海水可變速抽水蓄能與風電聯合運行優化研究

歐陽晨曦 趙志高 李旭東 胡金弘 楊威嘉 楊建東

摘要：

海水可變速抽水蓄能是國內尚未應用的新技術，是消納海上風電、提高沿海及海島電力系統可靠性的新思路。以經濟效益最大化和輸出功率波動最小化為目標，提出考慮分時電價、變速機組運行特性的多層次約束條件，建立海水抽水蓄能與風電聯合系統運行優化模型；引入NSGA-Ⅱ算法結合罰函數求解；以廣東萬山群島微網系統為例，定量對比了含可變速和定速機組的海水抽水蓄能與風電聯合系統運行性能，闡明了可變速技術優勢。結果表明：在一個日調節周期內，相較于同容量下的常規抽水蓄能與風電聯合運行系統，可變速抽水蓄能與風電聯合運行系統可提高經濟效益4.16%，降低輸出功率波動12.10%，減小棄電量26.78%，提高風能利用率1.69%。研究成果對探尋適合中國沿海地區和海島的海水抽蓄系統發展模式具有借鑒意義。

關鍵詞：

海水抽水蓄能； 可變速機組； 風電； 經濟效益； 功率波動

中圖法分類號：TV743

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.011

文章編號：1006-0081（2023）05-0065-08

0 引 言

構建安全穩定、面向海洋應用的基于儲能與可再生能源聯合運行的區域電網是國家海洋戰略實施的重要能源保障。《“十四五”現代能源體系規劃》中提出，鼓勵建設海上風電基地，而海水抽水蓄能（簡稱“抽蓄”）電站作為新型儲能技術是解決海上風電消納問題的有效手段。從電站側角度看，隨著中國抽蓄電站爆發式發展，優質資源站點越來越少，與常規抽蓄電站相比，海水抽蓄電站具有無需修建下水庫、水資源豐富的優勢；從電網側角度看，隨著海上風電等新能源開發，配套建設海水抽蓄電站可優化電源結構，對沿海發達地區及能源匱乏海島地區構建安全、穩定、清潔的能源供應體系具有重要作用。

在海水抽蓄電站中引入可變速技術，可有效抑制海浪波動對機組穩定性的影響，并可提高功率響應的速動性和運行調節的靈活性［1］。日本是最早建設海水可變速抽蓄電站的國家，沖繩電站的真機運行驗證了海水抽蓄的安全性和可靠性［2］。國外學者就海水抽蓄已開展了大量研究，明確了海水抽蓄消納新能源的可行性及其發展前景，建立了有關抽蓄-風電聯合的系統模型，并提出了相關的優化運行策略［3-5］。其中，海水可變速抽蓄與海上風電聯合運行示意如圖1所示。從國內角度來看，國家能源局通過海水抽蓄資源站點普查，確定了238個開發站點，裝機總量達4 208萬kW，然而中國暫無已投運的可變速機組，海水抽蓄電站尚處于規劃階段，開展針對風光可再生能源消納的含可變速機組的海水抽蓄電站運行優化研究迫在眉睫。

針對常規抽蓄電站聯合風電運行的優化調度問題，前人已做過大量研究。可變速機組具有運行調節的速動性、高效性、靈活性等優勢，可彌補傳統抽蓄機組運行范圍窄、功率響應慢、加權效率低等缺點［6］。Yang等［7］通過建模仿真與性能評估分析了可變速機組平抑風電功率波動的優勢。DENG等［8］基于IEEE 14節點測試系統，評估了變速抽蓄電站抑制風電功率波動的調節性能。然而上述研究僅針對功率波動的單一目標開展，未考慮多目標之間的矛盾沖突。曹輝等［9］針對水風光多能互補系統，以新能源裝機規模最大、新能源及水電棄電量最小為目標，提出了一種適用于千萬千瓦級多能互補系統水風光資源互補規模的計算方法。武荷月等［10］提出了一種海上風電與可變速海水抽蓄電站聯合運行的多時間尺度優化調度方法，但該方法本質是通過制定彈性電價引導需求側資源響應，并未考慮可變速機組的運行特性。曹宇等［11］提出了海島風-光-海水抽蓄聯合發電系統的調度策略，實現了系統的容量配置優化。范劉洋等［12］提出了一種將海水抽蓄電站作為儲能設備，配合風電場、柴油機組運行的海島微網供電方案。曹敏健等［13］提出了含抽蓄電站與新能源發電的柔性直流系統日前優化調度方法，驗證了抽蓄平抑新能源出力波動的有效性。

