謝 俊，鮑 正 風(fēng)，曹 輝，徐 楊，盧 佳

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 武漢 430014； 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

隨著“雙碳目標(biāo)”[1]以及“2030年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)25%，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上”[2]等一系列新發(fā)展目標(biāo)的提出，對中國能源高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求。考慮到當(dāng)前國家能源發(fā)展的形勢，“十四五”規(guī)劃[3]明確指出，需在中國西部、北部等風(fēng)、光資源富集地區(qū)，科學(xué)規(guī)劃、布局一批以新能源為主的電源基地和電力輸送通道，實(shí)現(xiàn)新能源電力全局優(yōu)化配置[4]。規(guī)劃將大型清潔能源基地置于構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要抓手地位，旨在通過重大基地支撐發(fā)展、示范工程引領(lǐng)發(fā)展、行動計(jì)劃落實(shí)發(fā)展，加快實(shí)施可再生能源的替代工程，促進(jìn)可再生能源高比例、高質(zhì)量、低成本、市場化發(fā)展。

由于風(fēng)、光出力具有隨機(jī)性、波動性、間歇性等特點(diǎn)，將其單獨(dú)并入電網(wǎng)供電時(shí)，系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差，即便是風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)也需配備大容量的儲能裝置，對電網(wǎng)影響比較大，其電能質(zhì)量對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響?？紤]到水電機(jī)組具有啟動迅速、調(diào)節(jié)靈活、負(fù)荷響應(yīng)快等特點(diǎn)，可以對風(fēng)光電站出力變化進(jìn)行快速補(bǔ)償調(diào)節(jié)，優(yōu)化電能質(zhì)量，從而滿足電網(wǎng)對頻率、電壓的質(zhì)量要求[5]。因此，不少學(xué)者提出將水電與風(fēng)電、光伏以及儲能裝置進(jìn)行互補(bǔ)開發(fā)，此方法在彌補(bǔ)單一資源不足的同時(shí)還能提高發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性[6-13]。目前，許多學(xué)者針對可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及環(huán)保性等進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。蘇一峻[14]以發(fā)電成本最小和棄風(fēng)、棄光量最少為目標(biāo)，建立了優(yōu)化調(diào)度模型，并利用蟻獅算法進(jìn)行了求解；呂崇帥[15]以互補(bǔ)系統(tǒng)波動性最小為目標(biāo)建立了調(diào)度模型，繼而利用粒子群算法進(jìn)行求解。為了解決可能出現(xiàn)的棄風(fēng)、棄光、限電情況，充分利用金沙江下游風(fēng)、光、水資源，最大限度減少風(fēng)電和光電由于突變給電網(wǎng)帶來的沖擊，建立水風(fēng)光儲清潔能源基地，系統(tǒng)研究水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)，既是工程的需要，也是理論發(fā)展的需要。

歷經(jīng)20 a建設(shè)，金沙江下游已建成中國和世界最大規(guī)模梯級水電站群，梯級電站群具有容量大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)流域內(nèi)風(fēng)光資源豐富，能源間具有良好的資源互補(bǔ)特性，依托現(xiàn)有金沙江下游梯級水電站靈活調(diào)節(jié)潛力和跨省跨區(qū)直流外送通道能力，建設(shè)金沙江下游水風(fēng)光清潔能源走廊，實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光打捆外送協(xié)同消納，對于充分發(fā)揮金沙江下游水風(fēng)光資源稟賦優(yōu)勢、落實(shí)中國雙碳目標(biāo)具有重要的意義。因此，本文圍繞金沙江下游清潔能源走廊的實(shí)際工程特點(diǎn)，首先闡明了監(jiān)測感知、智能調(diào)控及源側(cè)互補(bǔ)3個(gè)方面已有的研究基礎(chǔ)，繼而凝練了水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度關(guān)鍵問題，從而結(jié)合多年流域梯級電站運(yùn)行調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，對金沙江下游水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度問題下大規(guī)模風(fēng)光電站群如何接入大水電、風(fēng)光集群出力描述及大水電打捆風(fēng)光儲模式下多能互補(bǔ)系統(tǒng)長期、短期協(xié)調(diào)等方面的研究思路進(jìn)行了展望，切實(shí)服務(wù)于金沙江下游清潔能源走廊實(shí)際工程運(yùn)行。

1 金沙江下游水風(fēng)光儲清潔能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 水風(fēng)光資源分布特性和多時(shí)空尺度互補(bǔ)性研究

