抽水蓄能電站在電力系統中的應用

與傳統的水電、水電等設備不同，電氣工程的輸出具有隨機性、波動和偏差。大規模w型能源的合并將給電氣系統的運營和調度帶來許多問題。抽水蓄能電站具有快速啟動帶負荷,事故率低,調峰能力強等特點,讓抽水蓄能電站配合風電并網,通過抽水蓄能電站的蓄能調節作用將某些時段的風電儲存起來,在另外一些時段發電,將有利于風電資源的充分利用,降低風電出力隨機性、波動性和反調峰性對電力系統的影響。國內外學者在風蓄聯合運行方式方面做了大量研究工作,取得了一系列研究成果[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14],文獻研究了風蓄聯合運行的方式并評價其技術經濟性,文獻[10-12]以風蓄聯合運行經濟收益最大為目標優化風蓄聯合運行方式,文獻建立了以風蓄聯合出力平滑和風蓄聯合收益最大為目標的多目標優化模型優化風蓄聯合運行方式。文獻[15-17]研究了抽水蓄能電站運行優化方法。抽水蓄能電站的良好運行性能使得風蓄聯合運行參與系統調峰成為可能。由于抽水蓄能抽水發電過程存在一定比例的能量損耗,將大量風電通過抽蓄抽水發電勢必損耗較大比例的風能資源,影響風電等可再生綠色能源的電量效益。因此,優化風蓄聯合運行方式,以充分發揮風蓄聯合運行的調峰效益并兼顧風電資源的電量效益既有理論意義又有實際價值。1風和蓄結合的數學模型的優化1.1風蓄聯合運行方式模型設計風電出力具有隨機性、反調峰性以及可調度性低等特點,因此,大規模風電并網后將增大系統的調峰、調頻等運行調度的難度。針對風電出力的上述特點,電網公司一般采取限制并網風電比例的方式接納風電,這將導致風電場在越限時段大量棄風,影響風電場經濟效益及風電資源的充分利用。如果讓風電和抽水蓄能聯合運行,利用抽水蓄能電站的蓄能調節作用將棄風電力或者部分負荷低谷時段的風電儲存起來在負荷高峰時段發電,一方面可以減少風電場棄風電量,提高風電場的經濟效益;另一方面可以使風蓄聯合出力參與系統調峰,從而改變風電出力的反調峰特性,降低風電并網對系統運行調度的影響。考慮到抽水蓄能電站抽水發電存在一定比例的能量損耗,將負荷低谷時段大量風電通過抽水蓄能轉移到負荷高峰時段發電將浪費掉較大比例的風電資源,降低可再生能源的電量效益,因此,如何保證風蓄聯合運行的調峰效益并兼顧風電等可再生綠色能源的電量效益是風蓄聯合運行方式優化模型需要研究的重點和難點問題。綜上所述,風蓄聯合運行方式優化模型主要考慮最大化風蓄聯合運行的調峰效益和電量效益兩個目標,目標函數如下式中PLt———t時段系統負荷;PWt———t時段風電場出力;PWQt———t時段風電場棄風電力;PPt、LPt———抽蓄t時段發電電力、抽水電力;η———抽水蓄能電站抽水—發電轉換效率。1.2發電時段約束(1)各時段風電并網電力約束(2)抽水蓄能電站抽水庫容約束(3)抽水蓄能電站抽發平衡約束(4)抽水蓄能電站抽水和發電時段約束式中αt———t時段系統接納風電上限系數;PWN———風電場裝機容量;EPV———抽蓄日最大抽水庫容。除了上述約束,還包括抽水蓄能電站在抽水時按單機容量抽水及發電上限等約束。2抽蓄初始發電位置及控制要點風蓄聯合運行優化模型是一個多目標優化問題,采用啟發式算法對建立的多目標優化模型進行協調求解,優化過程中抽水蓄能電站只利用風電抽水蓄能,不與系統中其他機組配合運行。優化算法原理如圖1所示,具體算法步驟如下:(1)按電網接納風電上限確定各時段初始風電棄風電力。(2)從負荷曲線中扣除風電不越限部分電力,形成凈負荷曲線。(3)安排抽水蓄能電站利用棄風電力抽水儲能,并計算抽水電量。(4)在凈負荷曲線的峰荷時段安排抽蓄初始發電位置。為了充分發揮風蓄聯合的調峰效益,抽蓄在最大負荷時段應保證最大出力,考慮風電的電量效益,若抽水電量足夠則抽蓄發電位置應安排在凈負荷曲線的尖峰位置,且工作位置盡量不下移,根據上述原則確定抽蓄初始發電位置并計算抽蓄初始發電量。(5)如果抽水量大于或者等于初始發電位置需電量轉至步驟(6),否則轉至步驟(7)。(6)抽蓄利用棄風抽水電量大于初始發電位置需要抽水電量,抽水蓄能電站按最大出力發電,發電位置下移,直至充分利用風電場的棄風電量,轉步驟(13)。(7)抽蓄利用棄風抽水電量不能滿足初始調峰發電需求,為了保證風蓄聯合的調峰效益,保持抽蓄在最大負荷時段按最大出力滿發,采取在凈負荷低谷時段利用風電補充抽水的措施保證風蓄聯合的調峰效益。(8)若負荷低谷時段沒有可供抽蓄抽水的風電,執行步驟(12);否則,執行步驟(9)。(9)根據抽蓄調峰發電量的缺額及低谷可用風電電量,按單機容量安排一臺抽水蓄能機組在負荷低谷時刻的最佳填谷位置利用風電補充抽水。(10)若抽水量小于發電量,轉至步驟(8);否則,執行步驟(11)。(11)抽水電量大于初始發電位置需要抽水電量,抽水蓄能電站按最大出力發電,發電位置下移,直至充分利用抽水電量,轉步驟(13)。(12)抽水電量不能滿足初始發電位置需要抽水電量,抽水蓄能電站降出力帶尖峰負荷位置直至充分利用抽水電量。轉步驟(13)。(13)優化過程結束。3抽蓄系統及負荷解決方案為了驗證所建立模型及求解方法的有效性,對某風電場和抽水蓄能電站進行24小時運行優化。算例中的負荷曲線、風電出力場景及運行優化結果見表1,其中抽水蓄能電站包含12臺單機容量為100MW的抽蓄機組,抽水蓄能電站裝機庫容為8400MW·h,抽水—發電轉化效率為75%,風電場裝機規模為5000MW。算例對風電并網上限分別為50%和60%兩種情況進行優化運行及相關分析。由表1的結果可以看出,電網接納風電上限為風電場裝機容量50%時,抽水蓄能電站利用棄風電量抽水超過抽蓄初始削峰電量,為了減少棄風,抽蓄在18和20時刻的削峰位置按照棄風抽水電量下移。全天棄風電量1396MW·h。電網接納風電上限為風電場裝機容量60%時,抽蓄利用棄風抽水不能滿足削峰電量,安排抽蓄在負荷低谷的第4時刻按照削峰電量及抽蓄單機容量利用風電并網電力補充抽水,補充抽水后抽蓄抽水電量大于削峰電量,令18和20時段抽蓄削峰工作位置下移,直到抽發平衡。全天棄風電量389M