風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型

盛四清，孫曉霞

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定 071003）

風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型

盛四清，孫曉霞

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定 071003）

風(fēng)電出力具有波動性和反調(diào)峰特性。一方面，風(fēng)電出力的隨機(jī)性波動使得電網(wǎng)的安全性和可靠性受到挑戰(zhàn)，另一方面，風(fēng)電出力曲線與負(fù)荷曲線并不匹配，電力市場環(huán)境下峰谷電價(jià)實(shí)施后，風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性受到?jīng)_擊。從風(fēng)電場運(yùn)行的角度出發(fā)，將風(fēng)電場和抽水蓄能電站聯(lián)合調(diào)度，建立了風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益最大和風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動方差最小的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。建模計(jì)及抽水蓄能電站的啟停成本，模型求解中采用歸一化的多目標(biāo)處理策略。通過與風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行的結(jié)果對比進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證了抽水蓄能電站在提高風(fēng)電場運(yùn)行效益以及風(fēng)電接入能力方面的優(yōu)勢，也證明了該多目標(biāo)模型的可行性和有效性。

風(fēng)電場；抽水蓄能電站；聯(lián)合運(yùn)行效益；風(fēng)電消納

風(fēng)電出力具有波動性和反調(diào)峰特性。風(fēng)電容量較大時(shí)，若不加限制地全額消納，可能會由于某一時(shí)段風(fēng)電的劇烈波動而危及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全[1-2]。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，可以通過人為設(shè)置風(fēng)電入網(wǎng)上下限，限制其入網(wǎng)功率，這樣會產(chǎn)生大量棄風(fēng)，浪費(fèi)寶貴的風(fēng)能資源[3]。由于受到氣象、氣壓等環(huán)境因素的影響，風(fēng)電出力曲線與負(fù)荷曲線明顯不匹配。風(fēng)電出力高峰往往集中在夜間時(shí)段，也即負(fù)荷的低谷期；負(fù)荷高峰時(shí)，風(fēng)電出力則又放緩。隨著電力市場環(huán)境下峰谷電價(jià)的實(shí)施，風(fēng)電場又面臨著“高峰電價(jià)發(fā)電少，高峰出力電價(jià)低”的尷尬，使得原本低投入、低運(yùn)行成本的優(yōu)勢不再明顯。

如何最大限度地消納風(fēng)電而又不對系統(tǒng)造成影響，同時(shí)兼顧風(fēng)電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性成為風(fēng)電研究的熱點(diǎn)。儲能系統(tǒng)是解決這一問題的有效手段[4-5]。抽水蓄能電站因其啟動迅速、靈活可靠的優(yōu)勢，在現(xiàn)階段應(yīng)用最多。文獻(xiàn)[6]以最大化風(fēng)水電聯(lián)合運(yùn)行效益為目標(biāo)，提出了將概率遍歷搜索和局部彈性搜索相結(jié)合的混合遺傳算法進(jìn)行仿真分析，目標(biāo)函數(shù)略顯簡單；文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上，增加了平滑風(fēng)蓄聯(lián)合出力的目標(biāo)函數(shù)，不足之處在于沒有考慮抽水蓄能電站的運(yùn)行成本；文獻(xiàn)[8]以風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的效益最大為目標(biāo)，考慮抽水蓄能機(jī)組啟停成本和偏離計(jì)劃出力的懲罰，思路值得借鑒；文獻(xiàn)[9]在電量效益、運(yùn)行效益以及調(diào)峰效益等方面研究了風(fēng)電抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效益，具有較好的啟發(fā)性。

上述文獻(xiàn)研究大多集中在提高風(fēng)電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性上，在提高風(fēng)電接納能力的效果上缺乏一定的說服力。針對上述風(fēng)電的兩個(gè)特點(diǎn)，本文在提高風(fēng)電運(yùn)行效益和風(fēng)電接入能力方面進(jìn)行了有益嘗試。從風(fēng)電場的角度出發(fā)，將風(fēng)電和抽水蓄能電站聯(lián)合調(diào)度，利用其抽蓄功能，將風(fēng)電出力時(shí)空平移，建立了最大化風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益、最小化風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動方差的多目標(biāo)優(yōu)化模型，其優(yōu)化結(jié)果也證明了本文所建模型的可行性和有效性。