為促進(jìn)新時(shí)代可再生能源規(guī)?；l(fā)展，以流域水電開發(fā)為依托，金沙江下游已按照“綜合開發(fā)，市場配置；總量控制，多能互補(bǔ)；技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，安全可靠”的原則，統(tǒng)籌能源本地消納和外送，充分利用水電的調(diào)節(jié)能力，推進(jìn)水風(fēng)光儲清潔能源基地綜合建設(shè)。目前，金沙江下游風(fēng)光資源總量約2 048萬kW、水電總裝機(jī)容量達(dá)4 646萬kW。其中，溪洛渡、白鶴灘、烏東德三大控制性水庫具有優(yōu)異調(diào)節(jié)性能，能夠有效平抑風(fēng)電、光伏出力波動。根據(jù)中國長江三峽集團(tuán)有限公司前期勘測，金沙江下游梯級電站可接入新能源總裝機(jī)容量約1 048.7萬kW(風(fēng)電337.7萬kW、光伏711.0萬kW)，分別接入烏東德水電站右岸、白鶴灘水電站左岸、溪洛渡水電站左岸，具體規(guī)模見表1，地理分布見圖1。

表1 金沙江下游流域水風(fēng)光一體化規(guī)模

圖1 金沙江下游流域水風(fēng)光接入地理分布

截至目前，已通過分析金沙江下游流域水文、氣象、地形等因素與水風(fēng)光資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了水風(fēng)光資源評價(jià)指標(biāo)體系，并根據(jù)各樣本序列特性建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分布模型，以評估水風(fēng)光資源在不同時(shí)空尺度下的分布特性。基于前述研究基礎(chǔ)，繼而構(gòu)建了考慮氣象、地形、機(jī)電等影響因素的出力轉(zhuǎn)換模型，通過計(jì)算月/旬/日/時(shí)等時(shí)間尺度下風(fēng)、光電站的出力過程，分析水風(fēng)光電站出力序列特征，從波動性、間歇性、隨機(jī)性以及預(yù)報(bào)不確定性等方面分析各電站出力的多維不確定性。最終提出不同時(shí)間尺度下多能源互補(bǔ)性的量化指標(biāo)，從而解析多尺度、多運(yùn)行模式下的流域水風(fēng)光多能互補(bǔ)機(jī)制及特性。

1.2 清潔能源基地復(fù)雜系統(tǒng)多源信息監(jiān)測感知研究

(1) 天空地一體化風(fēng)光、水情、工情全天候精細(xì)化自動測報(bào)技術(shù)。采用衛(wèi)星遙測、無人機(jī)巡測、地面測站自動監(jiān)測和機(jī)組工況監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)感知等天空地一體化綜合監(jiān)測技術(shù)手段，構(gòu)建了長江流域的風(fēng)光、水情、工情全要素全天候精細(xì)化自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。其中，地面測站包括水情遙測站633個(gè)、水文(水位)報(bào)汛站327個(gè)、自動氣象站7 182個(gè)、共享水情監(jiān)測站442個(gè)，工情傳感器10萬余個(gè)。針對金沙江下游全覆蓋全天候自動監(jiān)測的海量多源異構(gòu)氣象-水-雨-工情數(shù)據(jù)集，采用Hadoop和Spark混合大數(shù)據(jù)框架以及VHF、GSM/GPRS、北斗衛(wèi)星、CDMA、PSTN和海事衛(wèi)星等多種通信方式，研究了全要素多通道實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與自動測報(bào)技術(shù)。

圖2 長江上游流域水雨工情全要素全天候立體化實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與自動測報(bào)系統(tǒng)

(2) 創(chuàng)建大規(guī)模發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。研發(fā)了測點(diǎn)種類最多、分布最廣、特征量最為齊全的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以及集成電站監(jiān)控、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和安全運(yùn)維等綜合數(shù)據(jù)信息的安全評估與趨勢分析系統(tǒng)，該監(jiān)測平臺如圖3所示?；跈C(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行工況實(shí)時(shí)調(diào)整和故障征兆早期預(yù)警，并通過所建立的結(jié)合機(jī)組關(guān)鍵部件量化和維度評價(jià)的機(jī)組狀態(tài)評估體系，實(shí)現(xiàn)基于診斷與評估的預(yù)防性檢修，從而保障電站安全可靠高效運(yùn)行。

圖3 巨型水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系

1.3 巨型電站群智能調(diào)度研究

(1) 上游水庫群多尺度調(diào)度規(guī)則智能提取研究。以金沙江下游-三峽區(qū)域梯級電站為研究實(shí)例，考慮上游具有較強(qiáng)調(diào)蓄能力的控制性水庫及流域出口控制水庫，包括金沙江中游梯級、雅礱江梯級、岷江嘉陵江梯級、烏江梯級、長江干流梯級等[16]，以上述水庫歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及支持向量機(jī)(SVM)構(gòu)建旬、日、小時(shí)尺度調(diào)度規(guī)則提取模型，摸清上游控制性水庫群的調(diào)度運(yùn)行規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，建立長江上游水庫群模擬調(diào)度模型，模擬上游水庫一定時(shí)間內(nèi)的下泄流量過程，為科學(xué)合理地編制金沙江下游-三峽梯級水庫調(diào)度計(jì)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

