基于粒子群算法的光伏—水电联合运行光伏容量分析

张耀东，苏舟，姚李孝

(1.中国能源建设集团陕西省电力设计院，陕西西安710054；2.西安理工大学，陕西西安710048)

基于粒子群算法的光伏—水电联合运行光伏容量分析

张耀东1，苏舟2，姚李孝2

(1.中国能源建设集团陕西省电力设计院，陕西西安710054；2.西安理工大学，陕西西安710048)

本文针对光伏—水电联合运行系统在保证联合输出满足负荷要求的前提下，通过优化配置光伏相对于水电的容量，以达到综合收益最大化。以光伏、水电发电收益最大为目标函数，以光伏、水电的最大输出及最小输出等为约束条件，以1天的数据为基础，计算出满足条件时光伏发电的装机容量。通过容量优化，提高了光伏—水电联合系统的综合收益。并用PSASP软件验证增加光伏发电容量对电网稳定性的影响。

光伏发电；水力发电；容量优化；粒子群算法

太阳能作为人类可以利用的一种潜能巨大的可再生能源，目前不能被大规模利用，主要由于其分散性、间歇性和不稳定性。太阳能在利用的过程中受到季节、气候等不稳定因素的影响，导致太阳能的利用是不稳定的〔1－2〕，因此太阳能发电的发展和利用一直受到限制。相较于光伏发电，水力发电输出稳定，一天中受环境的影响较小，将光伏发电和水力发电联合起来，利用水电站自身的快速有功调节能力，消除光伏发电的有功输出波动问题，达到联合输出功率平稳，这样可以解决光伏发电输出的不稳定，水光互补也可以极大地促进光伏消纳，给水电带来电量补充。在光伏水电联合运行系统中，要求水电站有足够的库容和快速的调频能力，满足因水电站功率变化而导致的库容水量变化。在没有增加额外设备和资金的基础上，光伏—水电联合运行模式不失为一种解决光伏现存问题的一种有效手段〔3〕。为达到光伏—水电联合输出收益最大化，光伏发电、水力发电两者间的相对容量配置一直是发电企业关心的问题。

目前，很多专家学者对水光互补系统进行了深入研究，但多为调度运行和经济性方面的研究，光伏、水电容量配置方面较少。文献〔4〕和文献〔5〕分析了互补运行时光伏和水电的输出功率，在考虑到水电厂容量、水电厂库容、当地光伏日照等条件的基础上根据水电输出的缺额配置光伏容量。相较于文献的容量配置方法，本文采用粒子群算法分析容量配置。粒子群算法因其收敛速度快、计算精度高等特点广泛用于各个领域，采用基于粒子群算法的光伏容量配置可以更准确的确定光伏容量，以指导光伏电站的建设。最后本文在光伏—水电联合运行模式下分析2种不同联合系统的容量配比，以达到更加合理利用资源的目的。

1 光伏—水电联合系统运行方案

1.1 光伏—水电联合运行系统组成

光伏—水电联合运行系统主要由光伏电站、水电站和水库组成，如图1所示。光伏—水电联合系统中光伏发电和水利发电都受环境的影响，影响光伏发电的主要环境因素是一天中的光伏日照强度和日照时长，而影响水利发电的主要环境因素是水库的来水量和水库容量，在一天中环境对于水力发电的影响较小。虽然两种发电模式均受环境的影响，但是两者间存在一定的互补关系。在雨季到来时，光伏发电因为日照强度和日照时间的降低而降低，但雨季可以增加水库的水量。反之，在旱季水库的水量降低，但是光伏发电有更长的日照时间。

图1 光伏—水电联合运行原理图

1.2 光伏—水电联合运行系统运行策略

在保证系统输出满负荷要求的前提下，最大效率利用光伏，输出不足的情况下水电补充。本文光伏—水电联合运行系统的运行策略如下。

1)在白天日照充足，水库蓄水未满时，优先使用太阳能，光伏电站输出不能满足负荷要求时，用水电弥补。

2)在白天日照充足，水库蓄水已满，但未达到泄洪水位前，优先使用太阳能，光伏电站输出不能满足负荷要求时，用水电弥补。

3)在白天日照充足，水库蓄水已满，并达到泄洪水位时，优先使用水利发电来满足负荷要求。

4)在夜晚或因天气因素光伏电站无输出时，使用水力发电来满足负荷要求。

1.3 光伏—水电联合运行系统模型

为简便起见，假设水电站的装机容量足够，忽略水头变化对水电站发电系数的影响，则光伏—水电联合运行系统模型可表示为:

i时段水利发电功率为

式中η为水电站发电效率；Whi为i时段水电站发电所用水量；g为重力因素，取9.8 N/kg；S为落差。

i时段光伏发电功率为

式中ηs为光伏电站发电系数；Psg为光伏电站的有效装机容量；Esi为i时段的日照强度；Psoi为i时段光伏电站弃用功率；Psli为i时段光伏电站输送到电网功率。

i时段光伏—水电联合系统的总负荷为

i＋1时段水库可用水量为

式中 Wi为i时段水库可用水量；Wli为i时段水源来水量；Whi为i时段水电站发电所用水量；Woi为i时段弃水量。

2 光伏—水电联合运行系统容量优化

2.1 目标函数

本节的光伏—水电联合运行系统选取的调度目标，以一天为运行时间，以一个小时为运行单位，在保证系统安全稳定的基础上，优先光伏发电的最大化，并且达到光伏、水电联合运行系统的经济效益最大。