1 風(fēng)電-抽水蓄能電站聯(lián)合優(yōu)化模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

引入抽水蓄能電站后，利用其抽蓄功能，可將低谷電價(jià)的風(fēng)電儲存起來，到高峰電價(jià)時(shí)發(fā)出，從而使風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。由于抽水蓄能電站實(shí)際啟停中存在成本，模型計(jì)及啟停費(fèi)用的影響；考慮到電網(wǎng)的接受能力，為了使風(fēng)蓄聯(lián)合入網(wǎng)功率更加平滑，引入風(fēng)蓄聯(lián)合輸出功率方差最小作為第2個(gè)目標(biāo)函數(shù)。風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

式中：f1為風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益；f2為風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)風(fēng)蓄聯(lián)合輸出功率的波動方差；T為整個(gè)調(diào)度周期；ct為t時(shí)刻對應(yīng)的峰谷電價(jià)；Pwh,t為t時(shí)刻風(fēng)蓄聯(lián)合出力；ch為抽水蓄能電站的啟停單個(gè)機(jī)組的費(fèi)用；nt為抽水蓄能電站t時(shí)刻開啟/關(guān)閉的機(jī)組臺數(shù)；Pwh,av為風(fēng)蓄聯(lián)合出力的平均值。

風(fēng)蓄聯(lián)合出力可表示為

式中：Pw,t為t時(shí)刻風(fēng)電出力；Ph,t為t時(shí)刻抽水蓄能電站的出力。

抽水蓄能電站的啟停單個(gè)機(jī)組的費(fèi)用為

式中：cf和cc分別為開啟單個(gè)機(jī)組發(fā)電和抽水的費(fèi)用。

1.2 約束條件

（1）抽水蓄能電站上、下庫容約束可以表示為

庫容變化量約束可分為以下兩種情況表示。

①當(dāng)Ph,t＞0時(shí)，上、下水庫的庫容變化量分別為

②當(dāng)Ph,t＜0時(shí)，上、下水庫的庫容變化量分別為

式中：η1和η2分別為抽水蓄能電站的抽水和發(fā)電效率。

（2）抽水蓄能電站始、末庫容約束可以表示為

（3）抽水蓄能電站的功率約束可表示為

式中：Pfmin和Pfmax分別為抽水蓄能電站單臺機(jī)組發(fā)電的最小最大出力；Pcmin和Pcmax分別為抽水蓄能電站單臺機(jī)組抽水的最小、最大出力；nh,t為抽水蓄能電站t時(shí)刻運(yùn)行的機(jī)組臺數(shù)，可表示為

（4）抽水蓄能電站機(jī)組個(gè)數(shù)的約束可以表示為

式中：N為抽水蓄能電站全部可逆式機(jī)組的個(gè)數(shù)。

1.3 多目標(biāo)處理策略

本文在考慮最大化風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益的基礎(chǔ)上，引入最小化風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動方差的限制，使得單目標(biāo)優(yōu)化問題變?yōu)閺?fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問題。考慮到數(shù)量級以及量綱之間的差異，不能采用簡單的加權(quán)求和來解算。為了評價(jià)引入抽水蓄能電站后對風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性以及風(fēng)電接入能力的影響，可將風(fēng)電單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和入網(wǎng)功率波動方差作為衡量基準(zhǔn)，將兩個(gè)子目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一做歸一化處理，則原來的多目標(biāo)函數(shù)可表示為

利用上述的多目標(biāo)處理策略，可將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)進(jìn)行求解，據(jù)此可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的粒子群算法程序進(jìn)行編程求解。