(2) 上游水庫群運(yùn)行調(diào)度仿真研究。為解決上游水庫群調(diào)度計(jì)劃未知情況下的河道徑流過程集合預(yù)報(bào)及運(yùn)行影響分析問題，以上游水庫群調(diào)度規(guī)則智能提取研究為基礎(chǔ)，建立上游水庫群模擬調(diào)度模型，具體流程如圖4所示。模型按照從上游到下游的方式，逐級模擬上游各水庫的運(yùn)行狀態(tài)，得到子流域出口斷面流量過程，為河道模擬模型和庫群優(yōu)化調(diào)度模型提供邊界輸入，同時(shí)可為預(yù)報(bào)溪洛渡和三峽水庫入庫以及分析上游水庫調(diào)蓄對干流溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩水庫影響提供參考。該模型支持水庫的任意選擇和添加，以適應(yīng)未來新建水庫后的模擬情景。

圖4 水庫群模擬調(diào)度模型流程

(3) 巨型電站群全周期長中短嵌套精細(xì)化發(fā)電優(yōu)化調(diào)度研究?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)，針對長中短期調(diào)度模型相互脫節(jié)、無法有效相互支撐的難題，研究中長期優(yōu)化調(diào)度與短期優(yōu)化調(diào)度耦合嵌套的運(yùn)行模式，提出考慮上游水庫群蓄控對干流巨型電站群影響的定量解析方法和基于分層互饋模式的梯級水電站群多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度耦合嵌套方法(方法流程如圖5所示)，并建立流域梯級電站群分層多時(shí)間尺度嵌套調(diào)度模型(模型控制流程如圖6所示)。

圖5 水庫群精細(xì)化調(diào)度模型流程

圖6 長中短期徑流預(yù)報(bào)嵌套控制流程

根據(jù)徑流預(yù)報(bào)信息和庫群運(yùn)行工況的滾動更新，提出梯級調(diào)度方案執(zhí)行偏差的多尺度滾動調(diào)整策略(滾動修正技術(shù)路線如圖7所示)，考慮實(shí)際需求與預(yù)報(bào)偏差，中期模型逐日更新計(jì)算，長期模型逐旬、月滾動更新計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行時(shí)期、不同運(yùn)行工況、不同目標(biāo)下水庫群調(diào)度模型及其求解算法的自適應(yīng)、智能化匹配，為梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度方案科學(xué)合理編制提供有效的決策支持。在2022年三峽水庫水位消落期，中國長江電力股份有限公司應(yīng)用智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的超短期模型，在8 h內(nèi)不間斷開展“三峽145 m”消落過程和節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)滾動預(yù)測。將預(yù)測動態(tài)庫水位時(shí)間間隔縮短至分鐘級，預(yù)測精度高達(dá)厘米級，小于允許誤差一個(gè)數(shù)量級，為最終順利實(shí)現(xiàn)三峽水庫消落任務(wù)提供了有力支撐。

圖7 優(yōu)化調(diào)度滾動修正技術(shù)路線

2 金沙江下游水風(fēng)光儲系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行關(guān)鍵問題

金沙江下游水風(fēng)光多能互補(bǔ)清潔能源示范基地由百余座不同類型、不同規(guī)模的電站共同組成，屬于千萬千瓦級多源多網(wǎng)混合發(fā)電系統(tǒng)。所構(gòu)成的水力-電力時(shí)空耦合體系具有規(guī)模大、容量高、級數(shù)多、不確定性強(qiáng)等特性[17]，因而在風(fēng)光發(fā)電特性及描述、水風(fēng)光儲建設(shè)及接入和大水電打捆風(fēng)光儲協(xié)調(diào)運(yùn)行等方面存在問題，顯著提高了風(fēng)光儲聯(lián)合調(diào)度的難度和要求。

2.1 風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)特性及描述問題

(1) 風(fēng)光發(fā)電的不確定描述問題。風(fēng)、光電站出力波動頻繁，在不同季節(jié)和晝夜時(shí)序上呈現(xiàn)隨機(jī)性、波動性、間歇性等特點(diǎn)，且受風(fēng)速、光照等氣象因素影響，不同地區(qū)電站發(fā)電特性也存在較大差異，因而其裝機(jī)容量不能等同于常規(guī)能源的裝機(jī)容量[18]。此外，當(dāng)云、樹、建筑物的陰影遮蔽光伏陣列部分組件，或是風(fēng)速的頻繁變化，均將明顯增加光伏陣列和風(fēng)電機(jī)組功率輸出特性的復(fù)雜度，導(dǎo)致需配套較大容量蓄電池組，間接增加了相關(guān)投資成本。因此，準(zhǔn)確解析風(fēng)光電站的時(shí)空出力規(guī)律對提升風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行水平極為關(guān)鍵[19]。

(2) 大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的配置優(yōu)化問題。水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)[20]為復(fù)雜巨型系統(tǒng)，但現(xiàn)有研究大多針對微網(wǎng)、孤網(wǎng)或龍羊峽、北盤江等百萬千瓦級的水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，規(guī)模普遍較小[19]。隨著金沙江下游等千萬千瓦級水風(fēng)光一體化清潔能源基地建設(shè)的不斷推進(jìn)，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的規(guī)模愈加龐大、結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜、精細(xì)化要求也愈加提高，巨大的靈活性需求帶來的棄電風(fēng)險(xiǎn)、電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等問題越來越突出[19]，亟需對大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化策略展開研究，以期降低區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力波動，緩解網(wǎng)內(nèi)調(diào)峰壓力，提升區(qū)域電網(wǎng)韌性與安全性[21]。

