含多種可再生能源發電聯盟的優化運行

李 濱，陶思思，張楊楊，舒晴川

（1.廣西大學電力系統最優化與節能技術重點實驗室，南寧 530004；2.廣東電網有限責任公司佛山供電局，佛山 528000）

在中國水能富集的西南地區，得益于國家政策導向作用，大力發展水力資源[1-2]。以廣西為例，截至2017年底，已建成水電裝機容量約1 496.8×104kW（其中小水電約占30.0%），水力發電量611.3×108kW·h，占全區發電量的59.9%。小水電既是偏遠山區能源的重要組成部分，也是電力系統的有力補充，擁有巨大的發展潛力。結合水利部2016年發布的《關于推進綠色小水電發展的指導意見》，到2020年，建立綠色小水電標準體系和管理制度，初步形成綠色小水電發展的激勵政策，創建一批綠色小水電示范電站。因地制宜地利用現有的小水電資源，充分發揮小水電的調節能力，將小水電與波動性較強的風電和光伏相結合，通過可再生能源間的相互調度，提高可再生能源率，對偏遠山區供電有顯著的經濟效益。

現階段針對風電和光伏聯合運行的研究較多[3]，而針對梯級小水電的利用較少。文獻[4]從電量分布特征、調節速度等方面分析了水電與風電聯合運行的基礎。文獻[5-8]對“風-蓄”協調及聯合運營方式進行了討論，以“風-蓄”整體效益最優為目標對聯合運行模式進行優化。上述協調和聯合模式在一定程度上解決了風電隨機波動帶來的問題，但是限制了水電站在調峰等其他方面的作用。文獻[9]根據風電反調峰性和不確定性，結合抽水蓄能與需求響應的特點，將抽水蓄能和轉移負荷對負荷曲線的優化作用與可中斷負荷參與備用對系統經濟性的提高融入同一模型。

文獻[10-11]論證了水電和光伏聯運的可行性和經濟性，文獻[12]通過對光伏和水電的容量配置進行經濟性分析，論證了光伏發電和微型水電相結合的供電模式，對解決偏遠地區用電有更好的經濟效益。文獻[13]將考慮水流滯時效應水量平衡關系的梯級水電聯合調度模型與火電、風電的經濟調度模型相結合，構建了以運行成本最小為目標的水火風互補發電系統短期優化運行模型。文獻[14]中構建了兼顧系統經濟性和可靠性的大小水電協調消納模型，將大、小水電發電互補特性納入電網優化調度，實現二者的協調消納與穩定輸出。目前，關于大中型水電調度的研究已相對成熟，而涉及小水電協調優化調度的研究較少。

本文在已有梯級小水電群的前提下，利用梯級水庫的可調庫容，對梯級水電站之間的調峰能力進行深度的挖掘，將梯級電站群等效為虛擬的儲能裝置，與分布式風電、光伏結合，形成多能互補系統，最終實現小水電、分布式風電、光伏的錯峰接入，以提高電力系統對可再生能源的消納能力。以經濟效益最大化和出力偏差最小化為目標，考慮梯級小水電群的水頭、時滯效應等約束，建立了含風、光、梯級小水電群多能互補系統的優化運行模型。對廣西某山區梯級小水電群進行實例分析，驗證了模型的合理性，為偏遠山區合理利用現有水電資源，提高可再生能源利用率，提供了新思路。

1 多種可再生能源發電聯盟的組成

1.1 多種可再生能源的互補特性

風電和光伏出力具有天然的時空互補性。在時間上，風電和光伏在多種時間尺度上均具有良好的互補特性，從月時間尺度來看，冬季風能較強，氣溫低，光照時間較短，太陽能較弱，而夏季風能較弱，氣溫較高，光照時間較長，太陽能較強，因此夏季和冬季時風、光互補特性較好；從日時間尺度來看，晴天太陽能充足，風能較弱，而陰雨天恰好相反，太陽能較弱，風能較強；從小時時間尺度來看，光伏電站出力集中在白天，風電機組出力較小，而夜間光伏電站出力為零，風電機組出力較大。在空間上，中國北部大陸和東部沿海廣域范圍內分布的風能和太陽能具有良好的各時間尺度下的空間互補性，而且兩種可再生能源分散的面積越大，日、小時級別時間尺度下的空間互補性就越強[15]。

