水電-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度研究

安　源， 黃　強(qiáng)， 丁　航， 王　浩， 王頌凱

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

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水電-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度研究

安源， 黃強(qiáng)， 丁航， 王浩， 王頌凱

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

風(fēng)電出力的非平穩(wěn)性是目前制約風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，將水電和風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度是一種新的思路。本文以黃河上游5座百萬(wàn)千瓦級(jí)的梯級(jí)水電站與甘肅河西千萬(wàn)千瓦級(jí)的風(fēng)電站為研究對(duì)象，綜合考慮各種復(fù)雜約束條件，以棄風(fēng)電量最小為目標(biāo)，建立了水電-風(fēng)電互補(bǔ)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，采用改進(jìn)的量子粒子群算法對(duì)該模型進(jìn)行求解。實(shí)例研究表明：經(jīng)過(guò)風(fēng)水互補(bǔ)后，風(fēng)電出力基本平穩(wěn)，最大的波動(dòng)偏差為1.65%，最小的僅為0.04%，滿足了電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求。因此，將水電風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度合理、可靠，以期為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行提供了一條有效途徑。

水電-風(fēng)電； 聯(lián)合運(yùn)行； 改進(jìn)量子粒子群算法

風(fēng)電作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，具有廣闊的開發(fā)前景[1]。截止2014年底，全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量高達(dá)51 477 MW，其中，我國(guó)新增23 351 MW，約占全球的45%。然而，風(fēng)電受天氣影響顯著，其出力呈現(xiàn)間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性等特征[2]。由于風(fēng)電電能質(zhì)量較差，因而難以直接并入電網(wǎng)[3]。隨著我國(guó)風(fēng)電的快速發(fā)展，各大中型風(fēng)力發(fā)電站的相繼投入運(yùn)行，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占的比重也越來(lái)越大，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定的沖擊[4-7]，如調(diào)峰、調(diào)頻、系統(tǒng)穩(wěn)定性等。為此，需要利用風(fēng)電與其他電源之間的互補(bǔ)性，建立互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)，以彌補(bǔ)風(fēng)電單獨(dú)并網(wǎng)的不足。

我國(guó)的水電資源極為豐富，且水電在調(diào)峰性能上具有很大優(yōu)勢(shì)，具有啟動(dòng)靈活，調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)。水風(fēng)電互補(bǔ)運(yùn)行，充分利用水電、風(fēng)電的互補(bǔ)性，進(jìn)行合理調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)這兩種清潔能源的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”[8]。近年來(lái)，一些學(xué)者探討了抽水蓄能電站與風(fēng)電互補(bǔ)運(yùn)行的若干問(wèn)題[9]，但對(duì)于風(fēng)電與常規(guī)水電的互補(bǔ)運(yùn)行[10]研究的相對(duì)較少。包小慶等[11]構(gòu)建了水電-風(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)，用以解決當(dāng)?shù)氐亩倦娏?yīng)以及調(diào)峰問(wèn)題；Raby等[12]利用梯級(jí)水電站來(lái)配合風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行，研究了風(fēng)場(chǎng)與多級(jí)水電站互補(bǔ)運(yùn)行的調(diào)度策略。

然而，上述研究大多數(shù)基于聯(lián)合系統(tǒng)的出力與負(fù)荷相一致性條件下進(jìn)行的，由此而得到的優(yōu)化出力波動(dòng)性大，在實(shí)際調(diào)度中難以被電網(wǎng)所接受。因此，可考慮利用水電調(diào)節(jié)能力、啟停迅速的優(yōu)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)風(fēng)電出力的缺點(diǎn)。

甘肅河西酒泉地區(qū)，風(fēng)能資源豐富，無(wú)破壞性風(fēng)速，為大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)提供了有利條件。但該地區(qū)處于電網(wǎng)末端，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不夠堅(jiān)強(qiáng)，且電源結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，將風(fēng)電直接并入電網(wǎng)，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及調(diào)峰。黃河中、上游水電資源豐富，已建成的梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)節(jié)性能強(qiáng)，是西北電網(wǎng)主要的調(diào)峰電源。因此，本文以黃河上游5座100萬(wàn)kW級(jí)的水電站和甘肅酒泉的1 000萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電站進(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)行為研究對(duì)象，建立水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度模型，采用量子粒子群算法求解模型，以期為水-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行、減少棄風(fēng)電量，大規(guī)模風(fēng)電能順利有效上網(wǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

