風(fēng)光水聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行策略研究

魏若愚 張偉 董子一

（中核匯能有限公司 浙江省杭州市 310016）

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)電和光伏等可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用。為了彌補(bǔ)風(fēng)電、光伏發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性，緩解并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的影響，可以將風(fēng)電、光伏和水電三種清潔能源相結(jié)合組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)波動(dòng)性最小化的同時(shí)并兼顧資源利用率、經(jīng)濟(jì)效益最大化等目標(biāo)。目前受到國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4,5]建立了包含風(fēng)、光、火分布式電源的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，并驗(yàn)證其協(xié)調(diào)性良好；但是該模型仍不能避免污染物的排放。文獻(xiàn)[6]從“源源互補(bǔ)”和“源荷匹配”兩個(gè)不同角度構(gòu)建風(fēng)光水調(diào)度模型，但是沒有考慮資源利用率問題，仍然無法避免棄風(fēng)、棄光的問題。文獻(xiàn)[7]以梯級(jí)水電耗水量最小為目標(biāo)建立水光調(diào)度模型，驗(yàn)證水電調(diào)節(jié)性能好；但系統(tǒng)容量較小，不能滿足大規(guī)模并網(wǎng)的要求。上述文獻(xiàn)針對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行都取得了一定成果，但是都存在一定的局限性。

本文提出了一種以并網(wǎng)波動(dòng)指數(shù)最小、風(fēng)光丟棄率最小以及電站經(jīng)濟(jì)收益最大為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮電力系統(tǒng)、各種分布式電源特性以及水庫運(yùn)行等約束條件，建立風(fēng)光水互補(bǔ)系統(tǒng)的三目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行策略模型，并采用NSGA-II 算法對(duì)模型求解，得到不同的優(yōu)化運(yùn)行策略。

1 風(fēng)光水聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)光水互補(bǔ)特性構(gòu)建聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括水電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組、逆變器以及變壓器等。

圖1：風(fēng)光水聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 分布式電源模型

2.1 水電出力模型

水電機(jī)組發(fā)電功率主要決定于凈水頭、水輪發(fā)電機(jī)組的效率以及耗水量。一天內(nèi)水頭變化不大，因此本文中凈水頭和效率為常數(shù)，水電機(jī)組在時(shí)段 t 內(nèi)的實(shí)際輸出功率為：

式中：PH,t為第t 時(shí)段內(nèi)單個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的出力；HH,t為t 時(shí)刻的發(fā)電凈水頭；η(H)表示機(jī)組效率；QH,t表示t 時(shí)刻通過水輪發(fā)電機(jī)組的水流量。

2.2 光伏出力模型

影響光伏發(fā)電輸出功率的主要因素包括太陽輻射強(qiáng)度和光伏電池板運(yùn)行溫度兩方面。故其實(shí)際輸出功率為：

式中：PV為單個(gè)光伏電池板的輸出功率；PT為光伏電池板的額定輸出功率；RT為太陽輻射的實(shí)際強(qiáng)度；RSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度，本文取1000W/m2；η 表示光伏組件溫度系數(shù)，本文取25℃；TC為光伏組件實(shí)際溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的溫度；γ為光伏陣列的遮擋系數(shù)，本文取10%。

2.3 風(fēng)電出力模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與實(shí)時(shí)風(fēng)速密切相關(guān)，風(fēng)速過大或者過小都會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，二者之間的關(guān)系式為：

式中：PW為單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率；Pr為風(fēng)機(jī)額定輸出功率；vin為切入風(fēng)速；vout為切出風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速。在本文中取切入速度 3 m/s，切出速度 25 m/s。

3 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行多目標(biāo)優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文采用互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)并入大電網(wǎng)的剩余發(fā)電功率的風(fēng)光水聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行策略，建立并網(wǎng)波動(dòng)指數(shù)最小、風(fēng)光丟棄率最小以及電站經(jīng)濟(jì)收益最大的三目標(biāo)函數(shù)：