2 算例分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證模型的有效性，現(xiàn)對某風(fēng)蓄聯(lián)合體組成的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解。調(diào)度周期為24 h。風(fēng)電預(yù)測出力見文獻(xiàn)[10]。抽水蓄能電站的基本參數(shù)參考文獻(xiàn)[7-8]給出，部分參數(shù)如表1所示。風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)見文獻(xiàn)[9]。

表1 抽水蓄能電站參數(shù)Tab.1 Parameters of pumped-storage plant

2.2 結(jié)果分析

2.1.1 風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的優(yōu)化結(jié)果

若風(fēng)電全額入網(wǎng)，此時(shí)風(fēng)電場運(yùn)行效益為1.932×106元，風(fēng)電入網(wǎng)功率波動方差為2 869。此結(jié)果可以作為風(fēng)蓄聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的基準(zhǔn)值。

2.2.2 風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的優(yōu)化結(jié)果

當(dāng)風(fēng)電和抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，利用抽水蓄能電站的抽蓄功能，將風(fēng)電出力時(shí)空平移，此時(shí)的優(yōu)化結(jié)果如圖1所示。將其優(yōu)化結(jié)果與風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所示。

分析上述數(shù)據(jù)可知：

（1）當(dāng)風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電入網(wǎng)功率波動劇烈，最大峰谷差可達(dá)190 MW，且在07∶00—11∶00高峰電價(jià)時(shí)段以及11∶00—15∶00中峰電價(jià)時(shí)段風(fēng)電出力較少，顯然運(yùn)行效益不高。

（2）引入抽水蓄能電站后，風(fēng)蓄聯(lián)合入網(wǎng)功率的波動幅度有了明顯改善，聯(lián)合功率波動方差僅為風(fēng)電單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的18.7%，最大峰谷差僅為風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的44.7%，且在07∶00—11∶00，17∶00—21∶00等高峰電價(jià)時(shí)段，風(fēng)電出力較大，運(yùn)行效益明顯提高。

單目標(biāo)與多目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果對比如表3所示，單目標(biāo)方案的優(yōu)化結(jié)果見圖2。

圖1 風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的優(yōu)化結(jié)果Fig.1 Optimal results of combined operation

表2 風(fēng)電單獨(dú)運(yùn)行與風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果對比Tab.2 Optimal results between wind power and combined operation

表3 不同方案結(jié)果對比Tab.3 Optimal results among different plans

圖2 單目標(biāo)方案優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Optimal results of single-objective plan

分析上述數(shù)據(jù)可以看出，如果僅以單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)以風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行效益最大為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，顯然收益最大，此時(shí)風(fēng)蓄聯(lián)合出力集中在高峰以及中峰電價(jià)時(shí)段，低谷電價(jià)時(shí)段聯(lián)合出力較少，使得整個(gè)調(diào)度時(shí)段風(fēng)蓄聯(lián)合出力的波動也更劇烈；當(dāng)以風(fēng)蓄聯(lián)合出力方差最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，由于抽水蓄能電站的容量較大，可基本平抑風(fēng)電出力波動，聯(lián)合出力方差可為0，但此時(shí)各時(shí)段出力相同，運(yùn)行效益明顯減少。由表3的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果可以看出，各個(gè)目標(biāo)均做出了一定讓步，取得了整體效益最優(yōu)的結(jié)果。

3 結(jié)語

本文從提高風(fēng)電場運(yùn)行效益以及風(fēng)電接入能力的角度出發(fā)，利用抽水蓄能電站的抽蓄功能，將風(fēng)電出力時(shí)空平移，在最大化風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行效益以及最小化風(fēng)蓄聯(lián)合出力波動方差兩方面進(jìn)行權(quán)衡。算例分析驗(yàn)證了抽水蓄能電站在提高風(fēng)電運(yùn)行效益以及風(fēng)電接入能力方面的優(yōu)勢，同時(shí)也證明了該多目標(biāo)模型的可行性和有效性。

[1]和萍，文福栓，薛禹勝，等（He Ping，Wen Fushuan，Xue Yusheng，et al）.風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響述評（Survey on impact of wind power on small signal stability in power system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（1）：1-7，38．

[2]盛四清，孫曉霞（Sheng Siqing，Sun Xiaoxia）.含風(fēng)電場的混合機(jī)會約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型（Hybrid chance-con?strained economic dispatch model with wind farm）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EP?SA），2015，27（8）：82-86，102.

