抽水蓄能—光伏—風電聯合優化運行研究

高 潔

（水電水利規劃設計總院，北京市 100120）

0 引言

為緩解全球氣候變化影響，實現國家節能減排承諾，高比例可再生能源已成為能源電力發展的必然選擇。太陽能和風能作為可再生能源發展的主導力量，在資源條件方面，具有巨大的開發潛力，據測算，太陽能資源技術可開發量可達1.86萬億kW，風能資源在80m高度層的技術可開發量約為102.8億kW[1]。此外，截至2019年底，并網風電和太陽能發電分別為2.10億kW和2.05億kW[2]，雖然不及自身資源量的2%和0.01%，但合計已達到全口徑發電裝機容量的20.6%，是我國能源結構轉型的主力軍。同時，太陽能和風能作為間歇性可再生能源，大規模并網將給電力系統帶來壓力。相關研究表明，間歇性可再生能源滲透率不宜超過電力需求的30%～35%[3]。未來的電力系統需要更加靈活的調峰儲能特性。

抽水蓄能電站主要在電力系統中承擔了調峰填谷、調頻調相、事故備用、黑啟動等多種功能，具有運行靈活、清潔高效、經濟較優的特點。截至2019年底，我國抽水蓄能電站裝機規模3029萬kW，位居世界第一。隨著高比例可再生能源的發展，部分抽水蓄能電站功能定位也逐漸拓展到面向光伏、風電等多品種間歇性能源，通過多能互補的方式，實現高質量電能輸出和利用。

基于合適的容量配比，抽水蓄能電站通過調節上、下水庫水量，平抑光伏、風電等間歇性可再生能源出力過程，實現趨近需求的電能輸出。光伏發電出力特性與光照輻射強度、組件光敏性等因素有關，白天正午大發、夜晚不發，與電力系統用電負荷特性在時間上匹配性較好，但電量上存在差異。風電出力具有相對較強的隨機性和波動性，對于接入電力系統、適應負荷需求的壓力相對較大，因此，新能源與抽水蓄能等儲能的混合系統是研究熱點方向。

1 模型方法

如果從全生命周期考慮，多能互補系統需要計入抽水蓄能、新能源等各類電源在投資、建設、運營不同時期的收入和成本。風電場成本效益模型[4]發現，風電和抽水蓄能的匹配難以實現運行最優，需要引入更多的能源品種。西班牙Canary等小島風能—抽水蓄能聯合運行案例[5]研究發現，可以優先通過風電和抽水蓄能運行滿足負荷的情況下[6]，引入基荷電源。由于上水庫水量有限，如果全部風電用于抽水，需要引入腰荷電源。多能互補系統聯合調度模型[7]，以系統經濟效益最大和可再生能源棄電量最小為目標函數。如果為了反映多能互補對間歇性可再生能源的平抑[8]，以聯合輸出功率波動最小，即方差最小[9]，可建立平滑功率輸出的高斯模型[10]或時段輸出功率與均值偏差最小模型[11]。多能互補系統建模時還可考慮[12]發電滿足輸電通道可用容量，安裝運維總費用最少[13]；輸出功率偏離發電計劃的懲罰費用最小[14]；在減小棄風、火電最小出力的基礎上，盡可能利用抽水蓄能吸納多余電量。以促進光伏、風電消納為目標的模型[15]，可按照多能互補綜合出力與負荷特性吻合度最高、時段出力標幺值與負荷率偏差最小建模。此外，還可采用經濟效益最大[16]，即電價收益扣除水泵啟停成本最大為目標函數，建立全天96個時段聯合運行優化調度模型。以經濟效益最大為目標時，可將電能質量作為約束條件，令出力時間序列的均方差小于某一閾值[17]。為了兼顧發電效益和電能質量，也可在目標函數中考慮抽水蓄能機組啟停成本，并以偏離發電計劃作為懲罰項[18]。

針對風光等新能源與抽水蓄能多能互補系統：以調度期經濟效益最大，即考慮峰谷電價和水泵啟停成本的售電收入最大；實現風光等新能源與抽水蓄能配合運行，綜合出力趨近于負荷需求或外送要求，滿足輸出功率平穩或偏差懲罰費用最小。為簡化求解，還可將多目標優化轉換為單目標問題，通過將多目標通過懲罰系數、權重等方式進行組合，也可將某個目標轉化為約束條件，比如將輸出功率偏差閾值作為約束條件。

