摘要：高比例可再生能源發電并網構成了多種能源共同參與的電力系統新體系。梯級水電是具有良好調蓄性能的靈活性高的電源，能夠作為一種補償電源來平抑新能源發電波動，促進其電網消納比例。提出了一種含梯級水電的水風光混合能源短期互補協調調度策略。該策略定義平穩性指標和源荷匹配指標為互補性評估指標，以協調控制出力波動和對負荷的追蹤度與平滑效果;同時，從“源源互補”和“源荷匹配”兩個不同角度構建調度模型，分別采用花粉算法與逐步優化算法優化求解目標問題;最后通過分析互補效果，總結水風光短期調度策略。通過案例驗證了本文所提調度策略有效性，為高比例水電電網大規模消納新能源提供了新思路。

　　關鍵詞：水風光互補特性;短期協調調度;梯級水電

　　0引言

　　隨著不可再生能源的日益衰竭，水能、風能、太陽能等可再生能源成為各國關注的重點[1-2]。高比例可再生能源發電并網構成了多種能源發電的電力系統新體系[3]。但是風電、光伏等主要新能源發電受到風速、太陽輻射等氣象環境因素的影響，二者發電出力的不穩定性較強，大量接入電網會造成安全隱患。為提高風光電源電網消納的比例，降低新能源直接并網對電網帶來的風險，需要尋求能夠有效調節的補償措施。國內外大量研究表明利用清潔能源之間互補特性形成的混合運行系統，能夠有效平抑風電與光伏發電產生的波動，研究主要集中在多種能源混合互補機理[4-5]、互補效果評價[6-7]、互補調度模型[8-11]以及多能混合發電系統運行策略。

　　在多能混合系統運行策略方面，文獻[12]提出含水風光氣儲的日前聯合調度策略，以不同頻率下的風光出力為基礎，決定各類補償電站的調度計劃;文獻[13]出含水風光火日前聯合調度策略，通過三層調度模型制定出力計劃，文獻[14]構建多時間尺度互補調度模型制定各類電站出力計劃。上述文獻對異質能源互補發電后水電運行調度計劃做了一定的探討，但分析不夠詳細深入。

　　綜上，本文提出了有關梯級水電的水風光短期互補協調調度策略，該策略充分利用水風光3種電源之間的互補特性，定義平穩性指標和源荷匹配指標為互補性評估指標，以協調控制出力波動和對負荷的追蹤度與平滑效果;同時，從源源互補和源荷匹配角度出發構建調度模型，采用改進花粉算法與逐步優化算法優化求解模型。源源互補調度時，梯級水電日內調度計劃重點關注總出力波動，以達到環保效益和經濟效益的最優;源荷匹配調度時，則更側重總出力對電網負荷變化的良好追蹤，進而控制剩余負荷波動，使得電網其他電源能夠承擔基荷任務。

　　1互補特性分析

　　1.1水風光混合能源互補特性分析

　　由于研究短期調度策略，故以水、風、光3種異質能源自身發電運行特點為基礎，對水風光之間的短期互補特性進行分析，互補特性包括自然互補特性和技術互補特性。作為自然資源，風力發電和光伏發電受限于晝夜、天氣條件等自然因素，二者的日內出力變化明顯。風電出力總體呈現隨機和波動性的特點，一般夜晚出力較大而白天較小;而光伏受到太陽輻照的影響，主要集中在白天發電，到夜間光伏出力為0，所以間歇性特點突出，隨機性和波動性也相比風電更大。

　　可見，風、光日內出力變化趨勢具有一定的自然互補特性，但風、光出力基本呈現隨機、波動與間歇性的特點，發電質量較差。技術互補特性方面，主要是短期運行過程中，水電利用自身調蓄性能與風電、光伏發電之間形成良好的互補，具體分為容量互補和電量互補。容量互補是指梯級水電通過有日、周以上調節性能的水庫，對接入水電站的風光發電出力進行實時補償，平抑風光出力的隨機、波動和間歇性，從而提高風光發電的電能質量。

　　電量互補是指光伏接入水電站后，水電站可以在光伏電站承擔電網負荷的時段，減少出力或降低低負荷運行時間，讓更多的水能留在水庫，這部分額外儲蓄的水量則可以分配到電網負荷高峰時段進行調峰發電，使得水電的調峰電量和調峰效益均得到提升。可見，容量互補指的是電源之間出力互補，而電量互補與電網需求負荷有關，相應的梯級水電出力過程也不同。綜上所述，在短期運行時，水、風、光3種能源之間存在良好的出力互補特性，合理安排梯級水電與風電、光伏的運行調度方式，將會有較大的綜合效益。

　　2水風光短期互補協調調度模型

　　2.1調度模型構建

　　水風光互補協調系統集水力發電、風力發電、光伏發電為一體，既是一個整體，各部分又是獨立的發電系統，在保證水風光互補發電系統并網安全性的同時，需要兼顧水、風、光各發電系統自身的利益，所以梯級水電短期調度應該遵循的調度原則為：①不發生棄水;②保證系統和電站安全運行;③對風光出力進行補償調節。依據調度原則，本研究從源源互補和源荷匹配兩個角度構造調度模型。

