采用一抽一發(fā)的工作方式。建立抽水蓄能混合抽發(fā)概率模型，將雙高峰中凹部與當日平均負荷作比較，建立概率策略模型，公式為

(24)

式中，K為采用何種工作方式的判斷結(jié)果，當K=1時，采用兩抽兩發(fā)的工作模式；當K=0時，采用一抽一發(fā)的工作模式；Pav(i)為第i日的負荷平均值；φ為判讀閾值，取值范圍為(0，1)。

3 仿真及結(jié)果分析

以西北地區(qū)某風-光-火-儲聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，應用本文所提出的抽水蓄能電站功率模型進行仿真分析。各類型電源裝機容量如表1所示。本算例設置以15 min為時間精度，1天共計96個點，計算周期為10 d，分析并計算考慮天氣條件對該系統(tǒng)運行的影響。設置3種工況條件進行對比分析。

表1 各機組參數(shù)

3.1 典型工況下的仿真

選擇3種電網(wǎng)運行的典型工況。工況1：考慮抽水蓄能電站不出力時。工況2：考慮抽水蓄能電站出力但未考慮天氣因素時。工況3：考慮抽水蓄能電站出力也考慮天氣因素時。

3.2 計算結(jié)果

評價指標結(jié)果如表2所示。

表2 各工況評價指標結(jié)果

從表2可知，抽水蓄能電站可以有效地降低新能源的棄用，提新能源的利用率；在較為惡劣的天氣條件下新能源的棄用率上升，運行成本上升，所以考慮天氣因素建模對于抽水蓄能電站的使用效應評估與優(yōu)化運行策略的提出有意義。

典型日仿真結(jié)果如圖5所示，圖5b、5c為兩抽兩發(fā)的工作模式。從圖5可以看出，在考慮降水與蒸發(fā)對于抽水蓄能電站的影響時，該典型日過程中，由于抽水蓄能電站對于能量的存儲與消納，有效地提高了風電與光伏的消納量；由于火電爬坡率的下降可以降低火電機組運行損傷，延長火電機組使用壽命，也間接帶來了經(jīng)濟效益，從而提高了模型整體運行的經(jīng)濟性。

圖5 聯(lián)合出力系統(tǒng)典型日仿真結(jié)果

3.3 水量變化的靈敏度分析

為了更加細致地分析水量變化對于抽水蓄能電站的影響，本文對抽水蓄能電站的條件進行仿真模擬。設立運行周期內(nèi)水庫水量總變化值Bw，m3。Bw的值可正可負，計算公式為

(25)

抽水蓄能出力約束條件與水庫水量及庫容有關，外界因素引起的水量變化將影響抽水蓄能電站的正常運行。抽水蓄能電站出力由總發(fā)電量NS定義，NS的計算公式為

(26)

對于抽水蓄能出力與水量變化的關系如圖6所示?？梢钥闯霎斔孔兓_到-3.5×104m3，聯(lián)合出力系統(tǒng)出力達到最大值。

圖6 抽水蓄能出力與水量變化

同時分析了抽水蓄能電站的發(fā)電與蓄能狀態(tài)對原系統(tǒng)(不加抽蓄)新能源消納的改善情況，新能源棄用量與水量變化的關系如圖7所示。

圖7 新能源棄用量與水量變化

對于聯(lián)合出力系統(tǒng)總成本與水量變化的關系如圖8所示。

圖8 聯(lián)合出力系統(tǒng)總成本與水量變化

從上述情況分析可知，水量變化呈現(xiàn)二向性的情況，均存在極值情況。同時由仿真結(jié)果可知抽水蓄能水庫水量基本不發(fā)生變化時(即水量變化約等于0)，抽水蓄能運行經(jīng)濟效應最好，新能源消納能力最強，抽水蓄能總功率(抽水狀態(tài)總功率的絕對值與發(fā)電狀態(tài)總功率的絕對值之和)最大。

4 結(jié) 論

本文針對西北某微電網(wǎng)，考慮天氣因素對抽水蓄能電站的調(diào)峰能力與新能源消納情況，提出了一種最優(yōu)經(jīng)濟效益運行模型的優(yōu)化運行策略，并根據(jù)該策略進行仿真模擬得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)天氣因素對于抽水蓄能電站調(diào)峰能力的影響分析，得到考慮天氣因素的抽水蓄能電站模型，該模型可以更為精確的評價抽水蓄能的運行情況。

(2)以建立風電-抽水蓄能-火電機組聯(lián)合出力為例，對3種典型工況的情況進行分析，結(jié)果表明本文提出的優(yōu)化運行策略具有較好的提高抽水蓄能新能源消納能力。

(3)存在抽水蓄能電站水庫最佳水量，使得含抽水蓄能電站的微電網(wǎng)系統(tǒng)消納新能源能力最強且運行成本也相對較低的情況，應將初始庫容設定在該容量附近。