胡學東 吳來群 袁玉 侯進進

摘要：為促進新能源消納和風光蓄多能互補新能源基地建設，解決抽水蓄能與新能源合理容量配置問題，深入分析風電、太陽能開發(fā)條件及規(guī)模，在抽水蓄能電站裝機規(guī)模、風光規(guī)模、新能源直接上網(wǎng)容量均未確定的情況下，構建聯(lián)合互補運行雙層嵌套規(guī)劃模型，并提出了求解流程。上層模型以風光蓄多能互補新能源基地規(guī)模最大為原則，確定系統(tǒng)抽水蓄能電站與風電、光伏容量配置方案，下層模型以聯(lián)合發(fā)電出力波動性最小為目標，旨在輸出一個盡量平穩(wěn)的外送出力過程，以盡量提高電網(wǎng)安全可靠性，解決風光間歇性電源并網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定、調(diào)峰調(diào)頻難度大、限電等問題。以日喀則市新能源和湘河抽水蓄能電站為例進行模擬計算分析，驗證模型與算法的有效性。研究結果表明：所構建的雙層嵌套規(guī)劃模型可以科學地提出湘河抽水蓄能電站裝機容量1 800 MW、新能源開發(fā)規(guī)模5 700 MW（風電2 000 MW、光伏3 700 MW）的容量配置方案，并能夠改善風電、光伏并網(wǎng)條件實現(xiàn)電力穩(wěn)定送出。

關鍵詞：抽水蓄能； 新能源； 聯(lián)合發(fā)電； 容量配置； 雙層嵌套規(guī)劃模型； 湘河抽水蓄能電站； 日喀則市

中圖法分類號： TM61

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.032

0引 言

隨著碳達峰、碳中和目標的提出［1-3］，中國正大力發(fā)展風電、太陽能等清潔可再生能源，以及積極推動風光水蓄多能互補模式的開發(fā)。近年來，全國風電、光電快速發(fā)展，根據(jù)全國“十四五”發(fā)展規(guī)劃［4］，提出了多個清潔能源基地規(guī)劃。但由于風電、光伏發(fā)電都存在出力不穩(wěn)定和間歇性等特點，這些電源的大規(guī)模并網(wǎng)就會給電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定帶來新的問題。為了解決這些問題，需要結合風電、光伏、水電、抽水蓄能等各類電源特性，研究各類電源的合理配置，優(yōu)化電源結構［5-8］，以達到既能更多地開發(fā)利用清潔能源，又能保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的目的。

目前國內(nèi)外許多學者針對新能源與具有調(diào)節(jié)性能的抽水蓄能、水電、火電等聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度及容量配置已開展大量研究［9-12］。馬實一等［13］以風光發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟效益最大為優(yōu)化目標，采用改進遺傳算法優(yōu)化計算得到抽水蓄能電站和聯(lián)合系統(tǒng)的運行方案；張國斌等［14］提出考慮發(fā)電成本、污染物治理成本以及可再生能源棄電成本的總成本計算模型，建立風-光-水-火-抽蓄聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，提出通過多種能源聯(lián)合運行、與儲能裝置協(xié)調(diào)配合的調(diào)度方法，減少可再生能源棄電率；文杰等［15］在計入現(xiàn)貨電價、考慮負荷時間和空間可轉移特性的基礎上，建立了負荷側模型，并在考慮源端風/光出力隨機性、系統(tǒng)網(wǎng)絡約束基礎上，提出基于系統(tǒng)經(jīng)濟性、系統(tǒng)狀態(tài)均勻度和負荷跟蹤等多項系統(tǒng)指標的源-網(wǎng)-荷互動策略；程孟增等［16］針對含風電、光伏、火電和抽蓄聯(lián)合系統(tǒng)中抽水蓄能電站的容量配置問題，構建了聯(lián)合系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型，并提出了求解流程；謝俊等［17］圍繞金沙江下游水風光儲系統(tǒng)實際規(guī)劃和運行，闡明了水風光資源分布特性和多時空尺度互補性分析、清潔能源基地復雜系統(tǒng)多源信息監(jiān)測感知、巨型電站群智能調(diào)度等現(xiàn)行的解決思路與方法。

