基于水风光互补优化的清洁能源运行管控系统研究

李永红，赵 宇，徐 麟，芮 钧，华 涛

（国网电力科学研究院，江苏省南京市 211106）

0 引言

随着清洁能源电站的大规模建设，截至2018年底我国风电装机超过了1.84亿kW，光伏装机超过了1.7亿kW，水电装机3.5亿kW，各项指标都位居世界首位。在清洁能源电站大规模发展的同时，清洁能源的消纳问题也越来越突出，发生了大量的弃水弃风弃光现象。现有的水、风、光伏电站往往采取独立运行的模式，大容量、波动性、随机性的电源直接接入电网将对电网的稳定运行带来很大的冲击，如果能够采取措施降低这种波动性和随机性，将有助于提升电网对清洁能源的消纳能力。资料研究表明，国内大部分地区水能、风能、太阳能资源在地理分布上具有高度的重叠性，同时，风能、太阳能及水能发电在年内、日内出力特性上也具有互补性强的特点。通过充分挖掘多种电源之间的时空及物理互补特性，利用水电良好的调节能力，在电源端进行深度联合运行，减小总体出力的波动性、随机性，可以提高系统供电的可靠性和经济性。

通过建立水风光互补优化的清洁能源联合运行管控系统，积极探索水风光电源互补运行、打捆外送的方式和途径，提升清洁能源的消纳能力。同时，国内电力市场的有序推进，也逐步地改变着电站的运营管理模式，对电站的运行管控提出了更高的要求。

1 系统的基本思路

水风光联合运行管控系统主要的出发点在于充分挖掘各类电源的运行特性，找出其互补的特点，通过联合优化的方式，提升系统的整体效益。系统需要综合考虑多方面的因素，如各电源的物理特性、电网约束条件及电力市场的博弈策略等，在此基础上建立统一的运行管理平台，实现区域内清洁能源电站集中监控、水风光联合优化运行控制、统一运营管理等功能。

原有的水电、风电、光伏发电系统往往采取各自独立优化运行和分散管理的模式，系统之间缺少协同机制，各发电资源的互补特性难以发挥。通过建立统一的运行管理系统，对区域内的水风光电站进行集中的数据采集、预报预测、计划调度、运行控制，在发电计划与控制时更多采取联合优化的方式，强化各模块之间的协同机制，提高系统的整体性和一致性。

为了实现这一目标，需要突破原有监控和调度计划系统的局限性，研究通用的公共信息模型、标准通信总线、全景数据监视以及业务集成管控等关键技术，构建统一的一体化管控平台[1]。在该平台之上，开发相应的发电能力预测、互补优化调度、联合运行管控、在线考核评估等功能，并依据评估结果动态调整互补优化和联合运行管控的策略，从而构成一个自适应优化的闭环控制系统。

依托云计算和大数据服务等先进的计算机技术建立一体化管控平台，这是整个系统的一个基础平台，提供集约统一的基础功能运行环境。在一体化管控平台之上汇聚和集中了水电、风电、光伏发电的各项基本功能，通过构建可以独立运行的子系统环境，减少子系统之间的耦合度，兼顾了各自子系统的运行管控特点，具有良好的包容性[3]。在各自相对独立的子系统之上，建立了统一的水风光联合优化系统，完成相应的算法和模型，挖掘各类电源之间的互补特性，和电力调度部门及电力交易中心进行信息交互，统一协调和管理各类电源的运行方式。系统中设计了专家知识库系统，用来及时归纳总结系统运行中产生的各类规则及良好经验，形成坚实的知识积累，并实时提供运行辅助决策支持。系统整体架构如图1所示。

图1 水风光联合优化系统整体框架Figure 1 Framework of water-wind-light combined optimization system

对于整体新建的联合优化系统采用统一平台的方式，各子系统之间的关联更加紧密，信息交互更加便捷，建设周期短成本低。另外，更多的情况是各子系统已经建成然后再建设联合优化系统，这就要求系统的整体架构能够兼容众多原有的异构子系统[4]。因此，在设计时采用了分布式多代理模式来实现联合优化系统，在原有系统中植入代理模块，来完成异构系统的交互及计算能力分布式处理等功能。这是一个相对松耦合的系统，各自既联系又相互独立，在业务功能得到分布处理的同时，又不因为局部系统故障而影响整体性能，从而提高了整体的计算能力和鲁棒性。图2给出了水风光联合优化主要功能模块示意图。