風電和水電在季節上也呈現良好的互補特性。往往冬、春季風能豐富，水資源短缺，而夏、秋季則水資源豐富，風能貧乏，構建風水互補系統可以在充分利用風電資源的同時提高水電的調峰能力[16]。

在調節能力方面，風電、光伏和水電也形成良好互補。風電、光伏出力主要與環境溫度、太陽輻射以及天氣變化有關，故其呈現明顯的日循環和季循環特征，并具有較強的間歇性與波動性，可控性差。而水電具有較強的可控性以及良好的調節能力，水電的調節庫容使其可在一定范圍內自由調節，并不完全受自然降水、河道徑流的影響。梯級小水電群相較于獨立水電站在電力和水力關聯上都更緊密，通過各級水電站的合理優化調度，使得整個流域的水資源都能得到有效利用。從瞬時調節的角度來看，水電機組爬坡能力好，響應時間短，調節速率快，可調節范圍廣，與具有較強的間歇性、波動性的風電和光伏形成了良好互補，平抑風光出力波動，平滑發電聯盟的出力曲線。

1.2 多種可再生能源發電聯盟的系統構架

多種可再生能源發電聯盟如圖1所示，主要由分布式風電、分布式光伏、梯級小水電群和抽水機組成。

圖1 發電聯盟電氣結構Fig.1 Electrical structure of power generation alliance

在現有梯級小水電群的基礎上，選取庫容合適的水庫加裝抽水裝置，充分挖掘梯級小水電群的調節庫容，利用梯級小水電群發電輸出穩態調節迅速的發電特性，將梯級小水電群等效成一個可充放的儲能裝置，替代儲能裝置對于不確定可再生能源所起到的調節作用，通過對小水電群各級電站及抽水機的調節和控制，使整個發電聯盟的出力在不確定可再生能源出力急劇變化下保持平滑穩定，減小了大規模的分布式可再生能源接入大電網對電力系統造成的沖擊，提高電力系統對于分布式不確定可再生能源的消納能力，減少電力系統的棄風、棄光，提高清潔能源利用率和綜合能源利用率。

當分布式風電與分布式光伏出力大于出力計劃值時，充分利用梯級小水電群的調節庫容，既減小梯級小水電群的出力而不造成棄水，或者利用抽水機將電能轉換為水的勢能儲存起來，在風光劇烈波動或者電力系統負荷高峰時再通過梯級小水電群進行發電，起到削峰填谷的作用，賺取更多的經濟收益。

反之，當分布式風電與分布式光伏出力小于出力計劃值時，增加梯級小水電群的出力，使發電聯盟的實際出力與計劃出力盡可能相近，平滑風光出力，減小波動性電源由于天氣變化導致出力波動對于電力系統造成的沖擊。

將分布式風電、分布式光伏和梯級小水電群相結合構成發電聯盟的特點如下：

（1）針對現有的梯級小水電群進行升級改造，充分利用現有資源，有效解決了梯級小水電群規模化接入給電力系統帶來的電能質量、電壓波動等問題，同時也解決了偏遠山區的用電問題，提高了可再生能源率，創造經濟效益的同時也減少了碳排放和環境污染；

（2）將梯級小水電群與分布式風電和光伏相結合，組合成發電聯盟進行統一調度管理，有效解決了分布式電源“重建輕管”的現狀，通過對可再生能源的整合利用，提高了電力系統對于風電和光伏的消納能力，同時有利于電力系統對分布式電源的管理和調控；

（3）結合電力市場的發展趨勢，發電聯盟通過對梯級小水電群和抽水機的調控，利用梯級小水電群的調節庫容，實現電能的貯存，削峰填谷，結合峰谷電價可以創造更大的經濟效益，同時減輕電力系統的調峰負擔，為分布式電源的利用和發展提供了新的思路。