然而，現有研究的局限性有兩點：① 從研究對象方面看，中國暫無已投運的海水可變速抽蓄電站，海水抽蓄與風電聯合運行研究既無工程經驗借鑒，又無實測數據積累，無法保證聯合運行策略的可靠性；② 從研究方法方面看，多集中在系統層面，研究目的側重在容量配置、運行成本、系統效益等，未考慮變速機組運行特性的關鍵約束，既無法體現可變速技術優勢，又無法協調聯合系統經濟效益與變速機組平抑風電波動之間的矛盾關系。

為此，本文以廣東省萬山群島周邊新能源系統為對象，優化分析不同風電、抽蓄容量配比場景下的海水抽蓄電站最佳裝機容量；基于所確定的裝機容量與可變速抽蓄機組動態特性物理模型實驗臺實測運行數據，建立可變速海水抽蓄與風電聯合運行優化模型，提出系統、電站、機組不同層面的約束條件，從經濟效益、輸出功率波動以及棄電量等方面量化可變速抽蓄機組與風電聯合運行的技術優勢，為海上風電等可再生能源消納提供新思路。

1 聯合系統運行優化模型

可變速抽蓄-風電聯合系統運行優化模型以經濟效益最大化和輸出功率波動最小化為目標函數，充分考慮變速機組運行特性作為關鍵約束，采用多目標優化算法協調目標函數之間的矛盾關系。

1.1 目標函數

（1） 目標函數1：聯合運行系統經濟效益最大化。

Max （F 1）=∑ni=1（C iP wi+C iP hi－C piP pi）△t（1）

式中： n 為計算區間，24 h； P wi為i時 段風電場輸送到電網的功率，MW； P hi為i時 段海水抽蓄電站水力發電輸送到電網的功率，MW； P pi為i時 段海水抽蓄電站抽水功率，MW； C i為i時 段的分時電價，元/（MW·h）； C pi為i時 段的抽蓄抽水電價，元/（MW·h）； △t 為計算時段長，h。

參考《廣東省電網企業代理購電實施方案（試行）》［14］與電力市場現狀，采用如表1所示的廣東省一般工商業代理購電用戶分時電價進行計算。本文在計算聯合運行系統經濟效益時，僅考慮了上網電價以及抽蓄抽水成本，并未考慮風電場與水電站建設成本以及年運行費等一系列生產成本，過于簡單化，因此如何在聯合運行系統經濟效益中體現相關生產成本是后續仍需研究的問題。

（4） 工況限制約束，抽蓄機組發電工況和抽水工況不能同時發生，即：

P pi×P hi=0（10）

式中： P h， max ，P h， min? 分別為海水抽蓄電站最大、最小發電功率，MW； P p， max ，P p， min? 分別為海水抽蓄電站最大、最小抽水功率，MW； E i為i 時段海水抽蓄電站儲能量，MW·h； E? max? 為海水抽蓄電站最大儲能量，MW·h； η h 為海水抽蓄電站發電工況效率； η p 為海水抽蓄電站抽水工況效率； △t 為各計算時段長，h。

1.2.3 可變速機組運行特性約束

可變速機組引入了“轉速調節”自由度，實現了運行工況點的靈活可控。相比定速機組，可變速機組具有運行范圍拓寬、最優效率追蹤和變速靈活入力調節的優勢。將變速機組運行特性量化為約束條件是聯合系統運行優化的關鍵。

本文基于中國唯一的海水抽蓄動態特性物理模型實驗平臺［15］（圖2），采集了變速機組在發電和抽水模式下運行實測數據，在發電工況下變速機組采用最優效率追蹤策略，不同出力工況下的最優效率由圖3的實測運行軌跡線插值求得。在水泵模式下出力變化與轉速變化的關系式如下：

P 1P 2=n 1n 23（11）

式中： n 1和n 2 為變速前后的機械轉速，r/min； P 1和P 2 為對應的機組功率，MW；實驗平臺變速范圍為±8%。根據實驗平臺的實測運行特性，定、變速運行的約束條件設置如表2所示。

1.3 模型求解

本文所建海水抽蓄與風電聯合運行系統，旨在權衡系統經濟效益和輸出功率波動之間的矛盾關系，屬于多目標優化問題。采用綜合優化性能較強的NSGA-Ⅱ算法［16-19］對所提模型進行求解，采用罰函數［20-23］方法，引入懲罰因子 M 1，M 2 對不符合約束條件的子代個體進行處理，保證結果的可靠性。模型求解流程如圖4所示。

