鄭許林，張雅楠，朱 瑛，臧海祥

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224000；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 211100）

0 引言

由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性、不確定性與逆調(diào)峰特性[1]，再加上其并網(wǎng)設(shè)備具有低抗擾性、弱支撐性等局限[2]，風(fēng)電集群（Wind Power Cluster，WPC）的接入對(duì)電力系統(tǒng)有功調(diào)度與控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-9]，主要表現(xiàn)在：第一，由于風(fēng)電功率不確定性強(qiáng)，依靠常規(guī)電源發(fā)電可靠性和負(fù)荷可預(yù)測(cè)性的傳統(tǒng)有功調(diào)度模式已不再適用；第二，隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量逐年擴(kuò)大，電網(wǎng)調(diào)峰的負(fù)擔(dān)只增不減，區(qū)域性棄風(fēng)問(wèn)題仍未得到有效改善；第三，我國(guó)現(xiàn)有產(chǎn)能結(jié)構(gòu)仍是火電占主導(dǎo)，受爬坡速率、最小運(yùn)行出力等安全約束限制，火電機(jī)組功率調(diào)節(jié)范圍較小、調(diào)節(jié)速度緩慢，難以應(yīng)對(duì)大規(guī)模WPC 并網(wǎng)的隨機(jī)波動(dòng)性[10]。儲(chǔ)能裝置作為一種柔性電力調(diào)節(jié)資源，憑借功率流動(dòng)雙向性與能量轉(zhuǎn)移時(shí)空性等特性，能夠有效減輕電網(wǎng)調(diào)峰負(fù)擔(dān)，促進(jìn)風(fēng)電存儲(chǔ)消納[11-15]，已逐漸發(fā)展為解決風(fēng)電消納問(wèn)題的一大主流技術(shù)。然而，其他儲(chǔ)能技術(shù)如電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能盡管響應(yīng)迅速，但因技術(shù)不成熟、成本高昂、存儲(chǔ)容量有限，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V，無(wú)法從根本上解決WPC 的消納問(wèn)題。相對(duì)來(lái)說(shuō)，目前最成熟、最實(shí)用的儲(chǔ)能方式即為抽水蓄能，不僅投資少、壽命長(zhǎng)，而且容量大、清潔環(huán)保，成為目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中的主流。經(jīng)多年開(kāi)發(fā)和示范工程的推廣，配置抽水蓄能電站（Pumped Storage Power Station，PSPS）已被界定為能夠輔助集群風(fēng)電消納和調(diào)度控制的最主要方式之一[16-19]。PSPS獨(dú)有的調(diào)峰填谷功能可以在多時(shí)間維度下對(duì)有功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，改善風(fēng)電出力特性，在解決WPC消納以及電網(wǎng)棄風(fēng)等問(wèn)題中發(fā)揮重要作用。

在集群式風(fēng)電接入的背景下，當(dāng)前PSPS主要應(yīng)用于輔助電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻，且都取得了可觀的研究成果。然而，很少有立足于風(fēng)電消納本身，針對(duì)含WPC電力系統(tǒng)中WPC與PSPS的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)籌研究，同時(shí)亦缺乏對(duì)用于消納調(diào)度PSPS與用于電網(wǎng)調(diào)峰PSPS 的基本原理與運(yùn)行特性進(jìn)行對(duì)比分析等研究。為了使PSPS 有功調(diào)節(jié)功能得到最大程度的發(fā)揮，必須充分考慮WPC 的出力特性，進(jìn)一步研究面向風(fēng)電消納的PSPS 運(yùn)行和控制方式。為了便于分析，本文將面向風(fēng)電消納的PSPS簡(jiǎn)稱(chēng)為消納型PSPS。

因此，本文將重點(diǎn)研究消納型PSPS 的工作原理、調(diào)節(jié)特性，對(duì)其運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)建模，在此基礎(chǔ)上研究PSPS 提升風(fēng)電消納能力的機(jī)理，為風(fēng)電-抽水蓄能（以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)-蓄）聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度提供理論依據(jù)。

