張耀東，蘇舟，姚李孝

(1.中國能源建設(shè)集團陜西省電力設(shè)計院，陜西西安710054；2.西安理工大學(xué)，陜西西安710048)

基于粒子群算法的光伏—水電聯(lián)合運行光伏容量分析

張耀東1，蘇舟2，姚李孝2

(1.中國能源建設(shè)集團陜西省電力設(shè)計院，陜西西安710054；2.西安理工大學(xué)，陜西西安710048)

本文針對光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)在保證聯(lián)合輸出滿足負荷要求的前提下，通過優(yōu)化配置光伏相對于水電的容量，以達到綜合收益最大化。以光伏、水電發(fā)電收益最大為目標函數(shù)，以光伏、水電的最大輸出及最小輸出等為約束條件，以1天的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算出滿足條件時光伏發(fā)電的裝機容量。通過容量優(yōu)化，提高了光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)的綜合收益。并用PSASP軟件驗證增加光伏發(fā)電容量對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

光伏發(fā)電；水力發(fā)電；容量優(yōu)化；粒子群算法

太陽能作為人類可以利用的一種潛能巨大的可再生能源，目前不能被大規(guī)模利用，主要由于其分散性、間歇性和不穩(wěn)定性。太陽能在利用的過程中受到季節(jié)、氣候等不穩(wěn)定因素的影響，導(dǎo)致太陽能的利用是不穩(wěn)定的〔1－2〕，因此太陽能發(fā)電的發(fā)展和利用一直受到限制。相較于光伏發(fā)電，水力發(fā)電輸出穩(wěn)定，一天中受環(huán)境的影響較小，將光伏發(fā)電和水力發(fā)電聯(lián)合起來，利用水電站自身的快速有功調(diào)節(jié)能力，消除光伏發(fā)電的有功輸出波動問題，達到聯(lián)合輸出功率平穩(wěn)，這樣可以解決光伏發(fā)電輸出的不穩(wěn)定，水光互補也可以極大地促進光伏消納，給水電帶來電量補充。在光伏水電聯(lián)合運行系統(tǒng)中，要求水電站有足夠的庫容和快速的調(diào)頻能力，滿足因水電站功率變化而導(dǎo)致的庫容水量變化。在沒有增加額外設(shè)備和資金的基礎(chǔ)上，光伏—水電聯(lián)合運行模式不失為一種解決光伏現(xiàn)存問題的一種有效手段〔3〕。為達到光伏—水電聯(lián)合輸出收益最大化，光伏發(fā)電、水力發(fā)電兩者間的相對容量配置一直是發(fā)電企業(yè)關(guān)心的問題。

目前，很多專家學(xué)者對水光互補系統(tǒng)進行了深入研究，但多為調(diào)度運行和經(jīng)濟性方面的研究，光伏、水電容量配置方面較少。文獻〔4〕和文獻〔5〕分析了互補運行時光伏和水電的輸出功率，在考慮到水電廠容量、水電廠庫容、當?shù)毓夥照盏葪l件的基礎(chǔ)上根據(jù)水電輸出的缺額配置光伏容量。相較于文獻的容量配置方法，本文采用粒子群算法分析容量配置。粒子群算法因其收斂速度快、計算精度高等特點廣泛用于各個領(lǐng)域，采用基于粒子群算法的光伏容量配置可以更準確的確定光伏容量，以指導(dǎo)光伏電站的建設(shè)。最后本文在光伏—水電聯(lián)合運行模式下分析2種不同聯(lián)合系統(tǒng)的容量配比，以達到更加合理利用資源的目的。

1 光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)運行方案

1.1 光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)組成

光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)主要由光伏電站、水電站和水庫組成，如圖1所示。光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)中光伏發(fā)電和水利發(fā)電都受環(huán)境的影響，影響光伏發(fā)電的主要環(huán)境因素是一天中的光伏日照強度和日照時長，而影響水利發(fā)電的主要環(huán)境因素是水庫的來水量和水庫容量，在一天中環(huán)境對于水力發(fā)電的影響較小。雖然兩種發(fā)電模式均受環(huán)境的影響，但是兩者間存在一定的互補關(guān)系。在雨季到來時，光伏發(fā)電因為日照強度和日照時間的降低而降低，但雨季可以增加水庫的水量。反之，在旱季水庫的水量降低，但是光伏發(fā)電有更長的日照時間。

