歐傳奇

(國際小水電中心，浙江 杭州 310002)

1 概 述

抽水蓄能與風(fēng)電等可再生能源聯(lián)合供電系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合供電系統(tǒng))的主要電源點(diǎn)為風(fēng)電場、抽水蓄能電站(水泵和水輪發(fā)電機(jī)組分設(shè)，抽水、發(fā)電可同時(shí)進(jìn)行[1])，還可能存在太陽能等其他可再生能源發(fā)電站、常規(guī)電站以及備用的柴油發(fā)電廠(見圖1)。為保證該系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性，風(fēng)電等可再生能源發(fā)電的輸出功率僅允許直接接入承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷的部分，其余負(fù)荷則必須由抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)組(以下簡稱水輪機(jī)組)和常規(guī)電站機(jī)組來保證。當(dāng)水輪機(jī)組不發(fā)電即可保證系統(tǒng)電力需求時(shí)，水輪機(jī)組用作旋轉(zhuǎn)備用；當(dāng)水輪機(jī)組滿發(fā)電而系統(tǒng)供電仍有缺口時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組充當(dāng)備用電源啟動運(yùn)行。同時(shí)，風(fēng)電等可再生能源發(fā)電的輸出功率除直接接入系統(tǒng)的部分外，剩余電能利用抽水蓄能電站的水泵抽水轉(zhuǎn)換為水能存蓄在上水庫。

圖1 聯(lián)合供電系統(tǒng)示意圖

該聯(lián)合供電系統(tǒng)通過適時(shí)地重構(gòu)配置組合來適應(yīng)負(fù)荷需求并存蓄隨機(jī)變化的多余電能，可直接、間接地使得風(fēng)電等可再生能源最大程度地輸入電網(wǎng)，且對于海島等區(qū)域孤立供電系統(tǒng)，相比“風(fēng)(光)—蓄電池”[2-3]“風(fēng)(光)—柴”[4-6]以及“風(fēng)—柴—蓄電池”[7]等獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)，其供電質(zhì)量和可靠性將明顯提高。由于該系統(tǒng)中的電源種類較多，而其運(yùn)行模式各不相同又相互關(guān)聯(lián)，且存在多種的條件限制，如：可再生能源發(fā)電的接入比重限制、抽水蓄能電站的上水庫最高和最低水位限制、水泵和水輪機(jī)組的裝機(jī)規(guī)模限制以及水輪機(jī)組是否投入備用、柴油機(jī)組是否啟動等限制，這與已有文獻(xiàn)[8-14]中的獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)相比，其聯(lián)合運(yùn)行模式、優(yōu)化約束條件等要復(fù)雜很多。在已知或給定系統(tǒng)負(fù)荷曲線時(shí)，如何建立計(jì)算模型并正確求解獲得系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，是該系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)以及運(yùn)行調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 基本方程和限制條件

系統(tǒng)優(yōu)化配置計(jì)算模型基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)配置的運(yùn)行模式和電力電量平衡方程，當(dāng)各實(shí)時(shí)對應(yīng)的限制條件發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算模型的組成和形式也各不相同。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行控制要求，設(shè)置電源利用的優(yōu)先級別為：常規(guī)電站(可直接接入電網(wǎng)的電源)→限制性電源(接入功率受限的電源，即風(fēng)電等可再生能源電站)→抽水蓄能電站的水輪機(jī)組→備用柴油發(fā)電機(jī)組。據(jù)此即可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷和各電源可供電量，列寫計(jì)算方程，依次判別并計(jì)算出每一時(shí)刻所需的抽水容量、各電源發(fā)電容量、蓄能電站備用容量、系統(tǒng)供電保證率(滿足供電需求的小時(shí)數(shù)占計(jì)算周期內(nèi)總小時(shí)數(shù)的百分比)、水庫庫容和水位等(見圖2)。

以風(fēng)電與抽水蓄能電站的聯(lián)合運(yùn)行方式為例，系統(tǒng)配置的主要參數(shù)包括：風(fēng)機(jī)臺數(shù)，抽水蓄能電站水庫調(diào)節(jié)庫容、水泵裝機(jī)容量、水輪機(jī)裝機(jī)容量，備用電源(柴油發(fā)電機(jī))裝機(jī)容量等。該系統(tǒng)優(yōu)化配置計(jì)算過程中涉及的基本方程和相關(guān)限制條件簡介如下。