1 消納型PSPS的基本工作原理

與常規(guī)PSPS 結(jié)構(gòu)相同，消納型PSPS 一般由上下水庫(kù)、引水系統(tǒng)、廠房、抽水蓄能機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)抽蓄機(jī)組）等部分組成[20-21]，其上下水庫(kù)之間具有一定水位差。PSPS的功率吞吐、能量騰挪是建立在蓄水勢(shì)能與電能相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上的。通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理，在風(fēng)電多發(fā)且系統(tǒng)無(wú)法完全消納時(shí)期，若下水庫(kù)水量豐富，PSPS 等效于電網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)用戶(hù)，利用水泵抽水將富余電能轉(zhuǎn)化為上水庫(kù)蓄水勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)系統(tǒng)處于暫時(shí)性電力短缺階段時(shí)，PSPS 相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電廠，開(kāi)啟發(fā)電模式，水流順勢(shì)而下，帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)為電能輸送至電網(wǎng)，以彌補(bǔ)供給缺口（見(jiàn)圖1）?，F(xiàn)代PSPS主要機(jī)組形式為二機(jī)式，即水力機(jī)兼水輪機(jī)與水泵于一體，亦稱(chēng)為可逆式機(jī)組。出于風(fēng)電消納的目的，本文僅研究純PSPS，廠房?jī)?nèi)只安裝二機(jī)式抽蓄機(jī)組，并采用日調(diào)節(jié)方式（運(yùn)行周期呈日循環(huán)規(guī)律）進(jìn)行調(diào)度。

圖1 消納型PSPS運(yùn)行原理圖Fig.1 The diagram of the operation principle of accommodating-type PSPS

2 消納型PSPS的調(diào)節(jié)特性及其建模

一般來(lái)說(shuō)，二機(jī)式抽蓄機(jī)組包括停機(jī)、旋轉(zhuǎn)備用、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相6種典型運(yùn)行工況。由于可逆式機(jī)組通常不會(huì)在調(diào)相工況下長(zhǎng)期運(yùn)行，故將抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式簡(jiǎn)化為靜止、發(fā)電和抽水狀態(tài)，且3種運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)6種轉(zhuǎn)換路徑，分別為靜止→發(fā)電、靜止→抽水、發(fā)電→靜止、抽水→靜止、發(fā)電→抽水以及抽水→發(fā)電，它們之間的模式切換如圖2所示。模式1—4為正常運(yùn)行狀態(tài)，模式5—6 為緊急運(yùn)行狀態(tài)。PSPS 上水庫(kù)有最大（最?。?kù)容要求，因此所有運(yùn)行模式都必須限制在庫(kù)容允許范圍內(nèi)。

圖2 二機(jī)式抽蓄機(jī)組運(yùn)行模式切換示意圖Fig.2 Schematic diagram of switching operation modes of binary-unit pumped storage unit

在消納型PSPS參與有功調(diào)節(jié)時(shí)，抽蓄機(jī)組的技術(shù)指標(biāo)主要有：功率調(diào)節(jié)范圍、機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、日抽發(fā)電量平衡以及最大啟停次數(shù)等。

2.1 功率調(diào)節(jié)范圍

抽蓄機(jī)組的功率調(diào)節(jié)能力受制于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法在額定出力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)。主要原因在于抽蓄機(jī)組中水輪發(fā)電機(jī)組的輸出功率設(shè)定了限值，以避免正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)高振動(dòng)區(qū)域。當(dāng)抽蓄機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，其運(yùn)行特性與常規(guī)的水電機(jī)組相同。當(dāng)可逆機(jī)組處于抽水工況時(shí)，定速機(jī)組的抽水功率由于轉(zhuǎn)速固定其調(diào)節(jié)范圍較窄，如圖3所示。但是，它可以在很短的一段時(shí)間內(nèi)，通過(guò)轉(zhuǎn)換到靜止或發(fā)電工況使其出力快速且顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的調(diào)度控制。在停機(jī)狀態(tài)下的抽水蓄能裝置，其調(diào)節(jié)特性和抽水工況相似，雖然穩(wěn)態(tài)出力為零，但可以利用運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)移參與優(yōu)化調(diào)度。

