姚維為 黃佳威 李衛(wèi)兵 鄧友漢 華小軍 蔣定國(guó)

摘 要：水風(fēng)光一體化開(kāi)發(fā)是未來(lái)能源發(fā)展的重要方向之一。水風(fēng)光多能互補(bǔ)建設(shè)面臨著投資規(guī)模大、協(xié)調(diào)發(fā)展難度大、資源與電網(wǎng)需求分布不平衡等諸多挑戰(zhàn)。抽水蓄能作為目前最經(jīng)濟(jì)、最高效、最成熟的一種儲(chǔ)能方式，配合水風(fēng)光一體化開(kāi)發(fā)，在確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，促進(jìn)大規(guī)模的清潔能源消納。通過(guò)研究水風(fēng)光多能互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行特性及模型簡(jiǎn)化方法，構(gòu)建綜合定/變速抽水蓄能電站評(píng)價(jià)體系，厘清不同能源主體間的利益關(guān)系，進(jìn)一步考慮合理的機(jī)制的制定，提高多清潔能源一體化的積極性。并對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)部容量配置以及各部分之間聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究，給出水風(fēng)光蓄聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置方法。

關(guān)鍵詞：水風(fēng)光一體化；抽水蓄能；多能互補(bǔ)；電力市場(chǎng)；容量?jī)?yōu)化

中圖分類號(hào)：TM715 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

國(guó)際能源署預(yù)估未來(lái)10年全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨髮⒊士缭绞皆鲩L(zhǎng)[1]。到2030年，我國(guó)風(fēng)、光發(fā)電總裝機(jī)容量有望達(dá)到2 200～2 400 GW。但風(fēng)、光發(fā)電的日內(nèi)出力不穩(wěn)定性高且自身不可調(diào)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源發(fā)電，需要做好大型清潔能源基地的整合運(yùn)營(yíng)工作，充分挖掘基地靈活性電源“削峰填谷”潛力，提升新能源的消納空間[2]。抽水蓄能電站，特別是可變速抽水蓄能電站，具備優(yōu)秀的運(yùn)行性能和快速調(diào)節(jié)能力，能夠把隨機(jī)性和不確定性強(qiáng)的風(fēng)、光發(fā)電調(diào)整為更穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電源，是水風(fēng)光一體化未來(lái)發(fā)展的重要方向。

常規(guī)水電可配套開(kāi)發(fā)自身裝機(jī)1～1.5倍的新能源資源，抽水蓄能則可配套3～4倍。國(guó)家能源局《2023年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》提出要推進(jìn)主要流域水風(fēng)光一體化規(guī)劃，打造雅礱江、金沙江上游等流域水風(fēng)光一體化示范基地。雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司通過(guò)龍羊峽水光互補(bǔ)、柯拉光伏以及全球最大的兩河口混蓄項(xiàng)目，為流域水風(fēng)光一體化開(kāi)發(fā)提供了示范；中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司也發(fā)力“水風(fēng)光”，聯(lián)合業(yè)內(nèi)知名企業(yè)、高校和科研院所牽頭成立“水風(fēng)光多能互補(bǔ)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，力爭(zhēng)建成在水風(fēng)光多能互補(bǔ)領(lǐng)域具有重要行業(yè)影響的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在國(guó)家高新技術(shù)研究方面能夠做出重要貢獻(xiàn)。

目前，許多學(xué)者針對(duì)水風(fēng)光多能互補(bǔ)運(yùn)行開(kāi)展了相關(guān)研究。萬(wàn)家豪等[3]從源荷匹配角度提出了風(fēng)、光出力互補(bǔ)能力的評(píng)價(jià)方法。王學(xué)斌[4]考慮了在未來(lái)大規(guī)模新能源并網(wǎng)背景下，如何合理消納高比例新能源的問(wèn)題，從日、旬、年三種時(shí)間尺度探究了水電在支持風(fēng)光上網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行方式。Ming等[5]將光電出力的不確定性作為影響調(diào)度的關(guān)鍵因素，對(duì)水光互補(bǔ)模型做出了適應(yīng)性調(diào)整，提出了新的調(diào)度方法。

