含多种可再生能源发电联盟的优化运行

李 滨，陶思思，张杨杨，舒晴川

（1.广西大学电力系统最优化与节能技术重点实验室，南宁 530004；2.广东电网有限责任公司佛山供电局，佛山 528000）

在中国水能富集的西南地区，得益于国家政策导向作用，大力发展水力资源[1-2]。以广西为例，截至2017年底，已建成水电装机容量约1 496.8×104kW（其中小水电约占30.0%），水力发电量611.3×108kW·h，占全区发电量的59.9%。小水电既是偏远山区能源的重要组成部分，也是电力系统的有力补充，拥有巨大的发展潜力。结合水利部2016年发布的《关于推进绿色小水电发展的指导意见》，到2020年，建立绿色小水电标准体系和管理制度，初步形成绿色小水电发展的激励政策，创建一批绿色小水电示范电站。因地制宜地利用现有的小水电资源，充分发挥小水电的调节能力，将小水电与波动性较强的风电和光伏相结合，通过可再生能源间的相互调度，提高可再生能源率，对偏远山区供电有显著的经济效益。

现阶段针对风电和光伏联合运行的研究较多[3]，而针对梯级小水电的利用较少。文献[4]从电量分布特征、调节速度等方面分析了水电与风电联合运行的基础。文献[5-8]对“风-蓄”协调及联合运营方式进行了讨论，以“风-蓄”整体效益最优为目标对联合运行模式进行优化。上述协调和联合模式在一定程度上解决了风电随机波动带来的问题，但是限制了水电站在调峰等其他方面的作用。文献[9]根据风电反调峰性和不确定性，结合抽水蓄能与需求响应的特点，将抽水蓄能和转移负荷对负荷曲线的优化作用与可中断负荷参与备用对系统经济性的提高融入同一模型。

文献[10-11]论证了水电和光伏联运的可行性和经济性，文献[12]通过对光伏和水电的容量配置进行经济性分析，论证了光伏发电和微型水电相结合的供电模式，对解决偏远地区用电有更好的经济效益。文献[13]将考虑水流滞时效应水量平衡关系的梯级水电联合调度模型与火电、风电的经济调度模型相结合，构建了以运行成本最小为目标的水火风互补发电系统短期优化运行模型。文献[14]中构建了兼顾系统经济性和可靠性的大小水电协调消纳模型，将大、小水电发电互补特性纳入电网优化调度，实现二者的协调消纳与稳定输出。目前，关于大中型水电调度的研究已相对成熟，而涉及小水电协调优化调度的研究较少。

本文在已有梯级小水电群的前提下，利用梯级水库的可调库容，对梯级水电站之间的调峰能力进行深度的挖掘，将梯级电站群等效为虚拟的储能装置，与分布式风电、光伏结合，形成多能互补系统，最终实现小水电、分布式风电、光伏的错峰接入，以提高电力系统对可再生能源的消纳能力。以经济效益最大化和出力偏差最小化为目标，考虑梯级小水电群的水头、时滞效应等约束，建立了含风、光、梯级小水电群多能互补系统的优化运行模型。对广西某山区梯级小水电群进行实例分析，验证了模型的合理性，为偏远山区合理利用现有水电资源，提高可再生能源利用率，提供了新思路。

1 多种可再生能源发电联盟的组成

1.1 多种可再生能源的互补特性

风电和光伏出力具有天然的时空互补性。在时间上，风电和光伏在多种时间尺度上均具有良好的互补特性，从月时间尺度来看，冬季风能较强，气温低，光照时间较短，太阳能较弱，而夏季风能较弱，气温较高，光照时间较长，太阳能较强，因此夏季和冬季时风、光互补特性较好；从日时间尺度来看，晴天太阳能充足，风能较弱，而阴雨天恰好相反，太阳能较弱，风能较强；从小时时间尺度来看，光伏电站出力集中在白天，风电机组出力较小，而夜间光伏电站出力为零，风电机组出力较大。在空间上，中国北部大陆和东部沿海广域范围内分布的风能和太阳能具有良好的各时间尺度下的空间互补性，而且两种可再生能源分散的面积越大，日、小时级别时间尺度下的空间互补性就越强[15]。

风电和水电在季节上也呈现良好的互补特性。往往冬、春季风能丰富，水资源短缺，而夏、秋季则水资源丰富，风能贫乏，构建风水互补系统可以在充分利用风电资源的同时提高水电的调峰能力[16]。

