基于廣義儲(chǔ)能特性的電站三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化策略

孫鵬，趙圓媛，司大軍，梁書豪，王遠(yuǎn)

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，云南 昆明 650011； 2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 前言

近年來(lái)，新能源接入電網(wǎng)的滲透率不斷升高，其在中長(zhǎng)期尺度的供給差異加劇了電力系統(tǒng)季節(jié)性電量的不平衡[1-3]。而水電屬于電力系統(tǒng)廣義儲(chǔ)能資源，具備良好的季節(jié)性調(diào)節(jié)能力，通過(guò)挖掘其廣義儲(chǔ)能特性，進(jìn)行電站的中長(zhǎng)期發(fā)電量?jī)?yōu)化，有助于協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)源荷平衡，平抑季節(jié)性負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高比例新能源的有效消納[4]。

目前，針對(duì)水電站中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化的研究主要集中在優(yōu)化模型的求解算法上，如文獻(xiàn)[5-7]通過(guò)提出新的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，來(lái)降低優(yōu)化模型的求解維度，或?qū)?fù)雜的非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)二次規(guī)劃問題，提高計(jì)算的規(guī)模和效率。另一方面，部分文獻(xiàn)開展了對(duì)廣義儲(chǔ)能的研究，文獻(xiàn)[8]研究了廣義儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑作用，文獻(xiàn)[9]建立了廣義儲(chǔ)能與火電協(xié)同優(yōu)化的調(diào)峰模型，分析廣義儲(chǔ)能的調(diào)峰特性。但上述研究均未考慮水電的廣義儲(chǔ)能特性，以及如何充分利用水電站的季節(jié)性調(diào)節(jié)能力平抑系統(tǒng)負(fù)荷。

本文針對(duì)電力系統(tǒng)中存在季節(jié)性負(fù)荷波動(dòng)的情況，提出了一種基于廣義儲(chǔ)能特性的水電站群三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化模型，在考慮水電站發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的前提下，實(shí)現(xiàn)平抑系統(tǒng)負(fù)荷電量不均衡的目標(biāo)。通過(guò)算例分析，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

1 水電站廣義儲(chǔ)能特性

廣義儲(chǔ)能特性是指電源側(cè)可調(diào)節(jié)部分具備的類似于儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)特性，該部分能夠通過(guò)優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)發(fā)電出力與系統(tǒng)負(fù)荷相適應(yīng)，從年、季、月、周、日等多時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化的跟蹤響應(yīng)。

對(duì)于多年、年、季調(diào)節(jié)能力水電站或梯級(jí)水電站群而言，可通過(guò)考慮對(duì)其水庫(kù)進(jìn)行跨月份的水利資源優(yōu)化調(diào)度，或季節(jié)性檢修計(jì)劃優(yōu)化，來(lái)跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷電量需求的差異性，實(shí)現(xiàn)最小化系統(tǒng)負(fù)荷電量季節(jié)性不均衡的目標(biāo)，以充分發(fā)揮水電站的廣義儲(chǔ)能特性。

其廣義儲(chǔ)能特性模型可描述為：表示時(shí)段t考慮廣義儲(chǔ)能特性后的優(yōu)化水電

式中：表示時(shí)段t的原始水電出力；出力；ΔPt-表示時(shí)段t應(yīng)削減的水電出力；表示時(shí)段t應(yīng)增加的水電出力；Ω-表示水電出力削減時(shí)段的集合；Ω+表示水電出力增加時(shí)段的集合；ΩT表示總優(yōu)化周期。

2 水電站群三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化模型

為了充分發(fā)揮水電站的廣義儲(chǔ)能效益，提升水電站參與系統(tǒng)電力電量平衡時(shí)平抑系統(tǒng)負(fù)荷不均衡的能力，本文提出了一種基于廣義儲(chǔ)能特性的水電站群三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化模型，在考慮水電站經(jīng)濟(jì)效益的前提下，兼顧考慮水電站平抑負(fù)荷波動(dòng)、促進(jìn)系統(tǒng)新能源消納的效益。

水電站群三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化的基本思路如圖1所示，包含水電站群月度電量的初階優(yōu)化、進(jìn)階優(yōu)化以及逐日電量?jī)?yōu)化三個(gè)階段。