多主體發(fā)電系統(tǒng)效益補(bǔ)償方面，張麗琴等[6]將強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論融入樣本量分配過(guò)程，提出了基于Shapley Value抽樣估計(jì)的多能互補(bǔ)運(yùn)行的增量分?jǐn)偡椒āie等[7]基于Aumann-Shapley值法對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的增量效益進(jìn)行分配。左玉璽等[8]則針對(duì)電力市場(chǎng)改革過(guò)渡這一時(shí)期，提出了有關(guān)抽水蓄能電站的成本回收方法，從市場(chǎng)回收與部分管制回收兩方面進(jìn)行對(duì)應(yīng)的成本分析問(wèn)題研究。

水風(fēng)光容量配置方面，程孟增等[9]針對(duì)風(fēng)光火蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)中抽水蓄能的容量配置問(wèn)題，構(gòu)建了聯(lián)合系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型。李健華等[10]考慮現(xiàn)貨價(jià)格的波動(dòng)性，研究了中長(zhǎng)期電量比例及其分解方式，基于市場(chǎng)條件，提出了一種同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)與互補(bǔ)能力的容量配置方法。林俐等[11]則考慮大規(guī)模新能源并網(wǎng)問(wèn)題，加入抽蓄投資成本對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的成本影響，以多時(shí)間尺度優(yōu)化為基礎(chǔ)，提出了一種抽蓄容量配置方法，對(duì)抽蓄配置容量進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

目前多能互補(bǔ)領(lǐng)域研究更多地關(guān)注不同清潔能源之間的互補(bǔ)特性、相關(guān)的容量配置、調(diào)度策略以及對(duì)系統(tǒng)安全的考慮等方面，具體到水風(fēng)光一體化方面的研究也是如此，而針對(duì)水風(fēng)光一體化各方的利益分析以及再分配問(wèn)題考慮較少。在容量配置方面更多考慮的是一般容量的風(fēng)電或者光電，對(duì)以后可能出現(xiàn)的大規(guī)模多復(fù)合新能源基地的建設(shè)研究以及如何利用水電與抽蓄電站所帶來(lái)的更強(qiáng)的系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力去優(yōu)化風(fēng)光的容量配置研究也較少。

本文主要研究如何利用抽水蓄能減小風(fēng)電和光伏預(yù)測(cè)誤差所帶來(lái)的出力偏差，并探索電力市場(chǎng)下抽水蓄能參與新能源消納的效益評(píng)估，同時(shí)通過(guò)研究抽水蓄能的容量?jī)?yōu)化配置促進(jìn)風(fēng)光資源在電力市場(chǎng)中的市場(chǎng)化消納，為變速抽蓄的機(jī)組選型及容量配置等方面應(yīng)用提供支撐，推動(dòng)水風(fēng)光一體化建設(shè)的規(guī)范化發(fā)展，提高發(fā)電企業(yè)的收益。

1 水風(fēng)光蓄建模及調(diào)節(jié)特性分析

水風(fēng)光蓄聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)是一種多能源互補(bǔ)系統(tǒng)，主要通過(guò)水電及抽蓄的調(diào)節(jié)能力，以及風(fēng)光互補(bǔ)特性，使整個(gè)系統(tǒng)互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電。該系統(tǒng)主要包括水電、抽蓄、風(fēng)光等要素，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

水風(fēng)光蓄一體化系統(tǒng)出力特性及建模方法研究思路如圖2所示。

1.1 水風(fēng)光資源出力特性建模

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電出力特性模型

風(fēng)電功率由風(fēng)速來(lái)決定，雙參數(shù)Weibull分布可用于擬合其特性。

式中：v是風(fēng)速大??；k為外形參數(shù)，k＞0；c為衡量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電功率Pw與風(fēng)速v的關(guān)系為