[3]于佳，任建文，周明（Yu Jia，Ren Jianwen，Zhou Ming）.基于機(jī)會約束規(guī)劃的風(fēng)-蓄聯(lián)合動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度（A chanceconstrained programming based dynamic economic dis?patch of wind farm and pumped-storage power station）[J].電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2013，37（8）：2116-2122．

[4]王剛，邱曉燕，張曉晨，等（Wang Gang，Qiu Xiaoyan，Zhang Xiaochen，et al）.平滑風(fēng)電功率的電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略（Optimized control strategy for battery en?ergy storage system to smooth wind power output）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（8）：66-70．

[5]江海敏，袁越，張新松，等（Jiang Haimin，Yuan Yue，Zhang Xinsong，et al）.儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場閃變抑制中的應(yīng)用（Application of energy storage system in mitigating the flicker resulted from integrated wind power genera?tion）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（2）：7-12．

[6]潘文霞，范永威，楊威（Pan Wenxia，F(xiàn)an Yongwei，Yang Wei）.風(fēng)-水電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行分析（The optimization for operation of wind park combined with water power sys?tem）[J].太陽能學(xué)報(bào)（Acta Energiae Solaris Sinica），2008，29（1）：80-84．

[7]王曉蘭，李志偉（Wang Xiaolan，Li Zhiwei）.風(fēng)電-抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行的多目標(biāo)優(yōu)化（Multi-objective optimi?zation of combined operation of power station with wind power and pumped water power storage）[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Lanzhou University of Technology），2011，37（5）：78-82．

[8]胡澤春，丁華杰，孔濤（Hu Zechun，Ding Huajie，Kong Tao）.風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型（A joint daily operational optimization model for wind power and pumped-storage plant）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automa?tion of Electric Power Systems），2012，36（2）：36-41，57.

[9]李強(qiáng)，袁越，李振杰，等（Li Qiang，Yuan Yue，Li Zhenjie，et al）.考慮峰谷電價(jià)的風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效益研究（Research on energy shifting benefits of hy?brid wind power and pumped hydro storage system consid?ering peak-valley electricity price）[J].電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2009，33（6）：13-18．

[10]陳海焱，陳金富，段獻(xiàn)忠（Chen Haiyan，Chen Jinfu，Duan Xianzhong）.含風(fēng)電場電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的模糊建模及優(yōu)化算法（Fuzzy modeling and optimization algorithm on dynamic economic dispatch in wind power integrated system）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2006，30（2）：22-26．

Operational Optimization Model for Combined Operation of Wind Power and Pumped-storage Plant

SHENG Siqing，SUN Xiaoxia
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Wind power has the characteristics of volatility and anti-load.On the one hand，the safety and reliability of power grid are challenged due to the volatility of wind power.On the other hand，the output curve and load cruve of wind power do not match，and the economic operation of wind farm is impacted after the implementation of peak valley price in the opwer market.In this paper，wind farm and pumped-storage plant are dispatched together in the perspective of wind farm.A multi-objective optimization model is built，which considers maximum benefit and the minimum fluctua?tion variance of combined operation.Start-stop cost of pumped-storage plant is taken into account in this model，and normalized multi-objective processing strategy is employed.Through the comparison with wind power alone，it is veri?fied that pumped-storage plant can improve the efficiency of wind power and it has the advantage of wind power integra?tion，showing the feasibility and effectiveness of the multi-objective model.

wind power plant；pumped-storage plant；combined operation benefit；wind power integration

TM 73

A

1003-8930（2016）11-0100-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.017

2014-08-29；

2016-04-26

盛四清（1965—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與控制。Email：hdbdssq@163.com

孫曉霞（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與控制。Email：sunxiaoxia520@126.com