圖3 定速抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)特性Fig.3 Power regulation characteristics of fixed-speed pumped-storage units

為簡(jiǎn)化建模過(guò)程，設(shè)置0-1 特征變量以表示消納型PSPS 的3 種運(yùn)行模式，分別對(duì)應(yīng)發(fā)電、抽水、靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)值等于1時(shí)，表明機(jī)組處于相應(yīng)運(yùn)行工況；值為0 則表示相反情況。由于PSPS在某一時(shí)刻只存在一種運(yùn)行狀態(tài)，站內(nèi)有機(jī)組發(fā)電時(shí)，其余機(jī)組就不允許處于抽水工況，反之亦然。因此，PSPS 運(yùn)行模式之間的互斥關(guān)系可以由式（1）表示：

當(dāng)抽蓄電站處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，PSPS總發(fā)電功率限制為：

2.2 機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間

根據(jù)已建PSPS的正常運(yùn)行情況，PSPS在發(fā)電、抽水以及靜止三種工況之間的切換一般只需幾分鐘，可以實(shí)現(xiàn)快速靈活啟停，并且抽蓄機(jī)組的可用率及啟動(dòng)成功率均較高。表1 顯示了某180 MW 抽蓄機(jī)組在三種典型工況之間的轉(zhuǎn)換時(shí)長(zhǎng)，抽蓄機(jī)組僅用不到5 min就能完成從滿(mǎn)載抽水到滿(mǎn)載發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這為消納型PSPS 的建設(shè)提供了可行性依據(jù)。

表1 消納型PSPS運(yùn)行狀態(tài)切換等待時(shí)間Tab.1 Waiting time of operation state switching of accommodating-type PSPS

2.3 日抽發(fā)電量平衡

日調(diào)節(jié)PSPS 的水量應(yīng)在一天內(nèi)基本保持定值不變，上、下水庫(kù)抽水量與發(fā)電耗水量需達(dá)到平衡或二者偏差在允許范圍內(nèi)，以避免由于水位失衡而對(duì)次日制訂發(fā)電調(diào)度計(jì)劃產(chǎn)生影響，這里用等式約束進(jìn)行限制：

式中：ηg、ηp分別為PSPS 的發(fā)電、抽水效率，大型PSPS的綜合效率ηh通常在75%～77%，ηg或ηp可利用ηh=ηg×ηp求得；T為一天的調(diào)度時(shí)段數(shù)。

2.4 最大啟停次數(shù)

對(duì)最大啟停次數(shù)進(jìn)行約束主要有兩點(diǎn)原因：一方面消納型PSPS頻繁啟停，若不加限制極易對(duì)抽蓄機(jī)組造成損傷并導(dǎo)致金屬疲勞；另一方面由于啟停時(shí)水量損耗增加，導(dǎo)致效率降低，所以通常在為消納型PSPS 制訂抽發(fā)計(jì)劃時(shí)設(shè)置單臺(tái)機(jī)組每日啟停次數(shù)限值：

式中：NP為PSPS內(nèi)安裝機(jī)組總數(shù)；MP表示考慮經(jīng)濟(jì)特性而設(shè)置的單臺(tái)機(jī)組每日的最多啟動(dòng)次數(shù)。

相對(duì)于常規(guī)式PSPS，消納型PSPS 的運(yùn)行頻率更高，要求可調(diào)節(jié)裕度更大，需嚴(yán)格限制上下水庫(kù)容量，以避免越過(guò)限制水位。由于下庫(kù)容量通常大于上庫(kù)，且二者存在相關(guān)性，因此只需上水庫(kù)滿(mǎn)足約束即可：

式（7）為上水庫(kù)的庫(kù)容限制。其中，S0、Smin、Smax分別代表上水庫(kù)水量的初值、最小值與最大值；εg、εp表示PSPS 抽水、發(fā)電運(yùn)行時(shí)的平均電量-水量轉(zhuǎn)換系數(shù)。式（8）則對(duì)相鄰時(shí)段上水庫(kù)的允許變動(dòng)庫(kù)容進(jìn)行約束，St、St-1表示相鄰時(shí)段的水庫(kù)庫(kù)容，ΔVmax表示庫(kù)容允許變化上限。