但上述研究成果大多以確定的新能源、抽水蓄能、水電、火電規(guī)模構建聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化運行模型，更多側重于對目標函數(shù)和優(yōu)化算法的研究，并未考慮從區(qū)域資源配置角度分析聯(lián)合互補系統(tǒng)的最佳容量配置方案。針對目前研究的不足，本文從抽水蓄能與風電、光伏資源的合理容量配置方案確定和聯(lián)合互補運行角度出發(fā)，構建雙層嵌套規(guī)劃模型，上層以綜合考慮風光棄電率和上網(wǎng)通道利用小時數(shù)情況下盡量多消納風光資源為目標，確定抽水蓄能電站與風電、光伏容量配置方案；下層基于上層容量配置，結合風光資源和電力外送特點，以聯(lián)合發(fā)電出力波動性最小為目標，得到抽水蓄能與風電、光伏8 760 h的逐小時聯(lián)合模擬運行計算結果。

1雙層嵌套規(guī)劃模型構建

雙層嵌套規(guī)劃模型構建的基本思路如圖1所示。上層為考慮抽水蓄能與風電、光伏容量配置問題，為下層提供抽水蓄能電站與風電、光伏容量的規(guī)劃方案；下層為考慮聯(lián)合運行問題，通過抽水蓄能電站的儲能調(diào)節(jié)作用后，輸出一個盡量平穩(wěn)的外送出力過程，以達到盡量提高電網(wǎng)安全可靠性的目的。

1.1上層優(yōu)化模型

1.1.1目標函數(shù)

上層模型的目標函數(shù)為在上網(wǎng)通道利用小時數(shù)不低于某一閾值和聯(lián)合系統(tǒng)棄風、光電率不高于某一閾值情況下，以風光蓄多能互補新能源基地規(guī)模最大為原則，確定系統(tǒng)抽水蓄能電站與風電、光伏容量配置方案。影響棄風、棄光率和上網(wǎng)通道利用小時數(shù)的主要因素包括抽水蓄能、風、光以及上網(wǎng)通道容量約束等，具體表示為

1.1.2約束條件

（1） 抽水蓄能電站容量約束。

抽水蓄能電站容量一是與站點自身建設條件有關，二是與站點周圍可搭配風電、光伏資源有關，容量約束為

1.2下層優(yōu)化模型

風、光和抽水蓄能電站聯(lián)合運行方式一般可分為以下3種：① 將風、光的發(fā)電出力都供給抽水蓄能電站進行抽水，然后抽水蓄能電站發(fā)電將電能輸送給電網(wǎng)；② 根據(jù)風電、光伏發(fā)電出力以及電網(wǎng)的需求，把風電和光伏的部分出力輸送給電網(wǎng)，余下的部分發(fā)電出力使抽水蓄能電站進行抽水；③ 把風電、光伏的出力全部并網(wǎng)，然后抽蓄電站從電網(wǎng)購電來抽水，再根據(jù)電網(wǎng)需求進行調(diào)峰填谷［18］。本文旨在研究只有風光蓄且需要長距離送電的多能互補系統(tǒng)，通過抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用平抑風、光電的出力波動，提高風、光電的電能質(zhì)量，改善電網(wǎng)運行條件，達到電力平穩(wěn)外送，因此本文采用方式②。

1.2.1目標函數(shù)

下層優(yōu)化目標是聯(lián)合系統(tǒng)在上層給定的不同抽水蓄能電站與風電、光伏容量配置方案下，通過抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用，能夠及時平抑光伏、風電的短期隨機波動，有助于降低間歇性電源并網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定、調(diào)峰調(diào)頻難度大、限電等問題。本文研究的多能互補系統(tǒng)，考慮只有風光蓄且需要長距離送電，不宜承擔受端電網(wǎng)的調(diào)峰，因此提出采用聯(lián)合發(fā)電出力波動性最小的優(yōu)化目標函數(shù)，為了方便使用數(shù)學模型來表示這個優(yōu)化目標，先得到聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電出力PSysm（t），再計算運行周期內(nèi)聯(lián)合發(fā)電出力平均值PSysm-av，即：