與其他分布式電源相比，發電聯盟優勢如下。

（1）經濟性。立足于現有的梯級小水電群，將小水電與分布式風電和光伏相結合，通過對于梯級小水電群的調控，結合峰谷電價，在電價較低的凌晨少發電，在負荷高峰電價較高的時候多發電，實現經濟效益最大化；同時提高了現有送出線路的利用率，充分利用現有資源，解決偏遠山區的用電問題。

（2）可控性。發電聯盟通過對梯級小水電群的調節，減小了分布式電源的波動性，平滑風光出力，將原本波動性和間歇性較大的分布式風電和光伏以及“來水就發”的梯級小水電群轉變為出力穩定可控的分布式電源，減小了由于天氣變化導致的出力波動對于電力系統的影響。

（3）環保性。發電聯盟通過將梯級小水電群與分布式風電和光伏聯合運行，實現了出力平滑可控，緩解了電力系統由于風光出力不確定所帶來的壓力，提高了電力系統對于風電和光伏的消納能力，提高了可再生能源利用率，利用清潔能源代替化石能源提供電力，減少了化石燃料消耗的同時，也減少了污染物排放，創造了更多的環境效益。

（4）發展潛力。隨著電力市場的不斷完善，電力市場對于發電側的要求和約束也越來越多，現有的考核機制主要關注于分布式發電的波動性和上網電量。發電聯盟通過對梯級小水電群的調節，使發電聯盟能夠更好地適應電力市場的要求，有更強的競爭力和更好地發展前景。

2 分布式電源數學模型

2.1 風力發電模型

風電機利用風輪轉動捕獲風能，將風能轉化成機械能后由輪軸帶動發電機發電。其出力特性可近似為由切入風速、切出風速和額定風速劃分的一次分段函數[17，20]，即

2.2 光伏發電模型

影響光伏系統出力主要因素為光照強度和環境溫度。光伏輸出功率與日照強度可近似為正比的關系。表達如下[19]：

2.3 梯級小水電群模型

基于同一河流上建立的水電站以梯形水電站的形式體現，稱為梯級電站群。梯級電站能補償、協調水資源，不同于傳統的水電站在電力、水力方面的關聯較弱，在這兩方面的關聯上梯級電站做到了加強。單一的水庫梯級電站的建設對環境保護效果較差，經濟性不足。梯形電站群能充分利用水庫的資源，通過合理優化調度，解決環境保護效益差、經濟性不足的問題。

梯級電站群間存在著復雜的電力和水力聯系，與獨立水電站相比需要考慮的變量和約束更多，本文基于實際調研獲得的梯級小水電群相關數據，選擇影響較大的參數，比如尾水位、凈水頭、壩前水位、調節庫容、水庫間水量的平衡和水力聯系與電力聯系的紐帶關系、發電所需引用出的發電量以及水量等。

1）水量平衡

在梯級水電站群之間，上下游水庫間存在水流平衡，具體表現在下游水電站的水流量是由上游電站的泄流量和區間來水量共同組成的。

t時段末的第i級水庫存水量為

式中：vi(t)為t時段末的第i級水庫存水量；Ii(t)為水庫i在時段t內的區間入流；si,i+1(t)為水庫i在時段t內的棄水流量；qi,i+1(t)為水庫i在時段t內的發電流量；τi-1,i為水流時滯時間；ΔT為時段t的時長。

