含风—光—水—储互补电力系统的优化调度研究

张倩文，王秀丽，李 言

(西安交通大学电气工程学院，西安 710049)

能源技术

含风—光—水—储互补电力系统的优化调度研究

张倩文，王秀丽，李 言

(西安交通大学电气工程学院，西安 710049)

随着风电和光伏发电大规模接入到电网中，其出力的随机性、间歇性和波动性对电网的安全运行带来巨大挑战。目前电网调度运行时为了确保系统的安全性，会出现大量的弃风弃光现象。但风力发电，光伏发电和水电具有自然互补的特点，利用它们的互补特性可提高电网消纳新能源的能力。提出了含风电、光伏、水电和抽水蓄能的互补发电系统，并分别以系统运行成本最低和互补系统出力波动最小为目标函数建立了两种优化调度模型。最后，算例分析验证了两种模型的合理性和可行性，并说明了互补运行可提高新能源的利用率，同时减少了风电与光伏的波动性对电网的影响。

风电；光伏；水电；抽水蓄能；互补系统；优化调度

随着社会经济的不断发展，风能、太阳能等间歇性能源由于其低碳经济的特点正逐步取代化石能源，发展前景非常广阔[1]。随着新能源装机规模的快速增长，其出力的波动性和间歇性给电网的安全运行带来了很大的挑战[2-4]。目前关于新能源的调度研究主要集中在单一新能源并网的优化调度[5-6]，通过调整火电机组的功率输出来应对新能源的波动，随着新能源装机比例的增加，这些调节方式将变得困难。风电、光伏发电、水电之间具有天然的时空互补特性，可弥补单一能源并网运行时的不足[7]。

国内外有一些关于多种能源互补运行的初步研究，研究重点关注风光互补发电，风水互补发电，水光互补发电等[8-10]，但主要应用于偏远地区的小型电力系统。文献[9]提出了一种火电机组和抽水蓄能水电站联合运行的机组组合模型。文献[10]建立了水电和光电互补的发电调度模型，以水光互补在负荷高峰时段总出力最大为目标函数，综合考虑各种约束条件，构建了水光互补日间调度模型。文献[11]提出了风、水、气多种清洁能源互补发电模型,以天然气的消耗量最低为目标函数,将风能全部接纳和水能全部使用作为约束条件,构建含风水气多种清洁能源互补发电的优化模型，并采用模拟退火粒子群算法求解该模型。

为了利用新能源之间的互补特性提高可再生能源的利用率，并减少新能源并网过程的波动性，结合风电、光伏发电、传统水电、抽水蓄能发电形成互补发电系统，并提出两种优化调度模型。第一种模型以系统运行成本最低为目标函数，第二种模型以互补系统出力波动最小为目标。最后，采用CPLEX求解混合整数规划模型，并通过算例分析两种模型下新能源的出力和机组调度策略。

1 互补系统经济优化调度模型

风电出力主要取决于风速。光伏发电出力主要取决于晴朗指数，两者在短期内波动较大。水电出力主要取决于大气降水和自然流量，季节性波动较大，短期内出力较为稳定。抽水蓄能可在负荷低谷期放水发电，在负荷高峰期蓄能，改善系统的调峰性能。风光水储能出力特性有很大的差异，互补发电系统可利用水电和抽蓄机组的调节能力抑制风力发电和光伏发电的波动性，相比于单一形式的能源并网有很大的优势[12]。

第一种经济最优模型以最小化系统运行成本为目标：

(1)

(2)

(3)

模型需要满足的约束条件具体如下。

(1)火电机组出力约束

(4)

(2)火电机组爬坡约束

(5)

(3)火电机组最小启停时间约束

(6)

(7)

(4)风电出力约束

(8)

(5)光伏出力约束

(9)

(6)水电出力约束

(10)

(11)

(7)抽水蓄能机组出力约束

(12)

(13)

(8)系统功率平衡约束

(14)

式中Lt——第t个时段的负荷。

(9)系统备用约束

(15)

式中rt——第t个时段的系统备用需求。

2 互补系统波动最小调度模型

第二种模型的目标是削弱风力发电和光伏发电的间歇性和波动性，把互补清洁能源等效为一个等值电源，使总输出功率更加稳定，对电网运行影响最小：

(16)

(17)

av为等值电源的总出力在调度周期内的平均值。在此模型中，为了安排水电机组和抽蓄机组对风光波动进行调节，安排风光按照预测值出力，因此出力约束变为：

(18)

(19)

