水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型文獻(xiàn)綜述

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0.引言

隨著全球氣候變暖形勢日趨嚴(yán)峻，大力發(fā)展清潔能源，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的低碳、可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)前國際社會的重要議題。水電作為當(dāng)前技術(shù)條件最成熟、已開發(fā)規(guī)模最大的清潔能源，具有啟停迅速、調(diào)控靈活、成本低廉等特點，能夠在電力系統(tǒng)運行中產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

我國西南地區(qū)水能資源較為豐富，經(jīng)過多年的發(fā)展建設(shè)，逐步形成了特大流域及干流水電站群占據(jù)主導(dǎo)地位的特殊高比例水電電力系統(tǒng)。水電作為主要電源的電力系統(tǒng)，由于水庫蓄水量有限，當(dāng)前的運行決策會對系統(tǒng)未來的運行成本造成影響，其運行優(yōu)化問題在時間上是耦合的；水能的梯級開發(fā)使得上下游電站之間的水文聯(lián)系較為緊密，上游電站的生產(chǎn)決策會對下游電站產(chǎn)生較大的影響；客觀上水文現(xiàn)象具有隨機性，水電站入流情況難以準(zhǔn)確預(yù)估，運行優(yōu)化問題本質(zhì)上屬于隨機優(yōu)化問題；水電機組的尾水位—泄流量曲線、庫容—水位曲線，火電燃料成本曲線等均具有非線性特性，進(jìn)一步增大了問題的求解難度。上述特點使得高比例水電電力系統(tǒng)的運行優(yōu)化問題成為一個典型的非線性、多階段、高維復(fù)雜的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題。因此，開展實用化的水火電系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究，對于發(fā)揮水電經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益、降低系統(tǒng)運行成本、確保國民經(jīng)濟(jì)低碳高效發(fā)展意義重大。

1.水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型文獻(xiàn)綜述

國內(nèi)外學(xué)者針對水火電系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題展開了大量、深入的研究，獲得了豐碩的研究成果。按照時間尺度劃分，水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度可分為中長期優(yōu)化調(diào)度及短期優(yōu)化調(diào)度，時間尺度的選擇一般要與系統(tǒng)中水電的調(diào)節(jié)能力相匹配[1]。中長期調(diào)度一般以年(多年)為優(yōu)化周期，以月(多日)為步長，在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求及水火電運行約束的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)發(fā)電成本最低為目標(biāo)，統(tǒng)籌系統(tǒng)內(nèi)各類電源的發(fā)電計劃[2]；短期調(diào)度一般以日為優(yōu)化周期，以小時為步長，進(jìn)一步考慮火電機組組合、水庫間水流時滯等因素進(jìn)行更為精細(xì)化的調(diào)度計算[3]。除單時間尺度上的優(yōu)化建模外，部分學(xué)者針對多時間尺度耦合優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究[4-7]，通常采用大尺度約束小尺度，以各層調(diào)度模型調(diào)度時段水庫期末庫容邊界條件，通過變量實現(xiàn)不同尺度間的耦合，但耦合約束過于剛性，不能考慮約束條件的動態(tài)變化，在實際應(yīng)用中受到一定的限制。

常規(guī)的水火電優(yōu)化調(diào)度問題一般以系統(tǒng)發(fā)電成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，通常包括火電燃料成本、啟停成本、系統(tǒng)失負(fù)荷損失、水電機組運維成本等[8-10]，也有學(xué)者圍繞系統(tǒng)能耗指標(biāo)，以系統(tǒng)總煤耗量最小為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型[11-12]。隨著近年來全球氣候變暖形勢日趨嚴(yán)峻，部分學(xué)者針對基于環(huán)境效益指標(biāo)的節(jié)能發(fā)電調(diào)度或多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型展開研究[13-14]。也有部分文獻(xiàn)采用水電發(fā)電量最大、水電最小出力最大[15]、水電短期調(diào)峰電量最大[13]等作為水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題的優(yōu)化目標(biāo)，但以水電效益最優(yōu)的優(yōu)化模型難以保障電網(wǎng)整體效益最優(yōu)，也不利于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題主要考慮系統(tǒng)電力電量平衡約束、水電站庫容平衡約束、庫容上下限約束、下泄流量上下限約束、水位—庫容關(guān)系、尾水位—泄流量關(guān)系、火電出力上下限約束等建立優(yōu)化模型。隨著問題理論研究的發(fā)展和工程應(yīng)用的深入，眾多專家學(xué)者從不同角度構(gòu)建了多種模型。有學(xué)者針對不同電源裝機場景下的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題展開研究，包括風(fēng)水火[11]、抽蓄水火[16]、光水火[17]等多電源混合電力系統(tǒng)，引入不同類型電源的發(fā)電生產(chǎn)特性；有學(xué)者綜合考慮電力系統(tǒng)實際運行中的約束條件，如中長期優(yōu)化考慮機組檢修計劃約束、火電燃料計劃約束[11]，短期優(yōu)化考慮上下游水電站間水流時滯性問題[18]、水電機組的不連續(xù)出力區(qū)間問題[19]等；有學(xué)者重點研究了水火電優(yōu)化調(diào)度中的潮流約束問題，為網(wǎng)絡(luò)施加直流潮流約束[19]、交流潮流約束[12]等；也有學(xué)者研究了綜合利用水庫的興利調(diào)度問題，在模型中引入航運、漁業(yè)、灌溉等用水約束[20]。

