摘要：高比例可再生能源發(fā)電并網(wǎng)構(gòu)成了多種能源共同參與的電力系統(tǒng)新體系。梯級(jí)水電是具有良好調(diào)蓄性能的靈活性高的電源，能夠作為一種補(bǔ)償電源來(lái)平抑新能源發(fā)電波動(dòng)，促進(jìn)其電網(wǎng)消納比例。提出了一種含梯級(jí)水電的水風(fēng)光混合能源短期互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度策略。該策略定義平穩(wěn)性指標(biāo)和源荷匹配指標(biāo)為互補(bǔ)性評(píng)估指標(biāo)，以協(xié)調(diào)控制出力波動(dòng)和對(duì)負(fù)荷的追蹤度與平滑效果;同時(shí)，從“源源互補(bǔ)”和“源荷匹配”兩個(gè)不同角度構(gòu)建調(diào)度模型，分別采用花粉算法與逐步優(yōu)化算法優(yōu)化求解目標(biāo)問(wèn)題;最后通過(guò)分析互補(bǔ)效果，總結(jié)水風(fēng)光短期調(diào)度策略。通過(guò)案例驗(yàn)證了本文所提調(diào)度策略有效性，為高比例水電電網(wǎng)大規(guī)模消納新能源提供了新思路。

　　關(guān)鍵詞：水風(fēng)光互補(bǔ)特性;短期協(xié)調(diào)調(diào)度;梯級(jí)水電

　　0引言

　　隨著不可再生能源的日益衰竭，水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源成為各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]。高比例可再生能源發(fā)電并網(wǎng)構(gòu)成了多種能源發(fā)電的電力系統(tǒng)新體系[3]。但是風(fēng)電、光伏等主要新能源發(fā)電受到風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等氣象環(huán)境因素的影響，二者發(fā)電出力的不穩(wěn)定性較強(qiáng)，大量接入電網(wǎng)會(huì)造成安全隱患。為提高風(fēng)光電源電網(wǎng)消納的比例，降低新能源直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，需要尋求能夠有效調(diào)節(jié)的補(bǔ)償措施。國(guó)內(nèi)外大量研究表明利用清潔能源之間互補(bǔ)特性形成的混合運(yùn)行系統(tǒng)，能夠有效平抑風(fēng)電與光伏發(fā)電產(chǎn)生的波動(dòng)，研究主要集中在多種能源混合互補(bǔ)機(jī)理[4-5]、互補(bǔ)效果評(píng)價(jià)[6-7]、互補(bǔ)調(diào)度模型[8-11]以及多能混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行策略。

　　在多能混合系統(tǒng)運(yùn)行策略方面，文獻(xiàn)[12]提出含水風(fēng)光氣儲(chǔ)的日前聯(lián)合調(diào)度策略，以不同頻率下的風(fēng)光出力為基礎(chǔ)，決定各類(lèi)補(bǔ)償電站的調(diào)度計(jì)劃;文獻(xiàn)[13]出含水風(fēng)光火日前聯(lián)合調(diào)度策略，通過(guò)三層調(diào)度模型制定出力計(jì)劃，文獻(xiàn)[14]構(gòu)建多時(shí)間尺度互補(bǔ)調(diào)度模型制定各類(lèi)電站出力計(jì)劃。上述文獻(xiàn)對(duì)異質(zhì)能源互補(bǔ)發(fā)電后水電運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃做了一定的探討，但分析不夠詳細(xì)深入。

　　綜上，本文提出了有關(guān)梯級(jí)水電的水風(fēng)光短期互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度策略，該策略充分利用水風(fēng)光3種電源之間的互補(bǔ)特性，定義平穩(wěn)性指標(biāo)和源荷匹配指標(biāo)為互補(bǔ)性評(píng)估指標(biāo)，以協(xié)調(diào)控制出力波動(dòng)和對(duì)負(fù)荷的追蹤度與平滑效果;同時(shí)，從源源互補(bǔ)和源荷匹配角度出發(fā)構(gòu)建調(diào)度模型，采用改進(jìn)花粉算法與逐步優(yōu)化算法優(yōu)化求解模型。源源互補(bǔ)調(diào)度時(shí)，梯級(jí)水電日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃重點(diǎn)關(guān)注總出力波動(dòng)，以達(dá)到環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu);源荷匹配調(diào)度時(shí)，則更側(cè)重總出力對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化的良好追蹤，進(jìn)而控制剩余負(fù)荷波動(dòng)，使得電網(wǎng)其他電源能夠承擔(dān)基荷任務(wù)。