圖1 水電站群三階段發(fā)電優(yōu)化基本思路

水電站群月度電量的初階優(yōu)化主要考慮水電站群的運(yùn)行效益，以水電站群優(yōu)化周期內(nèi)的總發(fā)電量最大、總發(fā)電效益最大或總調(diào)峰電量最大為目標(biāo)函數(shù)，考慮水電站間水庫(kù)調(diào)度與發(fā)電運(yùn)行優(yōu)化之間的聯(lián)系，以及水電站的各時(shí)段出力、發(fā)電流量等約束條件，用最優(yōu)化方法對(duì)水庫(kù)的徑流過(guò)程和水電機(jī)組出力進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算來(lái)制定電站的月度電量?jī)?yōu)化方案，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化周期內(nèi)水電站群的綜合經(jīng)濟(jì)效益最大化。

月度電量進(jìn)階優(yōu)化模型在初階優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮廣義儲(chǔ)能平抑系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)的特性，以系統(tǒng)優(yōu)化周期內(nèi)的月度凈負(fù)荷電量方差最小為優(yōu)化目標(biāo)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)凈負(fù)荷的定義為系統(tǒng)總負(fù)荷與風(fēng)光聯(lián)合出力之差，在本文中，為了表征水電站的調(diào)節(jié)能力，將目標(biāo)函數(shù)中的凈負(fù)荷定義為系統(tǒng)總負(fù)荷與風(fēng)電、光伏出力以及全系統(tǒng)水電站出力之差。通過(guò)對(duì)水電站月度電量的初階優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行再優(yōu)化，使得優(yōu)化結(jié)果能夠兼顧考慮電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益以及廣義儲(chǔ)能平抑系統(tǒng)季節(jié)性凈負(fù)荷電量不均衡的作用。

逐日電量?jī)?yōu)化模型考慮水電群的短期廣義儲(chǔ)能調(diào)節(jié)能力，以水電站群月度發(fā)電量為邊界條件，以月度逐日凈負(fù)荷電量方差最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)水電群的各月逐日發(fā)電量進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)平抑系統(tǒng)日間用電量不均衡的目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源消納任務(wù)在日間的合理優(yōu)化。

2.1 月度電量初階優(yōu)化模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

1）總發(fā)電量最大

已知各水電站水庫(kù)在優(yōu)化周期內(nèi)的預(yù)測(cè)入流過(guò)程，若以水電站群總發(fā)電量最大為優(yōu)化準(zhǔn)則，則目標(biāo)函數(shù)為：

式中：E表示水電站群的總發(fā)電量；NH為水電站總數(shù)量；TM為優(yōu)化周期總月份數(shù)；Pi,j第i個(gè)電站在月份j的平均出力；kpi為第i個(gè)水電站出力系數(shù)；Hi,j、Qi,j分別為第i個(gè)電站在月份j的平均發(fā)電水頭、發(fā)電引用流量；Δtj為時(shí)段長(zhǎng)度，即月份j的小時(shí)數(shù)。

2）總發(fā)電效益最大

若以水電站群總發(fā)電效益最大為優(yōu)化準(zhǔn)則，則目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Eeco表示水電站群的總發(fā)電效益；Ci,j為第i個(gè)電站在月份j的電價(jià)系數(shù)。

3）總調(diào)峰電量最大

若以優(yōu)化周期內(nèi)總調(diào)峰電量最大為優(yōu)化準(zhǔn)則，則目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Ep表示優(yōu)化周期內(nèi)水電站群的總調(diào)峰電量；EL,j為電力系統(tǒng)在月份j內(nèi)的總負(fù)荷電量。

2.1.2 約束條件

1）蓄水位約束

式中：Wi,j表示第i個(gè)水電站在月份j的水位；We為正常蓄水位；Wn為死水位。

2）發(fā)電流量約束

式中：Qi,j表示第i個(gè)水電站在月份j的發(fā)電流量；分別表示第i個(gè)水電站在月份j的最小發(fā)電流量限制和最大發(fā)電流量限制。

3）水頭約束

式中：Hi,j表示第i個(gè)水電站在月份j的水頭；分別表示第i個(gè)水電站在月份j允許的水頭上、下限。

4）出力約束

式中：Pi,j表示第i個(gè)水電站在月份j的出力；分別表示第i個(gè)水電站在月份j內(nèi)出力的最小限值和最大限值。

5）初、末水位約束

式中：Wi,0、Wi,T分別表示第i個(gè)水電站的初、末水位；Wi,Begin、Wi,End分別表示第i個(gè)水電站的初、末水位限制。

6）水量平衡約束

式中：Vi,j、Vi,j+1分別為第i個(gè)電站在月份j和月份j+1的月初庫(kù)容；Q+i,j、Q-i,j分別為第i個(gè)電站在月份j的入庫(kù)流量和出庫(kù)流量。