（1）并網(wǎng)波動(dòng)指數(shù)：

（2）風(fēng)光丟棄率：

（3）經(jīng)濟(jì)效益：

式中：T 為調(diào)度周期，這里取24 小時(shí)；Pav為單位周期內(nèi)系統(tǒng)并網(wǎng)功率的平均值；PW,t,PH,t,PS,t為分別代表第t 時(shí)段風(fēng)電、水電、光伏實(shí)際出力；Pl,t為第t 時(shí)段居民負(fù)荷；PrW,t，PrS,t分別為風(fēng)電機(jī)組、光伏電站在t 時(shí)刻發(fā)電功率；CW,CH,CS為分別代表風(fēng)電、水電、光伏上網(wǎng)電價(jià)，本文選用2022年湖北上網(wǎng)電價(jià)，即CW=0.48元/kW?h、CH=0.7 元/kW?h、CS=0.24 元/kW?h；?t 為評(píng)價(jià)時(shí)段時(shí)長。

3.2 約束條件

（1）系統(tǒng)功率平衡約束：

式中：Ppc,t為在t 時(shí)段系統(tǒng)并入大電網(wǎng)的剩余發(fā)電功率。

（2）風(fēng)電出力約束：

式中：PW,max為風(fēng)電場(chǎng)額定出力，由風(fēng)機(jī)生產(chǎn)規(guī)格決定。

（3）光伏出力約束：

式中PS,max為光伏電站出力最大值，具體由光伏電站本身的結(jié)構(gòu)決定。

（4）水電約束條件

1.水量平衡約束：

式中：VH,t+1，VH,t分別為水庫在t+1、t評(píng)價(jià)時(shí)段末的庫容，IH,t為水庫在t 評(píng)價(jià)時(shí)段的入庫流量。

2.水庫約束

A.儲(chǔ)水量約束：

式中：VH,min、VH,max分別為水庫允許的最大水容量和最小水容量。

B.下泄流量約束：

3.水電機(jī)組約束

A.水輪機(jī)組發(fā)電流量約束：

式中：QH,min、QH,max分別為水輪機(jī)組的最小和最大流量。

B.水輪機(jī)出力約束：

式中：PH,min、PH,max分別為水輪機(jī)的最小和最大出力。

4 算例分析

4.1 基本信息

本文以湖北省某地區(qū)風(fēng)光水電站為研究對(duì)象，該區(qū)域內(nèi)包含2 個(gè)水電站：F 電站裝機(jī)容量為300MW、G電站裝機(jī)容量為350MW。其中F 電站包含三臺(tái)容量為100MW 的水輪機(jī)，G 電站包含一臺(tái)容量為200MW 和一臺(tái)容量為150MW 的水輪機(jī)，且F、G 水電站均具有日調(diào)節(jié)能力。同時(shí)包含一個(gè)1 個(gè)光伏電站V，裝機(jī)容量為320MW 和2 個(gè)裝機(jī)容量分別為200MW、180MW 的風(fēng)電站W(wǎng) 電站和E 電站。

4.2 晴天情況下算例分析

該地區(qū)某一典型晴天24 小時(shí)風(fēng)電站、光伏電站發(fā)電功率以及當(dāng)?shù)鼐用褙?fù)荷情況如圖2所示，該數(shù)據(jù)根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心所提供的風(fēng)速、光照輻射強(qiáng)度計(jì)算仿真得來。

圖2：風(fēng)、光電站發(fā)電量及居民負(fù)荷

根據(jù)4.1 節(jié)中已知條件，建立并網(wǎng)波動(dòng)指數(shù)最小、風(fēng)光丟棄率最小以及電站經(jīng)濟(jì)收益最大的三目標(biāo)優(yōu)化模型。采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)模型進(jìn)行求解，所得到的仿真結(jié)果圖如圖3所示。

圖3：Pareto 最優(yōu)前沿

在滿足各目標(biāo)的非支配解中選出并網(wǎng)波動(dòng)指數(shù)最小解、風(fēng)光丟棄率最小解、經(jīng)濟(jì)收益最大解以及最優(yōu)解集中的一組代表性解，每一個(gè)解對(duì)應(yīng)一種風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略，結(jié)果如表1所示。

