歐陽晨曦 趙志高 李旭東 胡金弘 楊威嘉 楊建東

摘要：

海水可變速抽水蓄能是國內(nèi)尚未應(yīng)用的新技術(shù)，是消納海上風(fēng)電、提高沿海及海島電力系統(tǒng)可靠性的新思路。以經(jīng)濟(jì)效益最大化和輸出功率波動最小化為目標(biāo)，提出考慮分時電價、變速機(jī)組運行特性的多層次約束條件，建立海水抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)運行優(yōu)化模型；引入NSGA-Ⅱ算法結(jié)合罰函數(shù)求解；以廣東萬山群島微網(wǎng)系統(tǒng)為例，定量對比了含可變速和定速機(jī)組的海水抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)運行性能，闡明了可變速技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)果表明：在一個日調(diào)節(jié)周期內(nèi)，相較于同容量下的常規(guī)抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合運行系統(tǒng)，可變速抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合運行系統(tǒng)可提高經(jīng)濟(jì)效益4.16%，降低輸出功率波動12.10%，減小棄電量26.78%，提高風(fēng)能利用率1.69%。研究成果對探尋適合中國沿海地區(qū)和海島的海水抽蓄系統(tǒng)發(fā)展模式具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：

海水抽水蓄能； 可變速機(jī)組； 風(fēng)電； 經(jīng)濟(jì)效益； 功率波動

中圖法分類號：TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.011

文章編號：1006-0081（2023）05-0065-08

0 引 言

構(gòu)建安全穩(wěn)定、面向海洋應(yīng)用的基于儲能與可再生能源聯(lián)合運行的區(qū)域電網(wǎng)是國家海洋戰(zhàn)略實施的重要能源保障?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中提出，鼓勵建設(shè)海上風(fēng)電基地，而海水抽水蓄能（簡稱“抽蓄”）電站作為新型儲能技術(shù)是解決海上風(fēng)電消納問題的有效手段。從電站側(cè)角度看，隨著中國抽蓄電站爆發(fā)式發(fā)展，優(yōu)質(zhì)資源站點越來越少，與常規(guī)抽蓄電站相比，海水抽蓄電站具有無需修建下水庫、水資源豐富的優(yōu)勢；從電網(wǎng)側(cè)角度看，隨著海上風(fēng)電等新能源開發(fā)，配套建設(shè)海水抽蓄電站可優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，對沿海發(fā)達(dá)地區(qū)及能源匱乏海島地區(qū)構(gòu)建安全、穩(wěn)定、清潔的能源供應(yīng)體系具有重要作用。

在海水抽蓄電站中引入可變速技術(shù)，可有效抑制海浪波動對機(jī)組穩(wěn)定性的影響，并可提高功率響應(yīng)的速動性和運行調(diào)節(jié)的靈活性［1］。日本是最早建設(shè)海水可變速抽蓄電站的國家，沖繩電站的真機(jī)運行驗證了海水抽蓄的安全性和可靠性［2］。國外學(xué)者就海水抽蓄已開展了大量研究，明確了海水抽蓄消納新能源的可行性及其發(fā)展前景，建立了有關(guān)抽蓄-風(fēng)電聯(lián)合的系統(tǒng)模型，并提出了相關(guān)的優(yōu)化運行策略［3-5］。其中，海水可變速抽蓄與海上風(fēng)電聯(lián)合運行示意如圖1所示。從國內(nèi)角度來看，國家能源局通過海水抽蓄資源站點普查，確定了238個開發(fā)站點，裝機(jī)總量達(dá)4 208萬kW，然而中國暫無已投運的可變速機(jī)組，海水抽蓄電站尚處于規(guī)劃階段，開展針對風(fēng)光可再生能源消納的含可變速機(jī)組的海水抽蓄電站運行優(yōu)化研究迫在眉睫。

