抽水蓄能与风电等可再生能源联合供电系统优化配置研究

欧传奇

(国际小水电中心，浙江 杭州 310002)

1 概 述

抽水蓄能与风电等可再生能源联合供电系统(以下简称联合供电系统)的主要电源点为风电场、抽水蓄能电站(水泵和水轮发电机组分设，抽水、发电可同时进行[1])，还可能存在太阳能等其他可再生能源发电站、常规电站以及备用的柴油发电厂(见图1)。为保证该系统的供电质量和稳定性，风电等可再生能源发电的输出功率仅允许直接接入承担系统负荷的部分，其余负荷则必须由抽水蓄能电站发电机组(以下简称水轮机组)和常规电站机组来保证。当水轮机组不发电即可保证系统电力需求时，水轮机组用作旋转备用；当水轮机组满发电而系统供电仍有缺口时，柴油发电机组充当备用电源启动运行。同时，风电等可再生能源发电的输出功率除直接接入系统的部分外，剩余电能利用抽水蓄能电站的水泵抽水转换为水能存蓄在上水库。

图1 联合供电系统示意图

该联合供电系统通过适时地重构配置组合来适应负荷需求并存蓄随机变化的多余电能，可直接、间接地使得风电等可再生能源最大程度地输入电网，且对于海岛等区域孤立供电系统，相比“风(光)—蓄电池”[2-3]“风(光)—柴”[4-6]以及“风—柴—蓄电池”[7]等独立运行系统，其供电质量和可靠性将明显提高。由于该系统中的电源种类较多，而其运行模式各不相同又相互关联，且存在多种的条件限制，如：可再生能源发电的接入比重限制、抽水蓄能电站的上水库最高和最低水位限制、水泵和水轮机组的装机规模限制以及水轮机组是否投入备用、柴油机组是否启动等限制，这与已有文献[8-14]中的独立运行系统相比，其联合运行模式、优化约束条件等要复杂很多。在已知或给定系统负荷曲线时，如何建立计算模型并正确求解获得系统的优化配置方案，是该系统工程设计以及运行调度的关键技术问题。

2 基本方程和限制条件

系统优化配置计算模型基于系统实时配置的运行模式和电力电量平衡方程，当各实时对应的限制条件发生变化时，计算模型的组成和形式也各不相同。根据系统运行控制要求，设置电源利用的优先级别为：常规电站(可直接接入电网的电源)→限制性电源(接入功率受限的电源，即风电等可再生能源电站)→抽水蓄能电站的水轮机组→备用柴油发电机组。据此即可根据实际负荷和各电源可供电量，列写计算方程，依次判别并计算出每一时刻所需的抽水容量、各电源发电容量、蓄能电站备用容量、系统供电保证率(满足供电需求的小时数占计算周期内总小时数的百分比)、水库库容和水位等(见图2)。

以风电与抽水蓄能电站的联合运行方式为例，系统配置的主要参数包括：风机台数，抽水蓄能电站水库调节库容、水泵装机容量、水轮机装机容量，备用电源(柴油发电机)装机容量等。该系统优化配置计算过程中涉及的基本方程和相关限制条件简介如下。

图2 联合供电系统实时配置求解程序流程

2.1 基本方程

a.系统电力电量平衡。在设定的计算周期(如一年)内，任意时刻系统必须满足其所有发供电量与所有负荷量的供需平衡。对于风电与抽水蓄能电站的联合运行方式，其电力平衡方程为

DLS+DPS=PWF+PHP

(1)

式中PWF、PHP——风电场、水轮机组在任意时刻的出力；

DLS、DPS——任意时刻的系统负荷和水泵抽水功率。

考虑到系统中还存在其他类型电源以及存在受限电源的允许接入比例、水库容积、抽水和发电设备装机规模等的限制，还可能存在供电缺口或弃风等情况，因此，需要根据各种电源投入的数量及先后顺序分别确定其方程。

b.抽水蓄能电站水量平衡。假定在微小计算时步Δt时段内，蓄能电站的水库水位变化很小，则其上水库的蓄水容积Ve可由前一计算时步的蓄水容积Ve0、水泵抽水功率DPS以及水轮机组发电出力PHP求出，即