式中 PH，PS分别为水力发电和光伏发电的输出功率。CH，CS分别为水力发电和光伏发电的售电价格。

2.2 约束条件

1)功率平衡约束

式中 P总i为i时段总有功负荷；PHi，PSi分别为i时段水力发电和光伏发电的有功输出功率。

2)水库水量平衡约束

式中 Wt为水电站第t时刻水库蓄水量；Wt＋1为水电站第t＋1时刻水库蓄水量；qt为水电站第t时段平均径流量；Qt为水电站在t时段的发电流量。

3)水电站出力约束条件

式中 PHmin为水电站最小出力；水电厂最小出力取单机出力10%；PHmax为水电站最大出力；最大出力为水电站额定功率。

4)光伏发电日照强度约束

式中Smin为启动光伏正常发电的最小日照强度；Smax为光伏发电最大输出时的日照强度。

5)光伏、水电输出稳定性约束

式中PS为待求光伏装机容量；PH容为光伏—水电联合系统中水电站容量。

2.3 粒子群优化算法

粒子群优化算法是由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一种优化算法，由于其容易理解、易于实现，在许多优化问题中得到成功应用，并且很多情况下要比遗传算法更有效率〔6〕。

在粒子群算法中，粒子的规模为N，第i(i＝1，2，…，N)个粒子的位置表示为Xi，粒子所经历过的最优位置表示为pBest[i]，粒子速度表示为Vi，所以粒子的速度和位置表示为:

式中c1，c2为常数，称为学习因子；rand()和Rand()是[0，1]上的随机数；w为惯性权重，一般取0.8。

3 算例分析

3.1 联合系统基本资料

在未经容量优化的光伏—水电联合系统中，光伏电站的有效容量为100MWp。联合系统中水电站的容量为2×200MW，水库容量为7 097万m3，正常水位126.4 m，死水位105 m(水库水量5 895.5万m3)，泄洪水位127.5m(水库水量7158.7万m3)。假设水库初始水量为6 500万m3。

表1为这一天中太阳能日照强度和水源的径流量，表2为这一天中的有功功率分布情况。

3.2 容量优化结果

光伏—水电联合系统容量优化以一天为计算时间，一个小时为单位，在考虑到光伏容量不大于水电容量等约束条件下。采用粒子群优化算法，计算优化后光伏容量。经优化配置后，光伏—水电联合系统中光伏的最优容量为247MWp取整后光伏—水电联合运行系统中水电装机容量400MW，光伏装机250MWp。图2、图3分别为优化前后一天中光伏输出、水电输出以及负荷分布。

表1 日照强度和水源流量的日分布情况

表2 日有功负荷分布情况

图2 优化前光伏、水电输出以及负荷分布

图3 优化后光伏、水电输出以及负荷分布

3.3 一天中水量变化

根据上一节计算光伏容量优化前后水电、光伏出力的不同，分析一天中水库水量的变化。一天中水源的径流量为9.58万m3。优化前一天中用水情况见表3，优化后一天中用水情况见表4。从表3，表4可见，在满足负荷需求的条件下，光伏—水电联合系统一天的用水量为10.14万m3，在经过一天的发电后，水库的水量减少0.56万m3。

表3 优化前一天中水力发电用水情况

表4 优化后一天中水力发电用水情况

一天中水源的径流量为9.58万m3，而根据上表可知，在满足负荷需求的条件下，优化后光伏—水电联合系统一天的用水量为8.54万m3，因此在经过一天的发电后，水库的水量可以增加1.04万m3。

3.4 优化前后收益分析

根据上述算例，在光伏—水电联合运行系统中，优化光伏发电的容量，使其增加150MW装机容量，以达到联合系统的最大收益。优化后的系统可以在满足输出负荷的前提下相对减少了水电的输出，也可以减少水电站水库的用水量，在水源径流量较少的情况下可增加水电站运行的时间，以此分析优化前后系统的收益情况。

光伏—水电联合运行系统中光伏每千瓦装机的成本以及光伏、水电的上网电价分别为:

光伏装机投资1万元/kW，光伏发电上网电价1元/kWh，水电上网电价0.3元/kWh。增加150MW光伏容量需增加资金约15亿元。

以优化前后光伏、水电输出计算一天收益，一天收益计算如下:

