風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型

盛四清，孫曉霞

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定 071003）

風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型

盛四清，孫曉霞

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定 071003）

風(fēng)電出力具有波動(dòng)性和反調(diào)峰特性。一方面，風(fēng)電出力的隨機(jī)性波動(dòng)使得電網(wǎng)的安全性和可靠性受到挑戰(zhàn)，另一方面，風(fēng)電出力曲線與負(fù)荷曲線并不匹配，電力市場(chǎng)環(huán)境下峰谷電價(jià)實(shí)施后，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性受到?jīng)_擊。從風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的角度出發(fā)，將風(fēng)電場(chǎng)和抽水蓄能電站聯(lián)合調(diào)度，建立了風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益最大和風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動(dòng)方差最小的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。建模計(jì)及抽水蓄能電站的啟停成本，模型求解中采用歸一化的多目標(biāo)處理策略。通過(guò)與風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)運(yùn)行的結(jié)果對(duì)比進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證了抽水蓄能電站在提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效益以及風(fēng)電接入能力方面的優(yōu)勢(shì)，也證明了該多目標(biāo)模型的可行性和有效性。

風(fēng)電場(chǎng)；抽水蓄能電站；聯(lián)合運(yùn)行效益；風(fēng)電消納

風(fēng)電出力具有波動(dòng)性和反調(diào)峰特性。風(fēng)電容量較大時(shí)，若不加限制地全額消納，可能會(huì)由于某一時(shí)段風(fēng)電的劇烈波動(dòng)而危及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全[1-2]。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，可以通過(guò)人為設(shè)置風(fēng)電入網(wǎng)上下限，限制其入網(wǎng)功率，這樣會(huì)產(chǎn)生大量棄風(fēng)，浪費(fèi)寶貴的風(fēng)能資源[3]。由于受到氣象、氣壓等環(huán)境因素的影響，風(fēng)電出力曲線與負(fù)荷曲線明顯不匹配。風(fēng)電出力高峰往往集中在夜間時(shí)段，也即負(fù)荷的低谷期；負(fù)荷高峰時(shí)，風(fēng)電出力則又放緩。隨著電力市場(chǎng)環(huán)境下峰谷電價(jià)的實(shí)施，風(fēng)電場(chǎng)又面臨著“高峰電價(jià)發(fā)電少，高峰出力電價(jià)低”的尷尬，使得原本低投入、低運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)不再明顯。

如何最大限度地消納風(fēng)電而又不對(duì)系統(tǒng)造成影響，同時(shí)兼顧風(fēng)電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性成為風(fēng)電研究的熱點(diǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決這一問(wèn)題的有效手段[4-5]。抽水蓄能電站因其啟動(dòng)迅速、靈活可靠的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)階段應(yīng)用最多。文獻(xiàn)[6]以最大化風(fēng)水電聯(lián)合運(yùn)行效益為目標(biāo)，提出了將概率遍歷搜索和局部彈性搜索相結(jié)合的混合遺傳算法進(jìn)行仿真分析，目標(biāo)函數(shù)略顯簡(jiǎn)單；文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上，增加了平滑風(fēng)蓄聯(lián)合出力的目標(biāo)函數(shù)，不足之處在于沒有考慮抽水蓄能電站的運(yùn)行成本；文獻(xiàn)[8]以風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的效益最大為目標(biāo)，考慮抽水蓄能機(jī)組啟停成本和偏離計(jì)劃出力的懲罰，思路值得借鑒；文獻(xiàn)[9]在電量效益、運(yùn)行效益以及調(diào)峰效益等方面研究了風(fēng)電抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效益，具有較好的啟發(fā)性。

上述文獻(xiàn)研究大多集中在提高風(fēng)電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性上，在提高風(fēng)電接納能力的效果上缺乏一定的說(shuō)服力。針對(duì)上述風(fēng)電的兩個(gè)特點(diǎn)，本文在提高風(fēng)電運(yùn)行效益和風(fēng)電接入能力方面進(jìn)行了有益嘗試。從風(fēng)電場(chǎng)的角度出發(fā)，將風(fēng)電和抽水蓄能電站聯(lián)合調(diào)度，利用其抽蓄功能，將風(fēng)電出力時(shí)空平移，建立了最大化風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益、最小化風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動(dòng)方差的多目標(biāo)優(yōu)化模型，其優(yōu)化結(jié)果也證明了本文所建模型的可行性和有效性。