式中：vin為機(jī)組切入風(fēng)速；vn為額定風(fēng)速；vout為切出風(fēng)速；Pr為額定出力；aw、bw、c為擬合參數(shù)。

將各風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出作為輸出功率。假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)由n個(gè)相同的風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)電場(chǎng)群的總輸出功率P為：

式中：Pi為第i臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力。

一般地，風(fēng)電場(chǎng)占地面積較大，不同地點(diǎn)的風(fēng)資源存在差異，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組接收到的風(fēng)力不同。風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)之間的差異受多種因素的影響，風(fēng)電場(chǎng)群的總輸出功率隨著電場(chǎng)空間面積而變化。

1.1.2 光伏發(fā)電出力特性模型

光伏發(fā)電功率由光照強(qiáng)度和溫度決定，概率密度可表示為

式中：為Gamma函數(shù)；G為實(shí)際光強(qiáng)；Gmax為最大光強(qiáng)；a、b為形狀參數(shù)。

光伏發(fā)電功率為：

式中：PSTC為標(biāo)準(zhǔn)情況下光伏最大輸出功率；GSTC為光照強(qiáng)度下標(biāo)準(zhǔn)條件參數(shù)；TSTC為溫度標(biāo)準(zhǔn)條件參數(shù)；k為溫度系數(shù)；T為溫度。

由式（4）、式（5）可得到光伏發(fā)電出力函數(shù)，即

忽略機(jī)組之間的相互影響，光伏電站的輸出功率為

2.2 水電與定/變速抽水蓄能建模

水電機(jī)組出力主要和水頭以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率有關(guān)，其表達(dá)式為

式中：Pth為機(jī)組在t時(shí)段實(shí)際出力；Qt為機(jī)組在t時(shí)段的平均發(fā)電流量；Lt和Lte為t時(shí)段上游水位和尾水位；K為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率。

需要注意水庫(kù)水位是變化的，考慮到水庫(kù)來(lái)水量、發(fā)電的發(fā)電流量以及棄水量，庫(kù)容的計(jì)算式為

式中：Vt與Vt+1分別為水庫(kù)在t時(shí)開(kāi)始與結(jié)束的庫(kù)容；Vtr和Qtr 分別為t時(shí)刻的入庫(kù)水量和出庫(kù)流量；Vtf和Qt分別為t時(shí)刻發(fā)電所需水量和對(duì)應(yīng)的流量；Vtq和 Qtq 分別是t時(shí)刻棄水量和棄水流量。

水電機(jī)組水量、水庫(kù)水位以及庫(kù)容存在著一定的非線性關(guān)系：

式中：G1為水庫(kù)庫(kù)容與上游水位的函數(shù)；G2為水庫(kù)機(jī)組發(fā)電流量與尾水位的函數(shù)。

相較于水電與定速抽蓄，變速抽蓄機(jī)組運(yùn)行范圍廣，其機(jī)械、電氣和控制系統(tǒng)之間存在更為復(fù)雜的相互影響，需要更精細(xì)的建模方法。

交流勵(lì)磁電機(jī)等效物理模型較為復(fù)雜，電機(jī)方程之間耦合嚴(yán)重，可通過(guò)等幅值變換矩陣，得到抽蓄機(jī)組在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，有效地消除三相電路中的交叉耦合。

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子有功功率Ps、無(wú)功功率Qs的表達(dá)式為

式中：uds、uqs、ids、iqs分別為dq坐標(biāo)系下電機(jī)定子電壓、電流。

水泵水輪機(jī)通過(guò)控制上下水庫(kù)之間水流實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在發(fā)電工況下，水泵水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)模型可表示為

式中：Hdg為動(dòng)態(tài)水頭；Qd為動(dòng)態(tài)流量；G為開(kāi)度；Tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)；Hsg為靜態(tài)水頭；Hlg為水頭損失；ηg為發(fā)電效率；Qnl為空載流量；Pmg和Tmg分別為發(fā)電模式下的機(jī)械功率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ωr為轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度。