其余约束条件同上一模型的式(10)～式(13)。

3 算例分析

3.1 算例介绍

为了验证两模型的正确性，引入一个含火电、风电、光伏、水电、抽蓄的互补发电系统，火电机组采用文献[13]中的部分机组参数，具体数据如表1所示。风电、光伏、负荷的预测出力曲线如图1所示。水电站在枯水期的出力范围为100～130 MW，抽水蓄能机组的最大出力为30 MW。

表1 火电机组参数

图1 风电、光伏、负荷预测出力曲线

3.2 经济最优模型下系统运行分析

当系统中只接入风电和光伏时，各能源的出力如图2所示。火电机组承担基荷，并与负荷曲线走势相同。火电机组的具体出力如图3所示，机组2由于容量大，承担了主要负荷，一天之内的出力较为平稳，机组4容量较小，在第一个负荷高峰期时开机。

图2 情况1：只接入风电和光伏时各能源出力分布图

图3 各火电机组出力曲线

当系统中接入水电和抽水蓄能机组时，各能源的出力曲线如图4所示。在初始的调度时段内，负荷较低时风电出力较大，因此抽水蓄能机组以最大功率抽水蓄能，在负荷的高峰时期，风电出力较小，此时抽水蓄能机组放水发电来减弱系统调峰压力。抽水蓄能机组和水电出力弥补了风光出力的低谷，使互补系统整体出力更为平稳。

图4 情况2：系统接入水电和抽蓄机组后的出力曲线

当增大抽水蓄能机组的容量至100 MW后，系统运行的出力曲线如图5所示。相比于图4，此时互补系统出力更为平稳，火电机组的峰谷出力差也减小，更有利于系统调度。

图5 情况3：抽水蓄能机组容量为100 MW时系统出力曲线

三种情况下系统运行的比较如表2所示。当加入水电和抽水蓄能机组后，系统运行成本和弃风弃光量均减小，备用容量增加，并且抽水蓄能机组容量越大效果越明显，说明了互补系统相比新能源单独运行时可提高新能源利用率并减小系统运行成本。

表2 三种情况下系统运行比较

3.3 互补系统波动最小模型下系统运行分析

在第二种情况下，风电和光伏将按照预测值出力，此时互补系统出力曲线如图6所示。四种能源互补的等值电源出力明显比风光单独出力更为平稳，接入电网后对系统波动越小。

图6 互补系统出力曲线

当在系统中接入另一台30 MW的抽水蓄能机组时，系统运行曲线如图7所示。相比图6，互补等值电源的出力更为光滑平稳。

图7 接入两台30 MW抽水蓄能机组时出力曲线

在汛期水电多发，电网常常安排水电承担基荷，调峰能力降低，此时将水电出力固定为130 MW，可得到系统运行出力曲线如图8所示，相比于枯水期，此时水电出力由于固定不变，对风光出力的调节能力变弱，互补等效电源的出力波动也随之变大。

图8 汛期时系统出力曲线

4 结语

本文考虑到风光水储四种清洁能源出力的互补特性，建立了一个互补出力系统，并提出了分别以系统运行成本最优和清洁能源互补等效电源出力波动最小为目标的两种模型。最后在算例中设置不同的案例进行比较分析，结果说明了互补系统相比于单独新能源接入电网时能有效弥补新能源出力的波动性，向电网提供更加稳定的电能，提高新能源的利用率，减少火电机组的出力调整，降低系统的运行成本，为解决风光水储调度问题提供了有效途径。

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OptimalSchedulingofHybridWind-Photovoltaic-Hydro-PumpedStoragePowerSystem

ZHANG Qianwen, WANG Xiuli，LI Yan

(School of Electrical Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

With the large-scale wind power and photovoltaic power integrated to the power grid, the random, intermittent and fluctuant output brings great challenge to the safety of power grid. To ensure the system safety, wind power and photovoltaic power should be abandoned sometimes. But wind power, photovoltaic power and hydro power have the natural complementary features, which can improve the utilization of new energy. Thus, this paper combines the wind power, photovoltaic power, hydro power and pumped storage to form a hybrid generation system. Ant two optimal scheduling models are established based on the objective functions of the minimum system operation cost and the minimum fluctuation of the complementary system. Finally, the calculation example analysis proves the rationality and feasibility of the two models, and illustrates the complementary operation can improve the utilization of new energy resources, and meanwhile reduce the impact of wind and PV power volatility on power grid.

wind power; photovoltaic power; hydro power; pumped-storage; hybrid system; optimal scheduling

10.11973/dlyny201705020

国家自然科学基金项目(51577146)

张倩文(1994—)，女，硕士，从事电力系统运行与规划研究。

TM61；TM73

A

2095-1256(2017)05-0581-05

2017-08-09

(本文编辑：赵艳粉)