風電-抽水蓄能聯合運行優化模型

盛四清，孫曉霞

（華北電力大學電氣與電子工程學院，保定 071003）

風電-抽水蓄能聯合運行優化模型

盛四清，孫曉霞

（華北電力大學電氣與電子工程學院，保定 071003）

風電出力具有波動性和反調峰特性。一方面，風電出力的隨機性波動使得電網的安全性和可靠性受到挑戰，另一方面，風電出力曲線與負荷曲線并不匹配，電力市場環境下峰谷電價實施后，風電場運行的經濟性受到沖擊。從風電場運行的角度出發，將風電場和抽水蓄能電站聯合調度，建立了風蓄聯合運行效益最大和風蓄聯合出力波動方差最小的多目標優化調度模型。建模計及抽水蓄能電站的啟停成本，模型求解中采用歸一化的多目標處理策略。通過與風電場單獨運行的結果對比進行算例分析，驗證了抽水蓄能電站在提高風電場運行效益以及風電接入能力方面的優勢，也證明了該多目標模型的可行性和有效性。

風電場；抽水蓄能電站；聯合運行效益；風電消納

風電出力具有波動性和反調峰特性。風電容量較大時，若不加限制地全額消納，可能會由于某一時段風電的劇烈波動而危及整個電力系統的安全[1-2]。為了保證系統安全可靠的運行，可以通過人為設置風電入網上下限，限制其入網功率，這樣會產生大量棄風，浪費寶貴的風能資源[3]。由于受到氣象、氣壓等環境因素的影響，風電出力曲線與負荷曲線明顯不匹配。風電出力高峰往往集中在夜間時段，也即負荷的低谷期；負荷高峰時，風電出力則又放緩。隨著電力市場環境下峰谷電價的實施，風電場又面臨著“高峰電價發電少，高峰出力電價低”的尷尬，使得原本低投入、低運行成本的優勢不再明顯。

如何最大限度地消納風電而又不對系統造成影響，同時兼顧風電運行的經濟性成為風電研究的熱點。儲能系統是解決這一問題的有效手段[4-5]。抽水蓄能電站因其啟動迅速、靈活可靠的優勢，在現階段應用最多。文獻[6]以最大化風水電聯合運行效益為目標，提出了將概率遍歷搜索和局部彈性搜索相結合的混合遺傳算法進行仿真分析，目標函數略顯簡單；文獻[7]在此基礎上，增加了平滑風蓄聯合出力的目標函數，不足之處在于沒有考慮抽水蓄能電站的運行成本；文獻[8]以風電-抽水蓄能聯合運行的效益最大為目標，考慮抽水蓄能機組啟停成本和偏離計劃出力的懲罰，思路值得借鑒；文獻[9]在電量效益、運行效益以及調峰效益等方面研究了風電抽水蓄能聯合系統的能量轉換效益，具有較好的啟發性。

上述文獻研究大多集中在提高風電運行的經濟性上，在提高風電接納能力的效果上缺乏一定的說服力。針對上述風電的兩個特點，本文在提高風電運行效益和風電接入能力方面進行了有益嘗試。從風電場的角度出發，將風電和抽水蓄能電站聯合調度，利用其抽蓄功能，將風電出力時空平移，建立了最大化風蓄聯合運行效益、最小化風蓄聯合出力波動方差的多目標優化模型，其優化結果也證明了本文所建模型的可行性和有效性。

1 風電-抽水蓄能電站聯合優化模型

1.1 目標函數

引入抽水蓄能電站后，利用其抽蓄功能，可將低谷電價的風電儲存起來，到高峰電價時發出，從而使風蓄聯合系統的經濟效益最大化。由于抽水蓄能電站實際啟停中存在成本，模型計及啟停費用的影響；考慮到電網的接受能力，為了使風蓄聯合入網功率更加平滑，引入風蓄聯合輸出功率方差最小作為第2個目標函數。風電-抽水蓄能聯合系統優化模型的目標函數可以表示為

式中：f1為風蓄聯合運行時風蓄聯合系統的經濟效益；f2為風蓄聯合運行時風蓄聯合輸出功率的波動方差；T為整個調度周期；ct為t時刻對應的峰谷電價；Pwh,t為t時刻風蓄聯合出力；ch為抽水蓄能電站的啟停單個機組的費用；nt為抽水蓄能電站t時刻開啟/關閉的機組臺數；Pwh,av為風蓄聯合出力的平均值。

