抽水蓄能—光伏—风电联合优化运行研究

高 洁

（水电水利规划设计总院，北京市 100120）

0 引言

为缓解全球气候变化影响，实现国家节能减排承诺，高比例可再生能源已成为能源电力发展的必然选择。太阳能和风能作为可再生能源发展的主导力量，在资源条件方面，具有巨大的开发潜力，据测算，太阳能资源技术可开发量可达1.86万亿kW，风能资源在80m高度层的技术可开发量约为102.8亿kW[1]。此外，截至2019年底，并网风电和太阳能发电分别为2.10亿kW和2.05亿kW[2]，虽然不及自身资源量的2%和0.01%，但合计已达到全口径发电装机容量的20.6%，是我国能源结构转型的主力军。同时，太阳能和风能作为间歇性可再生能源，大规模并网将给电力系统带来压力。相关研究表明，间歇性可再生能源渗透率不宜超过电力需求的30%～35%[3]。未来的电力系统需要更加灵活的调峰储能特性。

抽水蓄能电站主要在电力系统中承担了调峰填谷、调频调相、事故备用、黑启动等多种功能，具有运行灵活、清洁高效、经济较优的特点。截至2019年底，我国抽水蓄能电站装机规模3029万kW，位居世界第一。随着高比例可再生能源的发展，部分抽水蓄能电站功能定位也逐渐拓展到面向光伏、风电等多品种间歇性能源，通过多能互补的方式，实现高质量电能输出和利用。

基于合适的容量配比，抽水蓄能电站通过调节上、下水库水量，平抑光伏、风电等间歇性可再生能源出力过程，实现趋近需求的电能输出。光伏发电出力特性与光照辐射强度、组件光敏性等因素有关，白天正午大发、夜晚不发，与电力系统用电负荷特性在时间上匹配性较好，但电量上存在差异。风电出力具有相对较强的随机性和波动性，对于接入电力系统、适应负荷需求的压力相对较大，因此，新能源与抽水蓄能等储能的混合系统是研究热点方向。

1 模型方法

如果从全生命周期考虑，多能互补系统需要计入抽水蓄能、新能源等各类电源在投资、建设、运营不同时期的收入和成本。风电场成本效益模型[4]发现，风电和抽水蓄能的匹配难以实现运行最优，需要引入更多的能源品种。西班牙Canary等小岛风能—抽水蓄能联合运行案例[5]研究发现，可以优先通过风电和抽水蓄能运行满足负荷的情况下[6]，引入基荷电源。由于上水库水量有限，如果全部风电用于抽水，需要引入腰荷电源。多能互补系统联合调度模型[7]，以系统经济效益最大和可再生能源弃电量最小为目标函数。如果为了反映多能互补对间歇性可再生能源的平抑[8]，以联合输出功率波动最小，即方差最小[9]，可建立平滑功率输出的高斯模型[10]或时段输出功率与均值偏差最小模型[11]。多能互补系统建模时还可考虑[12]发电满足输电通道可用容量，安装运维总费用最少[13]；输出功率偏离发电计划的惩罚费用最小[14]；在减小弃风、火电最小出力的基础上，尽可能利用抽水蓄能吸纳多余电量。以促进光伏、风电消纳为目标的模型[15]，可按照多能互补综合出力与负荷特性吻合度最高、时段出力标幺值与负荷率偏差最小建模。此外，还可采用经济效益最大[16]，即电价收益扣除水泵启停成本最大为目标函数，建立全天96个时段联合运行优化调度模型。以经济效益最大为目标时，可将电能质量作为约束条件，令出力时间序列的均方差小于某一阈值[17]。为了兼顾发电效益和电能质量，也可在目标函数中考虑抽水蓄能机组启停成本，并以偏离发电计划作为惩罚项[18]。

针对风光等新能源与抽水蓄能多能互补系统：以调度期经济效益最大，即考虑峰谷电价和水泵启停成本的售电收入最大；实现风光等新能源与抽水蓄能配合运行，综合出力趋近于负荷需求或外送要求，满足输出功率平稳或偏差惩罚费用最小。为简化求解，还可将多目标优化转换为单目标问题，通过将多目标通过惩罚系数、权重等方式进行组合，也可将某个目标转化为约束条件，比如将输出功率偏差阈值作为约束条件。