图2 分布式多代理模式功能模块Figure 2 Distributed multi-agent mode function

目前各自独立的水、风、光发电能力预测和优化运行系统经过多年的发展和完善，已经趋于成熟，这为我们建立联合运行管控系统提供了良好的基础。由于各自系统在预测及优化运行时又具有各自的特点，预测精度受气象数据、地形地貌等多种条件限制，在精度上有很大的差异，基础系统的可靠、准确、快捷影响着整个系统的运行。联合运行系统在各自子系统独立预测及计划基础之上，结合发电能力、电网约束条件、实时电价策略、调度机构运作模式等多方面因素，进行联合优化、厂内优化并进行调度命令的控制执行等（见图3）。

2 系统的主要组成及功能

水风光联合优化系统不但涉及了多种电源的优化运行及控制技术，而且对联合运行提出了更高的要求，系统包括了一体化管控平台、发电能力预测、运行方式、控制技术、联合优化模式、风险分析等几个方面内容[6]。

（1）水风光一体化管控平台。这是系统运行的基础软件平台，实现区域调控中心各类应用横向集成和纵向贯通，提高信息化、智能化、集成化和自动化水平，满足多元电源联合发电系统生产管理的决策、指挥和控制的要求。

图3 多约束条件下的联合优化流程Figure 3 Joint Optimization Process under Multiple Constraints

（2）水电及新能源发电能力预测功能。结合区域水文气象特征和数值气象预报结果，构建区域水电及新能源发电能力预测模型，开展短期和超短期水电及新能源分区分域发电能力预测研究，为电网电力电量平衡、多元电源联合调度及分析提供依据。

（3）计及大规模清洁能源接入的水电运行方式。水电具有快速启停、水能可以通过水库进行储备的特点，成为互补优化和联合运行中主要的调节力量，其运行方式将会发生很大的变化。综合考虑电网负荷需求和区域水电及风光发电能力预测结果，结合清洁能源运行规律和特点，在满足电网安全约束前提下，以整体效益最优为目标构建清洁能源发电影响下水电调度模型，生成风光与水电中长期联合调度运行方案，制定短期联合发电调度策略，为大规模清洁能源接入提供理论和分析依据。

（4）多元电源联合优化模型与算法。分析水电、风电及光伏发电的季节和昼夜互补性，挖掘年度、月度、日调度周期的多元电源运行特点，考虑不同类型电源运行的差异性，制定联合调度流程，建立互补优化模型，研究联合优化调度算法，开发多元电源联合优化日前、实时调度应用软件。实现基于多元电源实时调度计划与自动发电控制的一体化协调与自动控制技术。

（5）联合运行效益及风险分析。全面分析和评价联合运行的环境效益、经济效益，并辨识影响多元电源联合调度安全的风险因素，实现对多元电源联合调度方案进行效益分析和风险评价。并根据分析与评估结果实时调整互补优化和联合运行策略，形成一个闭环体系。

3 系统的特点及应用实例

3.1 系统的特点

联合运行管控系统涉及了一体化平台和多种异构的自动化控制系统，包括风电、光伏、水电、变电站等，为了取得良好的互补优化效果，充分发挥区域内多个电站的协同效应，需要对大量的异构系统进行集中优化和管控，并针对系统的特点和难点进行深入研究。

其中，一体化平台需要快速高效、直观便捷地实现多源海量信息的实时传输、跨区同步、分析处理、动态展示、智能预警等功能；互补优化需要结合当地情况进行长期的历史数据积累与分析，研究和发掘水风光互补特性、地域性特点；针对目前风光功率预测准确度偏低的现状，在水电深度参与负荷控制时，需实现基于预测概率的优化调度，完善风险控制策略；电网调度安全和电源企业增发电这两个目标存在着协调互动问题，新能源与水电互补开发、打捆外送，能够有效解决新能源独立规模化开发送出难和对电网的冲击等问题，计划越准确越容易被调度机构采纳；电力市场的推进使系统更加复杂化，把电力市场的预测结果纳入到联合调度系统中，联合调度的结果又反过来影响价格预测，存在一个迭代寻优过程。