在抽水工況下，水泵水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)模型可表示為

式中：Hsp為靜態(tài)揚(yáng)程；Hdp為動(dòng)態(tài)揚(yáng)程；Hlg為揚(yáng)程損失；Pmp和Tmp分別為抽水模式下的機(jī)械功率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ηp為抽水效率。

1.3 其他綜合因素對(duì)抽蓄建模的影響

除了機(jī)組本體的建模，還需要考慮不同電源組合、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和負(fù)荷需求對(duì)建模的影響。另外，新能源的消納并非僅限于當(dāng)?shù)?，可能還涉及跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸電的因素，在各省電力市場(chǎng)還不完備的背景下，大大增加了建模的復(fù)雜度。事實(shí)上，抽蓄的實(shí)際建模還受到很多因素的影響，如水文、氣候條件（包括降水量、蒸發(fā)蒸騰、溫度等）會(huì)影響水庫(kù)蓄水量和蓄水期限的預(yù)測(cè)，抽蓄選點(diǎn)規(guī)劃工作也要比水電更加復(fù)雜，不同的地形地質(zhì)都會(huì)使得抽蓄的特性有所區(qū)別。另外，人類活動(dòng)以及政府政策和管理也會(huì)對(duì)水體、抽蓄建設(shè)、運(yùn)行產(chǎn)生影響。

因此，為取得更深入和全面的研究結(jié)果，應(yīng)當(dāng)從整體系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮各部分之間的相互影響，優(yōu)化抽水蓄能機(jī)組在整個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng)中的運(yùn)行，更好地揭示抽水蓄能機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，提高建模結(jié)果的可靠性和適用性。

2 市場(chǎng)條件下水風(fēng)光蓄一體的綜合經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 市場(chǎng)條件下抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益模型

建立抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益模型，在考慮抽蓄電站本身經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還應(yīng)該考慮定/變速抽蓄對(duì)風(fēng)光消納、減碳排放所做的貢獻(xiàn)，建立相關(guān)的貢獻(xiàn)度評(píng)價(jià)體系。

2.1.1 水風(fēng)光蓄效益分析

（1）風(fēng)光、水電與抽蓄上網(wǎng)電量收益表達(dá)式為

式中：Fwp，sel、Fp，sel分別為風(fēng)光機(jī)組和水電抽蓄上網(wǎng)電量收益；Pwp，t為t時(shí)段的風(fēng)光機(jī)組并網(wǎng)出力；Ph，t為t時(shí)段的抽水蓄能電站并網(wǎng)出力；Cf 1，t為t時(shí)段的風(fēng)光機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)；Cf 2，t為t時(shí)段的抽水蓄能上網(wǎng)電價(jià)；T=96為一個(gè)調(diào)度周期。

（2）風(fēng)光機(jī)組出售碳排放權(quán)的交易收益表達(dá)式為

式中：Fw，co為出售碳排放權(quán)的交易收益；Cco為二氧化碳減排量，φt為t時(shí)段的碳排放權(quán)交易價(jià)格。

（3）成本主要包含兩個(gè)部分：一是抽蓄的抽水成本，二是棄風(fēng)光懲罰成本。其表達(dá)式為

式中：Cp，ope、Cwp，loss分別為抽蓄電站的抽水成本、棄風(fēng)懲罰成本；Pp，t為t時(shí)段抽水蓄能電站的抽水電量；Cp，t為t時(shí)段抽水蓄能電站的實(shí)際抽水電價(jià)；βw為棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)；Ploss，t為t時(shí)段的棄風(fēng)量。

