对风电-抽水蓄能联合日运行优化调度模型的分析
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摘要：我国关于风电与抽水蓄能联合运行模式的研究起步较晚，目前处于快速发展阶段，国外相对来说在这方面的研究较多。风能是可再生能源，利用其发电在减少燃料消耗的同时也减少了对环境的污染。但是风能发电存在许多问题，例如上升的风电穿透率会影响电网安全。风电并网存在间歇性、波动性、反调峰等特性，由此产生的电压波动和频率波动等问题会对系统稳定运行及电能质量产生不利影响。因此，研究风电并网后的优化调度对于解决上述问题具有重要的意义。随着电网容量和规模的不断扩大，对优质调峰电源的比重需求有所增加，例如现阶段成熟先进的抽水蓄能技术。抽水蓄能电站启停迅速，运行方式切换灵活，可弥补风电反调峰特性，提高了电网运行经济性。
关键词：风电;抽水蓄能;联合运行;优化调度模型
引言
风力发电输出的功率具有间歇性、随机变化性、不确定性、难以预测性和波动性等特性。针对以上问题，通过建立抽水蓄能与风电的联合运行模型来解决联合运行的效益最优的问题。仿真结果表明，通过抽水蓄能电站与风电的联合运行，能够解决风电场单独运行时的不稳定和不能储能的问题，而且能够提高发电效益，有益于风电事业的发展。
1风电与抽水蓄能联合运行原理
1.1抽水蓄能的工作原理
抽水蓄能电站的原理就是一个能量转化的过程，在电网负荷低谷时，将水从下水库通过压力水管输送到上水库贮存起来，在电网用电高峰期，再将储存在上水库的水放出来，用来发电，以满足所需求的供电量，就这样循环往复地工作。
1.2联合运行的意义
风是由于太阳辐射到地球而引起的自然现象。风能是廉价的清洁的可再生能源。随着科技的进步、人类的发展，人们对能源的需求量急剧升高，不可再生能源例如化石能源等越来越不能满足人类需求而且对环境污染严重，所以人们对于清洁可再生的能源极为需求。风能不会污染环境，而且地球上的风能蕴藏量也很大，所以风能的开发利用应运而生，随着研究的不断深入发展，风能已经被大规模地开发利用。而且近年来风电装机容量急剧升高，很多的国家都出台相对的政策来开发利用风能以代替其他的不可再生能源，但是随着对风能需求量以及开发量的增多，风能的劣势也逐渐体现了出来。人们认识到自然风会受到很多条件的制约，而且风力发电受到的制约更大，例如风的强度和方向、气候、温度、天气以及风电场所处的地理位置等等，导致了风力发电的输出功率具有间歇性、随机变化性、不确定性、难以预测性和波动性等特点[11]，大大限制了对风能的开发利用，而且给风电的管理运营等造成了很多不便，还会带来经济上的损失和安全上的隐患。所以为了提高风力发电的可靠性，风能这些劣势亟待解决。抽水蓄能电站是一种可再生能源，而且对环境效益有益，还能起到很好的调频、调相、调峰等工作。对于风电的劣势也能有很好的补充调节作用，因此需要抽水蓄能电站来配合风电场发电，提高其输出功率的稳定性和连续性。
2风电-抽水蓄能优化运行模型
风力发电厂既与抽水蓄能机组相连，又与电网相连。此处，设并入电网的风电功率不超过系统负荷的20%。实线表示传输电能的导线，虚线表示实现信号传输的链路。本文不考虑电网的输电瓶颈，即风力发电厂和抽水蓄能机组联合系统的输出功率为风力发电厂输出功率和抽水蓄能机组输出功率之和。本文以风电-抽水蓄能机组联合系统发电成本最小为目标函数，发电成本包括常规机组发电成本和抽水蓄能机组启停单价成本，如下所示
式中，T表示24时刻;M表示火电机组数量;ai、bi、ci表示火电机组运行成本的二次拟合系数;Pi，t表示火电机组出力;ui，t表示火电机组启停状态;1表示运行，0表示停运;Csu、Csd表示水泵启/停成本;nsut、nsdt表示t时刻启/停水泵机组台数。
3仿真结果分析
有了目标函数，通过Matlab遗传算法可以直接得出仅有风电场风力出力功率、水泵功率和水力发电功率在24h内的每1h功率的数值以及最后的总效益S的值（121540元/d），较只有风力发电场发电的收益（113340.379元/d），每天多了8199.612元，大大提高了風电场的收益，充分显示出风电与抽水蓄能联合运行的优势。并且，按照以上的分析和公式，按照上文中所给数据，可以画出联合运行系统各部分输出功率图和联合运行后系统输出功率与仅有风电时风电场的输出功率图进行分析比较。在一天中：0：00～8：00市场的电价为540元/（MW·h），是低电价的时段，同为低电价的时段还有22：00～24：00，也是540元/（MW·h），而8：00～22：00，市场的电价为1038.4元/（MW·h），是高电价时段。在0：00～8：00和22：00～24：00的低电价时段中，如果风力过剩导致风力发电单独发电都能产生过剩的电量来满足发电的需求，即“供大于需”，此时需要将过剩的电量用来带动水泵抽水（将水从下水库抽到上水库中），将电能转化为抽水蓄能电站的重力势能储存起来，用以备用;当然，如果风量不足，导致风电场单独发电所输出的功率不能够满足市场所需发电功率时候，即“供不应求”，这时候就需要水利发电机来工作，将储存在上水库的水放出来发电，和风电场共同发电来满足需求。而在高电价时段，在满足电网上下限的情况下，则需要抽水蓄能电站尽可能地启动来发电，这样风电机组与抽水蓄能电站联合运行来给电网提供发电，以使得其收益较大。联合运行的输出功率始终在电网限制的上下限波动，不会越限。而且当只有风力发电时候，发电输出功率的波动非常大，有跳跃性波动。然而，风电与抽水蓄能电站联合运行之后，输出功率的波动性明显降低，较为平滑的波动，这就说明了风电与抽水蓄能电站联合运行之后，明显地改善了风电场单独供电所发生的时间和空间分配不均匀问题，使得输出功率能够在电网限制范围内平滑波动，提高了经济性和安全性。
结束语
本文通过需求响应使需求侧资源参与优化调度，证明了基于实时电价的需求侧资源与抽水蓄能电站的联合协作有助于优化需求侧负荷的分布。利用电力用户对实时电价的响应降低了用户侧负荷峰谷差，使谷时刻风电消纳能力有所提高，减少联合系统发电成本，提高了风电-抽水蓄能联合系统的经济性。根据得出的最终收益可以得出以下结论：1）风电与抽水蓄能联合运行之后的效益要远远大于单独风电场发电带来的效益，体现出了联合运行的优越性。2）风电与抽水蓄能联合运行解决了风电场单独发电的“供大于需”和“供不应求”这两个问题，优化了发电模式，提高了发电的质量。3）比较单独的风力发电功率和风电与抽水蓄能联合运行的发电功率，可以看出风电与抽水蓄能电站联合运行之后，输出功率的波动性明显降低，波动比较平滑。明显改善了单独风力发电带来的间歇性、随机变化性、不确定性、难以预测性和波动性等安全性和经济性等问题。
参考文献
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