式中PH，PS分别为水力发电和光伏发电的输出功率；CH，CS分别为水力发电和光伏发电的上网电价。优化前一天的收益为130万元，优化后一天的收益为170万元。以这一天的收益为平均值，优化后比优化前每年多增加约1.5亿元。所以在不考虑光伏板损耗、银行贷款等因素经过估算，约10年可以收回成本，并且光伏—水电联合运行中几乎不存在弃光，可以大大增加太阳能的使用效率，相较于相同容量独立光伏电站有更好的收益。

4 不同容量下系统暂态稳定性分析

因为光伏电站自身特性，并网光伏电站会对电网的暂态稳定性有影响，因此本节分析不同光伏电站容量下系统发生故障时的暂态稳定性。

本节采用CEPRI36节点计算系统暂态稳定，基于PSASP软件分别分析光伏电站不同容量下光伏—水电联合运行系统接入CEPPI36节点时的暂态稳定性。计算中联合运行系统水电容量为400MW，光伏容量分别为100MW和250MW，并在此条件下计算不同故障条件下的暂态稳定性。

4.1 三相短路故障

当系统中发生三相短路故障时，假定故障时间为2～2.5 s，仿真时间为30 s，光伏容量为100MW和250MW情况下光伏电站出口母线电压见图4。

图4 不同光伏输出条件下出口母线电压

4.2 冲击负荷扰动

当系统出现冲击负荷，且冲击负荷为增量为30%，冲击负荷出现时间为2～3 s，持续时间为1 s，光伏容量为100MW和250MW情况下光伏电站出口母线电压见图5。

图5 不同光伏输出条件下出口母线电压

4.3 切线路扰动

当系统中出现切除交流线扰动时，并且开始切除时间为2s，仿真时间为30s，光伏容量为100MW和250MW情况下光伏电站出口母线电压见图6。

图6 不同光伏输出条件下出口母线电压

系统暂态稳定性分析结果表明，光伏电站容量对光伏电站出口电压影响较大，光伏电站容量越高，光伏电站出口电压越低。并且从三相短路故障中可以看出，光伏电站容量越大，故障出现时的母线电压振荡越剧烈。因此，在实际光伏—水电联合运行中，光伏电站的配置容量还要考虑到当地电网的静态稳定性和动态稳定性。

5 结语

文中研究了光伏—联合运行系统中光伏、水电的装机容量配比。从容量优化配置后的光伏、水电输出可以看出，在满足负荷以及约束条件下，提高光伏装机容量不仅可以提高联合系统的收益，而且可以节约水电站水量。相较于单一水电站运行，光伏—水电联合系统的运行时间更长，可以更加充分利用资源，并且减少了光伏电站单独运行不稳定而受制于电网的弃光问题，大大提高光伏电站发电效率，缩短了光伏电站的成本回收期。

利用PSASP验证光伏—水电联合系统稳定性的结果表明，随着光伏电站容量的增加，光伏电站接入点电压降低，系统的暂态稳定性变差，因此在实际运行中还需考虑光伏电站容量变化对当地电网的影响。

文中的算例仅分析了一天内光伏—水电联合运行系统，为了更深入了解联合运行系统情况，还需对更长时间内的数据积累，并进行分析与研究。

〔1〕陈进美，陈峦.太阳能光伏发电最大功率点问接跟踪算法的研究〔J〕.水电能源科学，2010，28(1):148-150.

〔2〕陈新，赵文谦，万久春，等.风光互补抽水蓄能电站系统配置研究〔J〕.四川大学学报(工程科学版)，2007，39(1): 53-57.

〔3〕陈峦.太阳能—水电联合发电系统的建模与仿真〔J〕.水电能源科学，2010，28(7):164-168.

〔4〕田旭，张祥成，白左霞，等.青海省水电与光伏互补特性分析与效果评价〔J〕.电力建设，2015，36(10):67-72.

〔5〕陈峦.光伏电站—水电站互补发电系统的仿真研究〔J〕.水力发电，2010，36(8):81-84.

〔6〕张利彪，周春光，马铭，等.基于粒子群算法求解多目标优化问题〔J〕.计算机研究与发展，2004，41(7):1 286-1291.

PV capacity analysis in PV-hydro combined operation system based on PSO

ZHANG Yaodong，SU Zhou，YAO Lixiao
(1.China energy engineering group shanxi electric power design institute Co.Ltd.，Xi'an 710054，China；2.Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China)

On the basis of making sure that PV-Hydro operation system's output should satisfy the power grid's load requirements，by optimizing PV capacitance to hydropower capacity，the max integrated benefit is achieved.In this paper，considering PV and Hydro generation earnings as maximum for objective function，taking PV and Hydroelectric maximum output and minimum output as the constraints，one day's data are calculated for the PV generation capacity.The benefits of PV-Hydro operation system is improved through the capacity optimization.The impact of increasing PV capacity on power grid stability is verified by PSASP software.

PV generation；hydroelectric generation；optimizing capacity；PSO

TM61

A

1008-0198(2016)05-0007-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.002

张耀东(1991)，男，硕士，助理工程师，从事电力系统运行与规划研究。

2016-03-02 改回日期:2016-04-20