2.1.2 約束條件

2.1.2.1 風(fēng)光機(jī)組出力約束

式中：Pwp，max為風(fēng)光機(jī)組出力的最大值。

2.1.2.2 常規(guī)水電約束

（1）常規(guī)水電出力約束

式中：Ph，it為第t時(shí)刻第i級(jí)水電站出力；與分別為第t時(shí)刻第i級(jí)水電站出力的最大值與最小值。

（2）常規(guī)水電水量平衡表達(dá)式為

式中：Vi，t和Vi，t+1分別為第i級(jí)常規(guī)水電站t時(shí)期初、末的蓄水量；Δτ為每個(gè)時(shí)段時(shí)間（s）。

（3）常規(guī)水電下泄流量約束為

式中：和分別為第i級(jí)常規(guī)水電站t時(shí)段泄水量的下限和上限值。

2.1.2.3 抽蓄電站出力約束

（1）可變速抽水蓄能機(jī)組的出力約束

式中：和分別為j機(jī)組在t時(shí)段的發(fā)電和抽水功率；和 為發(fā)電與抽水狀態(tài)，其中，若=1，表示機(jī)組為發(fā)電工況，反之為抽水工況；Pjmin和Pjmax分別為機(jī)組的最小、最大發(fā)電和抽水功率。

（2）定速抽水蓄能機(jī)組的出力約束

（3）抽蓄電站時(shí)間約束

式中：T1與T2分別為實(shí)際連續(xù)抽水時(shí)間與發(fā)電時(shí)間；Tp與Tg分別為最大連續(xù)抽水時(shí)間與連續(xù)發(fā)電時(shí)間。

（4）抽蓄電站庫(kù)容約束

式中：xi為第i個(gè)時(shí)段等效為發(fā)電量的水庫(kù)庫(kù)容量；xmax為水庫(kù)最大容量等值發(fā)電量；xmin為水庫(kù)最小容量等值發(fā)電量；λ為抽水蓄能發(fā)電的總效率；δi為抽水蓄能工作狀態(tài)，取0和1分別表示處于抽水狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)；qi與q′i分別為第i個(gè)時(shí)段的日前電量市場(chǎng)發(fā)電上網(wǎng)電量與抽水用電量；qri為第i時(shí)段參與輔助服務(wù)市場(chǎng)容量。

（5）定/變速輔助服務(wù)市場(chǎng)約束

式中：q′ri為第i時(shí)段實(shí)際被調(diào)用的電量；bi為第i時(shí)段的輔助服務(wù)市場(chǎng)容量電價(jià)；b′i為第i時(shí)段輔助服務(wù)使用容量中被調(diào)用部分電量電價(jià)；kd為輔助服務(wù)市場(chǎng)使用中被調(diào)用的比例；kri為被調(diào)用電量的價(jià)格系數(shù)。

（6）電量平衡約束

式中：Wload，t為t時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)總負(fù)荷；Wwp，t為t時(shí)間段內(nèi)風(fēng)光機(jī)組輸出電量Wh，t為t時(shí)間段內(nèi)抽水蓄能電站輸出電量。

2.1.3 抽蓄電站運(yùn)行模式

通過(guò)設(shè)置不同水風(fēng)光一體化運(yùn)行方案，構(gòu)建多種生產(chǎn)調(diào)度模型，從不同一體化運(yùn)行方案下各電源的發(fā)電量、發(fā)電收益、風(fēng)光棄電量等指標(biāo)的變化入手，厘清水風(fēng)光一體化運(yùn)行中各主體利益關(guān)系?？梢詫⑺L(fēng)光蓄的運(yùn)營(yíng)方式分為一體化與獨(dú)立運(yùn)行兩種模式（見(jiàn)圖4、圖5）。

在一體化經(jīng)營(yíng)模式下，抽蓄機(jī)組與風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)統(tǒng)一管理，抽蓄機(jī)組優(yōu)先考慮對(duì)風(fēng)光機(jī)組進(jìn)行消納。具體運(yùn)行模式如下：

（1）根據(jù)管理中心公布的信息，水風(fēng)光蓄能聯(lián)合體預(yù)測(cè)次日及以后電力市場(chǎng)的用電負(fù)荷曲線。

（2）水風(fēng)光蓄能多能系統(tǒng)對(duì)自身風(fēng)光的出力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（3）水風(fēng)光蓄能運(yùn)行管理綜合考慮風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力情況與價(jià)格，給定次日的出力曲線與報(bào)價(jià)。

