抽水蓄能与风电、光伏联合发电系统容量配置研究

胡学东 吴来群 袁玉 侯进进

摘要：为促进新能源消纳和风光蓄多能互补新能源基地建设，解决抽水蓄能与新能源合理容量配置问题，深入分析风电、太阳能开发条件及规模，在抽水蓄能电站装机规模、风光规模、新能源直接上网容量均未确定的情况下，构建联合互补运行双层嵌套规划模型，并提出了求解流程。上层模型以风光蓄多能互补新能源基地规模最大为原则，确定系统抽水蓄能电站与风电、光伏容量配置方案，下层模型以联合发电出力波动性最小为目标，旨在输出一个尽量平稳的外送出力过程，以尽量提高电网安全可靠性，解决风光间歇性电源并网带来的不稳定、调峰调频难度大、限电等问题。以日喀则市新能源和湘河抽水蓄能电站为例进行模拟计算分析，验证模型与算法的有效性。研究结果表明：所构建的双层嵌套规划模型可以科学地提出湘河抽水蓄能电站装机容量1 800 MW、新能源开发规模5 700 MW（风电2 000 MW、光伏3 700 MW）的容量配置方案，并能够改善风电、光伏并网条件实现电力稳定送出。

关键词：抽水蓄能； 新能源； 联合发电； 容量配置； 双层嵌套规划模型； 湘河抽水蓄能电站； 日喀则市

中图法分类号： TM61

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.032

0引 言

随着碳达峰、碳中和目标的提出［1-3］，中国正大力发展风电、太阳能等清洁可再生能源，以及积极推动风光水蓄多能互补模式的开发。近年来，全国风电、光电快速发展，根据全国“十四五”发展规划［4］，提出了多个清洁能源基地规划。但由于风电、光伏发电都存在出力不稳定和间歇性等特点，这些电源的大规模并网就会给电力系统运行稳定带来新的问题。为了解决这些问题，需要结合风电、光伏、水电、抽水蓄能等各类电源特性，研究各类电源的合理配置，优化电源结构［5-8］，以达到既能更多地开发利用清洁能源，又能保障电力系统安全稳定运行的目的。

目前國内外许多学者针对新能源与具有调节性能的抽水蓄能、水电、火电等联合的发电系统优化调度及容量配置已开展大量研究［9-12］。马实一等［13］以风光发电企业经济效益最大为优化目标，采用改进遗传算法优化计算得到抽水蓄能电站和联合系统的运行方案；张国斌等［14］提出考虑发电成本、污染物治理成本以及可再生能源弃电成本的总成本计算模型，建立风-光-水-火-抽蓄联合优化调度模型，提出通过多种能源联合运行、与储能装置协调配合的调度方法，减少可再生能源弃电率；文杰等［15］在计入现货电价、考虑负荷时间和空间可转移特性的基础上，建立了负荷侧模型，并在考虑源端风/光出力随机性、系统网络约束基础上，提出基于系统经济性、系统状态均匀度和负荷跟踪等多项系统指标的源-网-荷互动策略；程孟增等［16］针对含风电、光伏、火电和抽蓄联合系统中抽水蓄能电站的容量配置问题，构建了联合系统双层规划模型，并提出了求解流程；谢俊等［17］围绕金沙江下游水风光储系统实际规划和运行，阐明了水风光资源分布特性和多时空尺度互补性分析、清洁能源基地复杂系统多源信息监测感知、巨型电站群智能调度等现行的解决思路与方法。

但上述研究成果大多以确定的新能源、抽水蓄能、水电、火电规模构建联合系统优化运行模型，更多侧重于对目标函数和优化算法的研究，并未考虑从区域资源配置角度分析联合互补系统的最佳容量配置方案。针对目前研究的不足，本文从抽水蓄能与风电、光伏资源的合理容量配置方案确定和联合互补运行角度出发，构建双层嵌套规划模型，上层以综合考虑风光弃电率和上网通道利用小时数情况下尽量多消纳风光资源为目标，确定抽水蓄能电站与风电、光伏容量配置方案；下层基于上层容量配置，结合风光资源和电力外送特点，以联合发电出力波动性最小为目标，得到抽水蓄能与风电、光伏8 760 h的逐小时联合模拟运行计算结果。