針對常規(guī)抽蓄電站聯(lián)合風(fēng)電運行的優(yōu)化調(diào)度問題，前人已做過大量研究。可變速機(jī)組具有運行調(diào)節(jié)的速動性、高效性、靈活性等優(yōu)勢，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)抽蓄機(jī)組運行范圍窄、功率響應(yīng)慢、加權(quán)效率低等缺點［6］。Yang等［7］通過建模仿真與性能評估分析了可變速機(jī)組平抑風(fēng)電功率波動的優(yōu)勢。DENG等［8］基于IEEE 14節(jié)點測試系統(tǒng)，評估了變速抽蓄電站抑制風(fēng)電功率波動的調(diào)節(jié)性能。然而上述研究僅針對功率波動的單一目標(biāo)開展，未考慮多目標(biāo)之間的矛盾沖突。曹輝等［9］針對水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)，以新能源裝機(jī)規(guī)模最大、新能源及水電棄電量最小為目標(biāo)，提出了一種適用于千萬千瓦級多能互補(bǔ)系統(tǒng)水風(fēng)光資源互補(bǔ)規(guī)模的計算方法。武荷月等［10］提出了一種海上風(fēng)電與可變速海水抽蓄電站聯(lián)合運行的多時間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，但該方法本質(zhì)是通過制定彈性電價引導(dǎo)需求側(cè)資源響應(yīng)，并未考慮可變速機(jī)組的運行特性。曹宇等［11］提出了海島風(fēng)-光-海水抽蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度策略，實現(xiàn)了系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化。范劉洋等［12］提出了一種將海水抽蓄電站作為儲能設(shè)備，配合風(fēng)電場、柴油機(jī)組運行的海島微網(wǎng)供電方案。曹敏健等［13］提出了含抽蓄電站與新能源發(fā)電的柔性直流系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法，驗證了抽蓄平抑新能源出力波動的有效性。

然而，現(xiàn)有研究的局限性有兩點：① 從研究對象方面看，中國暫無已投運的海水可變速抽蓄電站，海水抽蓄與風(fēng)電聯(lián)合運行研究既無工程經(jīng)驗借鑒，又無實測數(shù)據(jù)積累，無法保證聯(lián)合運行策略的可靠性；② 從研究方法方面看，多集中在系統(tǒng)層面，研究目的側(cè)重在容量配置、運行成本、系統(tǒng)效益等，未考慮變速機(jī)組運行特性的關(guān)鍵約束，既無法體現(xiàn)可變速技術(shù)優(yōu)勢，又無法協(xié)調(diào)聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益與變速機(jī)組平抑風(fēng)電波動之間的矛盾關(guān)系。

為此，本文以廣東省萬山群島周邊新能源系統(tǒng)為對象，優(yōu)化分析不同風(fēng)電、抽蓄容量配比場景下的海水抽蓄電站最佳裝機(jī)容量；基于所確定的裝機(jī)容量與可變速抽蓄機(jī)組動態(tài)特性物理模型實驗臺實測運行數(shù)據(jù)，建立可變速海水抽蓄與風(fēng)電聯(lián)合運行優(yōu)化模型，提出系統(tǒng)、電站、機(jī)組不同層面的約束條件，從經(jīng)濟(jì)效益、輸出功率波動以及棄電量等方面量化可變速抽蓄機(jī)組與風(fēng)電聯(lián)合運行的技術(shù)優(yōu)勢，為海上風(fēng)電等可再生能源消納提供新思路。

1 聯(lián)合系統(tǒng)運行優(yōu)化模型

可變速抽蓄-風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)運行優(yōu)化模型以經(jīng)濟(jì)效益最大化和輸出功率波動最小化為目標(biāo)函數(shù)，充分考慮變速機(jī)組運行特性作為關(guān)鍵約束，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法協(xié)調(diào)目標(biāo)函數(shù)之間的矛盾關(guān)系。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

（1） 目標(biāo)函數(shù)1：聯(lián)合運行系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