2 算例分析

2.1 工程背景

以海水可變速抽蓄動態特性物理模型實驗臺的原型電站所在的廣東省萬山群島微網系統為例，對含可變速機組的海水抽蓄與海上風電聯合系統進行運行優化。該地區建有裝機容量為200 MW的海上風電場，主聯絡網傳輸功率上限為120 MW。根據當地電力規劃部門預測，將主聯絡網傳輸功率下限定為30 MW。海水抽蓄電站上水庫最大儲能電量約為300 MW·h，下水庫為海洋，儲能量為無窮大。為便于海水抽蓄電站調度運行，現設置上水庫初始蓄能量為調節庫容的30%，即90 MW·h。選取聯合運行系統典型日的海上風電（表3）作為本算例的風電預測出力。

2.2 方案設置

為確定合適的風電與海水抽蓄裝機容量配比，設置裝機容量為40，50，60 MW可變速海水抽蓄消納風電場景（各場景電站功率參數如表4所示）進行多目標優化求解，各場景Pareto前沿如圖5所示。從圖5分析可知，在不考慮工程造價的條件下，相較于場景2，場景1的發電、抽水限制在較低功率范圍，無法靈活地消納風電，會產生大量棄電以保證穩定的輸出功率，其經濟效益較差；而場景3則是因為抽水限制在較高功率范圍，當風電剩余量未達到36 MW時，該場景無法對風電的過剩電量進行存儲，同樣也會產生大量棄電，故在輸出功率波動相同情況下，場景3經濟效益較差。綜合對比可知，場景2具有更優解集，因此選擇50 MW裝機容量，開展定、變速海水抽蓄與風電聯合運行研究。

為了量化可變速抽蓄機組消納風電的技術優勢，在聯合系統中設置變速機組和定速機組兩種方案進行對比，除運行方式不同外，其余條件均保持一致：① 方案1為可變速海水抽蓄—風電聯合運行；② 方案2為定速海水抽蓄—風電聯合運行。

2.3 多目標優化

圖6為方案1與方案2的Pareto前沿對比，從圖6可知，聯合系統運行經濟效益與輸出功率平滑度成反比；對比方案2，方案1具有更優解集，即在相同經濟效益下，方案1的輸出功率波動更小；在相同輸出功率波動的情況下，方案1的經濟效益更大。相比定速機組，可變速機組具有更強的調節性能，既能有效平抑風電出力波動，又能提高聯合系統運行效益。

在兩組Pareto解集中分別選取最優方案進行分析，選取方法如下：

（1）集對解進行歸一化處理，即：

f F 1=F 1－F 1， min F 1， max －F 1， min ， f F 2=F 2－F 2， min F 2， max －F 2， min （12）

式中： f F 1，f F 2為歸一化后的目標值；F 1，F 2為方案對應的各目標函數值；F 1， min ，F 2， min? 為Pareto前沿各目標函數的最小值。

（2）將歸一化之后目標值的和作為標準，選取最小值為最優方案，即：

f? opti = min （f F 1+f F 2）（13）

2.4 定、變速運行對比分析

根據式（12）和（13）分別選取方案1與方案2的最優解，并代入聯合系統運行優化模型中，求得方案1與方案2的經濟效益、輸出功率波動與總棄電量如表5所示。相比方案2，方案1的總經濟效益增加5.33萬元（其中，風電效益增加6.43萬元、抽水成本減小0.56萬元），輸出功率波動減小1.14 MW，棄電量減小30.90 MW·h。方案1與方案2的效益成本比（Benefit-Cost Ratio，BCR）分別為27.34，23.54，BCR越大經濟效益越好，因此方案1經濟效益高于方案2，若以365 d估算，相較方案2，方案1將增加年收益1 945.45萬元，減小棄電量1.13×104 MW·h。根據國際可再生能源署（IRENA）發布的《2021年可再生能源發電成本》報告，2021年全球平均平準化度電成本（Levelized Cost of Energy，LCOE）為0.075美元/（kW·h），折合成人民幣約0.52元/（kW·h）；而根據全球風能理事會（GWEC）發布的《全球風能報告2022》，2021年中國海上風電新增裝機占全球新增海上風電裝機的80.02%。因此，為簡化計算，采用全球平均LCOE計算風電成本，即0.52元/（kW·h）。抽蓄平準化儲能成本（Levelized Cost of Storage，LCOS）以及儲能市場現狀［24-26］，取0.30元/kW·h。由風電LCOE和抽蓄LCOS大致估算計算方案的度電成本，估算結果如表5所示。