2 模型结构

本文在模型构造时，先进行无量纲化处理，负荷需求采用负荷率，随时间变化形成负荷曲线。模型的目标函数是光伏、风电等间歇性可再生能源出力过程，经抽水蓄能电站机组发电或抽水调度后，与负荷曲线的均方差最小。在约束条件中，体现抽水蓄能上、下水库库容约束、发电工况和抽水工况的功率约束及互斥约束、计算周期内抽发平衡约束以及上、下水库在抽水储能和放水发电之间水量平衡。目标函数如下：

式中：Pws——多能互补系统中光伏风电出力，kW；

Ph——抽水蓄能机组发电出力，kW；

Pp——抽水蓄能机组抽水功率，kW；

Pd——需求功率，kW；

n——时段数，下标i表示第i时段。

对于每一个时段i的约束条件如下：

式中：Vup、Vdown——抽水蓄能电站上、下水库库容；

Ph,max、Ph,min、Pp,max、Pp,min——抽水蓄能电站发电出力和抽水功率的最大值和最小值；

Phwork、Ppwork——抽水蓄能电站的发电工况和抽水工况，两者均为0/1变量，且存在互斥关系，不能同时既抽水又发电。

时间递推关系如下：

式中：Qp、Qh分别为时段t平均抽水流量和发电流量。

变量关系如下：

式中：Zup、Zdown——抽水蓄能电站上、下水库水位，可通过水位库容曲线计算；

Ph、Pp——抽水蓄能电站的发电功率和抽水功率；

η——抽水/发电功率转换效率系数。

系统在一个周期内抽发平衡，上、下水库水位回归初始状态；抽水和发电功率按照效率系数转换。该模型的目标函数通过对负荷曲线的逼近，体现了抽水蓄能平抑光伏风电输出功率波动以及与需求相匹配的电能输出。

3 案例构造

3.1 边界条件

本文以西北某光伏、风电清洁能源基地3月典型周出力过程，配套180万kW抽水蓄能电站，趋近负荷曲线为例进行模拟，基于优化算法建模[19]，构造整型非线性规划模型展开研究，模型参数如表1所示。

表1 模型参数Table 1 Model parameters

续表

3.2 计算方案

风力发电的不稳定性较大，尤其在我国西部地区多出现连续大风天气，易造成出力过程的间歇性。叠加光伏出力后，虽然仍存在波动性，但增加了出力过程的规律性，体现风光互补。但是，尖峰和低谷仍不可避免，对电力系统仍存在不利影响。抽水蓄能电站兼具调峰和填谷能力，可调节性强。本文首先分析间歇性可再生能源风电、光伏与抽水蓄能电站装机规模配比对多能互补系统的影响。其次，考虑不同的抽水蓄能电站初始库容对调节效果的影响。

3.2.1 规模配比

在综合考虑风电、火电、抽水蓄能电站、输电通道运行要求的大系统平衡中，相关研究[7]采用400万kW抽水蓄能配合2131万kW风电基地进行电力电量平衡计算。风光抽蓄多能互补系统[15]，采用350万kW风电、光伏配套180万kW抽水蓄能进行负荷平衡计算。对于中小型混合系统，相关案例研究采用的抽水蓄能与间歇性可再生能源装机容量比例在18% ～ 80%[7-8，10-11，14，16-18]。本研究基于180万 kW 抽水蓄能，按照光伏、风电和负荷曲线的标幺值，选取500万kW和1000万kW间歇性可再生能源进行配比方案研究。

3.2.2 初始蓄水量

抽水蓄能电站上、下水库的初始库容决定了抽水蓄能初始储能，是优化算法的初始条件，赋值过小或过大均可能导致局部寻优，结果有偏。上水库蓄水量的下限和上限在717万～4940万m3，相应地，下水库蓄水量范围为6083万～1860万m3。上水库蓄水量中值为2828.5万m3，上下水库蓄水量均值为3400万m3。以上水库为例，初始库容选取2800万m3，以1000万m3为步长，分析1800万、2800万、3800万、4800万m34种初始蓄水量对抽水蓄能电站运行调度方式的影响。