2 模型結構

本文在模型構造時，先進行無量綱化處理，負荷需求采用負荷率，隨時間變化形成負荷曲線。模型的目標函數是光伏、風電等間歇性可再生能源出力過程，經抽水蓄能電站機組發電或抽水調度后，與負荷曲線的均方差最小。在約束條件中，體現抽水蓄能上、下水庫庫容約束、發電工況和抽水工況的功率約束及互斥約束、計算周期內抽發平衡約束以及上、下水庫在抽水儲能和放水發電之間水量平衡。目標函數如下：

式中：Pws——多能互補系統中光伏風電出力，kW；

Ph——抽水蓄能機組發電出力，kW；

Pp——抽水蓄能機組抽水功率，kW；

Pd——需求功率，kW；

n——時段數，下標i表示第i時段。

對于每一個時段i的約束條件如下：

式中：Vup、Vdown——抽水蓄能電站上、下水庫庫容；

Ph,max、Ph,min、Pp,max、Pp,min——抽水蓄能電站發電出力和抽水功率的最大值和最小值；

Phwork、Ppwork——抽水蓄能電站的發電工況和抽水工況，兩者均為0/1變量，且存在互斥關系，不能同時既抽水又發電。

時間遞推關系如下：

式中：Qp、Qh分別為時段t平均抽水流量和發電流量。

變量關系如下：

式中：Zup、Zdown——抽水蓄能電站上、下水庫水位，可通過水位庫容曲線計算；

Ph、Pp——抽水蓄能電站的發電功率和抽水功率；

η——抽水/發電功率轉換效率系數。

系統在一個周期內抽發平衡，上、下水庫水位回歸初始狀態；抽水和發電功率按照效率系數轉換。該模型的目標函數通過對負荷曲線的逼近，體現了抽水蓄能平抑光伏風電輸出功率波動以及與需求相匹配的電能輸出。

3 案例構造

3.1 邊界條件

本文以西北某光伏、風電清潔能源基地3月典型周出力過程，配套180萬kW抽水蓄能電站，趨近負荷曲線為例進行模擬，基于優化算法建模[19]，構造整型非線性規劃模型展開研究，模型參數如表1所示。

表1 模型參數Table 1 Model parameters

續表

3.2 計算方案

風力發電的不穩定性較大，尤其在我國西部地區多出現連續大風天氣，易造成出力過程的間歇性。疊加光伏出力后，雖然仍存在波動性，但增加了出力過程的規律性，體現風光互補。但是，尖峰和低谷仍不可避免，對電力系統仍存在不利影響。抽水蓄能電站兼具調峰和填谷能力，可調節性強。本文首先分析間歇性可再生能源風電、光伏與抽水蓄能電站裝機規模配比對多能互補系統的影響。其次，考慮不同的抽水蓄能電站初始庫容對調節效果的影響。

3.2.1 規模配比

在綜合考慮風電、火電、抽水蓄能電站、輸電通道運行要求的大系統平衡中，相關研究[7]采用400萬kW抽水蓄能配合2131萬kW風電基地進行電力電量平衡計算。風光抽蓄多能互補系統[15]，采用350萬kW風電、光伏配套180萬kW抽水蓄能進行負荷平衡計算。對于中小型混合系統，相關案例研究采用的抽水蓄能與間歇性可再生能源裝機容量比例在18% ～ 80%[7-8，10-11，14，16-18]。本研究基于180萬 kW 抽水蓄能，按照光伏、風電和負荷曲線的標幺值，選取500萬kW和1000萬kW間歇性可再生能源進行配比方案研究。

3.2.2 初始蓄水量

抽水蓄能電站上、下水庫的初始庫容決定了抽水蓄能初始儲能，是優化算法的初始條件，賦值過小或過大均可能導致局部尋優，結果有偏。上水庫蓄水量的下限和上限在717萬～4940萬m3，相應地，下水庫蓄水量范圍為6083萬～1860萬m3。上水庫蓄水量中值為2828.5萬m3，上下水庫蓄水量均值為3400萬m3。以上水庫為例，初始庫容選取2800萬m3，以1000萬m3為步長，分析1800萬、2800萬、3800萬、4800萬m34種初始蓄水量對抽水蓄能電站運行調度方式的影響。