1双层嵌套规划模型构建

双层嵌套规划模型构建的基本思路如图1所示。上层为考虑抽水蓄能与风电、光伏容量配置问题，为下层提供抽水蓄能电站与风电、光伏容量的规划方案；下层为考虑联合运行问题，通过抽水蓄能电站的储能调节作用后，输出一个尽量平稳的外送出力过程，以达到尽量提高电网安全可靠性的目的。

1.1上层优化模型

1.1.1目标函数

上层模型的目标函数为在上网通道利用小时数不低于某一阈值和联合系统弃风、光电率不高于某一阈值情况下，以风光蓄多能互补新能源基地规模最大为原则，确定系统抽水蓄能电站与风电、光伏容量配置方案。影响弃风、弃光率和上网通道利用小时数的主要因素包括抽水蓄能、风、光以及上网通道容量约束等，具体表示为

1.1.2约束条件

（1） 抽水蓄能电站容量约束。

抽水蓄能电站容量一是与站点自身建设条件有关，二是与站点周围可搭配风电、光伏资源有关，容量约束为

1.2下层优化模型

风、光和抽水蓄能电站联合运行方式一般可分为以下3种：① 将风、光的发电出力都供给抽水蓄能电站进行抽水，然后抽水蓄能电站发电将电能输送给电网；② 根据风电、光伏发电出力以及电网的需求，把风电和光伏的部分出力输送给电网，余下的部分发电出力使抽水蓄能电站进行抽水；③ 把风电、光伏的出力全部并网，然后抽蓄电站从电网购电来抽水，再根据电网需求进行调峰填谷［18］。本文旨在研究只有风光蓄且需要长距离送电的多能互补系统，通过抽水蓄能电站的调节作用平抑风、光电的出力波动，提高风、光电的电能质量，改善电网运行条件，达到电力平稳外送，因此本文采用方式②。

1.2.1目标函数

下层优化目标是联合系统在上层给定的不同抽水蓄能电站与风电、光伏容量配置方案下，通过抽水蓄能电站的调节作用，能够及时平抑光伏、风电的短期随机波动，有助于降低间歇性电源并网带来的不稳定、调峰调频难度大、限电等问题。本文研究的多能互补系统，考虑只有风光蓄且需要长距离送电，不宜承担受端电网的调峰，因此提出采用联合发电出力波动性最小的优化目标函数，为了方便使用数学模型来表示这个优化目标，先得到联合发电系统的发电出力PSysm（t），再计算运行周期内联合发电出力平均值PSysm-av，即：

该目标函数表示一个运行周期内联合发电系统出力的波动性。函数值越小，表示联合发电系统出力越平稳。最佳的优化效果是得到的等效负荷曲线是一条光滑的直线，此时风光蓄联合发电系统出力平滑且没有波动性，得到一个平稳的输出电源。

1.2.2约束条件

影响下层目标的主要因素包括系统电量平衡约束，光伏出力、风光出力、抽水蓄能的运行约束等。

（1） 电量平衡约束。

为了简化方程，将网损按照一定比例计入电站的转换效率系数当中。

2双层嵌套模型求解

本文建立了主从递阶关系的双层优化模型，上、下层模型均为单目标多约束问题。上层目标函数包含3个优化变量，即风光总的装机容量、风光直接上网容量、抽水蓄能电站装机容量；下层目标函数主要是对联合系统运行周期内不同时段风光电上网出力的优化。从数学层面上说，双层嵌套模型的求解是高维、非线性、多约束的优化问题，针对这种问题，纯数学的解决方法有Lambda叠代法、梯度求解法、牛顿求解法、动态规划、智能算法等。但这些纯数学理论的解法计算量大、过程繁琐，得出的结果不能很好地运用到实际工程项目规划研究中。