Max （F 1）=∑ni=1（C iP wi+C iP hi－C piP pi）△t（1）

式中： n 為計算區(qū)間，24 h； P wi為i時 段風(fēng)電場輸送到電網(wǎng)的功率，MW； P hi為i時 段海水抽蓄電站水力發(fā)電輸送到電網(wǎng)的功率，MW； P pi為i時 段海水抽蓄電站抽水功率，MW； C i為i時 段的分時電價，元/（MW·h）； C pi為i時 段的抽蓄抽水電價，元/（MW·h）； △t 為計算時段長，h。

參考《廣東省電網(wǎng)企業(yè)代理購電實施方案（試行）》［14］與電力市場現(xiàn)狀，采用如表1所示的廣東省一般工商業(yè)代理購電用戶分時電價進(jìn)行計算。本文在計算聯(lián)合運行系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益時，僅考慮了上網(wǎng)電價以及抽蓄抽水成本，并未考慮風(fēng)電場與水電站建設(shè)成本以及年運行費等一系列生產(chǎn)成本，過于簡單化，因此如何在聯(lián)合運行系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益中體現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)成本是后續(xù)仍需研究的問題。

（4） 工況限制約束，抽蓄機(jī)組發(fā)電工況和抽水工況不能同時發(fā)生，即：

P pi×P hi=0（10）

式中： P h， max ，P h， min? 分別為海水抽蓄電站最大、最小發(fā)電功率，MW； P p， max ，P p， min? 分別為海水抽蓄電站最大、最小抽水功率，MW； E i為i 時段海水抽蓄電站儲能量，MW·h； E? max? 為海水抽蓄電站最大儲能量，MW·h； η h 為海水抽蓄電站發(fā)電工況效率； η p 為海水抽蓄電站抽水工況效率； △t 為各計算時段長，h。

1.2.3 可變速機(jī)組運行特性約束

可變速機(jī)組引入了“轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”自由度，實現(xiàn)了運行工況點的靈活可控。相比定速機(jī)組，可變速機(jī)組具有運行范圍拓寬、最優(yōu)效率追蹤和變速靈活入力調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。將變速機(jī)組運行特性量化為約束條件是聯(lián)合系統(tǒng)運行優(yōu)化的關(guān)鍵。

本文基于中國唯一的海水抽蓄動態(tài)特性物理模型實驗平臺［15］（圖2），采集了變速機(jī)組在發(fā)電和抽水模式下運行實測數(shù)據(jù)，在發(fā)電工況下變速機(jī)組采用最優(yōu)效率追蹤策略，不同出力工況下的最優(yōu)效率由圖3的實測運行軌跡線插值求得。在水泵模式下出力變化與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系式如下：

P 1P 2=n 1n 23（11）

式中： n 1和n 2 為變速前后的機(jī)械轉(zhuǎn)速，r/min； P 1和P 2 為對應(yīng)的機(jī)組功率，MW；實驗平臺變速范圍為±8%。根據(jù)實驗平臺的實測運行特性，定、變速運行的約束條件設(shè)置如表2所示。

1.3 模型求解

本文所建海水抽蓄與風(fēng)電聯(lián)合運行系統(tǒng)，旨在權(quán)衡系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和輸出功率波動之間的矛盾關(guān)系，屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題。采用綜合優(yōu)化性能較強(qiáng)的NSGA-Ⅱ算法［16-19］對所提模型進(jìn)行求解，采用罰函數(shù)［20-23］方法，引入懲罰因子 M 1，M 2 對不符合約束條件的子代個體進(jìn)行處理，保證結(jié)果的可靠性。模型求解流程如圖4所示。