在调节能力方面，风电、光伏和水电也形成良好互补。风电、光伏出力主要与环境温度、太阳辐射以及天气变化有关，故其呈现明显的日循环和季循环特征，并具有较强的间歇性与波动性，可控性差。而水电具有较强的可控性以及良好的调节能力，水电的调节库容使其可在一定范围内自由调节，并不完全受自然降水、河道径流的影响。梯级小水电群相较于独立水电站在电力和水力关联上都更紧密，通过各级水电站的合理优化调度，使得整个流域的水资源都能得到有效利用。从瞬时调节的角度来看，水电机组爬坡能力好，响应时间短，调节速率快，可调节范围广，与具有较强的间歇性、波动性的风电和光伏形成了良好互补，平抑风光出力波动，平滑发电联盟的出力曲线。

1.2 多种可再生能源发电联盟的系统构架

多种可再生能源发电联盟如图1所示，主要由分布式风电、分布式光伏、梯级小水电群和抽水机组成。

图1 发电联盟电气结构Fig.1 Electrical structure of power generation alliance

在现有梯级小水电群的基础上，选取库容合适的水库加装抽水装置，充分挖掘梯级小水电群的调节库容，利用梯级小水电群发电输出稳态调节迅速的发电特性，将梯级小水电群等效成一个可充放的储能装置，替代储能装置对于不确定可再生能源所起到的调节作用，通过对小水电群各级电站及抽水机的调节和控制，使整个发电联盟的出力在不确定可再生能源出力急剧变化下保持平滑稳定，减小了大规模的分布式可再生能源接入大电网对电力系统造成的冲击，提高电力系统对于分布式不确定可再生能源的消纳能力，减少电力系统的弃风、弃光，提高清洁能源利用率和综合能源利用率。

当分布式风电与分布式光伏出力大于出力计划值时，充分利用梯级小水电群的调节库容，既减小梯级小水电群的出力而不造成弃水，或者利用抽水机将电能转换为水的势能储存起来，在风光剧烈波动或者电力系统负荷高峰时再通过梯级小水电群进行发电，起到削峰填谷的作用，赚取更多的经济收益。

反之，当分布式风电与分布式光伏出力小于出力计划值时，增加梯级小水电群的出力，使发电联盟的实际出力与计划出力尽可能相近，平滑风光出力，减小波动性电源由于天气变化导致出力波动对于电力系统造成的冲击。

将分布式风电、分布式光伏和梯级小水电群相结合构成发电联盟的特点如下：

（1）针对现有的梯级小水电群进行升级改造，充分利用现有资源，有效解决了梯级小水电群规模化接入给电力系统带来的电能质量、电压波动等问题，同时也解决了偏远山区的用电问题，提高了可再生能源率，创造经济效益的同时也减少了碳排放和环境污染；

（2）将梯级小水电群与分布式风电和光伏相结合，组合成发电联盟进行统一调度管理，有效解决了分布式电源“重建轻管”的现状，通过对可再生能源的整合利用，提高了电力系统对于风电和光伏的消纳能力，同时有利于电力系统对分布式电源的管理和调控；

（3）结合电力市场的发展趋势，发电联盟通过对梯级小水电群和抽水机的调控，利用梯级小水电群的调节库容，实现电能的贮存，削峰填谷，结合峰谷电价可以创造更大的经济效益，同时减轻电力系统的调峰负担，为分布式电源的利用和发展提供了新的思路。

与其他分布式电源相比，发电联盟优势如下。

（1）经济性。立足于现有的梯级小水电群，将小水电与分布式风电和光伏相结合，通过对于梯级小水电群的调控，结合峰谷电价，在电价较低的凌晨少发电，在负荷高峰电价较高的时候多发电，实现经济效益最大化；同时提高了现有送出线路的利用率，充分利用现有资源，解决偏远山区的用电问题。

（2）可控性。发电联盟通过对梯级小水电群的调节，减小了分布式电源的波动性，平滑风光出力，将原本波动性和间歇性较大的分布式风电和光伏以及“来水就发”的梯级小水电群转变为出力稳定可控的分布式电源，减小了由于天气变化导致的出力波动对于电力系统的影响。

（3）环保性。发电联盟通过将梯级小水电群与分布式风电和光伏联合运行，实现了出力平滑可控，缓解了电力系统由于风光出力不确定所带来的压力，提高了电力系统对于风电和光伏的消纳能力，提高了可再生能源利用率，利用清洁能源代替化石能源提供电力，减少了化石燃料消耗的同时，也减少了污染物排放，创造了更多的环境效益。

（4）发展潜力。随着电力市场的不断完善，电力市场对于发电侧的要求和约束也越来越多，现有的考核机制主要关注于分布式发电的波动性和上网电量。发电联盟通过对梯级小水电群的调节，使发电联盟能够更好地适应电力市场的要求，有更强的竞争力和更好地发展前景。