按照模型構(gòu)建過程中是否考慮徑流隨機性，優(yōu)化模型可分為確定性規(guī)劃及隨機規(guī)劃[13]。確定性規(guī)劃模型根據(jù)給定的徑流預(yù)報或已知的歷史場景進(jìn)行調(diào)度計算，問題考慮的模型約束條件較全面、求解規(guī)模相對較大、求解效率也較高[21-23]，但模型未考慮徑流的隨機特性，在水電占比較高電力系統(tǒng)或徑流預(yù)報精度較低的中長期優(yōu)化調(diào)度中可能導(dǎo)致較大的誤差，調(diào)度方案的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性均相對較差；隨機規(guī)劃主要基于期望值模型、場景法、機會約束模型等優(yōu)化方法[24-26]，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)生成徑流預(yù)報或描述其統(tǒng)計學(xué)特征，將徑流的隨機特性引入優(yōu)化過程。期望值模型要求滿足期望約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)的期望值達(dá)到最優(yōu)[11,27-28]，通常采用模擬法、近似法、解析法等進(jìn)行求解[29]；場景法根據(jù)隨機變量的概率分布生成大量的采樣場景[30-32]，采樣過程可能導(dǎo)致優(yōu)化計算耗時較長，而目前的場景縮減技術(shù)尚存在典型場景判定困難等問題[29]；機會約束模型允許決策在一定程度上不滿足約束條件，而是要求約束條件成立的概率滿足一定的置信水平[33]，但模型求解困難，導(dǎo)致應(yīng)用受限[34-35]。

水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題的建模及求解方法主要分為經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度法和現(xiàn)代數(shù)學(xué)優(yōu)化法。其中，以等耗量微增率為基礎(chǔ)的經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度法引入水煤轉(zhuǎn)化系數(shù)，表示水電廠單位水量代替的煤耗量，物理含義較為清晰，但是經(jīng)典法在解決含有梯級水電站、考慮變水頭等情況下的復(fù)雜優(yōu)化調(diào)度問題時，其協(xié)調(diào)方程難以直接求解[36]；現(xiàn)代數(shù)學(xué)優(yōu)化法包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等，線性規(guī)劃算法簡單、求解速度快，能夠高效處理大規(guī)模系統(tǒng)優(yōu)化問題，但應(yīng)用上需要對原問題進(jìn)行線性化處理，在問題描述、求解精度上可能存在一定的偏差；非線性規(guī)劃能夠相對準(zhǔn)確地描述帶有非線性關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，但計算量大、求解效率低，容易陷入局部最優(yōu)，難以保證獲得全局最優(yōu)解；動態(tài)規(guī)劃利用最優(yōu)化原理求解多階段決策問題，并且不受問題數(shù)學(xué)特性限制，能夠求解非凸、非線性、離散問題，廣泛應(yīng)用于水庫調(diào)度問題中，但是動態(tài)規(guī)劃法一般選取離散的水庫期末庫容為狀態(tài)變量，在求解大規(guī)模、多階段的水電優(yōu)化調(diào)度問題時容易發(fā)生維數(shù)災(zāi)難。

2.結(jié)語

本文對水火電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。在時間尺度方面，優(yōu)化調(diào)度模型可分為中長期優(yōu)化與短期優(yōu)化兩個層次；在模型構(gòu)造方面，一般以系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)電力電量平衡約束、水電庫容平衡約束等；在入流隨機性的考慮方面，可分為確定性規(guī)劃及隨機規(guī)劃；在模型求解方法方面，分為經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度法和現(xiàn)代數(shù)學(xué)優(yōu)化法。

對于我國云南省、四川省等水電富集型電力系統(tǒng)，水電占比高、年/多年調(diào)節(jié)性水庫眾多、電站間水文聯(lián)系密切，亟需研究適配大水電多年調(diào)節(jié)周期、具有合理建模精度及較高可計算性的水火電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，從而實現(xiàn)全系統(tǒng)水火電資源的優(yōu)化配置，提高清潔能源利用率。通過系統(tǒng)總結(jié)梳理國內(nèi)外水火電聯(lián)合優(yōu)化模型的研究現(xiàn)狀，可為我國設(shè)計并實施具有實用價值的水火電優(yōu)化調(diào)度模型奠定基礎(chǔ)。