2 算例分析

2.1 工程背景

以海水可變速抽蓄動態(tài)特性物理模型實驗臺的原型電站所在的廣東省萬山群島微網(wǎng)系統(tǒng)為例，對含可變速機(jī)組的海水抽蓄與海上風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行運行優(yōu)化。該地區(qū)建有裝機(jī)容量為200 MW的海上風(fēng)電場，主聯(lián)絡(luò)網(wǎng)傳輸功率上限為120 MW。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏σ?guī)劃部門預(yù)測，將主聯(lián)絡(luò)網(wǎng)傳輸功率下限定為30 MW。海水抽蓄電站上水庫最大儲能電量約為300 MW·h，下水庫為海洋，儲能量為無窮大。為便于海水抽蓄電站調(diào)度運行，現(xiàn)設(shè)置上水庫初始蓄能量為調(diào)節(jié)庫容的30%，即90 MW·h。選取聯(lián)合運行系統(tǒng)典型日的海上風(fēng)電（表3）作為本算例的風(fēng)電預(yù)測出力。

2.2 方案設(shè)置

為確定合適的風(fēng)電與海水抽蓄裝機(jī)容量配比，設(shè)置裝機(jī)容量為40，50，60 MW可變速海水抽蓄消納風(fēng)電場景（各場景電站功率參數(shù)如表4所示）進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，各場景Pareto前沿如圖5所示。從圖5分析可知，在不考慮工程造價的條件下，相較于場景2，場景1的發(fā)電、抽水限制在較低功率范圍，無法靈活地消納風(fēng)電，會產(chǎn)生大量棄電以保證穩(wěn)定的輸出功率，其經(jīng)濟(jì)效益較差；而場景3則是因為抽水限制在較高功率范圍，當(dāng)風(fēng)電剩余量未達(dá)到36 MW時，該場景無法對風(fēng)電的過剩電量進(jìn)行存儲，同樣也會產(chǎn)生大量棄電，故在輸出功率波動相同情況下，場景3經(jīng)濟(jì)效益較差。綜合對比可知，場景2具有更優(yōu)解集，因此選擇50 MW裝機(jī)容量，開展定、變速海水抽蓄與風(fēng)電聯(lián)合運行研究。

為了量化可變速抽蓄機(jī)組消納風(fēng)電的技術(shù)優(yōu)勢，在聯(lián)合系統(tǒng)中設(shè)置變速機(jī)組和定速機(jī)組兩種方案進(jìn)行對比，除運行方式不同外，其余條件均保持一致：① 方案1為可變速海水抽蓄—風(fēng)電聯(lián)合運行；② 方案2為定速海水抽蓄—風(fēng)電聯(lián)合運行。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化

圖6為方案1與方案2的Pareto前沿對比，從圖6可知，聯(lián)合系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)效益與輸出功率平滑度成反比；對比方案2，方案1具有更優(yōu)解集，即在相同經(jīng)濟(jì)效益下，方案1的輸出功率波動更??；在相同輸出功率波動的情況下，方案1的經(jīng)濟(jì)效益更大。相比定速機(jī)組，可變速機(jī)組具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)性能，既能有效平抑風(fēng)電出力波動，又能提高聯(lián)合系統(tǒng)運行效益。

在兩組Pareto解集中分別選取最優(yōu)方案進(jìn)行分析，選取方法如下：

（1）集對解進(jìn)行歸一化處理，即：

f F 1=F 1－F 1， min F 1， max －F 1， min ， f F 2=F 2－F 2， min F 2， max －F 2， min （12）

式中： f F 1，f F 2為歸一化后的目標(biāo)值；F 1，F(xiàn) 2為方案對應(yīng)的各目標(biāo)函數(shù)值；F 1， min ，F(xiàn) 2， min? 為Pareto前沿各目標(biāo)函數(shù)的最小值。