1　水電-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的互補(bǔ)原理

風(fēng)力發(fā)電與地區(qū)風(fēng)速的變化情況有很大的關(guān)系，風(fēng)速季節(jié)波動(dòng)性較小，而短期波動(dòng)性卻較大[13]。水力發(fā)電跟水庫(kù)庫(kù)容和水量的調(diào)度有很大的關(guān)系。水庫(kù)短期的入庫(kù)流量變化不大，但是年際徑流卻波動(dòng)性較大。

我國(guó)風(fēng)力和水力資源都很豐富，有些地區(qū)既有豐富的水力資源，又有豐富的風(fēng)力資源。風(fēng)電有很大的波動(dòng)性，水電也有季節(jié)性波動(dòng)，但是風(fēng)電和水電可以在時(shí)間和季節(jié)上形成互補(bǔ)。圖1給出了甘肅省瓜州風(fēng)電站群與黃河水電站在季節(jié)上的互補(bǔ)性。

圖1　風(fēng)能和水力的季節(jié)互補(bǔ)性Fig.1　Season complementary performance of wind and water resource

2　水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度優(yōu)化模型

風(fēng)電并入電網(wǎng)后，為了滿足系統(tǒng)電力電量平衡，當(dāng)風(fēng)電出力降低時(shí)，需要增加水電機(jī)組的出力；當(dāng)風(fēng)電出力增加時(shí)，須配合降低水電機(jī)組的出力。水電站來(lái)水的隨機(jī)性特點(diǎn)，可通過(guò)具有調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)對(duì)徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水電出力可控。

水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度是充分發(fā)揮水電、風(fēng)電各自的優(yōu)勢(shì)，利用水電站水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力，平衡風(fēng)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性。當(dāng)風(fēng)電出力降低時(shí)，須加大水電出力，使風(fēng)電與水電出力之和始終保持在某一恒定的范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)電出力增加時(shí)，降低水電的出力，水電可利用水庫(kù)蓄能。當(dāng)風(fēng)電出力很大，甚至超過(guò)系統(tǒng)需要維持的穩(wěn)定值時(shí)，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行棄風(fēng)。

因此，水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)可選棄風(fēng)電量最小，目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

其中：

約束條件有：

NS(j)min≤NS(j,t)≤NS(j)max

(2)

NF(i)min≤NF(i,t)≤NF(i)max

(3)

V(i+1,t)=V(j,t)+

3600[QR(j,t)-QC(j,t)]·Δt

(4)

Q(j,t)min≤QC(j,t)≤Q(j,t)max

(5)

V(j)min≤V(j,t)≤V(j)max

(6)

式(1)～(6)中：I為風(fēng)電站個(gè)數(shù)；T為計(jì)算時(shí)段；Δt為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的小時(shí)數(shù)；NF(i,t)為第i個(gè)風(fēng)電站第t時(shí)段的出力；NS(j,t)為第j個(gè)水電站第t時(shí)段出力；Nt為電網(wǎng)第t時(shí)段允許水風(fēng)電上網(wǎng)的負(fù)荷；NS(j)min為第j個(gè)水電站強(qiáng)迫出力；NS(j)max為第j個(gè)水電站預(yù)想出力；NF(i)min為第i個(gè)風(fēng)電站第t時(shí)段最小出力；NF(i)max為第個(gè)i風(fēng)電站第t時(shí)段最大出力；V(j,t)為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的庫(kù)容；V(j)min為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的最小庫(kù)容；V(j)max為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的最大庫(kù)容；QR(j,t)為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的入庫(kù)流量;QC(j,t)為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的出庫(kù)流量；Q(j,t)min為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的允許最小流量；Q(j,t)max為第j個(gè)水電站第t時(shí)段的允許最大流量。其中，水電站和風(fēng)電站出力的單位為萬(wàn)kW;水庫(kù)庫(kù)容的單位為億m3，流量的單位為m3/s。

3　求解模型的量子粒子群算法

3.1量子粒子群算法原理

標(biāo)準(zhǔn)PSO算法的基本原理是：當(dāng)其中一個(gè)粒子搜索到較好的位置時(shí)，則種群中其他粒子都要依照位置和速度更新公式向這個(gè)最優(yōu)粒子的方向進(jìn)行逼近。雖然PSO算法的收斂速度快，但算法容易陷入局部最優(yōu)解，呈現(xiàn)出“早熟”現(xiàn)象。因此，許多學(xué)者在粒子群算法的基礎(chǔ)之上，做出了諸多改進(jìn)。