1 風(fēng)電-抽水蓄能電站聯(lián)合優(yōu)化模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

引入抽水蓄能電站后，利用其抽蓄功能，可將低谷電價(jià)的風(fēng)電儲(chǔ)存起來(lái)，到高峰電價(jià)時(shí)發(fā)出，從而使風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。由于抽水蓄能電站實(shí)際啟停中存在成本，模型計(jì)及啟停費(fèi)用的影響；考慮到電網(wǎng)的接受能力，為了使風(fēng)蓄聯(lián)合入網(wǎng)功率更加平滑，引入風(fēng)蓄聯(lián)合輸出功率方差最小作為第2個(gè)目標(biāo)函數(shù)。風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

式中：f1為風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益；f2為風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)風(fēng)蓄聯(lián)合輸出功率的波動(dòng)方差；T為整個(gè)調(diào)度周期；ct為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的峰谷電價(jià)；Pwh,t為t時(shí)刻風(fēng)蓄聯(lián)合出力；ch為抽水蓄能電站的啟停單個(gè)機(jī)組的費(fèi)用；nt為抽水蓄能電站t時(shí)刻開啟/關(guān)閉的機(jī)組臺(tái)數(shù)；Pwh,av為風(fēng)蓄聯(lián)合出力的平均值。

風(fēng)蓄聯(lián)合出力可表示為

式中：Pw,t為t時(shí)刻風(fēng)電出力；Ph,t為t時(shí)刻抽水蓄能電站的出力。

抽水蓄能電站的啟停單個(gè)機(jī)組的費(fèi)用為

式中：cf和cc分別為開啟單個(gè)機(jī)組發(fā)電和抽水的費(fèi)用。

1.2 約束條件

（1）抽水蓄能電站上、下庫(kù)容約束可以表示為

庫(kù)容變化量約束可分為以下兩種情況表示。

①當(dāng)Ph,t＞0時(shí)，上、下水庫(kù)的庫(kù)容變化量分別為

②當(dāng)Ph,t＜0時(shí)，上、下水庫(kù)的庫(kù)容變化量分別為

式中：η1和η2分別為抽水蓄能電站的抽水和發(fā)電效率。

（2）抽水蓄能電站始、末庫(kù)容約束可以表示為

（3）抽水蓄能電站的功率約束可表示為

式中：Pfmin和Pfmax分別為抽水蓄能電站單臺(tái)機(jī)組發(fā)電的最小最大出力；Pcmin和Pcmax分別為抽水蓄能電站單臺(tái)機(jī)組抽水的最小、最大出力；nh,t為抽水蓄能電站t時(shí)刻運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)，可表示為

（4）抽水蓄能電站機(jī)組個(gè)數(shù)的約束可以表示為

式中：N為抽水蓄能電站全部可逆式機(jī)組的個(gè)數(shù)。

1.3 多目標(biāo)處理策略

本文在考慮最大化風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益的基礎(chǔ)上，引入最小化風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動(dòng)方差的限制，使得單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)閺?fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。考慮到數(shù)量級(jí)以及量綱之間的差異，不能采用簡(jiǎn)單的加權(quán)求和來(lái)解算。為了評(píng)價(jià)引入抽水蓄能電站后對(duì)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性以及風(fēng)電接入能力的影響，可將風(fēng)電單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和入網(wǎng)功率波動(dòng)方差作為衡量基準(zhǔn)，將兩個(gè)子目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一做歸一化處理，則原來(lái)的多目標(biāo)函數(shù)可表示為

利用上述的多目標(biāo)處理策略，可將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)進(jìn)行求解，據(jù)此可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的粒子群算法程序進(jìn)行編程求解。

2 算例分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證模型的有效性，現(xiàn)對(duì)某風(fēng)蓄聯(lián)合體組成的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解。調(diào)度周期為24 h。風(fēng)電預(yù)測(cè)出力見文獻(xiàn)[10]。抽水蓄能電站的基本參數(shù)參考文獻(xiàn)[7-8]給出，部分參數(shù)如表1所示。風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)見文獻(xiàn)[9]。

表1 抽水蓄能電站參數(shù)Tab.1 Parameters of pumped-storage plant

2.2 結(jié)果分析

2.1.1 風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的優(yōu)化結(jié)果

若風(fēng)電全額入網(wǎng)，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效益為1.932×106元，風(fēng)電入網(wǎng)功率波動(dòng)方差為2 869。此結(jié)果可以作為風(fēng)蓄聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的基準(zhǔn)值。