（2）將歸一化之后目標(biāo)值的和作為標(biāo)準(zhǔn)，選取最小值為最優(yōu)方案，即：

f? opti = min （f F 1+f F 2）（13）

2.4 定、變速運行對比分析

根據(jù)式（12）和（13）分別選取方案1與方案2的最優(yōu)解，并代入聯(lián)合系統(tǒng)運行優(yōu)化模型中，求得方案1與方案2的經(jīng)濟(jì)效益、輸出功率波動與總棄電量如表5所示。相比方案2，方案1的總經(jīng)濟(jì)效益增加5.33萬元（其中，風(fēng)電效益增加6.43萬元、抽水成本減小0.56萬元），輸出功率波動減小1.14 MW，棄電量減小30.90 MW·h。方案1與方案2的效益成本比（Benefit-Cost Ratio，BCR）分別為27.34，23.54，BCR越大經(jīng)濟(jì)效益越好，因此方案1經(jīng)濟(jì)效益高于方案2，若以365 d估算，相較方案2，方案1將增加年收益1 945.45萬元，減小棄電量1.13×104 MW·h。根據(jù)國際可再生能源署（IRENA）發(fā)布的《2021年可再生能源發(fā)電成本》報告，2021年全球平均平準(zhǔn)化度電成本（Levelized Cost of Energy，LCOE）為0.075美元/（kW·h），折合成人民幣約0.52元/（kW·h）；而根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）發(fā)布的《全球風(fēng)能報告2022》，2021年中國海上風(fēng)電新增裝機(jī)占全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)的80.02%。因此，為簡化計算，采用全球平均LCOE計算風(fēng)電成本，即0.52元/（kW·h）。抽蓄平準(zhǔn)化儲能成本（Levelized Cost of Storage，LCOS）以及儲能市場現(xiàn)狀［24-26］，取0.30元/kW·h。由風(fēng)電LCOE和抽蓄LCOS大致估算計算方案的度電成本，估算結(jié)果如表5所示。

方案1與方案2的各電源輸出功率情況分別如圖7與圖8所示（水力發(fā)電功率為正，抽水儲能功率為負(fù)），方案1和方案2的系統(tǒng)輸出總功率對比如圖9。相較于方案2，方案1更充分地發(fā)揮了抽蓄機(jī)組的調(diào)節(jié)優(yōu)勢、總經(jīng)濟(jì)效益較大、輸出功率波動和棄電量較小。分析原因可知，方案2采用的定速機(jī)組，按照電站運行規(guī)范的發(fā)電運行范圍被限制在50%以上，抽水功率限定在額定功率50 MW不可調(diào)節(jié)，使得方案2的抽水只能發(fā)生在風(fēng)電過剩較多（風(fēng)電預(yù)測和風(fēng)力發(fā)電功率差大于50 MW）的時段：00∶00～01∶00，11∶00～13∶00以及14∶00～16∶00，而在其他風(fēng)電過剩情況下，由于達(dá)不到抽水功率，導(dǎo)致在01∶00～02∶00，08∶00～09∶00，10∶00～11∶00以及13∶00～14∶00的4個時段棄電量超過15 MW·h，分別為19.80，15.40，17.90 MW·h和20.60 MW·h；共有6個時段的棄電量超過10 MW·h。

相比方案2，方案1采用了變速抽蓄機(jī)組，發(fā)電運行范圍可拓寬至0～100%，發(fā)電效率更高，抽水功率亦可靈活調(diào)節(jié)，具有較強(qiáng)的風(fēng)電消納能力。當(dāng)風(fēng)電短缺時，特別是在04∶00～07∶00和18∶00～24∶00風(fēng)電供應(yīng)處于低谷時段，通過靈活調(diào)節(jié)抽蓄機(jī)組出力進(jìn)行電量補(bǔ)充，使得系統(tǒng)輸出功率曲線更加平滑（圖9）。在不同程度的風(fēng)電過剩情況下，憑借變速抽蓄機(jī)組的入力調(diào)節(jié)能力將風(fēng)電的過剩電量進(jìn)行存儲，減少了棄電量。因此，方案1僅在01∶00～02∶00內(nèi)產(chǎn)生棄電量超過15 MW·h，為19.40 MW·h；僅有3個時段的棄電量超過10 MW·h。