(2)

式中ηP、ηT——任意时刻水泵抽水综合效率和水轮机组发电综合效率；

Zu、Zd——对应时刻的上、下水库水位；

γw——水重度；

下标“0”表示前一计算时步。

2.2 限制条件

a.受限电源接入比重限制。风电等可再生能源电源的直接接入系统的最大允许功率仅为系统实时总负荷的比重α(α≤1，对于大电网一般α=0.1，对于区域孤网，配置蓄能电站后，α可另论证确定为较大值)，其剩余电能用于水泵抽水。

b.上水库库容限制。上水库的水位波动须控制在允许范围内。当其库容计算值大于最大库容时，表明水库已满应停止抽水，多余电能无法被利用；当库容计算值小于死库容时，表明因库内存水量不足，水轮机组无法再发电满足负荷需求，需启动备用的柴油机组，否则将出现供电缺口，系统供电保证率下降。其中，由于蓄能电站抽水和发电装置是分开的，在任意计算时步内，如忽略水位的微小变化，即使在最高水位附近，蓄能电站的抽水、发电仍可同时进行，此时发电耗水是主动行为，水泵耗电蓄水是被动行为，抽水蓄水量小于或等于发电耗水量；同理，在最低水位附近时，蓄能电站的抽水、发电也能同时进行，此时水泵耗电蓄水是主动行为，发电耗水是被动行为，发电耗水量小于或等于抽水蓄水量。

c.水泵装机容量限制。在不作限制时，水泵装机容量即按计算出的最大抽水需求规模确定，此时受风电等的随机性特征影响，水泵容量一般会需配过大。因此，水泵装机规模应给定必要的限制，这虽会造成一定的弃风，但可在抽水保证率降低不多的情况下显著地减小水泵装机容量。

d.水轮机组装机容量限制。从提高系统供电保证率角度看，水轮机组装机容量应取为计算周期内的蓄能电站可发电的最大功率。由于在低风或无风时，蓄能电站是系统的主要补充电源，所需水轮机组容量取决于对应时刻的系统负荷大小，一般会需要过大的装机规模，因此，水轮机组装机规模应给定必要的限制，这虽会造成系统供电保证率的下降，但可在备用柴油机组启动不多的情况下显著地减小水轮机组装机容量，获得较好的综合经济效益。

3 系统优化配置设计计算

假设每台风机出力相同，给定风机台数、水库库容等基本参数，可依次确定水泵、水轮机以及柴油机的装机容量。通过更改系统中的设计风机台数、水库库容，可得到多个不同配置的系统设计方案。经优化比选，可最终确定设计方案。

3.1 风机台数和蓄能电站库容的优化计算

在备用电源不投运的情况下，通过给定各种风机台数、水库调节库容的组合，可计算出系统供电保证率，并由此绘制出关于风机台数、水库调节库容和供电保证率的莫诺图，由图中曲线族的疏密和曲线拐点，可选取风机台数和水库库容较优组合。

以大万山岛供电系统的计算结果为例(见图3)，在相同的库容条件下，风机台数由8台增至12台时，供电保证率增幅相对较大，继续增加风机台数时，对供电保证率的贡献逐渐降低，因此，较优的风机台数为10～12台。对于库容取值，当风机台数选定时，随着库容的增大，均存在一个供电保证率增速由快到慢的拐点，从经济的角度出发，取莫诺图中对应曲线的拐点比较合适，相应上述风机台数的蓄能电站调节库容约为90万～150万m3。

图3 大万山岛联合供电系统供电保证率莫诺图

3.2 水泵装机容量的优化计算

水泵装机容量以尽量满足抽水要求和减小规模的原则确定。首先，求得不弃风前提下计算周期内任意时步系统的抽水需求规模，找出最大值；然后，在最大值的基础上逐渐减小水泵装机取值，分析水泵需求规模对供电保证率的影响，最终根据该影响关系确定合适的取值。

