風電-抽水蓄能聯合跨區域送電研究

楊 昱，趙小棚

（1.鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450006；2.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

為了緩解風電的波動性與隨機性對電網的危害，目前常用的技術手段是利用可控電源與風電打捆并網。抽水蓄能電站作為現存的容量最大、技術非常成熟的并網儲能裝置，它不僅具有傳統水電機組啟停迅速、清潔無污染的優點，還可以作為一種特殊的蓄電池，是目前輔助風電并網的絕佳電源。

近年來，關于風電-抽水蓄能聯合運行的研究有很多，馬實一等人基于風光互補特性構建了風-光-抽蓄聯合運行系統，并提出了一種可再生能源參與電力市場競爭的策略。盛四清等人在電力市場環境下，建立了風-蓄聯合運行效益最大和風蓄聯合出力波動方差最小的多目標優化調度模型，Hozouri 等人提出了一個多目標優化框架，目的是正確處理棄風成本、社會總成本和抽蓄機組運行效益，然而很少涉及跨區域送電，同時抽水蓄能電站僅僅用來緩解風電的隨機性，而很少考慮風電的反調峰特性。

1 研究方法

1.1 風力發電不確定性建模

假設各時段的預測誤差相互獨立，采用核密度估計各時段的風電預測誤差分布，采用高斯逼近法對帶寬進行估計，利用各時段的歷史數據建立樣本集，估計風電預測誤差的概率密度函數和累積密度函數。

1.2 目標函數

為了使風電-抽蓄系統的輸電方案更容易被受端電網接受，文章以剩余負荷峰谷差最小為目標函數。顯然，該模型是一個多目標優化問題，常用的方法是通過加權方法將多個目標組合成一個等效目標。變換后的目標函數式如下：

式中：K為受端電網個數；為電網k 的歸一化峰谷差；為電網最大原始負荷k，MW；為第k個目標函數（受端電網權重k）的加權系數。為保證所有受端電網有均等的機會減小峰谷差，設=1/K。

1.3 約束條件

1.3.1 水力約束

1.3.1.1 水量平衡約束

水量平衡約束函數式：

1.3.1.2 水庫庫容限制

水庫庫容限制函數式：

1.3.2 機組約束

1.3.2.1 機組出力約束

機組出力約束函數式：

1.3.2.2 機組發電/抽水流量約束

機組發電/抽水流量約束函數式：

其他如機組發電/抽水凈水頭約束、水輪機動力特性、水泵動力特性、機組運行狀態約束、風電-抽蓄系統功率約束、輸電線路傳輸功率約束等函數式不再贅述。

2 模型求解

所建立的模型包括最小-最大形式目標函數、隨機約束、非線性約束，不容易直接求解。其中，非線性水力約束和機組運行狀態約束的線性化方法見參考文獻。利用上述確定性轉換和線性化技術，可以構建風電-抽蓄跨區域聯合送電的確定性MILP模型。然后采用商業求解器Lingo進行求解。

3 應用實例

3.1 工程背景

文章選取西部地區某省級電網A 的風電場和抽水蓄能電站（其裝機容量分別為2000 MW 和1344 MW）作為風電-抽蓄聯合體，通過特高壓向B 省網和C 省網跨區域送電，以驗證模型的有效性。在實例中，設置信水平為0.95。圖1給出了夏季典型日的風電預測和實際出力，以及置信水平為0.95時實際功率的上下限。可以看出，實際風電功率在預測范圍內，驗證了該方法對風電出力不確定性處理的準確性。

圖1 風電預測功率、實際功率及其上下限圖

為驗證模型的有效性和魯棒性，給出了負荷需求特征和風電出力差異較大的夏季典型日運行結果。

3.2 結果分析

風電-抽蓄系統聯合運行優化結果如圖2所示。需要注意的是，由于剩余負荷是一個區間的形式，所以峰谷差也是一個區間。通過風電-抽蓄聯合體送電后，省網B剩余負荷的峰值有所降低，峰谷差差別不大甚至略微增大，但是省網C的峰谷差下降明顯。省網B調峰效果不理想的原因是，與省網C相比，省網B的負荷峰值時間較長，負荷量級相對較大，連續7個時間段均維持在較大值，因此，省網C 的負載峰值更容易降低。根據風電-抽蓄系統與各受端電網簽訂的電力協議，風電-抽蓄系統在高峰時段向省網C傳輸更多的電力，在低谷時段向省網B傳輸更多的電力，如圖2所示，以使兩電網之間的總峰谷差最小，因此在大規模消納風電時，略微增大省網B的峰谷差，顯著減小省網C是可以接受的。與單純風電輸電結果相比，由于風電具有較強的抗調峰特性，所建立的模型在調峰、調峰谷差和剩余負荷平滑性方面均有較好的表現。因此，風電-抽蓄聯合運行是非常必要的。

圖2 聯合體送電后各受端電網剩余負荷曲線圖

優化后的發電和送電計劃見圖3。

圖3 優化后發電和送電計劃圖

4 結論

文章針對大規模風電的消納問題，以風電場——抽水蓄能電站系統作為研究對象，對聯合體跨區域送電開展研究。提出了一種基于MILP 的風電-抽蓄聯合跨區域送電的多電網調峰模型，目的在于大規模消納風電的同時，降低受端電網的削峰壓力。并通過我國西部某省的風電場與抽水蓄能電站的聯合調度進行實際驗證，聯合體能夠有效緩解受端電網的調峰壓力。文章研究成果將為聯合體調度人員提供有效的參考，并為未來跨區域輸電中電力公司與受端電網之間簽訂的電力協議提供有效的參考。