2 分布式电源数学模型

2.1 风力发电模型

风电机利用风轮转动捕获风能，将风能转化成机械能后由轮轴带动发电机发电。其出力特性可近似为由切入风速、切出风速和额定风速划分的一次分段函数[17，20]，即

2.2 光伏发电模型

影响光伏系统出力主要因素为光照强度和环境温度。光伏输出功率与日照强度可近似为正比的关系。表达如下[19]：

2.3 梯级小水电群模型

基于同一河流上建立的水电站以梯形水电站的形式体现，称为梯级电站群。梯级电站能补偿、协调水资源，不同于传统的水电站在电力、水力方面的关联较弱，在这两方面的关联上梯级电站做到了加强。单一的水库梯级电站的建设对环境保护效果较差，经济性不足。梯形电站群能充分利用水库的资源，通过合理优化调度，解决环境保护效益差、经济性不足的问题。

梯级电站群间存在着复杂的电力和水力联系，与独立水电站相比需要考虑的变量和约束更多，本文基于实际调研获得的梯级小水电群相关数据，选择影响较大的参数，比如尾水位、净水头、坝前水位、调节库容、水库间水量的平衡和水力联系与电力联系的纽带关系、发电所需引用出的发电量以及水量等。

1）水量平衡

在梯级水电站群之间，上下游水库间存在水流平衡，具体表现在下游水电站的水流量是由上游电站的泄流量和区间来水量共同组成的。

t时段末的第i级水库存水量为

式中：vi(t)为t时段末的第i级水库存水量；Ii(t)为水库i在时段t内的区间入流；si,i+1(t)为水库i在时段t内的弃水流量；qi,i+1(t)为水库i在时段t内的发电流量；τi-1,i为水流时滞时间；ΔT为时段t的时长。

2）坝前水位

水库两特征水位水平线之间的水库容积，称为静态库容。水库的静态特性曲线拟合可由下式获得，即

式中：hif(t)为t时段第i级水库的坝前水位；ai为常数，i=0,1,2,3,4，为水库的静水特性曲线系数。

3）尾水位

电站的弃水量和发电流量决定了该电站在某个时段的尾水位为

式中，hib(t)为t时段第i级水库的尾水位。

4）净水头计算

式中，Δhi,t表示第i级电站在t时段的水头损失，水头损失在短时内取定值。

5）发电量计算

式中，Pi(t)为发电机组i在t时段发电功率。

2.4 抽水机模型

抽水机组的抽水功率-水量平衡方程：

式中：Pp,i(t)为抽水机组i在t时段抽水功率；qp,i(t)为抽水机组i在t时段抽水流水量。

3 发电联盟优化运行模型

随着电力市场的不断完善，对于发电侧的考核机制不断细化，参照《南方区域发电厂并网运行管理细则（2017版）》，在细则中现有的考核机制多以电量为主，但只有当功率实时平衡才能减少对电网的冲击，这也是电网发展的未来趋势。

3.1 目标函数

发电联盟经济利润最大，即

3.2 约束条件

1）梯级小水电群约束条件

（1）电站出力约束及出力变幅约束为

（2）出库流量约束为

（3）发电流量约束为

（4）电站可用调节库容约束为

2）抽水机组功率约束

3）光伏系统出力约束

4）风电系统出力约束

5）发电联盟出力约束

3.3 发电联盟的评价指标

为了更直观地体现发电联盟与单独运行的梯级小水电群、分布式风电和光伏的区别，本文从经济性、环保性和对电力系统的影响三个方面对比发电联盟和各分布式发电独立运行的情况。

1）功率偏差率

参照《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》[22]，以15 min为一个考核时段，将一天分为96个考核时段t=(1 , 2,3,…,96)，引入对分布式发电的功率偏差的考核要求，当分布式电源的出力偏离计划功率一定程度时，即实际出力大于计划出力超过功率偏差允许范围时则限制分布式发电的出力，反之实际出力小于计划出力超过功率偏差允许范围时，分布式发电需要向电力系统支付额外的惩罚费用。

考虑到风、光和小水电受天气及水文的影响较大，发电联盟允许功率偏差率为±5%。

其中，功率偏差率计算方法为

2）上网电量偏差率

参照《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》，以15 min为一个考核时间，将一天分为96个考核段t=(1,2,3,…,96)，考核每时段的偏差电量，单机容量4×104kW及以下水电机组允许电量偏差率为±3%，发电联盟允许电量偏差率5%，分布式风电与光伏的允许电量偏差率为7%。