（4）根據(jù)市場(chǎng)實(shí)時(shí)的成交情況，確定水風(fēng)光蓄能的次日出力曲線。

在獨(dú)立運(yùn)行模式下，風(fēng)電與抽蓄各自獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，抽蓄優(yōu)先考慮自身的經(jīng)濟(jì)效益具體。運(yùn)行模式如下：

（1）根據(jù)管理中心公布的信息，抽水蓄能電站預(yù)測(cè)次日及以后電力市場(chǎng)的用電負(fù)荷曲線。

（2）根據(jù)交易中心公布的信息，抽水蓄能電站預(yù)測(cè)市場(chǎng)風(fēng)光出力曲線與價(jià)格。

（3）抽水蓄能電站綜合考慮風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的出力情況與價(jià)格，給定次日的出力曲線與報(bào)價(jià)，并根據(jù)對(duì)自身經(jīng)濟(jì)效益有利情形進(jìn)行購(gòu)電與賣電。

（4）根據(jù)市場(chǎng)實(shí)時(shí)交易情況，管理中心確定具體的抽電站出力曲線。

2.2 水風(fēng)光蓄系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)體系

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

（1）經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。采用風(fēng)光機(jī)組消納增益系數(shù)表示，即以風(fēng)光機(jī)組上網(wǎng)電量的增量為標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)。其表達(dá)式為

式中：為風(fēng)光獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的上網(wǎng)電量收入；Fwp，sel為有抽蓄電站參與時(shí)的風(fēng)光上網(wǎng)電量收入；Fpro為風(fēng)光在系統(tǒng)中的總收益。

（2）環(huán)境效益指標(biāo)。采用棄風(fēng)光改善系數(shù)和碳排放權(quán)增益系數(shù)表示。

①棄風(fēng)光改善系數(shù)

棄風(fēng)光量是衡量風(fēng)電環(huán)境效益的重要指標(biāo)，棄風(fēng)光損失計(jì)算式為

棄風(fēng)改善系數(shù)為抽蓄電站參與前后風(fēng)光機(jī)組棄風(fēng)光損失成本減少的與總成本的比值，代表抽蓄電站參與后提升的環(huán)境效益。其表達(dá)式為

式中：為風(fēng)光獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的棄風(fēng)光懲罰成本；Closs為有抽蓄電站參與時(shí)的棄風(fēng)光懲罰成本；Csum為風(fēng)光在系統(tǒng)中的總成本。

②碳排放權(quán)增益系數(shù)為聯(lián)合運(yùn)營(yíng)前后碳排放權(quán)收益增量與總收益的比值，代表風(fēng)電通過(guò)合作提升的環(huán)境效益。其表達(dá)式為

式中：為風(fēng)光機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的出售碳排放權(quán)的收入；Cco為有抽蓄電站參與時(shí)風(fēng)光機(jī)組的出售碳排放權(quán)的收入。

2.2.2 基于熵權(quán)法的權(quán)重確定方法

熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小，對(duì)客觀權(quán)重進(jìn)行確定的方法。運(yùn)用樣本數(shù)據(jù)中各指標(biāo)所提供的信息，通過(guò)熵值的修正以及轉(zhuǎn)化，得到相對(duì)客觀的指標(biāo)權(quán)重。相比一般的權(quán)重確定方法，熵權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)在于具有更強(qiáng)的客觀性，能夠更好地解釋所得到的結(jié)果，使評(píng)價(jià)方法更具有可參考性。假設(shè)樣本個(gè)數(shù)為n，評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)為m，Rij表示第i個(gè)樣本的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，具體計(jì)算步驟如下：

（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱的影響。設(shè)處理后的數(shù)據(jù)為R′ij，計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下，第i個(gè)樣本的特征比重或貢獻(xiàn)度。

式中：Aij為歸一化后的指標(biāo)水平矩陣元素。

（2）定義第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值

（3）確定各指標(biāo)的權(quán)重Wj

貢獻(xiàn)度指標(biāo)體系可以表征水風(fēng)光蓄一體化比常規(guī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的獲益程度，如體系中的增益系數(shù)越大代表該主體的效益提升程度越大。基于貢獻(xiàn)度指標(biāo)體系更新各部分利益模型。