　　1互補(bǔ)特性分析

　　1.1水風(fēng)光混合能源互補(bǔ)特性分析

　　由于研究短期調(diào)度策略，故以水、風(fēng)、光3種異質(zhì)能源自身發(fā)電運(yùn)行特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)水風(fēng)光之間的短期互補(bǔ)特性進(jìn)行分析，互補(bǔ)特性包括自然互補(bǔ)特性和技術(shù)互補(bǔ)特性。作為自然資源，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受限于晝夜、天氣條件等自然因素，二者的日內(nèi)出力變化明顯。風(fēng)電出力總體呈現(xiàn)隨機(jī)和波動(dòng)性的特點(diǎn)，一般夜晚出力較大而白天較小;而光伏受到太陽(yáng)輻照的影響，主要集中在白天發(fā)電，到夜間光伏出力為0，所以間歇性特點(diǎn)突出，隨機(jī)性和波動(dòng)性也相比風(fēng)電更大。

　　可見(jiàn)，風(fēng)、光日內(nèi)出力變化趨勢(shì)具有一定的自然互補(bǔ)特性，但風(fēng)、光出力基本呈現(xiàn)隨機(jī)、波動(dòng)與間歇性的特點(diǎn)，發(fā)電質(zhì)量較差。技術(shù)互補(bǔ)特性方面，主要是短期運(yùn)行過(guò)程中，水電利用自身調(diào)蓄性能與風(fēng)電、光伏發(fā)電之間形成良好的互補(bǔ)，具體分為容量互補(bǔ)和電量互補(bǔ)。容量互補(bǔ)是指梯級(jí)水電通過(guò)有日、周以上調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)，對(duì)接入水電站的風(fēng)光發(fā)電出力進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，平抑風(fēng)光出力的隨機(jī)、波動(dòng)和間歇性，從而提高風(fēng)光發(fā)電的電能質(zhì)量。

　　電量互補(bǔ)是指光伏接入水電站后，水電站可以在光伏電站承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的時(shí)段，減少出力或降低低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，讓更多的水能留在水庫(kù)，這部分額外儲(chǔ)蓄的水量則可以分配到電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段進(jìn)行調(diào)峰發(fā)電，使得水電的調(diào)峰電量和調(diào)峰效益均得到提升。可見(jiàn)，容量互補(bǔ)指的是電源之間出力互補(bǔ)，而電量互補(bǔ)與電網(wǎng)需求負(fù)荷有關(guān)，相應(yīng)的梯級(jí)水電出力過(guò)程也不同。綜上所述，在短期運(yùn)行時(shí)，水、風(fēng)、光3種能源之間存在良好的出力互補(bǔ)特性，合理安排梯級(jí)水電與風(fēng)電、光伏的運(yùn)行調(diào)度方式，將會(huì)有較大的綜合效益。

　　2水風(fēng)光短期互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度模型

　　2.1調(diào)度模型構(gòu)建

　　水風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)系統(tǒng)集水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為一體，既是一個(gè)整體，各部分又是獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，在保證水風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)安全性的同時(shí)，需要兼顧水、風(fēng)、光各發(fā)電系統(tǒng)自身的利益，所以梯級(jí)水電短期調(diào)度應(yīng)該遵循的調(diào)度原則為：①不發(fā)生棄水;②保證系統(tǒng)和電站安全運(yùn)行;③對(duì)風(fēng)光出力進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。依據(jù)調(diào)度原則，本研究從源源互補(bǔ)和源荷匹配兩個(gè)角度構(gòu)造調(diào)度模型。