上网电量偏差计算方法为

式中：WR,t为发电侧t时段实际上网电量；WF,t为t时段预计上网电量；WDEV,t为t时段的上网电量偏差电量。

上网电量偏差率为

3）环保效益

与传统火电相比，小水电、风光等清洁能源发电时几乎不产生污染物排放，具有良好的环保效益。本文参考中国排污总量收费标准[23]和根据该标准评估出的中国电力行业各种污染物减排的环境价值标准[24]，从节能和减排两个方面来评价发电联盟对社会带来的环境效益。

（1）节能效益。

发电联盟利用清洁能源代替化石能源的节能效益为

式中：kcoal为火电机组成产单位电能的平均耗煤量；ccoal为煤炭的单价。

（2）减排效益。

假设传统燃煤发电过程中所产生的n种污染排放物，减排效益可以通过减少的污染物排放量所需的治理成本来衡量，计算式为

式中：Ai为第i种污染物减少的排放量；Ci为第i种污染物的环境治理成本。

为了更好地评价发电联盟的减排效益，本文从传统燃煤机组发电时产生的SO2、CO2、NOX、CO、TSP、灰和渣共7种污染物进行计算。具体计算数值如表1所示。

表1 各污染物的减排量及治理成本Tab.1 Emission reduction of various pollutants and the corresponding treatment cost

发电联盟的环保效益为

4 算例分析

本文选取广西西林县某偏远山区作为研究区域，该地属亚热带大陆性季风气候，光热充足，水资源丰富。根据水文情况，西林县4月至9月为丰水期，4月至7月降雨较多，5月至6月为降雨高峰期，10月至次年3月为枯水期，降水量较少。选取丰水期和枯水期的典型天气情况对于发电联盟的优化运行模型进行仿真。

4.1 基本参数

选取西林县某偏远山区的3级梯级小水电群作为研究目标。调节库容是指该水电站正常蓄水水位至死水位之间的水库容积。

梯级小水电群参数如表2所示。

表2 某梯级水电站群特性Tab.2 Characteristics of a cascaded hydropower station group

根据该梯级水电站群的库容和装机容量，选择在第1级水电站加装两台抽水功率为0.75 MW的抽水机。抽水机的抽水功率-水量平衡方程为

梯级水电站群从停机状态过渡到满负荷发电状态需120 s，响应时间为1～2 min，爬坡速率为50%/min；对应的调节频段为1/480～1/240 Hz。

将该梯级水电群与6 MW风电和5 MW光伏组成发电联盟联合运行。

参考我国某地峰谷电价分时政策，根据发电联盟中风电、光伏和小水电的装机容量占比，通过加权平均的方法制定发电联盟的峰谷分时上网电价。风电、光伏、小水电和发电联盟的分时上网电价如表3所示。

表3 各种电源上网峰谷电价情况Tab.3 Peak-and-valley electricity prices of distributed generations 元

4.2 仿真结果

1）丰水期

丰水期上游来水流量大，水电站蓄水多，水头高，可用于调节的库容较小。

选取丰水期典型日的风、光、水文数据，以发电联盟经济利润最大为目标函数的发电联盟各时段出力情况如图2所示。

图2 发电联盟出力曲线（丰水期）Fig.2 Output curve of power generation alliance（in high-water period）

由图2可以看出，通过对梯级小水电群和抽水机的调节，发电联盟的实际出力基本和预计出力一致，很好地起到了平滑出力曲线、减小风光出力波动的作用，但受限于丰水期的可用调节库容，仍有部分时段的出力不能完全满足功率考核的要求。

由图3可以观察到，丰水期时由于水电站可用于调节的库容较小，抽水机不动作，主要利用梯级小水电群的出力来调节风电和光伏的波动对于发电联盟出力的影响。夜间00：00—03：00时段风速较大，为了满足不弃风的原则，小水电出力减少；随着发电联盟的计划出力增加，小水电的出力逐渐增加；06：00之后光伏发电出力逐渐增大，在12：00时达到最大，风速减弱，风电出力减小，此时靠调节小水电的出力使整个发电联盟的总出力与计划出力的偏差值最小，最终实现发电联盟的出力尽可能根据计划值发电，减小梯级小水电群、风力发电和光伏发电受天气影响所带来的波动。

图3 各电源出力曲线（丰水期）Fig.3 Output curve of each power source（in high-water period）

将风、光与梯级小水电群相结合，组成发电联盟，与风、光、水单独运行相比，发电联盟的功率偏差明显减小，充分体现了梯级小水电群的调节能力。

表4展示了风、光、水电单独运行与组合成发电联盟运行时，功率考核和电量考核的对比情况。在梯级小水电群的调节下，发电联盟的电量考核合格率和功率考核合格率与风、光、水电独立运行的情况下，有明显提高。