該目標函數(shù)表示一個運行周期內(nèi)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)出力的波動性。函數(shù)值越小，表示聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)出力越平穩(wěn)。最佳的優(yōu)化效果是得到的等效負荷曲線是一條光滑的直線，此時風光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)出力平滑且沒有波動性，得到一個平穩(wěn)的輸出電源。

1.2.2約束條件

影響下層目標的主要因素包括系統(tǒng)電量平衡約束，光伏出力、風光出力、抽水蓄能的運行約束等。

（1） 電量平衡約束。

為了簡化方程，將網(wǎng)損按照一定比例計入電站的轉換效率系數(shù)當中。

2雙層嵌套模型求解

本文建立了主從遞階關系的雙層優(yōu)化模型，上、下層模型均為單目標多約束問題。上層目標函數(shù)包含3個優(yōu)化變量，即風光總的裝機容量、風光直接上網(wǎng)容量、抽水蓄能電站裝機容量；下層目標函數(shù)主要是對聯(lián)合系統(tǒng)運行周期內(nèi)不同時段風光電上網(wǎng)出力的優(yōu)化。從數(shù)學層面上說，雙層嵌套模型的求解是高維、非線性、多約束的優(yōu)化問題，針對這種問題，純數(shù)學的解決方法有Lambda疊代法、梯度求解法、牛頓求解法、動態(tài)規(guī)劃、智能算法等。但這些純數(shù)學理論的解法計算量大、過程繁瑣，得出的結果不能很好地運用到實際工程項目規(guī)劃研究中。

本文采用逐步優(yōu)化算法（Progressive Optimality Algorithm，POA）求解雙層嵌套規(guī)劃模型的目標函數(shù)，該算法是1975年由加拿大學者Howson和Sancho提出的，用于解決多狀態(tài)動態(tài)規(guī)劃類問題［19］。POA算法是將多階段高位優(yōu)化問題分解成若干個兩階段子問題，各子問題之間由系統(tǒng)狀態(tài)變量進行關聯(lián)，每次先固定其他階段的變量僅對其中一個兩階段子問題的變量進行尋優(yōu)調(diào)整獲取該階段最優(yōu)目標函數(shù)值；在解決該兩階段子問題后再進行下一個兩階段問題尋優(yōu)，并將上一階段的最優(yōu)結果作為下一階段尋優(yōu)的初始條件，如此逐個時段反復循環(huán)進行尋優(yōu)直到收斂為止［20］。該算法的優(yōu)點是狀態(tài)變量可以不用離散，計算結果可以更加精確。原問題的求解大大得到簡化，縮減了求解時間，有效降低了高維問題的“維數(shù)災”障礙。

采用POA算法求解本文中構建的雙層嵌套規(guī)劃模型的具體流程如圖2 所示。

3算例分析

本文選取西藏日喀則市湘河抽水蓄能電站與周圍新能源資源進行抽水蓄能與風電、光伏容量配置和聯(lián)合互補運行研究。

3.1基礎數(shù)據(jù)

3.1.1風電、光伏資源分析

日喀則市太陽輻射強，日照時間長，年平均達3 300 h，太陽能資源分布總體呈現(xiàn)南部較高、北部較低的規(guī)律，根據(jù)中國太陽能資源帶劃分，日喀則市屬于Ⅰ類地區(qū)，即太陽能資源最豐富區(qū)，代表點Solargis數(shù)據(jù)水平面總輻射量為2 006.5 （kW·h）/m2。根據(jù)日喀則市風能資源圖譜分析，西北區(qū)域風資源較好，東南區(qū)域風資源一般，代表點中尺度數(shù)據(jù)100 m高度年平均風速為8.33 m/s，年平均風功率密度為308.13 W/m2。

根據(jù)日喀則市太陽能資源及風能資源，結合地形條件，初步排查林地、生態(tài)紅線、基本農(nóng)田、自然保護地等限制性因素，按統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合平衡、合理開發(fā)的原則，在湘河抽水蓄能電站周圍初步規(guī)劃的光伏與風電可開發(fā)總規(guī)模為15 100 MW，其中光伏13 100 MW，風電2 000 MW。新能源規(guī)模情況見表1。