圖1 光伏—水電聯(lián)合運行原理圖

1.2 光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)運行策略

在保證系統(tǒng)輸出滿負荷要求的前提下，最大效率利用光伏，輸出不足的情況下水電補充。本文光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)的運行策略如下。

1)在白天日照充足，水庫蓄水未滿時，優(yōu)先使用太陽能，光伏電站輸出不能滿足負荷要求時，用水電彌補。

2)在白天日照充足，水庫蓄水已滿，但未達到泄洪水位前，優(yōu)先使用太陽能，光伏電站輸出不能滿足負荷要求時，用水電彌補。

3)在白天日照充足，水庫蓄水已滿，并達到泄洪水位時，優(yōu)先使用水利發(fā)電來滿足負荷要求。

4)在夜晚或因天氣因素光伏電站無輸出時，使用水力發(fā)電來滿足負荷要求。

1.3 光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)模型

為簡便起見，假設(shè)水電站的裝機容量足夠，忽略水頭變化對水電站發(fā)電系數(shù)的影響，則光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)模型可表示為:

i時段水利發(fā)電功率為

式中η為水電站發(fā)電效率；Whi為i時段水電站發(fā)電所用水量；g為重力因素，取9.8 N/kg；S為落差。

i時段光伏發(fā)電功率為

式中ηs為光伏電站發(fā)電系數(shù)；Psg為光伏電站的有效裝機容量；Esi為i時段的日照強度；Psoi為i時段光伏電站棄用功率；Psli為i時段光伏電站輸送到電網(wǎng)功率。

i時段光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)的總負荷為

i＋1時段水庫可用水量為

式中 Wi為i時段水庫可用水量；Wli為i時段水源來水量；Whi為i時段水電站發(fā)電所用水量；Woi為i時段棄水量。

2 光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)容量優(yōu)化

2.1 目標函數(shù)

本節(jié)的光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)選取的調(diào)度目標，以一天為運行時間，以一個小時為運行單位，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，優(yōu)先光伏發(fā)電的最大化，并且達到光伏、水電聯(lián)合運行系統(tǒng)的經(jīng)濟效益最大。

式中 PH，PS分別為水力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出功率。CH，CS分別為水力發(fā)電和光伏發(fā)電的售電價格。

2.2 約束條件

1)功率平衡約束

式中 P總i為i時段總有功負荷；PHi，PSi分別為i時段水力發(fā)電和光伏發(fā)電的有功輸出功率。

2)水庫水量平衡約束

式中 Wt為水電站第t時刻水庫蓄水量；Wt＋1為水電站第t＋1時刻水庫蓄水量；qt為水電站第t時段平均徑流量；Qt為水電站在t時段的發(fā)電流量。

3)水電站出力約束條件

式中 PHmin為水電站最小出力；水電廠最小出力取單機出力10%；PHmax為水電站最大出力；最大出力為水電站額定功率。

4)光伏發(fā)電日照強度約束

式中Smin為啟動光伏正常發(fā)電的最小日照強度；Smax為光伏發(fā)電最大輸出時的日照強度。

5)光伏、水電輸出穩(wěn)定性約束

式中PS為待求光伏裝機容量；PH容為光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)中水電站容量。

2.3 粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法是由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一種優(yōu)化算法，由于其容易理解、易于實現(xiàn)，在許多優(yōu)化問題中得到成功應(yīng)用，并且很多情況下要比遺傳算法更有效率〔6〕。

在粒子群算法中，粒子的規(guī)模為N，第i(i＝1，2，…，N)個粒子的位置表示為Xi，粒子所經(jīng)歷過的最優(yōu)位置表示為pBest[i]，粒子速度表示為Vi，所以粒子的速度和位置表示為:

式中c1，c2為常數(shù)，稱為學(xué)習(xí)因子；rand()和Rand()是[0，1]上的隨機數(shù)；w為慣性權(quán)重，一般取0.8。

3 算例分析

3.1 聯(lián)合系統(tǒng)基本資料

在未經(jīng)容量優(yōu)化的光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)中，光伏電站的有效容量為100MWp。聯(lián)合系統(tǒng)中水電站的容量為2×200MW，水庫容量為7 097萬m3，正常水位126.4 m，死水位105 m(水庫水量5 895.5萬m3)，泄洪水位127.5m(水庫水量7158.7萬m3)。假設(shè)水庫初始水量為6 500萬m3。