2.2 大規(guī)模風(fēng)光儲接入問題

2.2.1接入后對電網(wǎng)的影響

(1) 風(fēng)電接入后對電網(wǎng)的影響。中國風(fēng)能主要集中于“三北”地區(qū)，本地負(fù)荷較少，需遠(yuǎn)距離送至負(fù)荷中心，對局部電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大壓力[22]。此外，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是當(dāng)前中國主流的風(fēng)電機(jī)型，但大規(guī)模雙饋風(fēng)電機(jī)組集中接入到電力系統(tǒng)中時(shí)，會對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[23]，繼而影響電能質(zhì)量、穩(wěn)定性、繼電保護(hù)和潮流等。因此，研究如何利用風(fēng)電機(jī)組的快速無功調(diào)節(jié)能力實(shí)現(xiàn)風(fēng)電接入地區(qū)的電壓穩(wěn)定，對提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[24]。

(2) 光伏接入后對電網(wǎng)的影響。中國光伏發(fā)電呈現(xiàn)為“規(guī)?；稚㈤_發(fā)、低壓接入、就地消納”以及“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入、高壓遠(yuǎn)距離外送消納”兩種方式并存的格局，但大規(guī)模光伏電站通常位于負(fù)荷消納能力較低、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的內(nèi)陸地區(qū)，需通過長距離輸電線路及串補(bǔ)裝置并入主網(wǎng)，電網(wǎng)的阻抗耦合效應(yīng)會對電子換流器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一旦發(fā)生振蕩事故，將造成大規(guī)模的光伏電站脫網(wǎng)，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[25]。因此，針對大規(guī)模光伏發(fā)電經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩問題，分析串補(bǔ)線路與逆變器交互影響下的系統(tǒng)振蕩機(jī)理具有較大的實(shí)際意義[26]。

(3) 儲能接入后對電網(wǎng)的影響。在大規(guī)模新能源接入背景下，國內(nèi)各項(xiàng)大規(guī)模儲能示范性項(xiàng)目陸續(xù)開展。目前，規(guī)?；瘍δ苤饕浅樗钅堋嚎s空氣儲能以及大容量電池儲能[27]。Huang等[28]通過多時(shí)間尺度優(yōu)化方法提出風(fēng)電-光伏-電化學(xué)儲能-抽水蓄能水電站聯(lián)合運(yùn)行方案，驗(yàn)證了多時(shí)間尺度方法的可行性和有效性；Wang等[29]從經(jīng)濟(jì)效益、碳排放和電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面建立了風(fēng)-光-抽水蓄能混合系統(tǒng)的日前多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行模型。大容量儲能接入電網(wǎng)時(shí)，可以用于電量輸送、平滑電網(wǎng)負(fù)荷、調(diào)控供電量、發(fā)電自動控制等，具有顯著的動態(tài)調(diào)節(jié)效益[30]。然而，考慮到對上述效益的精準(zhǔn)衡量會涉及到儲能本身以及所對應(yīng)物理問題在不同時(shí)間尺度上的建模與刻畫，而很多儲能技術(shù)在中國發(fā)展還不成熟，大規(guī)模儲能系統(tǒng)與既有電力系統(tǒng)的融合仍會對電網(wǎng)造成不利影響，因而還需解決從技術(shù)、應(yīng)用到市場的不同層面問題[31]。

2.2.2接入后對梯級水庫的影響

大規(guī)模風(fēng)光接入后需利用梯級水電對“凈負(fù)荷”進(jìn)行削峰填谷，通過水風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行保證總體的發(fā)電功率平穩(wěn)輸出。梯級水庫的調(diào)度運(yùn)行方式由電能供應(yīng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏φ{(diào)節(jié)為主，運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)變將對梯級水庫安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生顯著影響，尤其針對大型梯級水庫，明晰其作為調(diào)節(jié)者的運(yùn)行影響是清潔能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化與穩(wěn)健發(fā)展的基礎(chǔ)。

(1) 風(fēng)電接入后對梯級水庫的影響。由于風(fēng)力發(fā)電依賴于風(fēng)速，而風(fēng)速變化趨勢與用電負(fù)荷變化趨勢往往不相一致，多數(shù)時(shí)期下大風(fēng)期與低負(fù)荷期重疊，風(fēng)電呈現(xiàn)一定的反調(diào)峰特性，需要具備調(diào)節(jié)能力的水電站進(jìn)行“削峰填谷”[32]。尤其在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后，普通水電站的調(diào)節(jié)能力無法填補(bǔ)風(fēng)電高滲透率下的反調(diào)峰缺陷，需要梯級水電站共同投入以平抑波動。然而，由于大水電發(fā)電消納順位位列風(fēng)電之后，水電投入調(diào)節(jié)后會大大壓縮水電調(diào)度工作的裕度。從中長期運(yùn)行方式來看，將使得水庫平均運(yùn)行水位降低，水頭效益減少；從短期運(yùn)行方式來看，水電調(diào)峰壓力增大，增加了棄水風(fēng)險(xiǎn)；從能源外送角度來看，將進(jìn)一步加劇部分地區(qū)電力輸出受阻局面；從水電機(jī)組檢修角度來看，平抑風(fēng)電出力不確定性時(shí)的頻繁調(diào)峰動作加劇了機(jī)組的損耗。

