對風電-抽水蓄能聯合日運行優化調度模型的分析

馬正杰 樊遠冬

摘要：我國關于風電與抽水蓄能聯合運行模式的研究起步較晚，目前處于快速發展階段，國外相對來說在這方面的研究較多。風能是可再生能源，利用其發電在減少燃料消耗的同時也減少了對環境的污染。但是風能發電存在許多問題，例如上升的風電穿透率會影響電網安全。風電并網存在間歇性、波動性、反調峰等特性，由此產生的電壓波動和頻率波動等問題會對系統穩定運行及電能質量產生不利影響。因此，研究風電并網后的優化調度對于解決上述問題具有重要的意義。隨著電網容量和規模的不斷擴大，對優質調峰電源的比重需求有所增加，例如現階段成熟先進的抽水蓄能技術。抽水蓄能電站啟停迅速，運行方式切換靈活，可彌補風電反調峰特性，提高了電網運行經濟性。

關鍵詞：風電;抽水蓄能;聯合運行;優化調度模型

引言

風力發電輸出的功率具有間歇性、隨機變化性、不確定性、難以預測性和波動性等特性。針對以上問題，通過建立抽水蓄能與風電的聯合運行模型來解決聯合運行的效益最優的問題。仿真結果表明，通過抽水蓄能電站與風電的聯合運行，能夠解決風電場單獨運行時的不穩定和不能儲能的問題，而且能夠提高發電效益，有益于風電事業的發展。

1風電與抽水蓄能聯合運行原理

1.1抽水蓄能的工作原理

抽水蓄能電站的原理就是一個能量轉化的過程，在電網負荷低谷時，將水從下水庫通過壓力水管輸送到上水庫貯存起來，在電網用電高峰期，再將儲存在上水庫的水放出來，用來發電，以滿足所需求的供電量，就這樣循環往復地工作。

1.2聯合運行的意義

風是由于太陽輻射到地球而引起的自然現象。風能是廉價的清潔的可再生能源。隨著科技的進步、人類的發展，人們對能源的需求量急劇升高，不可再生能源例如化石能源等越來越不能滿足人類需求而且對環境污染嚴重，所以人們對于清潔可再生的能源極為需求。風能不會污染環境，而且地球上的風能蘊藏量也很大，所以風能的開發利用應運而生，隨著研究的不斷深入發展，風能已經被大規模地開發利用。而且近年來風電裝機容量急劇升高，很多的國家都出臺相對的政策來開發利用風能以代替其他的不可再生能源，但是隨著對風能需求量以及開發量的增多，風能的劣勢也逐漸體現了出來。人們認識到自然風會受到很多條件的制約，而且風力發電受到的制約更大，例如風的強度和方向、氣候、溫度、天氣以及風電場所處的地理位置等等，導致了風力發電的輸出功率具有間歇性、隨機變化性、不確定性、難以預測性和波動性等特點[11]，大大限制了對風能的開發利用，而且給風電的管理運營等造成了很多不便，還會帶來經濟上的損失和安全上的隱患。所以為了提高風力發電的可靠性，風能這些劣勢亟待解決。抽水蓄能電站是一種可再生能源，而且對環境效益有益，還能起到很好的調頻、調相、調峰等工作。對于風電的劣勢也能有很好的補充調節作用，因此需要抽水蓄能電站來配合風電場發電，提高其輸出功率的穩定性和連續性。

2風電-抽水蓄能優化運行模型

風力發電廠既與抽水蓄能機組相連，又與電網相連。此處，設并入電網的風電功率不超過系統負荷的20%。實線表示傳輸電能的導線，虛線表示實現信號傳輸的鏈路。本文不考慮電網的輸電瓶頸，即風力發電廠和抽水蓄能機組聯合系統的輸出功率為風力發電廠輸出功率和抽水蓄能機組輸出功率之和。本文以風電-抽水蓄能機組聯合系統發電成本最小為目標函數，發電成本包括常規機組發電成本和抽水蓄能機組啟停單價成本，如下所示

式中，T表示24時刻;M表示火電機組數量;ai、bi、ci表示火電機組運行成本的二次擬合系數;Pi，t表示火電機組出力;ui，t表示火電機組啟停狀態;1表示運行，0表示停運;Csu、Csd表示水泵啟/停成本;nsut、nsdt表示t時刻啟/停水泵機組臺數。

3仿真結果分析

有了目標函數，通過Matlab遺傳算法可以直接得出僅有風電場風力出力功率、水泵功率和水力發電功率在24h內的每1h功率的數值以及最后的總效益S的值（121540元/d），較只有風力發電場發電的收益（113340.379元/d），每天多了8199.612元，大大提高了風電場的收益，充分顯示出風電與抽水蓄能聯合運行的優勢。并且，按照以上的分析和公式，按照上文中所給數據，可以畫出聯合運行系統各部分輸出功率圖和聯合運行后系統輸出功率與僅有風電時風電場的輸出功率圖進行分析比較。在一天中：0：00～8：00市場的電價為540元/（MW·h），是低電價的時段，同為低電價的時段還有22：00～24：00，也是540元/（MW·h），而8：00～22：00，市場的電價為1038.4元/（MW·h），是高電價時段。在0：00～8：00和22：00～24：00的低電價時段中，如果風力過剩導致風力發電單獨發電都能產生過剩的電量來滿足發電的需求，即“供大于需”，此時需要將過剩的電量用來帶動水泵抽水（將水從下水庫抽到上水庫中），將電能轉化為抽水蓄能電站的重力勢能儲存起來，用以備用;當然，如果風量不足，導致風電場單獨發電所輸出的功率不能夠滿足市場所需發電功率時候，即“供不應求”，這時候就需要水利發電機來工作，將儲存在上水庫的水放出來發電，和風電場共同發電來滿足需求。而在高電價時段，在滿足電網上下限的情況下，則需要抽水蓄能電站盡可能地啟動來發電，這樣風電機組與抽水蓄能電站聯合運行來給電網提供發電，以使得其收益較大。聯合運行的輸出功率始終在電網限制的上下限波動，不會越限。而且當只有風力發電時候，發電輸出功率的波動非常大，有跳躍性波動。然而，風電與抽水蓄能電站聯合運行之后，輸出功率的波動性明顯降低，較為平滑的波動，這就說明了風電與抽水蓄能電站聯合運行之后，明顯地改善了風電場單獨供電所發生的時間和空間分配不均勻問題，使得輸出功率能夠在電網限制范圍內平滑波動，提高了經濟性和安全性。

結束語

本文通過需求響應使需求側資源參與優化調度，證明了基于實時電價的需求側資源與抽水蓄能電站的聯合協作有助于優化需求側負荷的分布。利用電力用戶對實時電價的響應降低了用戶側負荷峰谷差，使谷時刻風電消納能力有所提高，減少聯合系統發電成本，提高了風電-抽水蓄能聯合系統的經濟性。根據得出的最終收益可以得出以下結論：1）風電與抽水蓄能聯合運行之后的效益要遠遠大于單獨風電場發電帶來的效益，體現出了聯合運行的優越性。2）風電與抽水蓄能聯合運行解決了風電場單獨發電的“供大于需”和“供不應求”這兩個問題，優化了發電模式，提高了發電的質量。3）比較單獨的風力發電功率和風電與抽水蓄能聯合運行的發電功率，可以看出風電與抽水蓄能電站聯合運行之后，輸出功率的波動性明顯降低，波動比較平滑。明顯改善了單獨風力發電帶來的間歇性、隨機變化性、不確定性、難以預測性和波動性等安全性和經濟性等問題。

參考文獻

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