方案1和方案2的水庫蓄能對比如圖10所示。經(jīng)計算，方案1和2上游水庫日儲能變化分別為167.77，203.02 MW·h，綜合效率分別為99.99%，99.89%；方案1水庫儲能變化最大發(fā)生在19∶00～20∶00，變化量為47.79 MW·h；方案2水庫儲能變化最大發(fā)生在20∶00～21∶00，變化量為53.09 MW·h。日儲能變化對應(yīng)著水位變化，因此方案2水位日變化和單次變化均較大，其主要原因為：① 方案2的發(fā)電和抽水功率都限制在較高范圍內(nèi)（發(fā)電輸出功率范圍50%～100%；抽水輸出功率限定在100%），單次發(fā)電或抽水的功率較大；② 由圖3可知，在相同出力下，方案2的發(fā)電效率低于方案1，這意味著相同發(fā)電量下，方案2的耗水量更高。較大的庫水位變化幅度會降低邊坡穩(wěn)定［27-28］，因此變速機(jī)組有利于提高水庫安全性。

3 結(jié) 論

本文建立了兼顧經(jīng)濟(jì)效益和送端出力波動的可變速海水抽蓄與風(fēng)電聯(lián)合運行優(yōu)化模型，基于海水抽蓄動態(tài)特性實驗臺實測運行數(shù)據(jù)，考慮系統(tǒng)、電站和機(jī)組多層面約束條件，以廣東省萬山群島海上風(fēng)電系統(tǒng)為案例，對比分析了定速抽蓄機(jī)組和變速抽蓄機(jī)組與風(fēng)電聯(lián)合運行的綜合性能，得到如下結(jié)論。

（1） 相較于定速抽蓄-風(fēng)電聯(lián)合運行，可變速抽蓄-風(fēng)電聯(lián)合運行充分發(fā)揮了抽蓄機(jī)組的調(diào)節(jié)優(yōu)勢，在一個日調(diào)節(jié)周期內(nèi)，總經(jīng)濟(jì)效益、風(fēng)能利用量、水庫綜合利用率可分別提高4.16%，1.69%，0.10%，輸出功率波動和棄電量可分別減小12.10%，26.78%。

（2） 相較于定速抽蓄機(jī)組，變速抽蓄機(jī)組發(fā)電運行范圍更寬，發(fā)電效率更高，抽水功率亦可靈活調(diào)節(jié)，具有較強(qiáng)的風(fēng)電消納能力；同時，變速抽蓄機(jī)組還可以減小水庫耗水量，降低庫水位變化，提高水庫安全性。

本文量化分析了變速抽蓄聯(lián)合風(fēng)電運行的技術(shù)優(yōu)勢，為解決海上風(fēng)電消納問題提供了思路。

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（編輯：唐湘茜）

Abstract：

Seawater pumped storage with variable-speed units is a novel technology that has not yet been applied in China，and it is a new idea to consume offshore wind power and improve the reliability of power systems in coastal cities and islands.In this paper，a combined seawater pumped storage-wind power system operation optimization model was proposed to make trade-off between the objectives of maximizing economic benefits and minimized output power fluctuations，considered multi-level constraints of time-sharing tariff and operating characteristics of variable-speed units；the NSGA-II algorithm combined with penalty function was introduced to solve the proposed model.Taking a micro-grid system of an archipelago in Guangdong Province as an example，the operational performances of the combined seawater pumped storage-wind power system with variable-speed and fixed-speed units were quantitatively compared，and the advantages of variable-speed technology were illustrated.The results showed that compared with the conventional pumped storage-wind power combined operation system with the same capacity，the variable speed pumped storage-wind power combined operation system could improve the economic efficiency by 416%，reduced the output power fluctuation by 1210%，reduced the abandoned power by 2678%，and improved the wind energy utilization rate by 169%in one daily regulation cycle.It has novel reference for exploring the development mode of seawater pumped storage systems suitable for coastal areas and islands in China.

Key words：

seawater pumped storage； variable speed units； wind power； economic efficiency； power fluctuation