(2) 光伏接入后對梯級水庫的影響。光伏發(fā)電受光照和溫度的影響，其出力存在隨機(jī)性和波動性，大量接入電網(wǎng)將會存在自身消納與系統(tǒng)穩(wěn)定性兩個(gè)方面的問題，仍需利用水電靈活調(diào)節(jié)的特性平抑光伏出力波動，提升光伏消納能力，增強(qiáng)系統(tǒng)總體可調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度上的多能互補(bǔ)[33]。但是，由于水電、光伏機(jī)組模型特性各異，梯級水光系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)出力及動力學(xué)行為上存在多時(shí)間尺度的復(fù)雜耦合隨機(jī)特性，給互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制和調(diào)度帶來極大的挑戰(zhàn)[34]。此外，梯級水電與光伏互補(bǔ)系統(tǒng)在緩解光伏波動的同時(shí)，會影響梯級水電基于水資源利用而制定的發(fā)電計(jì)劃，繼而導(dǎo)致水資源無法得到充分利用。

2.3 大水電打捆風(fēng)光儲協(xié)調(diào)運(yùn)行問題

(1) 接入后對電網(wǎng)的影響。從長期協(xié)調(diào)優(yōu)化來看，長、中、短多時(shí)間尺度耦合、徑流與風(fēng)光發(fā)電多重不確定性條件下的大規(guī)模多類型電站群隨機(jī)優(yōu)化問題，與單一水電系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則優(yōu)化相比，其復(fù)雜性和難度愈加突出，需要從模型的構(gòu)建與求解上探索創(chuàng)新思路[19]。

從短期協(xié)調(diào)優(yōu)化來看，考慮風(fēng)光發(fā)電不確定性，準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)需求，需要研究靈活性指標(biāo)及其表征方法，大規(guī)模水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的日前聯(lián)合調(diào)度模型，實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制策略，同時(shí)需考慮系統(tǒng)靈活性、新能源消納等目標(biāo)需求的實(shí)現(xiàn)問題[19]。

(2) 水風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電調(diào)度問題。大規(guī)模千萬千瓦級多能互補(bǔ)電站群的電源點(diǎn)眾多，出力極不穩(wěn)定，調(diào)度難度較大[35]。針對此聯(lián)合發(fā)電調(diào)度問題，已有學(xué)者進(jìn)行了深入研究，并取得了一些成果，Li等[36]建立了考慮風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效益的多目標(biāo)優(yōu)化模型，確定了最佳風(fēng)電電網(wǎng)規(guī)模；馬靜等[37]基于功率多頻率尺度分析，提出一種風(fēng)光水氣儲聯(lián)合系統(tǒng)日前調(diào)度策略；吳光仡[38]對風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究，旨在將可再生能源最大化利用，提高功率預(yù)測的精準(zhǔn)性；Yang等[39]提出了一種考慮風(fēng)電、光伏輸出和負(fù)荷相關(guān)性的風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，提高了風(fēng)光儲互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷的能力；Lu等[40]考慮了梯級水電站運(yùn)行的生態(tài)流量需求，提出了一種新的包含風(fēng)、光、梯級水電站的大規(guī)?；旌夏茉聪到y(tǒng)協(xié)調(diào)模式；吳瑞鵬等[41]研究混合儲能下的風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合效率；紀(jì)會爭[42]建立了風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電多目標(biāo)跟蹤計(jì)劃的出力調(diào)度模型與基于多維度效益的風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電綜合效益評價(jià)模型。

(3) 多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略問題。大量風(fēng)光資源集中接入到多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，短時(shí)間內(nèi)對源網(wǎng)荷帶來巨大變化，研究多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略對擴(kuò)大電力供給通道、深度實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型具有重大意義。針對該問題，劉連德等[43]考慮各機(jī)組間運(yùn)行特性的差異，提出了含高比例風(fēng)光發(fā)電的電力系統(tǒng)中抽蓄電站的優(yōu)化控制策略；彭道剛等[44]考慮多能流設(shè)備之間的協(xié)同運(yùn)行、約束條件及分時(shí)電價(jià)因素，提出3種不同運(yùn)行優(yōu)化控制策略下的優(yōu)化調(diào)度模型。