圖2 聯(lián)合供電系統(tǒng)實(shí)時(shí)配置求解程序流程

2.1 基本方程

a.系統(tǒng)電力電量平衡。在設(shè)定的計(jì)算周期(如一年)內(nèi)，任意時(shí)刻系統(tǒng)必須滿足其所有發(fā)供電量與所有負(fù)荷量的供需平衡。對于風(fēng)電與抽水蓄能電站的聯(lián)合運(yùn)行方式，其電力平衡方程為

DLS+DPS=PWF+PHP

(1)

式中PWF、PHP——風(fēng)電場、水輪機(jī)組在任意時(shí)刻的出力；

DLS、DPS——任意時(shí)刻的系統(tǒng)負(fù)荷和水泵抽水功率。

考慮到系統(tǒng)中還存在其他類型電源以及存在受限電源的允許接入比例、水庫容積、抽水和發(fā)電設(shè)備裝機(jī)規(guī)模等的限制，還可能存在供電缺口或棄風(fēng)等情況，因此，需要根據(jù)各種電源投入的數(shù)量及先后順序分別確定其方程。

b.抽水蓄能電站水量平衡。假定在微小計(jì)算時(shí)步Δt時(shí)段內(nèi)，蓄能電站的水庫水位變化很小，則其上水庫的蓄水容積Ve可由前一計(jì)算時(shí)步的蓄水容積Ve0、水泵抽水功率DPS以及水輪機(jī)組發(fā)電出力PHP求出，即

(2)

式中ηP、ηT——任意時(shí)刻水泵抽水綜合效率和水輪機(jī)組發(fā)電綜合效率；

Zu、Zd——對應(yīng)時(shí)刻的上、下水庫水位；

γw——水重度；

下標(biāo)“0”表示前一計(jì)算時(shí)步。

2.2 限制條件

a.受限電源接入比重限制。風(fēng)電等可再生能源電源的直接接入系統(tǒng)的最大允許功率僅為系統(tǒng)實(shí)時(shí)總負(fù)荷的比重α(α≤1，對于大電網(wǎng)一般α=0.1，對于區(qū)域孤網(wǎng)，配置蓄能電站后，α可另論證確定為較大值)，其剩余電能用于水泵抽水。

b.上水庫庫容限制。上水庫的水位波動須控制在允許范圍內(nèi)。當(dāng)其庫容計(jì)算值大于最大庫容時(shí)，表明水庫已滿應(yīng)停止抽水，多余電能無法被利用；當(dāng)庫容計(jì)算值小于死庫容時(shí)，表明因庫內(nèi)存水量不足，水輪機(jī)組無法再發(fā)電滿足負(fù)荷需求，需啟動備用的柴油機(jī)組，否則將出現(xiàn)供電缺口，系統(tǒng)供電保證率下降。其中，由于蓄能電站抽水和發(fā)電裝置是分開的，在任意計(jì)算時(shí)步內(nèi)，如忽略水位的微小變化，即使在最高水位附近，蓄能電站的抽水、發(fā)電仍可同時(shí)進(jìn)行，此時(shí)發(fā)電耗水是主動行為，水泵耗電蓄水是被動行為，抽水蓄水量小于或等于發(fā)電耗水量；同理，在最低水位附近時(shí)，蓄能電站的抽水、發(fā)電也能同時(shí)進(jìn)行，此時(shí)水泵耗電蓄水是主動行為，發(fā)電耗水是被動行為，發(fā)電耗水量小于或等于抽水蓄水量。

c.水泵裝機(jī)容量限制。在不作限制時(shí)，水泵裝機(jī)容量即按計(jì)算出的最大抽水需求規(guī)模確定，此時(shí)受風(fēng)電等的隨機(jī)性特征影響，水泵容量一般會需配過大。因此，水泵裝機(jī)規(guī)模應(yīng)給定必要的限制，這雖會造成一定的棄風(fēng)，但可在抽水保證率降低不多的情況下顯著地減小水泵裝機(jī)容量。

d.水輪機(jī)組裝機(jī)容量限制。從提高系統(tǒng)供電保證率角度看，水輪機(jī)組裝機(jī)容量應(yīng)取為計(jì)算周期內(nèi)的蓄能電站可發(fā)電的最大功率。由于在低風(fēng)或無風(fēng)時(shí)，蓄能電站是系統(tǒng)的主要補(bǔ)充電源，所需水輪機(jī)組容量取決于對應(yīng)時(shí)刻的系統(tǒng)負(fù)荷大小，一般會需要過大的裝機(jī)規(guī)模，因此，水輪機(jī)組裝機(jī)規(guī)模應(yīng)給定必要的限制，這雖會造成系統(tǒng)供電保證率的下降，但可在備用柴油機(jī)組啟動不多的情況下顯著地減小水輪機(jī)組裝機(jī)容量，獲得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