3 抽蓄電站提升風(fēng)電消納能力機(jī)理分析

風(fēng)力發(fā)電與用電負(fù)荷的峰谷特性均主要表現(xiàn)為日內(nèi)尺度，而風(fēng)電出力的逆調(diào)峰特性又是導(dǎo)致棄風(fēng)頻發(fā)的根源。為便于分析，將WPC輸出功率看作“值為負(fù)的負(fù)荷”，定義“風(fēng)電凈負(fù)荷=原始負(fù)荷+WPC 輸出功率”來(lái)描述風(fēng)電調(diào)峰效應(yīng)的影響，并標(biāo)記為PNL，其表達(dá)式如式（9）所示：

式中：PL(t)表示t 時(shí)段內(nèi)的原始負(fù)荷；PW(t)則指WPC在t時(shí)段的輸出功率。

隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模日益擴(kuò)大，由于風(fēng)力發(fā)電的不確定、不穩(wěn)定特性，多源電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行受到了顯著影響，此外由于常規(guī)火電機(jī)組調(diào)峰頻度增加，深度調(diào)峰（Deep Peak Shaving，DPS）現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，使得系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與火電機(jī)組發(fā)電平穩(wěn)性均有所降低。

當(dāng)風(fēng)電大發(fā)時(shí)，火電機(jī)組極易在DPS 狀態(tài)下運(yùn)行，既會(huì)增加煤耗影響整體經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，又使得機(jī)組出力平穩(wěn)性下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此需通過(guò)適量棄風(fēng)來(lái)減少甚至避免火電機(jī)組DPS現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而限制了風(fēng)電消納水平。另外，由于風(fēng)電的逆調(diào)峰特性，其發(fā)電峰值往往位于午夜時(shí)段，對(duì)應(yīng)該時(shí)期的負(fù)荷需求一般較少，亦會(huì)有部分風(fēng)電不能被消納而產(chǎn)生棄風(fēng)。綜上所述，當(dāng)WPC單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，受制于系統(tǒng)功率平衡約束以及火電機(jī)組運(yùn)行限制，棄風(fēng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，其中棄風(fēng)功率PC(t)的計(jì)算公式可以用式（10）表示：

由于抽水蓄能與風(fēng)力發(fā)電具有很強(qiáng)的時(shí)空互補(bǔ)性，消納型PSPS 能夠在棄風(fēng)時(shí)段抽水用電，將被迫棄掉的風(fēng)能以水勢(shì)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)，然后在系統(tǒng)存在電力缺額時(shí)段再轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電能輸送到電網(wǎng)。另外，風(fēng)電不確定性亦會(huì)增加可控發(fā)電機(jī)組備用容量的需求。消納型PSPS 的接入有助于提高WPC 出力的可調(diào)可控性、增加風(fēng)電并網(wǎng)比例、縮減其他機(jī)組的備用容量。

在WPC出力高發(fā)時(shí)段，將PSPS看作用電負(fù)荷，此時(shí)PSPS運(yùn)行于抽水儲(chǔ)能狀態(tài)，風(fēng)電凈負(fù)荷的大小發(fā)生改變，其計(jì)算公式更改為：

式中：Pg(t)表示PSPS 在發(fā)電工況下輸出功率。對(duì)比式（10）與（12）可知，在WPC與PSPS打捆發(fā)電后，若合理協(xié)調(diào)WPC-PSPS發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)合出力，可以降為0，達(dá)到風(fēng)電全額消納的理想狀態(tài)。而當(dāng)WPC發(fā)電量較少且用戶(hù)側(cè)電力需求較大時(shí)，PSPS充當(dāng)可控電源，切換至發(fā)電狀態(tài)與WPC 共同出力，風(fēng)蓄凈負(fù)荷的數(shù)值則由式（13）計(jì)算得到。