3 金沙江下游水風(fēng)光儲系統(tǒng)研究展望

金沙江下游水風(fēng)光儲系統(tǒng)的建設(shè)對于促進(jìn)中國西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全具有重大的意義，目前相關(guān)學(xué)者已開展了大量的研究工作并取得了豐富的研究成果。但隨著金沙江下游風(fēng)光水電站的規(guī)模愈加龐大，以往的研究成果并不能夠很好的滿足當(dāng)前需求，因而還需要針對整套流域水庫群多維度精細(xì)化協(xié)同調(diào)度、多耦合的流域水風(fēng)光長中短期綜合預(yù)報(bào)、水資源耦合系統(tǒng)動力學(xué)適應(yīng)性調(diào)控建模、流域水風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)多時(shí)空尺度調(diào)度運(yùn)行方式4個(gè)方面進(jìn)行更加深層次的研究，為中國多能互補(bǔ)工程實(shí)際運(yùn)行提供切實(shí)可行的技術(shù)手段，具體研究思路如圖8所示。

圖8 金沙江下游水風(fēng)光儲系統(tǒng)研究路線

3.1 多耦合的流域水風(fēng)光長中短期綜合預(yù)報(bào)研究

(1) 水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力主要受到徑流、風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度和負(fù)荷這些時(shí)間序列變量的影響，獲取高精度的預(yù)測結(jié)果對系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有重要作用，時(shí)間序列變量的預(yù)測方法主要可分為物理過程驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動兩大類[45-46]，因此針對全球物理遙相關(guān)變量和大氣環(huán)流對長江水文過程的影響，以及流域水文循環(huán)響應(yīng)與水動力特性變化，需要完善基于物理成因及數(shù)據(jù)驅(qū)動的氣象-水文-水庫-水力耦合的流域長中短期廣域徑流綜合預(yù)報(bào)理論與方法，可為不確定性條件下的風(fēng)光儲系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)現(xiàn)有研究大多針對水風(fēng)光能資源各自的預(yù)測及其不確定性分析方法展開，缺乏對不確定性間耦合關(guān)系的考慮，相關(guān)成果難以應(yīng)用于大規(guī)模的水風(fēng)光互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度。

(2) 大型水電站受地形和天氣的多變性和復(fù)雜性影響，其周邊風(fēng)、光電站日前出力預(yù)測普遍存在精度較低、可靠性不高等問題。因此，需基于金沙江下游風(fēng)光資源的時(shí)空分布規(guī)律特性及地形與氣候特點(diǎn)，對區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場和光伏電站群進(jìn)行合理劃分，并基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建不同時(shí)間尺度下的預(yù)測模型，開展多重不確定性下水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)預(yù)報(bào)研究，進(jìn)一步提升預(yù)測精度，量化預(yù)報(bào)不確定性并增強(qiáng)預(yù)報(bào)的可靠性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電功率的精細(xì)化預(yù)測，從而為儲能系統(tǒng)優(yōu)化及大規(guī)模多能互補(bǔ)系統(tǒng)調(diào)度提供可靠數(shù)據(jù)支撐，突破不確定影響下流域水風(fēng)光多能多尺度互補(bǔ)調(diào)度建模的理論瓶頸。

3.2 流域水庫群多維度精細(xì)化協(xié)同調(diào)度研究

(1) 結(jié)合各種先進(jìn)的預(yù)測手段(如概率預(yù)報(bào)、集合預(yù)報(bào))，研究與多能互補(bǔ)調(diào)度的有效銜接方式。預(yù)測與調(diào)度的有效銜接在準(zhǔn)確刻畫風(fēng)、光電等預(yù)測的不確定性時(shí)，能有效避免優(yōu)化調(diào)度繁重的計(jì)算負(fù)擔(dān)與解決消除風(fēng)電、光伏預(yù)測誤差、平衡輸出功率波動等問題。在風(fēng)光預(yù)測方面，尚缺乏針對中長期的預(yù)測及不確定性分析方法研究，難以對水風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行在中長期尺度的優(yōu)化提供邊界約束和參考信息。為改進(jìn)預(yù)測、決策相分離的傳統(tǒng)調(diào)度模式，實(shí)現(xiàn)預(yù)測決策一體化調(diào)度模式，可以將風(fēng)電、光伏功率預(yù)測與儲能系統(tǒng)動作決策相融合，避免預(yù)測階段中有效決策信息的損失，使風(fēng)電、光伏的隨機(jī)規(guī)律不再通過數(shù)學(xué)假設(shè)等方式被人為刻畫，減少建模誤差。