　　3案例分析

　　本文以日尺度為調(diào)度周期，小時(shí)為計(jì)算時(shí)段，以西南電網(wǎng)流域X內(nèi)典型水風(fēng)光站為研究對(duì)象，開(kāi)展水風(fēng)光日內(nèi)互補(bǔ)調(diào)度策略研究。流域X內(nèi)已投產(chǎn)水電站包含2個(gè)梯級(jí)共4個(gè)水電站：F電站(45MW)、G電站(54MW)、H電站(60MW)和I電站(36MW)。其中G、H、I電站同屬于一個(gè)梯級(jí)，有較強(qiáng)的水力電力聯(lián)系，G、H電站均具有日調(diào)節(jié)能力，電站I是一個(gè)徑流式電站;F電站則隸屬于另外一條支流，與G、H、I電站只有電力聯(lián)系，沒(méi)有水力聯(lián)系。選取1個(gè)光伏電站S(40MW)和1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)W(60MW)。

　　從目標(biāo)Ⅰ來(lái)看，水風(fēng)光互補(bǔ)優(yōu)化后，該典型日的總發(fā)電量為273.78萬(wàn)kW·h，水力發(fā)電量為210.64萬(wàn)kW·h，占總發(fā)電量的76.94%(F、I、G、H電站分別占26.28%、14.01%、16.24%、20.41%)，F(xiàn)、G、H水電站均未有棄水;光伏和風(fēng)電發(fā)電量分別為26.89萬(wàn)kW·h和36.25萬(wàn)kW·h，分別占總電量的9.82%和13.24%。從目標(biāo)Ⅱ來(lái)看，優(yōu)化后的出力過(guò)程曲線趨于直線，說(shuō)明充分發(fā)揮了梯級(jí)水電的調(diào)節(jié)能力，對(duì)風(fēng)光出力過(guò)程實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，讓風(fēng)光發(fā)電出力的波動(dòng)得到明顯改善。

　　水風(fēng)光三個(gè)電站單獨(dú)運(yùn)行結(jié)果與風(fēng)電、光伏發(fā)電的sN值比較一致，均大于10MW，其中，風(fēng)電波動(dòng)>光伏波動(dòng)>風(fēng)光波動(dòng)>水風(fēng)光單獨(dú)運(yùn)行波動(dòng)，說(shuō)明僅是出力的簡(jiǎn)單疊加也有利于平抑波動(dòng)，并從側(cè)面驗(yàn)證了水風(fēng)光各電源出力的互補(bǔ)性。水風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行后的sN值僅為0.15MW，是三者單獨(dú)運(yùn)行的1.2%，表明水電站群通過(guò)水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)營(yíng)，對(duì)風(fēng)光出力波動(dòng)的平抑具有顯著的作用。梯級(jí)水電平抑接入的風(fēng)光日內(nèi)出力波動(dòng)必然會(huì)影響自身運(yùn)行過(guò)程。

　　互補(bǔ)后，梯級(jí)水電的發(fā)電出力與風(fēng)光總出力曲線呈現(xiàn)出“峰對(duì)谷”此消彼長(zhǎng)的特點(diǎn)，在1~8、10~12、22~24時(shí)段，風(fēng)光總出力隨時(shí)間逐步增大，梯級(jí)水電出力則相應(yīng)降低;8~10、12~22時(shí)段，風(fēng)光總出力隨時(shí)間逐步降低，梯級(jí)水電則增大出力運(yùn)行。說(shuō)明在以發(fā)電量和出力波動(dòng)為目標(biāo)的水風(fēng)光短期互補(bǔ)運(yùn)行過(guò)程中，水電的調(diào)度策略是與風(fēng)光總出力的變化趨勢(shì)相逆，即在風(fēng)光總出力隨時(shí)間逐步增大時(shí)，梯級(jí)水電逐步降低出力;在風(fēng)光總出力隨時(shí)間逐步降低時(shí)，梯級(jí)水庫(kù)則加大發(fā)電流量，以達(dá)到增加發(fā)電出力的目的。