方案1與方案2的各電源輸出功率情況分別如圖7與圖8所示（水力發電功率為正，抽水儲能功率為負），方案1和方案2的系統輸出總功率對比如圖9。相較于方案2，方案1更充分地發揮了抽蓄機組的調節優勢、總經濟效益較大、輸出功率波動和棄電量較小。分析原因可知，方案2采用的定速機組，按照電站運行規范的發電運行范圍被限制在50%以上，抽水功率限定在額定功率50 MW不可調節，使得方案2的抽水只能發生在風電過剩較多（風電預測和風力發電功率差大于50 MW）的時段：00∶00～01∶00，11∶00～13∶00以及14∶00～16∶00，而在其他風電過剩情況下，由于達不到抽水功率，導致在01∶00～02∶00，08∶00～09∶00，10∶00～11∶00以及13∶00～14∶00的4個時段棄電量超過15 MW·h，分別為19.80，15.40，17.90 MW·h和20.60 MW·h；共有6個時段的棄電量超過10 MW·h。

相比方案2，方案1采用了變速抽蓄機組，發電運行范圍可拓寬至0～100%，發電效率更高，抽水功率亦可靈活調節，具有較強的風電消納能力。當風電短缺時，特別是在04∶00～07∶00和18∶00～24∶00風電供應處于低谷時段，通過靈活調節抽蓄機組出力進行電量補充，使得系統輸出功率曲線更加平滑（圖9）。在不同程度的風電過剩情況下，憑借變速抽蓄機組的入力調節能力將風電的過剩電量進行存儲，減少了棄電量。因此，方案1僅在01∶00～02∶00內產生棄電量超過15 MW·h，為19.40 MW·h；僅有3個時段的棄電量超過10 MW·h。

方案1和方案2的水庫蓄能對比如圖10所示。經計算，方案1和2上游水庫日儲能變化分別為167.77，203.02 MW·h，綜合效率分別為99.99%，99.89%；方案1水庫儲能變化最大發生在19∶00～20∶00，變化量為47.79 MW·h；方案2水庫儲能變化最大發生在20∶00～21∶00，變化量為53.09 MW·h。日儲能變化對應著水位變化，因此方案2水位日變化和單次變化均較大，其主要原因為：① 方案2的發電和抽水功率都限制在較高范圍內（發電輸出功率范圍50%～100%；抽水輸出功率限定在100%），單次發電或抽水的功率較大；② 由圖3可知，在相同出力下，方案2的發電效率低于方案1，這意味著相同發電量下，方案2的耗水量更高。較大的庫水位變化幅度會降低邊坡穩定［27-28］，因此變速機組有利于提高水庫安全性。

3 結 論

本文建立了兼顧經濟效益和送端出力波動的可變速海水抽蓄與風電聯合運行優化模型，基于海水抽蓄動態特性實驗臺實測運行數據，考慮系統、電站和機組多層面約束條件，以廣東省萬山群島海上風電系統為案例，對比分析了定速抽蓄機組和變速抽蓄機組與風電聯合運行的綜合性能，得到如下結論。

（1） 相較于定速抽蓄-風電聯合運行，可變速抽蓄-風電聯合運行充分發揮了抽蓄機組的調節優勢，在一個日調節周期內，總經濟效益、風能利用量、水庫綜合利用率可分別提高4.16%，1.69%，0.10%，輸出功率波動和棄電量可分別減小12.10%，26.78%。

（2） 相較于定速抽蓄機組，變速抽蓄機組發電運行范圍更寬，發電效率更高，抽水功率亦可靈活調節，具有較強的風電消納能力；同時，變速抽蓄機組還可以減小水庫耗水量，降低庫水位變化，提高水庫安全性。

本文量化分析了變速抽蓄聯合風電運行的技術優勢，為解決海上風電消納問題提供了思路。

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（編輯：唐湘茜）

Abstract：

Seawater pumped storage with variable-speed units is a novel technology that has not yet been applied in China，and it is a new idea to consume offshore wind power and improve the reliability of power systems in coastal cities and islands.In this paper，a combined seawater pumped storage-wind power system operation optimization model was proposed to make trade-off between the objectives of maximizing economic benefits and minimized output power fluctuations，considered multi-level constraints of time-sharing tariff and operating characteristics of variable-speed units；the NSGA-II algorithm combined with penalty function was introduced to solve the proposed model.Taking a micro-grid system of an archipelago in Guangdong Province as an example，the operational performances of the combined seawater pumped storage-wind power system with variable-speed and fixed-speed units were quantitatively compared，and the advantages of variable-speed technology were illustrated.The results showed that compared with the conventional pumped storage-wind power combined operation system with the same capacity，the variable speed pumped storage-wind power combined operation system could improve the economic efficiency by 416%，reduced the output power fluctuation by 1210%，reduced the abandoned power by 2678%，and improved the wind energy utilization rate by 169%in one daily regulation cycle.It has novel reference for exploring the development mode of seawater pumped storage systems suitable for coastal areas and islands in China.

Key words：

seawater pumped storage； variable speed units； wind power； economic efficiency； power fluctuation