Sun等[14]在研究粒子收斂行為相關(guān)成果后，從量子力學(xué)的角度出發(fā)提出量子粒子群算法(QPSO)。QPSO認(rèn)為粒子具有量子行為，無(wú)法同時(shí)精確測(cè)定粒子的位置和速度，采用波函數(shù)描述粒子狀態(tài)，通過(guò)求解薛定諤方程得到粒子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的概率密度函數(shù)，利用Monte-Carlo隨機(jī)模擬得到粒子在量子空間中的位置方程。在進(jìn)化過(guò)程中，各粒子在最優(yōu)位置中心的DELTA勢(shì)阱中移動(dòng)，通過(guò)跟蹤個(gè)體極值和全局極值不斷更新位置，能夠以一定的概率分布于搜索空間任意位置。粒子狀態(tài)的進(jìn)化方程，即粒子的移動(dòng)方程為：

(7)

(8)

式(7)和(8)中，φ1=rand( )，φ2=rand( )，r=rand( )，u=rand( )；mbest為pbest中間位置，D為空間維數(shù)，種群規(guī)模為M，pi，d為粒子本身所找到的最優(yōu)解pbest， pg，d為種群目前找到的最優(yōu)解gbest， α為QPSO收縮擴(kuò)張系數(shù)。

3.2量子粒子群算法尋優(yōu)原理

本文采用MATLAB平臺(tái)實(shí)現(xiàn)QPSO算法，具體計(jì)算步驟如下：

1)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題確定粒子維數(shù)D以及種群規(guī)模M，初始化粒子種群；同時(shí)，計(jì)算個(gè)體極值pbest和群體極值gbest；

2)根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)，并計(jì)算各個(gè)粒子的適應(yīng)度值；

3)評(píng)價(jià)適應(yīng)度值優(yōu)劣，更新個(gè)體的最優(yōu)位置pbest(i)和群體的最優(yōu)位置gbest；

4)依據(jù)粒子狀態(tài)進(jìn)化方程(即速度公式和位置公式)更新當(dāng)前所有粒子的位置，從而生成新的粒子群體；

5)評(píng)價(jià)新群體的適應(yīng)度值，找出最優(yōu)粒子。

不斷迭代，并判斷是否滿足收斂性條件(一般采用最大迭代次數(shù)或者達(dá)到某一尋優(yōu)精度)，是則退出，否則繼續(xù)迭代。

量子粒子群算法尋優(yōu)計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2　QPSO算法流程圖Fig.2　QPSO algorithm flow chart

4　實(shí)例研究

黃河上游參與風(fēng)電補(bǔ)償有5座百萬(wàn)千瓦的水電站。其中，龍羊峽水庫(kù)總庫(kù)容為247億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為193.5億m3，總裝機(jī)容量為128萬(wàn)kW，是黃河上唯一的多年調(diào)節(jié)水庫(kù)；拉西瓦水電站距上游龍羊峽水電站32.8km，總庫(kù)容為10.79億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為1.5億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站裝機(jī)為420萬(wàn)kW；李家峽水電站距上游拉西瓦水電站73 km，水庫(kù)庫(kù)容為16.5億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為0.6億m3，為日、周調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站總裝機(jī)為200萬(wàn)kW；公伯峽水電站距上游李家峽水電站76 km，水庫(kù)庫(kù)容為6.2億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站裝機(jī)為150萬(wàn)kW；積石峽水電站，總庫(kù)容為2.635億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站總裝機(jī)容量為100萬(wàn)kW。甘肅河西酒泉地區(qū)風(fēng)能資源豐富，是我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的第一個(gè)1000萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地。

4.1QPSO算法參數(shù)設(shè)置

根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)QPSO算法基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置如下：t為計(jì)算時(shí)段，按小時(shí)計(jì)，1天24小時(shí)，共24個(gè)時(shí)段；D為粒子維數(shù)，設(shè)置為6；M為粒子個(gè)數(shù)，設(shè)置為20；最大迭代次數(shù)100。