　　3案例分析

　　本文以日尺度為調度周期，小時為計算時段，以西南電網流域X內典型水風光站為研究對象，開展水風光日內互補調度策略研究。流域X內已投產水電站包含2個梯級共4個水電站：F電站(45MW)、G電站(54MW)、H電站(60MW)和I電站(36MW)。其中G、H、I電站同屬于一個梯級，有較強的水力電力聯系，G、H電站均具有日調節能力，電站I是一個徑流式電站;F電站則隸屬于另外一條支流，與G、H、I電站只有電力聯系，沒有水力聯系。選取1個光伏電站S(40MW)和1個風電場W(60MW)。

　　從目標Ⅰ來看，水風光互補優化后，該典型日的總發電量為273.78萬kW·h，水力發電量為210.64萬kW·h，占總發電量的76.94%(F、I、G、H電站分別占26.28%、14.01%、16.24%、20.41%)，F、G、H水電站均未有棄水;光伏和風電發電量分別為26.89萬kW·h和36.25萬kW·h，分別占總電量的9.82%和13.24%。從目標Ⅱ來看，優化后的出力過程曲線趨于直線，說明充分發揮了梯級水電的調節能力，對風光出力過程實現“削峰填谷”，讓風光發電出力的波動得到明顯改善。

　　水風光三個電站單獨運行結果與風電、光伏發電的sN值比較一致，均大于10MW，其中，風電波動>光伏波動>風光波動>水風光單獨運行波動，說明僅是出力的簡單疊加也有利于平抑波動，并從側面驗證了水風光各電源出力的互補性。水風光互補運行后的sN值僅為0.15MW，是三者單獨運行的1.2%，表明水電站群通過水庫的聯合調度運營，對風光出力波動的平抑具有顯著的作用。梯級水電平抑接入的風光日內出力波動必然會影響自身運行過程。

　　互補后，梯級水電的發電出力與風光總出力曲線呈現出“峰對谷”此消彼長的特點，在1~8、10~12、22~24時段，風光總出力隨時間逐步增大，梯級水電出力則相應降低;8~10、12~22時段，風光總出力隨時間逐步降低，梯級水電則增大出力運行。說明在以發電量和出力波動為目標的水風光短期互補運行過程中，水電的調度策略是與風光總出力的變化趨勢相逆，即在風光總出力隨時間逐步增大時，梯級水電逐步降低出力;在風光總出力隨時間逐步降低時，梯級水庫則加大發電流量，以達到增加發電出力的目的。

　　水風光總出力曲線與原日內負荷曲線變化趨勢較為一致，二者的相關系數高達0.99，剩余負荷曲線也比較平穩。對比白天和夜間，在夜間無光伏發電時段的源荷一致性較高，原因是白天風光同時發電出力，水電機組會更頻繁的調節變化自身發電出力，以實時補償風光出力，若風光出力出現“突增陡降”，水電機組受限于自身的調節能力導致無法及時追蹤負荷的變化，影響電源出力與負荷的匹配程度。比負荷曲線最高峰提前4個時段;最小出力則與負荷最低谷同樣出現在凌晨(夜間無光伏階段)5:00(第6個時段)。

　　綜上所述，在源荷匹配的水風光短期互補協調調度過程中，梯級水電的調度策略需要考慮兩方面，一方面梯級水電要追蹤負荷的變化，與負荷變化趨勢保持高度一致，另一方面梯級水電需要通過水庫的聯合調節消除風光總出力的鋸齒狀波動，以最終實現剩余負荷波動最小化。因此，梯級水電的調度策略是：首先依據負荷的峰谷變化趨勢進行自我調節，在需求負荷高峰時，加大出力，低谷時降低出力運行;其次結合風光總出力的波動情況，進行適當的調整，在風光出力增大過程中，適當降低水電發電流量，在風光出力降低過程中，適當增大發電流量運行，以消除風光鋸齒狀的波動。

　　電力系統論文：電力系統中電氣自動化技術的應用與發展

　　4結論

　　針對水電主導的電網，本文提出了一種有關梯級水電的水風光混合能源短期互補協調調度策略，該策略主要具有以下特點：(1)定義平穩性指標和源荷匹配指標為互補性評估指標。(2)研究了兩種情況下梯級水電的調度策略。從源源互補角度，梯級電站日內調度是以風光總出力為基準;從源荷匹配角度，梯級水電調度策略首先根據負荷的峰谷分段進行自我調節，其次再結合風光總出力的波動情況進行調整。由于資料收集的限制，簡化處理了負荷不確定性、風光出力預測等問題，后續可進行相關研究。

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　　作者：謝航1，朱燕梅1，馬光文1，陳仕軍1,2，黃煒斌1