3.1.2風電、光伏出力分析

（1） 風電出力分析。

本次風電場規(guī)劃采用行業(yè)內(nèi)專門針對復雜地形風電場的計算流體力學軟件MeteodynWT6.5.2，對整個風電場建立計算流體力學模型，結合風電場中尺度風資源數(shù)據(jù)計算該風電場的資源情況和出力情況。湘河抽水蓄能電站周圍風電月平均及日出力曲線如圖3～4所示，風電各月平均出力季節(jié)性變幅明顯，且冬季大于夏季，月平均最大出力出現(xiàn)在2月，最小出力出現(xiàn)在8月；風電出力過程具有不可調(diào)控性，且風電每日出力過程隨機變化較大沒有規(guī)律可循，時刻平均出力均是白天大于晚上，時刻平均最大出力出現(xiàn)在下午14：00，最小出力出現(xiàn)在凌晨00：00。

（2） 光伏出力分析。

本次規(guī)劃的光伏電站是根據(jù)Solargis輻射數(shù)據(jù)庫和PVsyst 7.1光伏仿真軟件進行建模計算，評估光伏電站出力情況。湘河抽水蓄能電站周圍光伏月平均及日出力曲線見圖5～6，光伏各月平均出力季節(jié)性變幅較明顯，且冬季大于夏季，月平均最大出力出現(xiàn)在11月，最小出力出現(xiàn)在7月；光伏出力過程雖然具有不可調(diào)控性，但是有明顯的晝夜更替和相對平穩(wěn)特性；時刻平均出力最大均出現(xiàn)在中午12：00，晚上20：00至次日上午05：00出力均基本為0。

3.1.3抽水蓄能電站特征參數(shù)

本次研究選擇的湘河抽水蓄能電站位于日喀則市南木林縣，上水庫庫盆底部高程約4 470 m，周圍山頂高程大部分在4 700 m以上，正常蓄水位4 590 m，死水位4 560 m時，調(diào)節(jié)庫容約1 070萬m3；下水庫利用在建湘河水庫，正常蓄水位4 099 m，死水位4 080 m。綜合考慮上水庫地形地質(zhì)條件、工程建設條件、工程投資等因素，上下水庫高差約480 m，按連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6 h設計，湘河抽水蓄能電站最大裝機容量可達1 800 MW左右，日最大蓄能量約10 800 MW·h。因此，在進行抽水蓄能與風電、光伏容量配置分析時，抽水蓄能電站裝機容量按不超過1 800 MW考慮，抽水與發(fā)電的轉換效率取75%。

3.2其他參數(shù)及聯(lián)合運行原則

（1） 根據(jù)新能源資源規(guī)劃成果，風電資源相對少于光伏資源，主要以光伏資源為主，光伏發(fā)電時間主要集中在上午07：00至晚上18：00，風電為24 h隨機發(fā)電，抽水蓄能通過新能源出力高峰期儲能、出力低谷期來發(fā)電。

（2） 根據(jù)風電、光伏模擬出力過程，進行抽水蓄能與新能源聯(lián)合互補的8 760 h模擬計算，從棄電率、綜合上網(wǎng)利用小時數(shù)等方面分析合理的新能源規(guī)模。

（3） 按照輸電線路電壓等級與輸送容量、輸電距離的關系，一般情況下，單回500 kV輸送容量為1 000～1 500 MW。根據(jù)抽水蓄能裝機容量及周邊新能源資源情況，本次研究初步利用2回500 kV輸電線路，最大輸出容量按不超過3 000 MW考慮，最小輸出容量按不低于最大輸出容量10%考慮。

（4） 抽水蓄能與新能源互補運行的綜合上網(wǎng)利用小時數(shù)按不低于5 000 h和新能源棄電率不高于5%考慮。

（5） 由于風電相對光伏規(guī)模較小，為保證聯(lián)合互補運行外送出力更平穩(wěn)，規(guī)劃的風電考慮全部利用。

（6） 在采用POA算法對上層優(yōu)化模型進行求解時，追求項目工程規(guī)劃意義上的最優(yōu)解，對不同風光裝機容量、風光直接上網(wǎng)容量、抽水蓄能電站裝機容量的離散步長均按100 MW考慮。