4.2水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算

水電站的參數(shù)設(shè)置：參與互補(bǔ)的水電站有5個(gè)，各個(gè)水電站調(diào)節(jié)出力范圍如表1所示。其中，5座水電站群的強(qiáng)迫出力為158.9萬(wàn)kW，預(yù)想出力為998萬(wàn)kW。

表1　水電站調(diào)節(jié)能力

風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)設(shè)置：參與的1 000萬(wàn)kW級(jí)瓜州風(fēng)電站群處于同一個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)，2015年3月14日的典型日風(fēng)電的出力過(guò)程，以及水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度出力過(guò)程如圖3所示。

圖3　典型日水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度出力過(guò)程Fig.3　The process of wind power-hydropower joint operation system

據(jù)有關(guān)資料介紹，若風(fēng)電單獨(dú)上網(wǎng)，僅能利用30%左右的風(fēng)電，棄風(fēng)高達(dá)70%；若火電與風(fēng)電打捆上網(wǎng)，且不考慮參與受端電網(wǎng)調(diào)峰，其利用率可達(dá)83%左右，棄風(fēng)率約17%。相比水-風(fēng)電互補(bǔ)上網(wǎng)，由圖3結(jié)果分析可知：

1)水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度后都能夠滿足水、光電各自的出力約束，5個(gè)水電站的優(yōu)化出力都在其可調(diào)區(qū)間以內(nèi)，水-風(fēng)互補(bǔ)上網(wǎng)電量為22999.2萬(wàn)kWh。

2)在全天24小時(shí)優(yōu)化時(shí)段內(nèi)，水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度出力基本保持穩(wěn)定，平均出力為958.3萬(wàn)kW。其中，最大的波動(dòng)偏差為1.65%，最小的僅為0.04%，這樣的一種持續(xù)穩(wěn)定的功率是能夠被電網(wǎng)所接受的。

3)水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度后，棄風(fēng)電量90.8萬(wàn)kWh，棄風(fēng)占風(fēng)力發(fā)電量比例4.1%，遠(yuǎn)比火電與風(fēng)電打捆上網(wǎng)的棄風(fēng)率低。說(shuō)明水-風(fēng)電互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行上網(wǎng)優(yōu)勢(shì)明顯。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文以黃河上游常規(guī)水電和甘肅酒泉風(fēng)電為研究對(duì)象，研究了水-風(fēng)互補(bǔ)運(yùn)行調(diào)度問(wèn)題，通過(guò)分析、建模和計(jì)算，得到主要結(jié)論如下：

1)在優(yōu)化時(shí)段內(nèi)，水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度出力基本保持穩(wěn)定。其中，最大的波動(dòng)偏差為1.65%，最小的僅為0.04%，這樣的一種持續(xù)穩(wěn)定的功率是能夠被電網(wǎng)所接受的。

2)水-風(fēng)電互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度后，棄風(fēng)率約4.1%，風(fēng)電基本能得到利用，棄風(fēng)電量大大減少。

因此，水-風(fēng)互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度后出力基本達(dá)到了平穩(wěn)，滿足了電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求，大大提高了風(fēng)電上網(wǎng)電量，減少了棄風(fēng)率，水-風(fēng)互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的切實(shí)可行有效途徑。

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(責(zé)任編輯楊小麗)

Research on the joint operation of hydropower and wind power system

AN Yuan, HUANG Qiang, DING Hang, WANG Hao, WANG Songkai

(School of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an, 710048, China)

It is very difficult for the strong instability of wind power to be absorbed by the grid on large scale, and the joint operation of wind power and hydropower provides a new idea. In this paper, the wind power-hydropower system is discussed involving five million-kilowatts hydropower stations located in the upstream of the Yellow River and a ten million-kilowatts hydropower stations located in Hexi of Gansu province. A model aiming at minimizing the loss of wind power is established in considering all kinds of complicated constraints, which is solved by the modified QPSO method. Case study reveals that the output of wind power compensated by hydropower becomes stable, and that the maximum and minimum volatility deviations are 1.65% and 0.04%, which satisfies the requirement for system stability and improves the amount of wind onto the grid, and decreases the loss of the wind power. Therefore, the joint operation of the wind power and hydropower is feasible and rational, providing an effective way to make the wind power absorbed by the grid.

hydropower and wind power system; joint operation; modified quantum particle swarm optimization algorithm

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.014

2016-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51190093)

安源，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與自動(dòng)化。E-mail：1749847981@qq.com

TV697.1+1

A

1006-4710(2016)03-0333-05