3 系統(tǒng)優(yōu)化配置設(shè)計(jì)計(jì)算

假設(shè)每臺風(fēng)機(jī)出力相同，給定風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫庫容等基本參數(shù)，可依次確定水泵、水輪機(jī)以及柴油機(jī)的裝機(jī)容量。通過更改系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫庫容，可得到多個(gè)不同配置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)優(yōu)化比選，可最終確定設(shè)計(jì)方案。

3.1 風(fēng)機(jī)臺數(shù)和蓄能電站庫容的優(yōu)化計(jì)算

在備用電源不投運(yùn)的情況下，通過給定各種風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫調(diào)節(jié)庫容的組合，可計(jì)算出系統(tǒng)供電保證率，并由此繪制出關(guān)于風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫調(diào)節(jié)庫容和供電保證率的莫諾圖，由圖中曲線族的疏密和曲線拐點(diǎn)，可選取風(fēng)機(jī)臺數(shù)和水庫庫容較優(yōu)組合。

以大萬山島供電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果為例(見圖3)，在相同的庫容條件下，風(fēng)機(jī)臺數(shù)由8臺增至12臺時(shí)，供電保證率增幅相對較大，繼續(xù)增加風(fēng)機(jī)臺數(shù)時(shí)，對供電保證率的貢獻(xiàn)逐漸降低，因此，較優(yōu)的風(fēng)機(jī)臺數(shù)為10～12臺。對于庫容取值，當(dāng)風(fēng)機(jī)臺數(shù)選定時(shí)，隨著庫容的增大，均存在一個(gè)供電保證率增速由快到慢的拐點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，取莫諾圖中對應(yīng)曲線的拐點(diǎn)比較合適，相應(yīng)上述風(fēng)機(jī)臺數(shù)的蓄能電站調(diào)節(jié)庫容約為90萬～150萬m3。

圖3 大萬山島聯(lián)合供電系統(tǒng)供電保證率莫諾圖

3.2 水泵裝機(jī)容量的優(yōu)化計(jì)算

水泵裝機(jī)容量以盡量滿足抽水要求和減小規(guī)模的原則確定。首先，求得不棄風(fēng)前提下計(jì)算周期內(nèi)任意時(shí)步系統(tǒng)的抽水需求規(guī)模，找出最大值；然后，在最大值的基礎(chǔ)上逐漸減小水泵裝機(jī)取值，分析水泵需求規(guī)模對供電保證率的影響，最終根據(jù)該影響關(guān)系確定合適的取值。

例如，當(dāng)圖3中選取的風(fēng)機(jī)為12臺、調(diào)節(jié)庫容為150萬m3時(shí)，則對應(yīng)不棄風(fēng)的水泵裝機(jī)規(guī)模為6685kW。由裝機(jī)容量影響曲線(見圖4)知，水泵裝機(jī)取4000kW較合適，此時(shí)裝機(jī)減小了40%，但供電保證率下降不到2%。

圖4 水泵裝機(jī)容量對供電保證率的影響

3.3 水輪機(jī)組裝機(jī)容量的優(yōu)化計(jì)算

水輪機(jī)組裝機(jī)容量以盡量滿足發(fā)電需求和減小規(guī)模的原則確定。首先，求得計(jì)算周期內(nèi)任意時(shí)步的系統(tǒng)發(fā)電需求，找出最大值；然后，在最大值的基礎(chǔ)上逐漸減小裝機(jī)取值，分析水輪機(jī)組裝機(jī)規(guī)模對供電保證率的影響，最終根據(jù)該影響關(guān)系確定合適的取值。

針對上述的風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫庫容和水泵裝機(jī)容量，可求出計(jì)算周期內(nèi)蓄能電站最大發(fā)電需求的裝機(jī)為5850kW。但根據(jù)裝機(jī)容量影響曲線(見圖5)，水輪機(jī)組裝機(jī)取3500kW更合理。