(2) 劃分風(fēng)光儲電站集群。通過引入風(fēng)光電站群匯聚策略解決互補(bǔ)系統(tǒng)水電站數(shù)量龐大、難以集中調(diào)度的問題，利用各能源空間平滑特性、時(shí)間互補(bǔ)規(guī)律等特點(diǎn)提高匯聚電站群的可調(diào)度水平，并以大水電打捆風(fēng)光儲電站為對象實(shí)現(xiàn)與水電系統(tǒng)的互補(bǔ)協(xié)調(diào)。因此考慮到風(fēng)光儲的匯聚效應(yīng)與水電站規(guī)模大小密切相關(guān)，如何劃分風(fēng)光儲電站集群至關(guān)重要。有一種思路是根據(jù)多能互補(bǔ)工程的風(fēng)、光電站的分布特點(diǎn)，綜合考慮分區(qū)特性、出力相關(guān)性、風(fēng)速和光照的時(shí)變特性等，從單一電源群體到風(fēng)光匯聚整體逐層遞進(jìn)，研究風(fēng)光電站匯聚效應(yīng)分析方法，建立電站群匯聚準(zhǔn)則。在風(fēng)光儲電站集群的基礎(chǔ)上，其不確定性出力特性也需要進(jìn)一步分析。

風(fēng)光電站集群不確定性出力特性有兩種描述方法可以滿足不同互補(bǔ)方式需要。

第一種是考慮出力時(shí)變特性進(jìn)行概率分布擬合，對于同時(shí)包含風(fēng)電站和光伏電站的集群對象，可以采用Kendall秩相關(guān)系數(shù)分析風(fēng)電站、光伏電站出力的相關(guān)性測度，采用多種Copula聯(lián)合分布函數(shù)擬合風(fēng)電與光伏出力的聯(lián)合分布函數(shù)并通過似然函數(shù)、赤池信息量準(zhǔn)則與貝葉斯信息準(zhǔn)則檢驗(yàn)，確定擬合效果最佳的聯(lián)合分布。公式如下：

C(u，v)=H(F-1(u)，G-1(v))

(1)

式中：C(u，v)為風(fēng)光電站出力聯(lián)合分布函數(shù)；F(u)為風(fēng)電站出力分布函數(shù)；G(v)為光伏電站出力分布函數(shù)。

第二種是電站集群不確定性出力的場景描述方法，為避免裝機(jī)容量變化對結(jié)果的影響，可以引入分位數(shù)回歸理論研究構(gòu)建非參數(shù)概率預(yù)測模型，采用適合的分布函數(shù)描述出力隨機(jī)變量，得到分位數(shù)矩陣，并結(jié)合預(yù)測出力序列生成出力場景集。公式如下：

(2)

(3)

(3) 建立適合的隨機(jī)調(diào)度模型，構(gòu)建高效的求解算法。在大水電調(diào)度基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮不可控風(fēng)、光發(fā)電，并結(jié)合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，其中模型輸入為不確定性徑流、風(fēng)能以及太陽能，因此這是一種多重不確定性條件下的隨機(jī)優(yōu)化問題，則適合的模型與高效的算法成為協(xié)同調(diào)度的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。現(xiàn)有研究多以求解算法為主，針對復(fù)雜巨型隨機(jī)約束優(yōu)化問題內(nèi)在的多維多目標(biāo)特性研究較少，尚未形成系統(tǒng)的大規(guī)模多能源優(yōu)化調(diào)度求解理論體系。同時(shí)為適應(yīng)電網(wǎng)不同運(yùn)行方式下的實(shí)際需求，需構(gòu)建針對多種典型場景的調(diào)度模型，并采用效率與精度較高的智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

3.3 水資源耦合系統(tǒng)動力學(xué)適應(yīng)性調(diào)控建模

(1) 基于金沙江下游大規(guī)模水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的綜合利用需求，兼顧上游其他電站的運(yùn)行情況，探索并建立人工智能在大規(guī)模的水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)綜合調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的理論基礎(chǔ)及研究范式，發(fā)展實(shí)時(shí)響應(yīng)出力與負(fù)荷隨機(jī)變化、工況自適應(yīng)、耦合風(fēng)險(xiǎn)評估和方案自尋優(yōu)、具有閉環(huán)反饋機(jī)制的適應(yīng)性調(diào)控建模理論與方法，構(gòu)建整個(gè)金沙江下游綜合風(fēng)能、太陽能、水能的精準(zhǔn)模擬體系。

(2) 研究流域大規(guī)模風(fēng)光水互補(bǔ)系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型、求解算法和集成耦合技術(shù)，發(fā)展聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方法，探討預(yù)報(bào)與調(diào)度運(yùn)行評估以及上下游利益分配的關(guān)鍵技術(shù)。

(3) 研發(fā)出一套擴(kuò)展性高、兼容性強(qiáng)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的集調(diào)度方案編制、評估、實(shí)施和反饋于一體的多能源管理決策支持系統(tǒng)，解決中國面臨的重大科學(xué)和工程應(yīng)用問題。

3.4 流域水風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)多時(shí)空尺度調(diào)度運(yùn)行方式研究