7）水位變幅約束

式中：ΔWi,j表示第i個(gè)電站在月份j的水位波動(dòng)幅度；分別表示第i個(gè)電站在月份j的水位上下波動(dòng)幅度限制，一般為該電站的水位日變幅乘以月份天數(shù)。

2.2 月度電量進(jìn)階優(yōu)化模型

在對(duì)水電站群進(jìn)行月度電量的進(jìn)階優(yōu)化時(shí)，一般選擇具有良好的廣義儲(chǔ)能調(diào)節(jié)特性的水電站進(jìn)行優(yōu)化，而其余水電站維持初階優(yōu)化的結(jié)果。同時(shí)，由于水電站在豐、枯水期的廣義儲(chǔ)能調(diào)節(jié)能力存在顯著差異，在對(duì)水電站進(jìn)行月度電量進(jìn)階優(yōu)化時(shí)，需要對(duì)豐水期、枯水期分別進(jìn)行處理，因此其目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Ds表示水文期s內(nèi)的月度凈負(fù)荷電量方差；D（...）表示方差函數(shù)；EL,j為電力系統(tǒng)在月份j內(nèi)的總負(fù)荷電量；EN,j表示電力系統(tǒng)并網(wǎng)光伏、風(fēng)電在月份j內(nèi)的總發(fā)電量；Ω*表示具備良好廣義儲(chǔ)能調(diào)節(jié)特性的水電站集合；Ω0表示其余水電站集合；表示第i個(gè)電站在月份j的初階優(yōu)化出力結(jié)果；Ωs表示水文期s下的月份集合，水文期s包含豐、枯水期，豐水期月份數(shù)為4月～9月，枯水期月份數(shù)為10月～來(lái)年3月。

2.2.2 約束條件

進(jìn)階優(yōu)化模型的各類約束條件與初階優(yōu)化模型在形式上保持一致，但是部分約束條件（式）需要結(jié)合初階優(yōu)化的結(jié)果對(duì)其約束邊界值進(jìn)行調(diào)整。

1）蓄水位約束

2）發(fā)電流量約束

3）出力約束

歷史上最初有記錄的中日交往記載是東漢班固的《漢書·地理志》。作于推古三十年，現(xiàn)存于中宮寺的《天壽國(guó)繡帳》是可確定的最早受中國(guó)影響的作品，其上云紋、鳳凰形象及花卉的賦色手法都明顯帶有漢代繪畫特征。自此以后中國(guó)的文化理念、思想觀念、生活習(xí)慣及審美情趣對(duì)日本產(chǎn)生了巨大的影響，有些甚至構(gòu)成日本根底性的文化傳統(tǒng)。

2.3 逐日電量?jī)?yōu)化模型

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

逐日電量?jī)?yōu)化模型以水電站群月度逐日凈負(fù)荷電量方差最小為優(yōu)化目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Dj表示月份j的逐日凈負(fù)荷電量方差；Ωj表示月份j的天數(shù)集合；EL,j,d表示電力系統(tǒng)在月份j第d天的總負(fù)荷電量；EN,j,d表示電力系統(tǒng)并網(wǎng)光伏、風(fēng)電在月份j第d天的總發(fā)電量；Pi,j,d表示第i個(gè)水電站在月份j第d天的平均出力；表示第i個(gè)水電站在月份j第d天的初階優(yōu)化出力結(jié)果；Δtd為時(shí)段長(zhǎng)度，即日內(nèi)小時(shí)數(shù)。

2.3.2 約束條件

逐日電量?jī)?yōu)化模型的約束條件與2.1.2節(jié)類似，在此不作贅述。此外，由于逐日電量?jī)?yōu)化是在月度電量進(jìn)階優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，還需要額外考慮水電站月發(fā)電電量守恒約束，具體形式如下：

式中：Ei,j表示第i個(gè)水電站月份j的總發(fā)電量。

3 算例分析

以瀾滄江中下游梯級(jí)水電群為例，進(jìn)行基于廣義儲(chǔ)能特性的水電站群中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化算例分析。該梯級(jí)水電群由上游至下游依次包括小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪等5座水電站，其中小灣和糯扎渡水電站具有多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，具備良好的調(diào)節(jié)性能。

3.1 月度發(fā)電量?jī)?yōu)化結(jié)果分析

基于提出的水電站群三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化模型，對(duì)瀾滄江中下游梯級(jí)水電群進(jìn)行中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化。月度發(fā)電量?jī)?yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀾滄江水電站群優(yōu)化前后月度發(fā)電量對(duì)比圖