2.2.2 風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的優(yōu)化結(jié)果

當(dāng)風(fēng)電和抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，利用抽水蓄能電站的抽蓄功能，將風(fēng)電出力時(shí)空平移，此時(shí)的優(yōu)化結(jié)果如圖1所示。將其優(yōu)化結(jié)果與風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

分析上述數(shù)據(jù)可知：

（1）當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電入網(wǎng)功率波動(dòng)劇烈，最大峰谷差可達(dá)190 MW，且在07∶00—11∶00高峰電價(jià)時(shí)段以及11∶00—15∶00中峰電價(jià)時(shí)段風(fēng)電出力較少，顯然運(yùn)行效益不高。

（2）引入抽水蓄能電站后，風(fēng)蓄聯(lián)合入網(wǎng)功率的波動(dòng)幅度有了明顯改善，聯(lián)合功率波動(dòng)方差僅為風(fēng)電單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的18.7%，最大峰谷差僅為風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的44.7%，且在07∶00—11∶00，17∶00—21∶00等高峰電價(jià)時(shí)段，風(fēng)電出力較大，運(yùn)行效益明顯提高。

單目標(biāo)與多目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如表3所示，單目標(biāo)方案的優(yōu)化結(jié)果見圖2。

圖1 風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的優(yōu)化結(jié)果Fig.1 Optimal results of combined operation

表2 風(fēng)電單獨(dú)運(yùn)行與風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Tab.2 Optimal results between wind power and combined operation

表3 不同方案結(jié)果對(duì)比Tab.3 Optimal results among different plans

圖2 單目標(biāo)方案優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Optimal results of single-objective plan

分析上述數(shù)據(jù)可以看出，如果僅以單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)以風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益最大為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，顯然收益最大，此時(shí)風(fēng)蓄聯(lián)合出力集中在高峰以及中峰電價(jià)時(shí)段，低谷電價(jià)時(shí)段聯(lián)合出力較少，使得整個(gè)調(diào)度時(shí)段風(fēng)蓄聯(lián)合出力的波動(dòng)也更劇烈；當(dāng)以風(fēng)蓄聯(lián)合出力方差最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，由于抽水蓄能電站的容量較大，可基本平抑風(fēng)電出力波動(dòng)，聯(lián)合出力方差可為0，但此時(shí)各時(shí)段出力相同，運(yùn)行效益明顯減少。由表3的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果可以看出，各個(gè)目標(biāo)均做出了一定讓步，取得了整體效益最優(yōu)的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效益以及風(fēng)電接入能力的角度出發(fā)，利用抽水蓄能電站的抽蓄功能，將風(fēng)電出力時(shí)空平移，在最大化風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行效益以及最小化風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動(dòng)方差兩方面進(jìn)行權(quán)衡。算例分析驗(yàn)證了抽水蓄能電站在提高風(fēng)電運(yùn)行效益以及風(fēng)電接入能力方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也證明了該多目標(biāo)模型的可行性和有效性。

[1]和萍，文福栓，薛禹勝，等（He Ping，Wen Fushuan，Xue Yusheng，et al）.風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響述評(píng)（Survey on impact of wind power on small signal stability in power system）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（1）：1-7，38．

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Operational Optimization Model for Combined Operation of Wind Power and Pumped-storage Plant

SHENG Siqing，SUN Xiaoxia
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Wind power has the characteristics of volatility and anti-load.On the one hand，the safety and reliability of power grid are challenged due to the volatility of wind power.On the other hand，the output curve and load cruve of wind power do not match，and the economic operation of wind farm is impacted after the implementation of peak valley price in the opwer market.In this paper，wind farm and pumped-storage plant are dispatched together in the perspective of wind farm.A multi-objective optimization model is built，which considers maximum benefit and the minimum fluctua?tion variance of combined operation.Start-stop cost of pumped-storage plant is taken into account in this model，and normalized multi-objective processing strategy is employed.Through the comparison with wind power alone，it is veri?fied that pumped-storage plant can improve the efficiency of wind power and it has the advantage of wind power integra?tion，showing the feasibility and effectiveness of the multi-objective model.

wind power plant；pumped-storage plant；combined operation benefit；wind power integration

TM 73

A

1003-8930（2016）11-0100-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.017

2014-08-29；

2016-04-26

盛四清（1965—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與控制。Email：hdbdssq@163.com

孫曉霞（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與控制。Email：sunxiaoxia520@126.com