2）壩前水位

水庫兩特征水位水平線之間的水庫容積，稱為靜態庫容。水庫的靜態特性曲線擬合可由下式獲得，即

式中：hif(t)為t時段第i級水庫的壩前水位；ai為常數，i=0,1,2,3,4，為水庫的靜水特性曲線系數。

3）尾水位

電站的棄水量和發電流量決定了該電站在某個時段的尾水位為

式中，hib(t)為t時段第i級水庫的尾水位。

4）凈水頭計算

式中，Δhi,t表示第i級電站在t時段的水頭損失，水頭損失在短時內取定值。

5）發電量計算

式中，Pi(t)為發電機組i在t時段發電功率。

2.4 抽水機模型

抽水機組的抽水功率-水量平衡方程：

式中：Pp,i(t)為抽水機組i在t時段抽水功率；qp,i(t)為抽水機組i在t時段抽水流水量。

3 發電聯盟優化運行模型

隨著電力市場的不斷完善，對于發電側的考核機制不斷細化，參照《南方區域發電廠并網運行管理細則（2017版）》，在細則中現有的考核機制多以電量為主，但只有當功率實時平衡才能減少對電網的沖擊，這也是電網發展的未來趨勢。

3.1 目標函數

發電聯盟經濟利潤最大，即

3.2 約束條件

1）梯級小水電群約束條件

（1）電站出力約束及出力變幅約束為

（2）出庫流量約束為

（3）發電流量約束為

（4）電站可用調節庫容約束為

2）抽水機組功率約束

3）光伏系統出力約束

4）風電系統出力約束

5）發電聯盟出力約束

3.3 發電聯盟的評價指標

為了更直觀地體現發電聯盟與單獨運行的梯級小水電群、分布式風電和光伏的區別，本文從經濟性、環保性和對電力系統的影響三個方面對比發電聯盟和各分布式發電獨立運行的情況。

1）功率偏差率

參照《南方區域發電廠并網運行管理實施細則》[22]，以15 min為一個考核時段，將一天分為96個考核時段t=(1 , 2,3,…,96)，引入對分布式發電的功率偏差的考核要求，當分布式電源的出力偏離計劃功率一定程度時，即實際出力大于計劃出力超過功率偏差允許范圍時則限制分布式發電的出力，反之實際出力小于計劃出力超過功率偏差允許范圍時，分布式發電需要向電力系統支付額外的懲罰費用。

考慮到風、光和小水電受天氣及水文的影響較大，發電聯盟允許功率偏差率為±5%。

其中，功率偏差率計算方法為

2）上網電量偏差率

參照《南方區域發電廠并網運行管理實施細則》，以15 min為一個考核時間，將一天分為96個考核段t=(1,2,3,…,96)，考核每時段的偏差電量，單機容量4×104kW及以下水電機組允許電量偏差率為±3%，發電聯盟允許電量偏差率5%，分布式風電與光伏的允許電量偏差率為7%。

上網電量偏差計算方法為

式中：WR,t為發電側t時段實際上網電量；WF,t為t時段預計上網電量；WDEV,t為t時段的上網電量偏差電量。

上網電量偏差率為

3）環保效益

與傳統火電相比，小水電、風光等清潔能源發電時幾乎不產生污染物排放，具有良好的環保效益。本文參考中國排污總量收費標準[23]和根據該標準評估出的中國電力行業各種污染物減排的環境價值標準[24]，從節能和減排兩個方面來評價發電聯盟對社會帶來的環境效益。

（1）節能效益。

發電聯盟利用清潔能源代替化石能源的節能效益為

式中：kcoal為火電機組成產單位電能的平均耗煤量；ccoal為煤炭的單價。

（2）減排效益。

假設傳統燃煤發電過程中所產生的n種污染排放物，減排效益可以通過減少的污染物排放量所需的治理成本來衡量，計算式為

式中：Ai為第i種污染物減少的排放量；Ci為第i種污染物的環境治理成本。

為了更好地評價發電聯盟的減排效益，本文從傳統燃煤機組發電時產生的SO2、CO2、NOX、CO、TSP、灰和渣共7種污染物進行計算。具體計算數值如表1所示。

表1 各污染物的減排量及治理成本Tab.1 Emission reduction of various pollutants and the corresponding treatment cost

發電聯盟的環保效益為

4 算例分析

本文選取廣西西林縣某偏遠山區作為研究區域，該地屬亞熱帶大陸性季風氣候，光熱充足，水資源豐富。根據水文情況，西林縣4月至9月為豐水期，4月至7月降雨較多，5月至6月為降雨高峰期，10月至次年3月為枯水期，降水量較少。選取豐水期和枯水期的典型天氣情況對于發電聯盟的優化運行模型進行仿真。