云南省夏季為豐水期、冬季為枯水期，負(fù)荷高峰一般出現(xiàn)在年末（11月、12月），對(duì)比優(yōu)化后發(fā)電量與原始凈負(fù)荷可知，其通過(guò)優(yōu)化增加了水電站冬季的發(fā)電流量，提升水電站在負(fù)荷高峰期的發(fā)電水平，通過(guò)優(yōu)化減少了水電站夏季的發(fā)電流量，降低水電站在負(fù)荷低谷期的發(fā)電水平，從而使得水電發(fā)電量與系統(tǒng)負(fù)荷特性相匹配。根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果可以看出，梯級(jí)水電站中長(zhǎng)期協(xié)同發(fā)電優(yōu)化能夠在枯水期內(nèi)優(yōu)化調(diào)配水力資源，實(shí)現(xiàn)跨年的水文調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮了梯級(jí)水電群的廣義儲(chǔ)能調(diào)節(jié)能力。

3.2 凈負(fù)荷波動(dòng)情況分析

基于水電站群月度發(fā)電量?jī)?yōu)化結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)情況進(jìn)行分析，如圖3是優(yōu)化前后系統(tǒng)月凈負(fù)荷電量對(duì)比圖，表1是優(yōu)化前后系統(tǒng)月平均凈負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比表。

表1 優(yōu)化前后系統(tǒng)月平均凈負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

圖3 優(yōu)化前后系統(tǒng)月凈負(fù)荷電量對(duì)比

從圖3中可以看出，經(jīng)過(guò)梯級(jí)水電站群中長(zhǎng)期發(fā)電量?jī)?yōu)化之后，系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線變得更加平緩，這一點(diǎn)在表1中得到了更為量化的反映，由表可知，在豐水期，優(yōu)化后的系統(tǒng)凈負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差降低了12.9%，在枯水期，優(yōu)化后的系統(tǒng)凈負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差降低了29.8%。結(jié)果表明，本文所提中長(zhǎng)期電量?jī)?yōu)化方法能夠有效平抑系統(tǒng)季節(jié)性負(fù)荷波動(dòng)。

3.3 逐日發(fā)電量?jī)?yōu)化結(jié)果分析

基于月度電量?jī)?yōu)化分配結(jié)果，進(jìn)行月內(nèi)逐日發(fā)電量的優(yōu)化計(jì)算，針對(duì)豐水期、枯水期各選擇一個(gè)月進(jìn)行分析，豐水期選擇8月份進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示，枯水期選擇12月份進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 8月份逐日電量?jī)?yōu)化結(jié)果

圖5 12月份逐日電量?jī)?yōu)化結(jié)果

由圖可知，優(yōu)化后的逐日電量分配曲線更加平緩，其中枯水期優(yōu)化效果較為明顯，優(yōu)化后曲線波動(dòng)程度顯著降低，這是由于枯水期發(fā)電量小，負(fù)荷需求大，發(fā)電量能夠得到充分利用，其對(duì)負(fù)荷特性變化的跟蹤程度更高。優(yōu)化效果具體量化數(shù)據(jù)如表2所示，在豐水期，優(yōu)化后的系統(tǒng)水電出力標(biāo)準(zhǔn)差降低了1.4%，在枯水期，優(yōu)化后的系統(tǒng)水電出力標(biāo)準(zhǔn)差降低了17.7%。根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果可以看出，梯級(jí)水電站中長(zhǎng)期協(xié)同發(fā)電優(yōu)化能夠在月內(nèi)優(yōu)化調(diào)配水力資源，平抑系統(tǒng)日間用電量不均衡。

表2 優(yōu)化前后系統(tǒng)月度水電平均出力標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分分析了水電站的廣義儲(chǔ)能特性，提出了一種水電站群三階段中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化模型，并應(yīng)用于瀾滄江中下游梯級(jí)水電站群進(jìn)行算例分析。本文所做工作可歸納為以下幾點(diǎn)：

1）對(duì)水電的廣義儲(chǔ)能特性進(jìn)行分析，明確水電站可通過(guò)調(diào)度水庫(kù)內(nèi)的跨月份水利資源，跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷的變化；

2）以電站運(yùn)行效益最大和系統(tǒng)凈負(fù)荷電量不均衡最小為優(yōu)化目標(biāo)，考慮梯級(jí)水電群的季節(jié)性調(diào)節(jié)能力，建立多流域梯級(jí)水電站群中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化方法；

3）基于瀾滄江流域各梯級(jí)水電站的中長(zhǎng)期水文數(shù)據(jù)，對(duì)流域梯級(jí)水電站群進(jìn)行中長(zhǎng)期協(xié)同發(fā)電優(yōu)化，驗(yàn)證了所提流域梯級(jí)電站群運(yùn)行模擬方法的正確性。