近期国家有关电力体制改革相关文件的密集出台，推动电力体制改革和电力市场化，北京、广州南北两大电力交易中心和各省级电力交易中心的陆续建立，水电将根据其水库调节能力逐步参与电力市场，对于清洁能源的弃风、弃光问题，最终也需要通过市场化的手段得以解决。在电力市场的发电侧，主要采用“厂网分开，竞价上网”的方式，需要在发电侧实现竞价上网辅助决策功能，提高竞价上网能力，促进生产成本降低，提高社会和经济效益。

3.2 龙羊峡水光互补应用

国内对于水风光互补优化运行的研究基本上还处于起步阶段，理论性的研究居多，部分大型发电企业开展了局部的试点应用，其中由南瑞集团承建的龙羊峡水光互补项目有一定的代表意义。

龙羊峡水电站位于青海省共和县和贵南县交界处，水库正常蓄水位2600m，相应库容为247亿m3，调节库容为193.5亿m3，电站位于龙羊峡入口处，是黄河龙—青段梯级开发规划中的“龙头”电站，具有良好的多年调节性能。电站安装4台单机容量为320MW的水轮发电机组，总装机容量1280MW。电站以330kV一级电压送出，出线5回，备用1回。

龙羊峡水光互补并网光伏电站远期规划建设850MWp，一期建设320MWp，电站以一回330kV线路送入龙羊峡水电站，利用龙羊峡水电站已建的5回送出线路接入系统。320MWp运行期年平均上网电量为4.82亿kWh。光伏电站年利用小时1508h，龙羊峡水电站年利用小时4642h，水光互补后利用现有的龙羊峡水电站送出线路送出，可提高线路送出效率，节省光伏电站送出的投资，水光互补后送出条件优越。

系统运行效果可以推广到更大范围应用，以青海省2015年规划光伏装机4100MW为例，按龙羊峡320MW光伏电站7月和12月最大出力过程为基础，由其各小时出力等比缩放模拟得到青海省光伏的出力过程，并将该出力过程作为负负荷，进行日负荷曲线修正，考虑光伏电站后青海电网7月和12月负荷曲线见图4和图5。

可见，考虑青海电网光伏电站规划装机最大发电出力情况时，青海电网7月和12月负荷低谷由凌晨4:00左右转为中午13:00～15:00左右，峰谷差也由7月1330MW和12月1740MW增加到7月3320MW和12月4100MW。青海省水电装机容量达到12050MW以上，完全有能力进行丰水期和枯水期峰谷差3320MW和4100MW进行调节。

龙羊峡电站水光互补前和水光互补后均为水电站对光伏电站进行补偿消纳，互补前后水电站均充分发挥了其调节作用，并达到了增加电网系统消纳光伏目的，而进行龙羊峡水光互补项目的实施是在基本不改变龙羊峡水电站在电力系统中的作用和地位，不影响龙羊峡水电站的发电效益，在满足龙羊峡及其梯级电站防洪、发电、灌溉等综合利用要求前提下，且水光通过共同线路送出，在现有系统网架结构下充分发挥电网输电能力，对提高新能源消纳能力有一定的意义。

图4 考虑光伏电站青海电网7月日负荷曲线Figure 4 Considering the July daily load curve of photovoltaic power station

图5 考虑光伏电站青海电网12月日负荷曲线图Figure 5 Considering the December daily load curve of photovoltaic power station

4 结论

随着国内清洁能源电站的大规模建设和开发，清洁能源有效消纳问题日益突出。水电由于其运行的可控性和灵活性，适合与风电、光伏能源联合运行。根据地域内水风光发电和入网情况，建立清洁能源联合运行管控系统，把相对孤立的水风光场站联合起来，实现联合运行和管控，发挥协同效应，可以大幅度的减轻清洁能源发电负荷波动问题，增加上网能力，促进电源与电网全面互动和协调平衡。同时，一体化的运营管控也提升了电力生产运营效率和管理水平、降低人员的劳动强度，为电力生产管控模式的求新变革以及集约化运营奠定坚实的物质技术基础。

丰满水电站厂区效果图