4.1 基本參數

選取西林縣某偏遠山區的3級梯級小水電群作為研究目標。調節庫容是指該水電站正常蓄水水位至死水位之間的水庫容積。

梯級小水電群參數如表2所示。

表2 某梯級水電站群特性Tab.2 Characteristics of a cascaded hydropower station group

根據該梯級水電站群的庫容和裝機容量，選擇在第1級水電站加裝兩臺抽水功率為0.75 MW的抽水機。抽水機的抽水功率-水量平衡方程為

梯級水電站群從停機狀態過渡到滿負荷發電狀態需120 s，響應時間為1～2 min，爬坡速率為50%/min；對應的調節頻段為1/480～1/240 Hz。

將該梯級水電群與6 MW風電和5 MW光伏組成發電聯盟聯合運行。

參考我國某地峰谷電價分時政策，根據發電聯盟中風電、光伏和小水電的裝機容量占比，通過加權平均的方法制定發電聯盟的峰谷分時上網電價。風電、光伏、小水電和發電聯盟的分時上網電價如表3所示。

表3 各種電源上網峰谷電價情況Tab.3 Peak-and-valley electricity prices of distributed generations 元

4.2 仿真結果

1）豐水期

豐水期上游來水流量大，水電站蓄水多，水頭高，可用于調節的庫容較小。

選取豐水期典型日的風、光、水文數據，以發電聯盟經濟利潤最大為目標函數的發電聯盟各時段出力情況如圖2所示。

圖2 發電聯盟出力曲線（豐水期）Fig.2 Output curve of power generation alliance（in high-water period）

由圖2可以看出，通過對梯級小水電群和抽水機的調節，發電聯盟的實際出力基本和預計出力一致，很好地起到了平滑出力曲線、減小風光出力波動的作用，但受限于豐水期的可用調節庫容，仍有部分時段的出力不能完全滿足功率考核的要求。

由圖3可以觀察到，豐水期時由于水電站可用于調節的庫容較小，抽水機不動作，主要利用梯級小水電群的出力來調節風電和光伏的波動對于發電聯盟出力的影響。夜間00：00—03：00時段風速較大，為了滿足不棄風的原則，小水電出力減少；隨著發電聯盟的計劃出力增加，小水電的出力逐漸增加；06：00之后光伏發電出力逐漸增大，在12：00時達到最大，風速減弱，風電出力減小，此時靠調節小水電的出力使整個發電聯盟的總出力與計劃出力的偏差值最小，最終實現發電聯盟的出力盡可能根據計劃值發電，減小梯級小水電群、風力發電和光伏發電受天氣影響所帶來的波動。

圖3 各電源出力曲線（豐水期）Fig.3 Output curve of each power source（in high-water period）

將風、光與梯級小水電群相結合，組成發電聯盟，與風、光、水單獨運行相比，發電聯盟的功率偏差明顯減小，充分體現了梯級小水電群的調節能力。

表4展示了風、光、水電單獨運行與組合成發電聯盟運行時，功率考核和電量考核的對比情況。在梯級小水電群的調節下，發電聯盟的電量考核合格率和功率考核合格率與風、光、水電獨立運行的情況下，有明顯提高。

表4 功率考核和電量考核結果（豐水期）Tab.4 Assessment results of power and electricity quantity（in high-water period）%

發電聯盟的售電收益根據的峰谷電價計算，經濟利潤達到6.6萬元/天；而若各種電源按照峰谷電價計算，風電、光伏和梯級小水電群的日收益總和僅有4.2萬元/天，經濟效益提高了2.4萬元。

表5 發電聯盟經濟效益（豐水期）Tab.5 Economic benefits of power generation alliance（in high-water period） 元