例如，当图3中选取的风机为12台、调节库容为150万m3时，则对应不弃风的水泵装机规模为6685kW。由装机容量影响曲线(见图4)知，水泵装机取4000kW较合适，此时装机减小了40%，但供电保证率下降不到2%。

图4 水泵装机容量对供电保证率的影响

3.3 水轮机组装机容量的优化计算

水轮机组装机容量以尽量满足发电需求和减小规模的原则确定。首先，求得计算周期内任意时步的系统发电需求，找出最大值；然后，在最大值的基础上逐渐减小装机取值，分析水轮机组装机规模对供电保证率的影响，最终根据该影响关系确定合适的取值。

针对上述的风机台数、水库库容和水泵装机容量，可求出计算周期内蓄能电站最大发电需求的装机为5850kW。但根据装机容量影响曲线(见图5)，水轮机组装机取3500kW更合理。

3.4 备用电源装机容量的优化计算

在求得风机台数、水库库容、水泵装机容量和水轮机装机容量后，在备用电源不投入的前提下，即可求出计算周期内的系统供电缺口大小，通过排序继而可统计出备用电源装机容量与供电保证率的对应关系(见图6)，据此即可求出在目标供电保证率下的备用电源装机容量。

图5 水轮机装机容量对供电保证率的影响

图6 备用电源装机容量对供电保证率的影响

3.5 系统配置以及电量分配结果

根据选定的风机台数和水库库容，计算出水泵和水轮机组的装机容量，再确定满足保证率要求的柴油机组容量，最后可得到整个系统的配置结果(对应图3实例参见表1)。对于该配置的系统，还可求出计算周期内任意时刻各电源的电力分配情况以及抽水耗电、供电和限电情况，在周期内累加，即可得到对应的电量分配结果(见表2)。

表1 大万山岛对本系统的需求配置

注柴油机组减少量为与系统全部用柴油发电相比结果。

表2 大万山岛系统各电源供电电量分配情况

注供电保证率95%。

根据计算出的系统配置参数(各电源装机规模、水库规模等)，可求出相关的经济指标，以便评价对应设计配置方案的优劣(可通过程序实现)。该联合运行系统的经济评价通常采用的综合经济指标为：优化时段内每千瓦时的“电能收益+节煤效益-投资成本”，可参见文献[1][10]进行计算分析。另外，对于海岛孤立供电系统，考虑到海水抽水蓄能的技术困难和经济因素，在满足供电保证率的前提下，一般以减小上库库容和备用柴油机装机规模为主要优化目标，以此确定风机台数、水库库容、水泵和水轮机组以及备用电源装机容量等系统配置参数。

4 结 论

针对抽水蓄能与风电等可再生能源联合供电系统，本文介绍了其配置方案的优化设计计算模型以及相关限制条件，建立了逐步求解对应模型的设计计算方法，可计算分析各电源的实际利用情况、系统供电保证率情况、蓄能电站水库库容及水位变化情况。提出了通过绘制“风机台数—蓄能电站调节库容—系统供电保证率”的莫诺图，建立系统供电保证率与系统配置参数的影响关系，据此可选择较优的风机台数和水库库容组合，并最终求出整个系统的优化配置方案。本方法可利用长系列实测资料进行计算分析，不需要整理典型短期负荷，可适用于多种复杂需求情况：支持非限制性(常规电站)与限制性(风电等可再生能源)两种性质电源的多种不同组合；支持抽水蓄能电站发电机组的旋转备用和非旋转备用运行模式；抽水蓄能电站水泵和水轮机组的装机规模可人为给定限制，也可由计算机程序自动优化求解；可在给定系统配置和负荷条件下，对各电源实际利用情况、供电保证率等进行计算分析；可用于系统配置方案的设计优化以及特定联合运行系统的优化配置运行调度等。