表4 功率考核和电量考核结果（丰水期）Tab.4 Assessment results of power and electricity quantity（in high-water period）%

发电联盟的售电收益根据的峰谷电价计算，经济利润达到6.6万元/天；而若各种电源按照峰谷电价计算，风电、光伏和梯级小水电群的日收益总和仅有4.2万元/天，经济效益提高了2.4万元。

表5 发电联盟经济效益（丰水期）Tab.5 Economic benefits of power generation alliance（in high-water period） 元

将风、光与梯级小水电群相结合，组成发电联盟，与风光水单独运行相比减少弃风弃光弃水的发电量约11.7×104kW·h，节约燃煤41.761 t，创造节能效益2.9万元，减排效益2.4万元，共创造环境效益5.3万元。

表6 发电联盟减排效益（丰水期）Tab.6 Emission reduction benefits of power generation alliance（in high-water period）

2） 枯水期

枯水期上游来水流量小，水电站蓄水少，水头低，可用于调节的库容较大。

选取枯水期典型日的风、光、水文数据，以经济利润最大为目标函数的发电联盟的出力情况仿真如图4和图5所示。

图4 发电联盟出力曲线（枯水期）Fig.4 Output curve of power generation alliance（in low-water period）

图5 各电源出力曲线（枯水期）Fig.5 Output curve of each power source（in low-water period）

由图4可以看出，通过对梯级小水电群和抽水机的调节，发电联盟的实际出力基本和预计出力一致，很好地起到了平滑出力曲线，减小风、光出力波动的作用。枯水期的可用调节库容较大，通过对于梯级小水电群的优化调度，基本可以满足功率考核和电量考核的要求。

在图5中可以观察到，枯水期时由于水电站可用于调节的库容较大，但由于风电上网电价较高，且抽水机在能量转换的过程中存在能量损耗，抽水机主要在夜间动作，且动作较少。夜间风速较大，为了满足不弃风的原则，小水电减小出力，抽水机抽水，将夜晚的风能转化为水的势能储存起来。随着发电联盟的出力增加，小水电的出力逐渐增加；06：00时之后光伏发电出力逐渐增大，此时靠调节小水电的出力和抽水机的动作使整个发电联盟的总出力处于合格范围内，最终实现发电联盟的出力尽可能根据计划值发电，偏差较小，减小梯级小水电群、风力发电和光伏发电受天气影响所带来的波动。

表7展示了风、光、水单独运行与组合成发电联盟运行时，功率考核和电量考核的对比情况。在梯级小水电群的调节下，发电联盟的电量考核合格率和功率考核合格率与各种电源独立运行的情况下，有明显提高。

表7 功率考核和电量考核结果（枯水期）Tab.7 Assessment results of power and electricity quantity（in low-water period）%

电联盟的售电收益根据的峰谷电价计算，经济利润达到7.1万元/天；而若各种电源按照峰谷电价计算，风电、光伏和梯级小水电群的日收益总和仅有4万元/天，经济效益提高了3.1万元。

表8 发电联盟经济效益（枯水期）Tab.8 Economic benefits of power generation alliance（in low-water period） 元

将风、光与梯级小水电群相结合，组成发电联盟，与风、光、水电单独运行相比减少弃风弃光弃水的发电量约9.7×104kW·h，节约燃煤34.9 t，创造节能效益2.4万元，减排效益2.7万元，共创造环境效益5.2万元。

表9 发电联盟减排效益（枯水期）Tab.9 Emission reduction benefits of power generation alliance（in low-water period）

5 结语

本文立足于现有的梯级小水电群，将充分考虑风、光、水电的出力时空互补特性以及风、光波动性较大和小水电启停调节迅速的出力特性，构成含多种可再生能源的发电联盟。通过对梯级小水电出力的调节，平滑不确定可再生能源的输出，改善分布式电源并网的电能质量，减小分布式风、光由于出力剧烈波动对于电力系统造成的影响，减少弃风弃光弃水情况，提高可再生能源利用率。通过对发电联盟优化模型的仿真，可以得出，将梯级小水电群与分布式风电和光伏相结合，能够带来良好的经济效益、环境效益，同时能够很好地发挥梯级小水电群的调节能力，使发电联盟的出力偏差和上网电量偏差明显提高，在电力市场下作为发电侧相较于单独的分布式电源有更好的竞争力和发展前景，为偏远山区合理利用现有水电资源，提高可再生能源利用率，提供了新思路。