3 水風(fēng)光蓄系統(tǒng)場(chǎng)景設(shè)定

在電力體制改革背景下，廠網(wǎng)分開(kāi)導(dǎo)致各發(fā)電單元競(jìng)相關(guān)注自身利益。抽蓄電站作為靈活性調(diào)節(jié)電源，近年來(lái)發(fā)展迅猛，并且抽蓄電站可作為一個(gè)獨(dú)立的主體進(jìn)行電力市場(chǎng)的交易。因此，在新型電力系統(tǒng)中考慮抽蓄的作用，進(jìn)行電力市場(chǎng)的交易具有重大意義。

針對(duì)風(fēng)光-定/變速抽蓄聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)容量配置方法的相關(guān)調(diào)研表明，博弈論可以較好地兼顧聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中各主體的利益，在市場(chǎng)化改革的電力系統(tǒng)運(yùn)行體系中具有優(yōu)良的契合度。博弈論主要分為非合作博弈、合作博弈以及演化博弈。其中演化博弈源于生物進(jìn)化學(xué)，早期主要用于揭示生物進(jìn)化過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。由于演化博弈假定博弈者具有有限理性，因而具有較強(qiáng)的工程意義。本文采用演化博弈方法。水風(fēng)光蓄運(yùn)行系統(tǒng)容量配置方法研究思路如圖6所示。

3.1 水風(fēng)電蓄容量配置主要場(chǎng)景

首先，選取適當(dāng)?shù)膭?dòng)力學(xué)機(jī)制（復(fù)制動(dòng)力學(xué)機(jī)制、史密斯機(jī)制、BNN機(jī)制），根據(jù)風(fēng)光-定/變速抽蓄聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，在多場(chǎng)景、多視角的背景下選取對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)與運(yùn)行約束。根據(jù)實(shí)際調(diào)研可知，聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的容量配置主要有以下三種場(chǎng)景。

（1）在當(dāng)?shù)匾汛_定風(fēng)光新能源容量的前提下，研究抽蓄電站的容量規(guī)劃問(wèn)題。抽水蓄能機(jī)機(jī)組的容量配置模型分為兩個(gè)階段。

第一階段為：

式中：δ為抽蓄投資回報(bào)率；X為抽蓄收益折合成現(xiàn)值后的總收益；SCX為第n1年的收益值；n1為壽命期內(nèi)的年數(shù)；r為折現(xiàn)率；CCX為抽蓄的投建成本；πE為抽蓄容量單價(jià)；為定速抽蓄機(jī)組的最大容量；為變速抽蓄機(jī)組的最大容量；Y為抽蓄的壽命期；為對(duì)應(yīng)抽蓄機(jī)組的最大功率；Tn為抽蓄滿發(fā)抽水時(shí)間；ηc為抽蓄的抽水效率。

第二階段為

式中：SDA為抽蓄的收益，包括電能量市場(chǎng)售電收益及在調(diào)頻和備用輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得的收益；λtDA為抽蓄機(jī)組為風(fēng)光系統(tǒng)提供電能支撐的電能交易價(jià)格；btcap為調(diào)頻容量出清價(jià)格；btmil為調(diào)頻里程出清價(jià)格；btby為備用市場(chǎng)出清價(jià)格；PCX，d，t、PCX，c，t、、、分別為t時(shí)段抽蓄在現(xiàn)貨市場(chǎng)中標(biāo)的放電電量、抽水電量、調(diào)頻容量、調(diào)頻里程和備用容量。

兩階段目標(biāo)函數(shù)共同構(gòu)成抽水蓄能機(jī)組的分布式魯棒優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，其結(jié)果作為演化博弈模型的適應(yīng)度。

（2）在當(dāng)?shù)匾汛_定抽蓄電站容量的情況下，研究風(fēng)光新能源的容量規(guī)劃問(wèn)題。新能源機(jī)組的容量配置模型亦分為兩個(gè)階段。