3.3容量配置及聯(lián)合運行結果分析

3.3.1容量配置結果分析

為驗證模型的有效性與算法的適用性，采用POA優(yōu)化算法，對不同的風光總裝機容量、風光直接上網(wǎng)容量、抽水蓄能電站裝機容量聯(lián)合運行系統(tǒng)的雙層嵌套規(guī)劃模型進行求解，研究區(qū)域規(guī)劃的風電、光伏可開發(fā)規(guī)模較大。得出的容量配置方案為：湘河抽水蓄能電站裝機1 800 MW、風電裝機容量2 000 MW、光伏裝機容量3 700 MW、直接上網(wǎng)容量2 000 MW。采用POA算法求解過程中的部分比較方案的目標函數(shù)指標如圖7所示，抽水蓄能電站與風電、光伏容量配置成果及動能指標見表2。

4.57

由容量配置計算成果可知，本文提出上層優(yōu)化模型可有效確定抽水蓄能電站與風電、光伏容量配置方案；同時，通過抽水蓄能電站調(diào)節(jié)作用后，在控制新能源電量利用率95%，輸電線路等效利用小時數(shù)達5 000 h左右時，新能源直接送出容量占新能源裝機容量僅約35%，相比于新能源全部直接上網(wǎng)而言，極大提高了輸電線路通道容量利用率，改善了電網(wǎng)運行條件。

3.3.2聯(lián)合互補運行結果分析

根據(jù)上層優(yōu)化模型確定的容量配置方案，進行抽水蓄能與風電、光伏8 760 h的逐小時聯(lián)合模擬運行計算，聯(lián)合互補運行上網(wǎng)電量為100.04億kW·h，上網(wǎng)綜合利用小時數(shù)為5 002 h，新能源棄電率為4.57 %，最大上網(wǎng)出力為2 000 MW，最小出力為53 MW，95%頻率下保證出力為311 MW。抽水蓄能與風、光聯(lián)合典型運行過程如圖8～9所示，抽水蓄能與風、光聯(lián)合運行及風電、光伏單獨出力結果見表3。

通過抽水蓄能電站與風電、光伏及聯(lián)合運行出力過程與風電、光伏單獨出力對比可知，通過抽水蓄能電站調(diào)蓄后，聯(lián)合運行出力過程更加平穩(wěn)，出力保證率更高，95%頻率的平均出力為送出容量的15%以上，與日調(diào)節(jié)水電站的枯水期出力基本相當，可基本實現(xiàn)電力穩(wěn)定送出。

4結 論

本文綜合考慮抽水蓄能電站與風電、光伏的容量配置與聯(lián)合互補運行優(yōu)化，構建了聯(lián)合系統(tǒng)雙層嵌套規(guī)劃模型，并提出了求解流程。與其他容量配置模型相比，本文站在整個聯(lián)合系統(tǒng)角度，以綜合考慮風光棄電率和上網(wǎng)綜合利用小時數(shù)情況下盡量多消納風光資源確定抽水蓄能電站與風電、光伏配置，通過抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用平抑風、光電的出力波動，提高風、光電的電能質(zhì)量，改善電網(wǎng)運行條件，以達到電力平穩(wěn)外送為目標構建下層運行調(diào)度優(yōu)化模型。通過本文研究可得出以下結論：

（1） 本文構建的雙層嵌套規(guī)劃模型能夠有效獲得抽水蓄能電站與風電、光伏的最佳容量配置方案；風光蓄聯(lián)合互補運行可有效提高風、光電的電能質(zhì)量，達到電力平穩(wěn)外送。

（2） 相比于新能源全部直接上網(wǎng)而言，通過抽水蓄能電站調(diào)節(jié)后，極大提高了新能源上網(wǎng)的輸電線路通道容量利用率，改善了電網(wǎng)運行條件。

鑒于本文算例中風電資源較少，且考慮全部利用風電資源，下一步研究中將考慮光伏、風電容量規(guī)模比例的不確定性，進一步完善模型。

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（編輯：謝玲嫻）