本文采用逐步优化算法（Progressive Optimality Algorithm，POA）求解双层嵌套规划模型的目标函数，该算法是1975年由加拿大学者Howson和Sancho提出的，用于解决多状态动态规划类问题［19］。POA算法是将多阶段高位优化问题分解成若干个两阶段子问题，各子问题之间由系统状态变量进行关联，每次先固定其他阶段的变量仅对其中一个两阶段子问题的变量进行寻优调整获取该阶段最优目标函数值；在解决该两阶段子问题后再进行下一个两阶段问题寻优，并将上一阶段的最优结果作为下一阶段寻优的初始条件，如此逐个时段反复循环进行寻优直到收敛为止［20］。该算法的优点是状态变量可以不用离散，计算结果可以更加精确。原问题的求解大大得到简化，缩减了求解时间，有效降低了高维问题的“维数灾”障碍。

采用POA算法求解本文中构建的双层嵌套规划模型的具体流程如图2 所示。

3算例分析

本文选取西藏日喀则市湘河抽水蓄能电站与周围新能源资源进行抽水蓄能与风电、光伏容量配置和联合互补运行研究。

3.1基础数据

3.1.1风电、光伏资源分析

日喀则市太阳辐射强，日照时间长，年平均达3 300 h，太阳能资源分布总体呈现南部较高、北部较低的规律，根据中国太阳能资源带划分，日喀则市属于Ⅰ类地区，即太阳能资源最丰富区，代表点Solargis数据水平面总辐射量为2 006.5 （kW·h）/m2。根据日喀则市风能资源图谱分析，西北区域风资源较好，东南区域风资源一般，代表点中尺度数据100 m高度年平均风速为8.33 m/s，年平均风功率密度为308.13 W/m2。

根据日喀则市太阳能资源及风能资源，结合地形条件，初步排查林地、生態红线、基本农田、自然保护地等限制性因素，按统筹规划、综合平衡、合理开发的原则，在湘河抽水蓄能电站周围初步规划的光伏与风电可开发总规模为15 100 MW，其中光伏13 100 MW，风电2 000 MW。新能源规模情况见表1。

3.1.2风电、光伏出力分析

（1） 风电出力分析。

本次风电场规划采用行业内专门针对复杂地形风电场的计算流体力学软件MeteodynWT6.5.2，对整个风电场建立计算流体力学模型，结合风电场中尺度风资源数据计算该风电场的资源情况和出力情况。湘河抽水蓄能电站周围风电月平均及日出力曲线如图3～4所示，风电各月平均出力季节性变幅明显，且冬季大于夏季，月平均最大出力出现在2月，最小出力出现在8月；风电出力过程具有不可调控性，且风电每日出力过程随机变化较大没有规律可循，时刻平均出力均是白天大于晚上，时刻平均最大出力出现在下午14：00，最小出力出现在凌晨00：00。

（2） 光伏出力分析。

本次规划的光伏电站是根据Solargis辐射数据库和PVsyst 7.1光伏仿真软件进行建模计算，评估光伏电站出力情况。湘河抽水蓄能电站周围光伏月平均及日出力曲线见图5～6，光伏各月平均出力季节性变幅较明显，且冬季大于夏季，月平均最大出力出现在11月，最小出力出现在7月；光伏出力过程虽然具有不可调控性，但是有明显的昼夜更替和相对平稳特性；时刻平均出力最大均出现在中午12：00，晚上20：00至次日上午05：00出力均基本为0。

3.1.3抽水蓄能电站特征参数

本次研究选择的湘河抽水蓄能电站位于日喀则市南木林县，上水库库盆底部高程约4 470 m，周围山顶高程大部分在4 700 m以上，正常蓄水位4 590 m，死水位4 560 m时，调节库容约1 070万m3；下水库利用在建湘河水库，正常蓄水位4 099 m，死水位4 080 m。综合考虑上水库地形地质条件、工程建设条件、工程投资等因素，上下水库高差约480 m，按连续满发小时数6 h设计，湘河抽水蓄能电站最大装机容量可达1 800 MW左右，日最大蓄能量约10 800 MW·h。因此，在进行抽水蓄能与风电、光伏容量配置分析时，抽水蓄能电站装机容量按不超过1 800 MW考虑，抽水与发电的转换效率取75%。

3.2其他参数及联合运行原则

（1） 根据新能源资源规划成果，风电资源相对少于光伏资源，主要以光伏资源为主，光伏发电时间主要集中在上午07：00至晚上18：00，风电为24 h随机发电，抽水蓄能通过新能源出力高峰期储能、出力低谷期来发电。