表1為這一天中太陽能日照強度和水源的徑流量，表2為這一天中的有功功率分布情況。

3.2 容量優(yōu)化結(jié)果

光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)容量優(yōu)化以一天為計算時間，一個小時為單位，在考慮到光伏容量不大于水電容量等約束條件下。采用粒子群優(yōu)化算法，計算優(yōu)化后光伏容量。經(jīng)優(yōu)化配置后，光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)中光伏的最優(yōu)容量為247MWp取整后光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)中水電裝機容量400MW，光伏裝機250MWp。圖2、圖3分別為優(yōu)化前后一天中光伏輸出、水電輸出以及負荷分布。

表1 日照強度和水源流量的日分布情況

表2 日有功負荷分布情況

圖2 優(yōu)化前光伏、水電輸出以及負荷分布

圖3 優(yōu)化后光伏、水電輸出以及負荷分布

3.3 一天中水量變化

根據(jù)上一節(jié)計算光伏容量優(yōu)化前后水電、光伏出力的不同，分析一天中水庫水量的變化。一天中水源的徑流量為9.58萬m3。優(yōu)化前一天中用水情況見表3，優(yōu)化后一天中用水情況見表4。從表3，表4可見，在滿足負荷需求的條件下，光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)一天的用水量為10.14萬m3，在經(jīng)過一天的發(fā)電后，水庫的水量減少0.56萬m3。

表3 優(yōu)化前一天中水力發(fā)電用水情況

表4 優(yōu)化后一天中水力發(fā)電用水情況

一天中水源的徑流量為9.58萬m3，而根據(jù)上表可知，在滿足負荷需求的條件下，優(yōu)化后光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)一天的用水量為8.54萬m3，因此在經(jīng)過一天的發(fā)電后，水庫的水量可以增加1.04萬m3。

3.4 優(yōu)化前后收益分析

根據(jù)上述算例，在光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)中，優(yōu)化光伏發(fā)電的容量，使其增加150MW裝機容量，以達到聯(lián)合系統(tǒng)的最大收益。優(yōu)化后的系統(tǒng)可以在滿足輸出負荷的前提下相對減少了水電的輸出，也可以減少水電站水庫的用水量，在水源徑流量較少的情況下可增加水電站運行的時間，以此分析優(yōu)化前后系統(tǒng)的收益情況。

光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)中光伏每千瓦裝機的成本以及光伏、水電的上網(wǎng)電價分別為:

光伏裝機投資1萬元/kW，光伏發(fā)電上網(wǎng)電價1元/kWh，水電上網(wǎng)電價0.3元/kWh。增加150MW光伏容量需增加資金約15億元。

以優(yōu)化前后光伏、水電輸出計算一天收益，一天收益計算如下:

式中PH，PS分別為水力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出功率；CH，CS分別為水力發(fā)電和光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價。優(yōu)化前一天的收益為130萬元，優(yōu)化后一天的收益為170萬元。以這一天的收益為平均值，優(yōu)化后比優(yōu)化前每年多增加約1.5億元。所以在不考慮光伏板損耗、銀行貸款等因素經(jīng)過估算，約10年可以收回成本，并且光伏—水電聯(lián)合運行中幾乎不存在棄光，可以大大增加太陽能的使用效率，相較于相同容量獨立光伏電站有更好的收益。

4 不同容量下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

因為光伏電站自身特性，并網(wǎng)光伏電站會對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有影響，因此本節(jié)分析不同光伏電站容量下系統(tǒng)發(fā)生故障時的暫態(tài)穩(wěn)定性。

本節(jié)采用CEPRI36節(jié)點計算系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，基于PSASP軟件分別分析光伏電站不同容量下光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)接入CEPPI36節(jié)點時的暫態(tài)穩(wěn)定性。計算中聯(lián)合運行系統(tǒng)水電容量為400MW，光伏容量分別為100MW和250MW，并在此條件下計算不同故障條件下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

4.1 三相短路故障

當系統(tǒng)中發(fā)生三相短路故障時，假定故障時間為2～2.5 s，仿真時間為30 s，光伏容量為100MW和250MW情況下光伏電站出口母線電壓見圖4。