　　水風(fēng)光總出力曲線與原日內(nèi)負(fù)荷曲線變化趨勢(shì)較為一致，二者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99，剩余負(fù)荷曲線也比較平穩(wěn)。對(duì)比白天和夜間，在夜間無(wú)光伏發(fā)電時(shí)段的源荷一致性較高，原因是白天風(fēng)光同時(shí)發(fā)電出力，水電機(jī)組會(huì)更頻繁的調(diào)節(jié)變化自身發(fā)電出力，以實(shí)時(shí)補(bǔ)償風(fēng)光出力，若風(fēng)光出力出現(xiàn)“突增陡降”，水電機(jī)組受限于自身的調(diào)節(jié)能力導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)追蹤負(fù)荷的變化，影響電源出力與負(fù)荷的匹配程度。比負(fù)荷曲線最高峰提前4個(gè)時(shí)段;最小出力則與負(fù)荷最低谷同樣出現(xiàn)在凌晨(夜間無(wú)光伏階段)5:00(第6個(gè)時(shí)段)。

　　綜上所述，在源荷匹配的水風(fēng)光短期互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度過(guò)程中，梯級(jí)水電的調(diào)度策略需要考慮兩方面，一方面梯級(jí)水電要追蹤負(fù)荷的變化，與負(fù)荷變化趨勢(shì)保持高度一致，另一方面梯級(jí)水電需要通過(guò)水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)節(jié)消除風(fēng)光總出力的鋸齒狀波動(dòng)，以最終實(shí)現(xiàn)剩余負(fù)荷波動(dòng)最小化。因此，梯級(jí)水電的調(diào)度策略是：首先依據(jù)負(fù)荷的峰谷變化趨勢(shì)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，在需求負(fù)荷高峰時(shí)，加大出力，低谷時(shí)降低出力運(yùn)行;其次結(jié)合風(fēng)光總出力的波動(dòng)情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在風(fēng)光出力增大過(guò)程中，適當(dāng)降低水電發(fā)電流量，在風(fēng)光出力降低過(guò)程中，適當(dāng)增大發(fā)電流量運(yùn)行，以消除風(fēng)光鋸齒狀的波動(dòng)。

　　電力系統(tǒng)論文：電力系統(tǒng)中電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

　　4結(jié)論

　　針對(duì)水電主導(dǎo)的電網(wǎng)，本文提出了一種有關(guān)梯級(jí)水電的水風(fēng)光混合能源短期互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度策略，該策略主要具有以下特點(diǎn)：(1)定義平穩(wěn)性指標(biāo)和源荷匹配指標(biāo)為互補(bǔ)性評(píng)估指標(biāo)。(2)研究了兩種情況下梯級(jí)水電的調(diào)度策略。從源源互補(bǔ)角度，梯級(jí)電站日內(nèi)調(diào)度是以風(fēng)光總出力為基準(zhǔn);從源荷匹配角度，梯級(jí)水電調(diào)度策略首先根據(jù)負(fù)荷的峰谷分段進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，其次再結(jié)合風(fēng)光總出力的波動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)整。由于資料收集的限制，簡(jiǎn)化處理了負(fù)荷不確定性、風(fēng)光出力預(yù)測(cè)等問(wèn)題，后續(xù)可進(jìn)行相關(guān)研究。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]賈宏杰,王丹,徐憲東,等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)若干問(wèn)題研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(7):198-207.

　　[2]PAPAEFTHYMIOUG,DRAGOONK.Towards100%renewableenergysystems:Uncappingpowersystemflexibility[J].EnergyPolicy,2016,92:69-82.

　　[3]魯宗相,李海波,喬穎.高比例可再生能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)與平衡機(jī)理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(1):9-20.

　　[4]ZHUYanmei,CHENShijun,HUANGWeibin,etal.Complementaryoperationalresearchforahydro-wind-solarhybridpowersystemontheupperJinshaRiver[J].JournalofRenewableandSustainableEnergy,2018,10(4),043309.

　　[5]安源.水光互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行的理論與方法研究[D].西安：西安理工大學(xué),2016.

　　[6]葉林,屈曉旭,么艷香,等.風(fēng)光水多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)日內(nèi)時(shí)間尺度運(yùn)行特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,42(4):158-164.

　　作者：謝航1，朱燕梅1，馬光文1，陳仕軍1,2，黃煒斌1