通過對(duì)表1 分析可以得出，一般情況下，當(dāng)并網(wǎng)波動(dòng)性減小的時(shí)候，棄風(fēng)光率也會(huì)相應(yīng)的增加，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)隨之減小。主要原因是當(dāng)并網(wǎng)波動(dòng)性越小，需要更多的水電出力去調(diào)節(jié)，同時(shí)也會(huì)舍棄更多風(fēng)光峰谷時(shí)的出力來減小峰谷差，從而導(dǎo)致風(fēng)光丟棄率增大，系統(tǒng)中風(fēng)光電價(jià)較水價(jià)高，因此經(jīng)濟(jì)效益隨之減少。所以在微電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的時(shí)候，需要根據(jù)規(guī)劃對(duì)象實(shí)際要求，恰當(dāng)?shù)卦u(píng)估和平衡綜合波動(dòng)性、風(fēng)光出力占比以及經(jīng)濟(jì)收益三者之間的關(guān)系，在保證波動(dòng)性小、風(fēng)光丟棄率小的同時(shí)選擇更高的經(jīng)濟(jì)收益。

選擇方案4 作進(jìn)一步分析，圖4所示，互補(bǔ)后，水電的發(fā)電出力與風(fēng)光出力曲線呈現(xiàn)出“峰對(duì)谷”此消彼長的特點(diǎn)，在10 點(diǎn)-17 點(diǎn)時(shí)段，光伏出力較大，且平穩(wěn)變化，可以作為負(fù)荷基荷，而風(fēng)電出力波動(dòng)較大，因此水電站將更多的水量儲(chǔ)存在水庫，減少并憑借靈活的調(diào)節(jié)能力來平抑風(fēng)電出力的波動(dòng)性。在19 點(diǎn)-22 點(diǎn)時(shí)段，風(fēng)光出力大幅度降低，且居民負(fù)荷處于高峰狀態(tài)，梯級(jí)水電可以把白天儲(chǔ)存的水量用來承擔(dān)此時(shí)的調(diào)峰發(fā)電任務(wù)。

圖4：方案4 風(fēng)光水優(yōu)化運(yùn)行出力情況

進(jìn)一步分析系統(tǒng)并網(wǎng)波動(dòng)性，風(fēng)光水聯(lián)合出力、居民負(fù)荷以及并網(wǎng)功率如圖5所示。從圖5 可以看出，風(fēng)光水聯(lián)合出力波動(dòng)趨勢(shì)和居民負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)幾乎保持一致，而且系統(tǒng)并網(wǎng)的波動(dòng)曲線趨于平穩(wěn)，因此采用本文提出的優(yōu)化運(yùn)行策略可充分利用水電站的可調(diào)節(jié)能力，有效幫助風(fēng)電、光伏機(jī)組削峰填谷，大大降低系統(tǒng)并入大電網(wǎng)的波動(dòng)性。

圖5： 風(fēng)光水聯(lián)合出力、居民負(fù)荷以及并網(wǎng)功率

綜上所述，聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的出力得到明顯優(yōu)化，且系統(tǒng)并網(wǎng)波動(dòng)性較低。因此，用水電這種靈活的分布式電源來平抑風(fēng)電和光伏出力的不確定性和波動(dòng)性，解決了夜晚無光伏出力導(dǎo)致風(fēng)電反調(diào)峰特性強(qiáng)的問題，減少棄風(fēng)和棄光的可能性，平滑風(fēng)光一體出力，將剩余發(fā)電功率平穩(wěn)地輸出到大電網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)電站經(jīng)濟(jì)效益最大化。

5 總結(jié)

本文針對(duì)含風(fēng)電、光伏、水電站的微電網(wǎng)，分析風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電特性，建立風(fēng)光水互補(bǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；綜合考慮系統(tǒng)并網(wǎng)波動(dòng)指數(shù)最小、棄風(fēng)光率最小以及電站經(jīng)濟(jì)收益最大，提出了一種三目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行模型及求解方法；通過對(duì)湖北省某地區(qū)實(shí)際算例的建模與仿真求解分析，驗(yàn)證了所提模型及優(yōu)化運(yùn)行方法的合理性。

本文所提出的優(yōu)化運(yùn)行策略，能夠有效降低系統(tǒng)并網(wǎng)波動(dòng)性，同時(shí)在保證風(fēng)光丟棄率較小的前提下最大化電站經(jīng)濟(jì)效益，為多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。