風蓄聯合出力可表示為

式中：Pw,t為t時刻風電出力；Ph,t為t時刻抽水蓄能電站的出力。

抽水蓄能電站的啟停單個機組的費用為

式中：cf和cc分別為開啟單個機組發電和抽水的費用。

1.2 約束條件

（1）抽水蓄能電站上、下庫容約束可以表示為

庫容變化量約束可分為以下兩種情況表示。

①當Ph,t＞0時，上、下水庫的庫容變化量分別為

②當Ph,t＜0時，上、下水庫的庫容變化量分別為

式中：η1和η2分別為抽水蓄能電站的抽水和發電效率。

（2）抽水蓄能電站始、末庫容約束可以表示為

（3）抽水蓄能電站的功率約束可表示為

式中：Pfmin和Pfmax分別為抽水蓄能電站單臺機組發電的最小最大出力；Pcmin和Pcmax分別為抽水蓄能電站單臺機組抽水的最小、最大出力；nh,t為抽水蓄能電站t時刻運行的機組臺數，可表示為

（4）抽水蓄能電站機組個數的約束可以表示為

式中：N為抽水蓄能電站全部可逆式機組的個數。

1.3 多目標處理策略

本文在考慮最大化風蓄聯合運行效益的基礎上，引入最小化風蓄聯合出力波動方差的限制，使得單目標優化問題變為復雜的多目標優化問題?？紤]到數量級以及量綱之間的差異，不能采用簡單的加權求和來解算。為了評價引入抽水蓄能電站后對風電場經濟性以及風電接入能力的影響，可將風電單獨運行時的經濟效益和入網功率波動方差作為衡量基準，將兩個子目標函數統一做歸一化處理，則原來的多目標函數可表示為

利用上述的多目標處理策略，可將多目標問題轉換為單目標進行求解，據此可以設計相應的粒子群算法程序進行編程求解。

2 算例分析

2.1 參數設置

為了驗證模型的有效性，現對某風蓄聯合體組成的系統進行優化求解。調度周期為24 h。風電預測出力見文獻[10]。抽水蓄能電站的基本參數參考文獻[7-8]給出，部分參數如表1所示。風電的上網電價見文獻[9]。

表1 抽水蓄能電站參數Tab.1 Parameters of pumped-storage plant

2.2 結果分析

2.1.1 風電場單獨運行時的優化結果

若風電全額入網，此時風電場運行效益為1.932×106元，風電入網功率波動方差為2 869。此結果可以作為風蓄聯合優化運行的基準值。

2.2.2 風蓄聯合運行時的優化結果

當風電和抽水蓄能電站聯合運行時，利用抽水蓄能電站的抽蓄功能，將風電出力時空平移，此時的優化結果如圖1所示。將其優化結果與風電場單獨運行時的結果進行對比，如表2所示。

分析上述數據可知：

（1）當風電場單獨運行時，風電入網功率波動劇烈，最大峰谷差可達190 MW，且在07∶00—11∶00高峰電價時段以及11∶00—15∶00中峰電價時段風電出力較少，顯然運行效益不高。

（2）引入抽水蓄能電站后，風蓄聯合入網功率的波動幅度有了明顯改善，聯合功率波動方差僅為風電單獨運行時的18.7%，最大峰谷差僅為風電場單獨運行時的44.7%，且在07∶00—11∶00，17∶00—21∶00等高峰電價時段，風電出力較大，運行效益明顯提高。

單目標與多目標的優化結果對比如表3所示，單目標方案的優化結果見圖2。

圖1 風蓄聯合運行時的優化結果Fig.1 Optimal results of combined operation

表2 風電單獨運行與風蓄聯合運行優化結果對比Tab.2 Optimal results between wind power and combined operation

表3 不同方案結果對比Tab.3 Optimal results among different plans

圖2 單目標方案優化結果Fig.2 Optimal results of single-objective plan

分析上述數據可以看出，如果僅以單目標進行優化，當以風蓄聯合運行效益最大為目標函數進行優化時，顯然收益最大，此時風蓄聯合出力集中在高峰以及中峰電價時段，低谷電價時段聯合出力較少，使得整個調度時段風蓄聯合出力的波動也更劇烈；當以風蓄聯合出力方差最小為目標函數進行優化時，由于抽水蓄能電站的容量較大，可基本平抑風電出力波動，聯合出力方差可為0，但此時各時段出力相同，運行效益明顯減少。由表3的多目標優化結果可以看出，各個目標均做出了一定讓步，取得了整體效益最優的結果。

3 結語

本文從提高風電場運行效益以及風電接入能力的角度出發，利用抽水蓄能電站的抽蓄功能，將風電出力時空平移，在最大化風蓄聯合系統運行效益以及最小化風蓄聯合出力波動方差兩方面進行權衡。算例分析驗證了抽水蓄能電站在提高風電運行效益以及風電接入能力方面的優勢，同時也證明了該多目標模型的可行性和有效性。

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[2]盛四清，孫曉霞（Sheng Siqing，Sun Xiaoxia）.含風電場的混合機會約束經濟調度模型（Hybrid chance-con?strained economic dispatch model with wind farm）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EP?SA），2015，27（8）：82-86，102.