從式（13）來(lái)看，處在發(fā)電工況的PSPS提供電力缺額補(bǔ)償服務(wù)，P′N(xiāo)L( )t有所減少，既實(shí)現(xiàn)了調(diào)度計(jì)劃精準(zhǔn)跟蹤，同時(shí)又能減輕火電機(jī)組發(fā)電負(fù)擔(dān)。

4 數(shù)據(jù)分析

由于當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電基地仍主要聚集在內(nèi)陸，風(fēng)電出力受氣象條件影響顯著，一天內(nèi)白天風(fēng)速小、夜間風(fēng)速大，相對(duì)于日負(fù)荷曲線表現(xiàn)出較強(qiáng)的逆調(diào)峰特性。圖4 為某區(qū)域一典型日24 時(shí)段的風(fēng)電出力、用電負(fù)荷曲線，圖中顯示，日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)“雙峰”特性，用電高峰期分別在09：00—13：00 及19：00—22：00出現(xiàn)，負(fù)荷低谷則大致位于23：00—次日02：00時(shí)段。從圖4可以看出，風(fēng)電出力曲線與日負(fù)荷曲線匹配度較低，午夜負(fù)荷需求較少而風(fēng)電出力相對(duì)處于較高水平，風(fēng)電出力不足時(shí)期恰巧對(duì)應(yīng)于“雙峰”時(shí)期。另外，相較于實(shí)際負(fù)荷，WPC 接入后的風(fēng)電凈負(fù)荷峰谷差明顯增大，使得常規(guī)火電機(jī)組的調(diào)峰任務(wù)加重，且部分火電機(jī)組被風(fēng)電機(jī)組代替，電力系統(tǒng)自身的調(diào)峰能力不足以抵消風(fēng)電逆調(diào)峰特性帶來(lái)的沖擊。再加上火電機(jī)組受最小技術(shù)出力等安全約束限制，不能在用電低谷時(shí)期持續(xù)降低出力以消納富余風(fēng)電，最終導(dǎo)致棄風(fēng)。

圖4 風(fēng)電出力、用電負(fù)荷與風(fēng)電凈負(fù)荷曲線Fig.4 Curves of wind power output, power load and wind power net load after WPC connection

WPC 與PSPS 聯(lián)合發(fā)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式切換過(guò)程如圖5 所示。通過(guò)接入消納型PSPS 合理優(yōu)化電源側(cè)結(jié)構(gòu)，采用WPC+PSPS的聯(lián)合調(diào)度模式，能夠有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的沖擊和影響，降低WPC出力隨機(jī)性，解決風(fēng)電反調(diào)峰問(wèn)題，在兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性的情況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的充分消納，進(jìn)而提高WPC與電網(wǎng)的運(yùn)行協(xié)調(diào)性及穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)的運(yùn)行綜合效益。

圖5 風(fēng)-蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式Fig.5 Coordinated operation modes of WPC-PSPS combined power generation system

5 結(jié)論

本文對(duì)面向風(fēng)電消納調(diào)度的PSPS的工作原理、調(diào)節(jié)特性進(jìn)行研究，并對(duì)其運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)建模，與常規(guī)式PSPS進(jìn)行了有效區(qū)分，為消納型PSPS的建設(shè)提供了可行性依據(jù)。通過(guò)對(duì)比配置消納型PSPS前后負(fù)荷峰谷差與集群棄風(fēng)量的變化結(jié)果，驗(yàn)證了PSPS 削峰填谷的有功調(diào)節(jié)作用及其對(duì)風(fēng)電消納能力的提升效果。結(jié)果表明，消納型PSPS作為調(diào)峰電源，能有效減少因系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足引起的電網(wǎng)棄風(fēng)，提高風(fēng)電利用率；消納型PSPS 作為儲(chǔ)能電源，能改善風(fēng)電出力特性，增強(qiáng)WPC的可調(diào)可控性；消納型PSPS 作為調(diào)度電源，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)蓄火多能互補(bǔ)，有利于提升調(diào)度計(jì)劃追蹤精度與維持系統(tǒng)有功實(shí)時(shí)平衡，在兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)約束下最大化風(fēng)電消納水平。