3.2.3 結果分析

（1）規模配比對多能互補系統的影響。

兩方案中，方案一多能互補系統整體規模較小，抽水蓄能電站比重相對較大，配比達到1：0.36。經抽水蓄能調度后，不同庫容時，系統出力與負荷曲線偏差的均方差在38.96～58.95，原間歇性可再生能源出力與負荷曲線偏差的均方差為110.24。經抽水蓄能調度平滑后，與需求過程的偏差占原水平的35%～53%。方案二，多能互補系統整體規模增倍，間歇性可再生能源出力與需求偏差的均方差增倍，為220.48。但是，抽水蓄能規模不變，配比為1：0.18。經調節后，多能互補系統出力與需求偏差的均方差在114.25～122.14，達到原水平的52%～55%。隨著抽水蓄能電站規模比重減小，多能互補系統的調節性將大幅減小。

（2）初始庫容對多能互補系統的影響。

本案例通過優化算法實現一個計算周期內上下水庫蓄水量回歸初始狀態，便于進行下一個周期接續計算。通過比較1800萬、2800萬、3800萬、4800萬m34種初始蓄水量相應綜合出力，發現當抽水蓄能在多能互補系統占比較大時，上水庫初始蓄水量處于上下水庫總水量平均狀態3800萬m3時，優化調度的綜合出力效果優于其他工況。該狀態在抽水和發電兩方面均具有較大空間，且優化計算不易陷入局部最優。

隨著多能互補系統規模增大，抽水蓄能占比相對減小，為了配合新能源、充分發揮調節作用，抽水蓄能經常需要啟動全發全抽模式，因此方案二的日內和全周期消落深度均增大。由于本案例全周期總發電量28050萬kWh，負荷曲線總需求電量27692萬kWh，且間歇性可再生能源供給波動較大、尖峰突出。通過上水庫蓄水量變化可見，水量多次接近上限，但基本不探底。因此，抽水蓄能在該過程中以抽水儲能工況更為顯著。由此，上水庫儲能較小、抽水空間較大的方案如初始蓄水量1800萬m3時，效果更好。

（3）抽水蓄能運行方式。

服務于電力系統的抽水蓄能電站，通常在白天負荷高峰發電、夜晚負荷低谷抽水。但是，與間歇性可再生能源配合，尤其與光伏配套運行的抽水蓄能電站，主要在光伏大出力的白天9：00～16：00抽水儲能，其他時段發電。該方式不同于傳統運營，有待出臺針對多能互補系統的綜合電價體系。

表2 規模配比和初始庫容對多能互補系統影響Table 2 Effect by scale matching ratio and initial water storage

圖1 多能互補系統出力情況Figure 1 Output of hybrid system

圖2 多能互補系統庫容變化情況Figure 2 Variation of water storage of hybrid system

圖3 多能互補系統抽水發電情況Figure 3 Working state of pumped-storage station in the hybrid system

4 結論建議

（1）本文梳理了抽水蓄能與風電、光伏等間歇性可再生能源多能互補系統的研究進展，按照歸一化處理方法，建立了以多能互補系統綜合出力與負荷需求偏差最小為目標函數，考慮上下水庫庫容約束、抽水發電功率約束、抽水發電工況約束、抽水發電效率轉換、抽發平衡、水量平衡等因素，可以通過抽水蓄能上、下水庫蓄水量變化，調節多能互補系統出力過程的優化模型。

（2）本文基于優化算法建立整型非線性規劃優化模型，以西北某光伏、風電清潔能源基地出力過程配套180萬kW抽水蓄能電站構造算例，分析規模配比和初始蓄能量對多能互補系統出力效果的影響。

（3）研究發現，通過抽水蓄能調節，綜合出力與需求偏差的均方差可減小50%左右。隨著抽水蓄能比重的減小，多能互補系統的可調性相應減少。抽水蓄能在多能互補系統占比較大時，初始蓄水量處于平均狀態較優。抽水蓄能占比相對較小時，根據間歇性可再生能源的調峰儲能需求，以儲能為主時，上水庫初始蓄水量較小更優。

（4）相對于服務電力系統負荷需求的常規抽水蓄能電站，與間歇性可再生能源配套的抽水蓄能電站，尤其在光伏白天大出力時采取抽水工況，有別于傳統方式，有待出臺考慮多能互補一體化運營的綜合電價政策。