[3]于佳，任建文，周明（Yu Jia，Ren Jianwen，Zhou Ming）.基于機會約束規劃的風-蓄聯合動態經濟調度（A chanceconstrained programming based dynamic economic dis?patch of wind farm and pumped-storage power station）[J].電網技術（Power System Technology），2013，37（8）：2116-2122．

[4]王剛，邱曉燕，張曉晨，等（Wang Gang，Qiu Xiaoyan，Zhang Xiaochen，et al）.平滑風電功率的電池儲能系統優化控制策略（Optimized control strategy for battery en?ergy storage system to smooth wind power output）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（8）：66-70．

[5]江海敏，袁越，張新松，等（Jiang Haimin，Yuan Yue，Zhang Xinsong，et al）.儲能系統在風電場閃變抑制中的應用（Application of energy storage system in mitigating the flicker resulted from integrated wind power genera?tion）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（2）：7-12．

[6]潘文霞，范永威，楊威（Pan Wenxia，Fan Yongwei，Yang Wei）.風-水電聯合優化運行分析（The optimization for operation of wind park combined with water power sys?tem）[J].太陽能學報（Acta Energiae Solaris Sinica），2008，29（1）：80-84．

[7]王曉蘭，李志偉（Wang Xiaolan，Li Zhiwei）.風電-抽水蓄能電站聯合運行的多目標優化（Multi-objective optimi?zation of combined operation of power station with wind power and pumped water power storage）[J].蘭州理工大學學報（Journal of Lanzhou University of Technology），2011，37（5）：78-82．

[8]胡澤春，丁華杰，孔濤（Hu Zechun，Ding Huajie，Kong Tao）.風電-抽水蓄能聯合日運行優化調度模型（A joint daily operational optimization model for wind power and pumped-storage plant）[J].電力系統自動化（Automa?tion of Electric Power Systems），2012，36（2）：36-41，57.

[9]李強，袁越，李振杰，等（Li Qiang，Yuan Yue，Li Zhenjie，et al）.考慮峰谷電價的風電-抽水蓄能聯合系統能量轉化效益研究（Research on energy shifting benefits of hy?brid wind power and pumped hydro storage system consid?ering peak-valley electricity price）[J].電網技術（Power System Technology），2009，33（6）：13-18．

[10]陳海焱，陳金富，段獻忠（Chen Haiyan，Chen Jinfu，Duan Xianzhong）.含風電場電力系統經濟調度的模糊建模及優化算法（Fuzzy modeling and optimization algorithm on dynamic economic dispatch in wind power integrated system）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2006，30（2）：22-26．

Operational Optimization Model for Combined Operation of Wind Power and Pumped-storage Plant

SHENG Siqing，SUN Xiaoxia
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Wind power has the characteristics of volatility and anti-load.On the one hand，the safety and reliability of power grid are challenged due to the volatility of wind power.On the other hand，the output curve and load cruve of wind power do not match，and the economic operation of wind farm is impacted after the implementation of peak valley price in the opwer market.In this paper，wind farm and pumped-storage plant are dispatched together in the perspective of wind farm.A multi-objective optimization model is built，which considers maximum benefit and the minimum fluctua?tion variance of combined operation.Start-stop cost of pumped-storage plant is taken into account in this model，and normalized multi-objective processing strategy is employed.Through the comparison with wind power alone，it is veri?fied that pumped-storage plant can improve the efficiency of wind power and it has the advantage of wind power integra?tion，showing the feasibility and effectiveness of the multi-objective model.

wind power plant；pumped-storage plant；combined operation benefit；wind power integration

TM 73

A

1003-8930（2016）11-0100-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.017

2014-08-29；

2016-04-26

盛四清（1965—），男，博士，教授，研究方向為電力系統運行分析與控制。Email：hdbdssq@163.com

孫曉霞（1990—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統運行分析與控制。Email：sunxiaoxia520@126.com