第一階段為

式中：Nph與Nwh分別為光伏電池與風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量；Cph、Cwh為分別為光伏電池與風(fēng)電機(jī)組的單價(jià)；Crep_ph、Crep_wh分別為單位光伏電池、風(fēng)電機(jī)組的替換成本；Tph與Twh為光伏電池與風(fēng)電機(jī)組的壽命月期；COM_ph、COM_wh為單位光伏電池與風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本；r為折現(xiàn)率；Ta為項(xiàng)目周期。

第二階段目標(biāo)函數(shù)為場(chǎng)景（1）中第二階段目標(biāo)函數(shù)的相反數(shù)。

對(duì)應(yīng)的約束條件為

式中：Nph、Nwh分別為光伏電池與風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量。

（3）抽蓄電站和新能源基地都處于待規(guī)劃狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的模型為上述兩種場(chǎng)景下模型的整合，并增加對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行約束，經(jīng)濟(jì)性約束以及安全約束等。

根據(jù)實(shí)際條件選取適當(dāng)?shù)膭?dòng)力學(xué)機(jī)制后，從經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等方面探索各利益主體的適應(yīng)度函數(shù)，結(jié)合2.2的綜合評(píng)價(jià)體系，迭代獲得最優(yōu)優(yōu)化配置策略。水風(fēng)光蓄系統(tǒng)研究總思路如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從水風(fēng)光蓄一體化系統(tǒng)建模及調(diào)節(jié)特性分析入手，基于貢獻(xiàn)度構(gòu)建的方法和熵權(quán)法對(duì)市場(chǎng)條件下水風(fēng)光蓄一體化系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，厘清各方主體的經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系?；谒⒌乃L(fēng)光蓄一體化綜合評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式魯棒優(yōu)化模型，進(jìn)一步構(gòu)建聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的多策略集演化博弈模型，同時(shí)提出一種演化博弈模型與分布式魯棒優(yōu)化模型的耦合模型，得到聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)在多種場(chǎng)景下的最優(yōu)容量配置方案，為風(fēng)水光蓄一體化參與市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)以及容量配置提供了一種研究方法。

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Capacity Optimization Configuration of Hydro-wind-solar-pumped Storage Complementary System for Market-oriented Consumption

YAO Weiwei1，2，HUANG Jiawei3，LI Weibing1，4，DENG Youhan1，2，HUA Xiaojun1，4，JIANG Dingguo1，2

（1.Laboratory of Hydro-Wind-Solar Multi-energy Control Coordination，Wuhan 430014，China；2. Science and Technology Research Institute，China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，China；3. School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；4. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：The integrated utilization of hydro，wind and solar resources is one of the crucial directions for future energy development. However，the construction of hydro，wind and solar multi-energy complementary integration is accompanied by many challenges such as substantial investment requirements，coordination difficulties，and disparities between resource distribution and grid demand. Pumped storage emerges as the most economical，efficient and well developed solution at present. Its integration with hydro，wind and solar power promotes widespread clean energy consumption while ensuring grid stability. We insvestigate into the operational characteristics and model simplification methods of multi-energy complementary systems integrating hydro，wind and solar resources. On this basis we develop an evaluation system for comprehensive fixed/variable-speed pumped storage plant to delineate the interplay among different energy components. To foster enthusiasm for multi-clean energy integration，we advocate for the development of rational mechanisms. We also examine the capacity allocation within the multi-energy complementary system，and propose an approach for the joint optimal scheduling of hydro-wind-solar storage.

Key words：hydro-wind-solar integration；pumped storage；multi-energy complementary；electricity market；capacity optimization

基金項(xiàng)目：湖北省科技重大專項(xiàng)（2022AAA007）;中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司科技項(xiàng)目（Z342302005）

作者簡(jiǎn)介：姚維為，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。E-mail：yao_weiwei@ctg.com.cn

通信作者：黃佳威，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。E-mail： d202380808@hust.edu.cn