3.2.3 结果分析

（1）规模配比对多能互补系统的影响。

两方案中，方案一多能互补系统整体规模较小，抽水蓄能电站比重相对较大，配比达到1：0.36。经抽水蓄能调度后，不同库容时，系统出力与负荷曲线偏差的均方差在38.96～58.95，原间歇性可再生能源出力与负荷曲线偏差的均方差为110.24。经抽水蓄能调度平滑后，与需求过程的偏差占原水平的35%～53%。方案二，多能互补系统整体规模增倍，间歇性可再生能源出力与需求偏差的均方差增倍，为220.48。但是，抽水蓄能规模不变，配比为1：0.18。经调节后，多能互补系统出力与需求偏差的均方差在114.25～122.14，达到原水平的52%～55%。随着抽水蓄能电站规模比重减小，多能互补系统的调节性将大幅减小。

（2）初始库容对多能互补系统的影响。

本案例通过优化算法实现一个计算周期内上下水库蓄水量回归初始状态，便于进行下一个周期接续计算。通过比较1800万、2800万、3800万、4800万m34种初始蓄水量相应综合出力，发现当抽水蓄能在多能互补系统占比较大时，上水库初始蓄水量处于上下水库总水量平均状态3800万m3时，优化调度的综合出力效果优于其他工况。该状态在抽水和发电两方面均具有较大空间，且优化计算不易陷入局部最优。

随着多能互补系统规模增大，抽水蓄能占比相对减小，为了配合新能源、充分发挥调节作用，抽水蓄能经常需要启动全发全抽模式，因此方案二的日内和全周期消落深度均增大。由于本案例全周期总发电量28050万kWh，负荷曲线总需求电量27692万kWh，且间歇性可再生能源供给波动较大、尖峰突出。通过上水库蓄水量变化可见，水量多次接近上限，但基本不探底。因此，抽水蓄能在该过程中以抽水储能工况更为显著。由此，上水库储能较小、抽水空间较大的方案如初始蓄水量1800万m3时，效果更好。

（3）抽水蓄能运行方式。

服务于电力系统的抽水蓄能电站，通常在白天负荷高峰发电、夜晚负荷低谷抽水。但是，与间歇性可再生能源配合，尤其与光伏配套运行的抽水蓄能电站，主要在光伏大出力的白天9：00～16：00抽水储能，其他时段发电。该方式不同于传统运营，有待出台针对多能互补系统的综合电价体系。

表2 规模配比和初始库容对多能互补系统影响Table 2 Effect by scale matching ratio and initial water storage

图1 多能互补系统出力情况Figure 1 Output of hybrid system

图2 多能互补系统库容变化情况Figure 2 Variation of water storage of hybrid system

图3 多能互补系统抽水发电情况Figure 3 Working state of pumped-storage station in the hybrid system

4 结论建议

（1）本文梳理了抽水蓄能与风电、光伏等间歇性可再生能源多能互补系统的研究进展，按照归一化处理方法，建立了以多能互补系统综合出力与负荷需求偏差最小为目标函数，考虑上下水库库容约束、抽水发电功率约束、抽水发电工况约束、抽水发电效率转换、抽发平衡、水量平衡等因素，可以通过抽水蓄能上、下水库蓄水量变化，调节多能互补系统出力过程的优化模型。

（2）本文基于优化算法建立整型非线性规划优化模型，以西北某光伏、风电清洁能源基地出力过程配套180万kW抽水蓄能电站构造算例，分析规模配比和初始蓄能量对多能互补系统出力效果的影响。

（3）研究发现，通过抽水蓄能调节，综合出力与需求偏差的均方差可减小50%左右。随着抽水蓄能比重的减小，多能互补系统的可调性相应减少。抽水蓄能在多能互补系统占比较大时，初始蓄水量处于平均状态较优。抽水蓄能占比相对较小时，根据间歇性可再生能源的调峰储能需求，以储能为主时，上水库初始蓄水量较小更优。

（4）相对于服务电力系统负荷需求的常规抽水蓄能电站，与间歇性可再生能源配套的抽水蓄能电站，尤其在光伏白天大出力时采取抽水工况，有别于传统方式，有待出台考虑多能互补一体化运营的综合电价政策。