將風、光與梯級小水電群相結合，組成發電聯盟，與風光水單獨運行相比減少棄風棄光棄水的發電量約11.7×104kW·h，節約燃煤41.761 t，創造節能效益2.9萬元，減排效益2.4萬元，共創造環境效益5.3萬元。

表6 發電聯盟減排效益（豐水期）Tab.6 Emission reduction benefits of power generation alliance（in high-water period）

2） 枯水期

枯水期上游來水流量小，水電站蓄水少，水頭低，可用于調節的庫容較大。

選取枯水期典型日的風、光、水文數據，以經濟利潤最大為目標函數的發電聯盟的出力情況仿真如圖4和圖5所示。

圖4 發電聯盟出力曲線（枯水期）Fig.4 Output curve of power generation alliance（in low-water period）

圖5 各電源出力曲線（枯水期）Fig.5 Output curve of each power source（in low-water period）

由圖4可以看出，通過對梯級小水電群和抽水機的調節，發電聯盟的實際出力基本和預計出力一致，很好地起到了平滑出力曲線，減小風、光出力波動的作用。枯水期的可用調節庫容較大，通過對于梯級小水電群的優化調度，基本可以滿足功率考核和電量考核的要求。

在圖5中可以觀察到，枯水期時由于水電站可用于調節的庫容較大，但由于風電上網電價較高，且抽水機在能量轉換的過程中存在能量損耗，抽水機主要在夜間動作，且動作較少。夜間風速較大，為了滿足不棄風的原則，小水電減小出力，抽水機抽水，將夜晚的風能轉化為水的勢能儲存起來。隨著發電聯盟的出力增加，小水電的出力逐漸增加；06：00時之后光伏發電出力逐漸增大，此時靠調節小水電的出力和抽水機的動作使整個發電聯盟的總出力處于合格范圍內，最終實現發電聯盟的出力盡可能根據計劃值發電，偏差較小，減小梯級小水電群、風力發電和光伏發電受天氣影響所帶來的波動。

表7展示了風、光、水單獨運行與組合成發電聯盟運行時，功率考核和電量考核的對比情況。在梯級小水電群的調節下，發電聯盟的電量考核合格率和功率考核合格率與各種電源獨立運行的情況下，有明顯提高。

表7 功率考核和電量考核結果（枯水期）Tab.7 Assessment results of power and electricity quantity（in low-water period）%

電聯盟的售電收益根據的峰谷電價計算，經濟利潤達到7.1萬元/天；而若各種電源按照峰谷電價計算，風電、光伏和梯級小水電群的日收益總和僅有4萬元/天，經濟效益提高了3.1萬元。

表8 發電聯盟經濟效益（枯水期）Tab.8 Economic benefits of power generation alliance（in low-water period） 元

將風、光與梯級小水電群相結合，組成發電聯盟，與風、光、水電單獨運行相比減少棄風棄光棄水的發電量約9.7×104kW·h，節約燃煤34.9 t，創造節能效益2.4萬元，減排效益2.7萬元，共創造環境效益5.2萬元。

表9 發電聯盟減排效益（枯水期）Tab.9 Emission reduction benefits of power generation alliance（in low-water period）

5 結語

本文立足于現有的梯級小水電群，將充分考慮風、光、水電的出力時空互補特性以及風、光波動性較大和小水電啟停調節迅速的出力特性，構成含多種可再生能源的發電聯盟。通過對梯級小水電出力的調節，平滑不確定可再生能源的輸出，改善分布式電源并網的電能質量，減小分布式風、光由于出力劇烈波動對于電力系統造成的影響，減少棄風棄光棄水情況，提高可再生能源利用率。通過對發電聯盟優化模型的仿真，可以得出，將梯級小水電群與分布式風電和光伏相結合，能夠帶來良好的經濟效益、環境效益，同時能夠很好地發揮梯級小水電群的調節能力，使發電聯盟的出力偏差和上網電量偏差明顯提高，在電力市場下作為發電側相較于單獨的分布式電源有更好的競爭力和發展前景，為偏遠山區合理利用現有水電資源，提高可再生能源利用率，提供了新思路。