3.4 備用電源裝機(jī)容量的優(yōu)化計(jì)算

在求得風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫庫容、水泵裝機(jī)容量和水輪機(jī)裝機(jī)容量后，在備用電源不投入的前提下，即可求出計(jì)算周期內(nèi)的系統(tǒng)供電缺口大小，通過排序繼而可統(tǒng)計(jì)出備用電源裝機(jī)容量與供電保證率的對應(yīng)關(guān)系(見圖6)，據(jù)此即可求出在目標(biāo)供電保證率下的備用電源裝機(jī)容量。

圖5 水輪機(jī)裝機(jī)容量對供電保證率的影響

圖6 備用電源裝機(jī)容量對供電保證率的影響

3.5 系統(tǒng)配置以及電量分配結(jié)果

根據(jù)選定的風(fēng)機(jī)臺數(shù)和水庫庫容，計(jì)算出水泵和水輪機(jī)組的裝機(jī)容量，再確定滿足保證率要求的柴油機(jī)組容量，最后可得到整個(gè)系統(tǒng)的配置結(jié)果(對應(yīng)圖3實(shí)例參見表1)。對于該配置的系統(tǒng)，還可求出計(jì)算周期內(nèi)任意時(shí)刻各電源的電力分配情況以及抽水耗電、供電和限電情況，在周期內(nèi)累加，即可得到對應(yīng)的電量分配結(jié)果(見表2)。

表1 大萬山島對本系統(tǒng)的需求配置

注柴油機(jī)組減少量為與系統(tǒng)全部用柴油發(fā)電相比結(jié)果。

表2 大萬山島系統(tǒng)各電源供電電量分配情況

注供電保證率95%。

根據(jù)計(jì)算出的系統(tǒng)配置參數(shù)(各電源裝機(jī)規(guī)模、水庫規(guī)模等)，可求出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以便評價(jià)對應(yīng)設(shè)計(jì)配置方案的優(yōu)劣(可通過程序?qū)崿F(xiàn))。該聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評價(jià)通常采用的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：優(yōu)化時(shí)段內(nèi)每千瓦時(shí)的“電能收益+節(jié)煤效益-投資成本”，可參見文獻(xiàn)[1][10]進(jìn)行計(jì)算分析。另外，對于海島孤立供電系統(tǒng)，考慮到海水抽水蓄能的技術(shù)困難和經(jīng)濟(jì)因素，在滿足供電保證率的前提下，一般以減小上庫庫容和備用柴油機(jī)裝機(jī)規(guī)模為主要優(yōu)化目標(biāo)，以此確定風(fēng)機(jī)臺數(shù)、水庫庫容、水泵和水輪機(jī)組以及備用電源裝機(jī)容量等系統(tǒng)配置參數(shù)。

4 結(jié) 論

針對抽水蓄能與風(fēng)電等可再生能源聯(lián)合供電系統(tǒng)，本文介紹了其配置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算模型以及相關(guān)限制條件，建立了逐步求解對應(yīng)模型的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可計(jì)算分析各電源的實(shí)際利用情況、系統(tǒng)供電保證率情況、蓄能電站水庫庫容及水位變化情況。提出了通過繪制“風(fēng)機(jī)臺數(shù)—蓄能電站調(diào)節(jié)庫容—系統(tǒng)供電保證率”的莫諾圖，建立系統(tǒng)供電保證率與系統(tǒng)配置參數(shù)的影響關(guān)系，據(jù)此可選擇較優(yōu)的風(fēng)機(jī)臺數(shù)和水庫庫容組合，并最終求出整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案。本方法可利用長系列實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算分析，不需要整理典型短期負(fù)荷，可適用于多種復(fù)雜需求情況：支持非限制性(常規(guī)電站)與限制性(風(fēng)電等可再生能源)兩種性質(zhì)電源的多種不同組合；支持抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用運(yùn)行模式；抽水蓄能電站水泵和水輪機(jī)組的裝機(jī)規(guī)?？扇藶榻o定限制，也可由計(jì)算機(jī)程序自動優(yōu)化求解；可在給定系統(tǒng)配置和負(fù)荷條件下，對各電源實(shí)際利用情況、供電保證率等進(jìn)行計(jì)算分析；可用于系統(tǒng)配置方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及特定聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的優(yōu)化配置運(yùn)行調(diào)度等。