(1) 抽水蓄能與風(fēng)光新能源的互補(bǔ)機(jī)制與調(diào)度策略研究。結(jié)合流域風(fēng)光新能源在不同時(shí)間尺度下的不確定性量化指標(biāo)，分析抽水蓄能電站的調(diào)度運(yùn)行特性，提出抽水蓄能電站與風(fēng)光能源的互補(bǔ)運(yùn)行機(jī)制；考慮復(fù)雜電網(wǎng)與電站安全運(yùn)行因素，提出不同時(shí)間尺度下抽水蓄能與風(fēng)光能源的調(diào)度運(yùn)行目標(biāo)，同時(shí)結(jié)合流域抽水蓄能與風(fēng)光新能源的上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制，分析抽水蓄能和風(fēng)光能源聯(lián)合參與電力市場競爭的策略，提出一種基于電力市場環(huán)境下流域風(fēng)-光-抽蓄一體化靈活性調(diào)度運(yùn)行方式。

(2) 多時(shí)空尺度水風(fēng)光抽蓄優(yōu)化調(diào)度建模。從長時(shí)間尺度分析，水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力與水電站水庫群的水位控制有很大的關(guān)系。針對中長期調(diào)度，綜合考慮水風(fēng)光電站自身約束、電網(wǎng)約束、復(fù)雜耦合約束，以及電站的不確定性，考慮水庫群的水位，建立面向金沙江流域的水風(fēng)光多能互補(bǔ)的中長期優(yōu)化調(diào)度模型，分析大規(guī)模風(fēng)光接入背景下流域梯級水庫群的中長期互補(bǔ)調(diào)度方式，如調(diào)節(jié)性水庫的關(guān)鍵水位控制，消落/蓄水時(shí)機(jī)、消落深度、蓄水速度等；從短時(shí)間尺度分析，水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的主要目的是平抑新能源出力的隨機(jī)性和波動性。針對短期調(diào)度，建立基于分區(qū)控制的流域級水-風(fēng)-光-抽蓄短期效益與風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間水風(fēng)光抽蓄聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，提出水風(fēng)光抽蓄短期多能互補(bǔ)運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度方式。綜合長中短期調(diào)度研究，解析系統(tǒng)內(nèi)各電站的復(fù)雜水力-電力多維耦合關(guān)系，分析中長期與短期調(diào)度在目標(biāo)和方式間的協(xié)同機(jī)制，建立面向電力/電量補(bǔ)償?shù)亩嗄芑パa(bǔ)系統(tǒng)多尺度調(diào)度運(yùn)行方式?？偟膩碚f，這方面研究成果對于系統(tǒng)構(gòu)建多能互補(bǔ)理論與方法體系是非常重要的，仍需要結(jié)合不同規(guī)模、不同構(gòu)成的水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)工程特點(diǎn)和實(shí)際調(diào)度場景的應(yīng)用需求，借鑒國內(nèi)外已有成果，開展適應(yīng)性研究并進(jìn)行成果的不斷提煉和總結(jié)。

(3) 面向多層級、多對象的水風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)及效益評價(jià)。分析流域“全系統(tǒng)-電源組-各電站”不同層級、不同對象面臨的各類調(diào)度運(yùn)行要求和限制，識別影響水風(fēng)光儲系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性等安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)來源，構(gòu)建水風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，評估不同水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)調(diào)度方案的潛在風(fēng)險(xiǎn)；進(jìn)而分析風(fēng)電、光伏和水電站成本和收益的主要構(gòu)成，提出各項(xiàng)成本和收益計(jì)算方法；最后以電力/電量補(bǔ)償?shù)亩嗄芑パa(bǔ)協(xié)同運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，模擬特定水風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)開發(fā)方案下的系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行過程，評估水風(fēng)光抽蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與綜合效益。

4 結(jié) 語

金沙江下游水風(fēng)光多能互補(bǔ)清潔能源示范基地是由百余座不同類型、不同規(guī)模、不同外送方式電站共同組成的千萬千瓦級多源多網(wǎng)混合發(fā)電系統(tǒng)，包含十分復(fù)雜的水力-電力時(shí)空耦合體系，因此在該系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，存在有發(fā)電預(yù)測、可再生能源消納、多能源互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行等一系列極具有挑戰(zhàn)的理論及技術(shù)難題，其不確定性問題也更加突出，顯著提高了模型結(jié)構(gòu)、協(xié)同關(guān)系、優(yōu)化技術(shù)難度和要求。然而，現(xiàn)有相關(guān)研究普遍針對小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，尚未對內(nèi)含巨型水電站的混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行探索，系統(tǒng)靈活性與經(jīng)濟(jì)性未得以充分發(fā)揮。

基于上述背景，本文聚焦了金沙江下游水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問題，結(jié)合金沙江下游清潔能源走廊的實(shí)際工程特點(diǎn)以及現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)提出了具體的解決方式，并對水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度展開了深層次的研究，指明了大水電打捆風(fēng)光儲模式下金沙江下游水風(fēng)光儲互補(bǔ)系統(tǒng)多時(shí)空尺度調(diào)度問題的研究思路，可為未來進(jìn)一步推進(jìn)大規(guī)模多能互補(bǔ)清潔能源示范基地建設(shè)和發(fā)展提供可借鑒的技術(shù)方案，助力中國“雙碳”目標(biāo)穩(wěn)健實(shí)現(xiàn)。