圖4 不同光伏輸出條件下出口母線電壓

4.2 沖擊負荷擾動

當系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊負荷，且沖擊負荷為增量為30%，沖擊負荷出現(xiàn)時間為2～3 s，持續(xù)時間為1 s，光伏容量為100MW和250MW情況下光伏電站出口母線電壓見圖5。

圖5 不同光伏輸出條件下出口母線電壓

4.3 切線路擾動

當系統(tǒng)中出現(xiàn)切除交流線擾動時，并且開始切除時間為2s，仿真時間為30s，光伏容量為100MW和250MW情況下光伏電站出口母線電壓見圖6。

圖6 不同光伏輸出條件下出口母線電壓

系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，光伏電站容量對光伏電站出口電壓影響較大，光伏電站容量越高，光伏電站出口電壓越低。并且從三相短路故障中可以看出，光伏電站容量越大，故障出現(xiàn)時的母線電壓振蕩越劇烈。因此，在實際光伏—水電聯(lián)合運行中，光伏電站的配置容量還要考慮到當?shù)仉娋W(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

文中研究了光伏—聯(lián)合運行系統(tǒng)中光伏、水電的裝機容量配比。從容量優(yōu)化配置后的光伏、水電輸出可以看出，在滿足負荷以及約束條件下，提高光伏裝機容量不僅可以提高聯(lián)合系統(tǒng)的收益，而且可以節(jié)約水電站水量。相較于單一水電站運行，光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)的運行時間更長，可以更加充分利用資源，并且減少了光伏電站單獨運行不穩(wěn)定而受制于電網(wǎng)的棄光問題，大大提高光伏電站發(fā)電效率，縮短了光伏電站的成本回收期。

利用PSASP驗證光伏—水電聯(lián)合系統(tǒng)穩(wěn)定性的結(jié)果表明，隨著光伏電站容量的增加，光伏電站接入點電壓降低，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性變差，因此在實際運行中還需考慮光伏電站容量變化對當?shù)仉娋W(wǎng)的影響。

文中的算例僅分析了一天內(nèi)光伏—水電聯(lián)合運行系統(tǒng)，為了更深入了解聯(lián)合運行系統(tǒng)情況，還需對更長時間內(nèi)的數(shù)據(jù)積累，并進行分析與研究。

〔1〕陳進美，陳巒.太陽能光伏發(fā)電最大功率點問接跟蹤算法的研究〔J〕.水電能源科學(xué)，2010，28(1):148-150.

〔2〕陳新，趙文謙，萬久春，等.風(fēng)光互補抽水蓄能電站系統(tǒng)配置研究〔J〕.四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2007，39(1): 53-57.

〔3〕陳巒.太陽能—水電聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真〔J〕.水電能源科學(xué)，2010，28(7):164-168.

〔4〕田旭，張祥成，白左霞，等.青海省水電與光伏互補特性分析與效果評價〔J〕.電力建設(shè)，2015，36(10):67-72.

〔5〕陳巒.光伏電站—水電站互補發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究〔J〕.水力發(fā)電，2010，36(8):81-84.

〔6〕張利彪，周春光，馬銘，等.基于粒子群算法求解多目標優(yōu)化問題〔J〕.計算機研究與發(fā)展，2004，41(7):1 286-1291.

PV capacity analysis in PV-hydro combined operation system based on PSO

ZHANG Yaodong，SU Zhou，YAO Lixiao
(1.China energy engineering group shanxi electric power design institute Co.Ltd.，Xi'an 710054，China；2.Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China)

On the basis of making sure that PV-Hydro operation system's output should satisfy the power grid's load requirements，by optimizing PV capacitance to hydropower capacity，the max integrated benefit is achieved.In this paper，considering PV and Hydro generation earnings as maximum for objective function，taking PV and Hydroelectric maximum output and minimum output as the constraints，one day's data are calculated for the PV generation capacity.The benefits of PV-Hydro operation system is improved through the capacity optimization.The impact of increasing PV capacity on power grid stability is verified by PSASP software.

PV generation；hydroelectric generation；optimizing capacity；PSO

TM61

A

1008-0198(2016)05-0007-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.002

張耀東(1991)，男，碩士，助理工程師，從事電力系統(tǒng)運行與規(guī)劃研究。

2016-03-02 改回日期:2016-04-20