（2） 根据风电、光伏模拟出力过程，进行抽水蓄能与新能源联合互补的8 760 h模拟计算，从弃电率、综合上网利用小时数等方面分析合理的新能源规模。

（3） 按照输电线路电压等级与输送容量、输电距离的关系，一般情况下，单回500 kV输送容量为1 000～1 500 MW。根据抽水蓄能装机容量及周边新能源资源情况，本次研究初步利用2回500 kV输电线路，最大输出容量按不超过3 000 MW考虑，最小输出容量按不低于最大输出容量10%考虑。

（4） 抽水蓄能与新能源互补运行的综合上网利用小时数按不低于5 000 h和新能源弃电率不高于5%考虑。

（5） 由于风电相對光伏规模较小，为保证联合互补运行外送出力更平稳，规划的风电考虑全部利用。

（6） 在采用POA算法对上层优化模型进行求解时，追求项目工程规划意义上的最优解，对不同风光装机容量、风光直接上网容量、抽水蓄能电站装机容量的离散步长均按100 MW考虑。

3.3容量配置及联合运行结果分析

3.3.1容量配置结果分析

为验证模型的有效性与算法的适用性，采用POA优化算法，对不同的风光总装机容量、风光直接上网容量、抽水蓄能电站装机容量联合运行系统的双层嵌套规划模型进行求解，研究区域规划的风电、光伏可开发规模较大。得出的容量配置方案为：湘河抽水蓄能电站装机1 800 MW、风电装机容量2 000 MW、光伏装机容量3 700 MW、直接上网容量2 000 MW。采用POA算法求解过程中的部分比较方案的目标函数指标如图7所示，抽水蓄能电站与风电、光伏容量配置成果及动能指标见表2。

4.57

由容量配置计算成果可知，本文提出上层优化模型可有效确定抽水蓄能电站与风电、光伏容量配置方案；同时，通过抽水蓄能电站调节作用后，在控制新能源电量利用率95%，输电线路等效利用小时数达5 000 h左右时，新能源直接送出容量占新能源装机容量仅约35%，相比于新能源全部直接上网而言，极大提高了输电线路通道容量利用率，改善了电网运行条件。

3.3.2联合互补运行结果分析

根据上层优化模型确定的容量配置方案，进行抽水蓄能与风电、光伏8 760 h的逐小时联合模拟运行计算，联合互补运行上网电量为100.04亿kW·h，上网综合利用小时数为5 002 h，新能源弃电率为4.57 %，最大上网出力为2 000 MW，最小出力为53 MW，95%频率下保证出力为311 MW。抽水蓄能与风、光联合典型运行过程如图8～9所示，抽水蓄能与风、光联合运行及风电、光伏单独出力结果见表3。

通过抽水蓄能电站与风电、光伏及联合运行出力过程与风电、光伏单独出力对比可知，通过抽水蓄能电站调蓄后，联合运行出力过程更加平稳，出力保证率更高，95%频率的平均出力为送出容量的15%以上，与日调节水电站的枯水期出力基本相当，可基本实现电力稳定送出。

4结 论

本文综合考虑抽水蓄能电站与风电、光伏的容量配置与联合互补运行优化，构建了联合系统双层嵌套规划模型，并提出了求解流程。与其他容量配置模型相比，本文站在整个联合系统角度，以综合考虑风光弃电率和上网综合利用小时数情况下尽量多消纳风光资源确定抽水蓄能电站与风电、光伏配置，通过抽水蓄能电站的调节作用平抑风、光电的出力波动，提高风、光电的电能质量，改善电网运行条件，以达到电力平稳外送为目标构建下层运行调度优化模型。通过本文研究可得出以下结论：

（1） 本文构建的双层嵌套规划模型能够有效获得抽水蓄能电站与风电、光伏的最佳容量配置方案；风光蓄联合互补运行可有效提高风、光电的电能质量，达到电力平稳外送。

（2） 相比于新能源全部直接上网而言，通过抽水蓄能电站调节后，极大提高了新能源上网的输电线路通道容量利用率，改善了电网运行条件。

鉴于本文算例中风电资源较少，且考虑全部利用风电资源，下一步研究中将考虑光伏、风电容量规模比例的不确定性，进一步完善模型。

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（编辑：谢玲娴）