汪磊 汪沛 章芳情 郭江

摘 要：風(fēng)電、光伏在電網(wǎng)中占比越來越高，到2050年，風(fēng)光總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將占全國電源的70%，為保障風(fēng)光接入后電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，需借助水電資源進(jìn)行消納。但風(fēng)光電的波動(dòng)性需水電機(jī)組頻繁參與調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致水電機(jī)組調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化。為量化評估風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能，構(gòu)建了能反映水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能的指標(biāo)體系，借助模糊綜合評價(jià)法客觀綜合評價(jià)風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能。所提方法可為風(fēng)光新能源并網(wǎng)提供理論支撐，更好地助力水風(fēng)光多能互補(bǔ)領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水風(fēng)光多能互補(bǔ)；水電機(jī)組；調(diào)節(jié)性能；模糊綜合評價(jià)法

中圖分類號：TK73；TK01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

“雙碳”背景下，新能源的發(fā)展成為重中之重。我國風(fēng)光資源豐富，其中，在我國東北、華北、西北地區(qū)，分布著80%的風(fēng)電資源；而北部、西部地區(qū)，分布著85%的光電資源。2030年，我國風(fēng)光的總裝機(jī)容量將占全國電源的38%，2050年，占比會(huì)升至70%，風(fēng)光資源將成為電網(wǎng)發(fā)電的主力軍。風(fēng)電和光電具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性，其大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。

水、風(fēng)、光具有天然互補(bǔ)性，不同于其他國家，我國水電資源豐富，蘊(yùn)藏量理論上達(dá)676 GW，水電裝機(jī)容量一直穩(wěn)居世界第一，但徑流和地形條件使其進(jìn)一步開發(fā)受到制約，另外，風(fēng)光資源在電網(wǎng)中占比的提升使得水電從以前的電源提供者角色逐步轉(zhuǎn)化為電源提供和電源調(diào)節(jié)并重的角色。目前，我國在長江上游、西南集中建設(shè)了超大體量的水電基地，足以匹配風(fēng)光裝機(jī)容量。且水電具有運(yùn)行靈活、啟停迅速的特點(diǎn)，能發(fā)揮填谷、調(diào)峰等功能，對維持電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定具有重要作用。

風(fēng)光并入電網(wǎng)產(chǎn)生了對水電調(diào)節(jié)靈活性的需求，而水電機(jī)組頻繁參與調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行疲勞，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪裂紋等損傷；另外，風(fēng)光的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致水電機(jī)組調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，因此，評估風(fēng)光接入后水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)光接入的水電機(jī)組調(diào)節(jié)能力評價(jià)進(jìn)行了較多研究。尚欣[1]通過構(gòu)建水電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)、安全性指標(biāo)綜合評價(jià)水電機(jī)組性能。郭定宇[2]從指標(biāo)曲線相似度和開機(jī)狀態(tài)指標(biāo)兩個(gè)方面對水電機(jī)組開機(jī)進(jìn)行綜合評價(jià)。程遠(yuǎn)楚等[3]對水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的性能進(jìn)行綜合評價(jià)，并重點(diǎn)從一次調(diào)頻穩(wěn)定性和響應(yīng)速度方面進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建。申建建等[4]構(gòu)建了靈活性下調(diào)不足期望、下調(diào)不足概率、下調(diào)裕量期望、上調(diào)不足期望等6個(gè)水風(fēng)光系統(tǒng)靈活性量化指標(biāo)，并考慮了機(jī)組特性、來水情況等不同條件下水風(fēng)光系統(tǒng)靈活性的變化。但這些研究均針對水電機(jī)組本身或水風(fēng)光系統(tǒng)整體進(jìn)行評價(jià)[5-8]，并沒有針對風(fēng)光接入特定條件下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能的評價(jià)，故在水風(fēng)光多能互補(bǔ)的背景下，構(gòu)建風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能評價(jià)體系至關(guān)重要[9-10]。

1 評價(jià)指標(biāo)

為全面綜合評估風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能，從水電機(jī)組波動(dòng)率、爬坡率、最短啟停時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、最大波動(dòng)幅度、機(jī)組額定容量、一次調(diào)頻響應(yīng)速度、一次調(diào)頻穩(wěn)定性、超調(diào)量、水頭損失等方面進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建[11-13]。

（1）水電機(jī)組波動(dòng)率

式中：n為離散時(shí)間序列{ti}的總數(shù)；γi為水電機(jī)組出力在ti時(shí)刻的變化量；FR為波動(dòng)率，其值越大代表振蕩越大，穩(wěn)定性越差，反之則穩(wěn)定性越好。

對于爬坡事件R（i，j），對任意Pe，e∈（i，j），且任意Pi-1、Pj+1，均滿足R（i-1，j）=0且R（i，j+1）=0。

爬坡事件可表示為

（2）水電機(jī)組爬坡率

爬坡率表示單位時(shí)間內(nèi)機(jī)組出力變化，用RR表示。

爬坡次數(shù)用N表示。

一次爬坡可表示為

式中：Pj-Pi和tj-ti分別為第m次爬坡的幅值和時(shí)長。

（3）水電機(jī)組最短啟停時(shí)間

最短啟停時(shí)間為機(jī)組啟停一次所需最短時(shí)間，用tmin表示。

式中：tsj和tsi分別為機(jī)組停機(jī)時(shí)刻和機(jī)組啟動(dòng)時(shí)刻。

（4）水電機(jī)組響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指機(jī)組對系統(tǒng)發(fā)出命令的響應(yīng)時(shí)間，用tR表示。

式中：tRj和tRi為表示機(jī)組響應(yīng)時(shí)刻和命令發(fā)出時(shí)刻。

（5）水電機(jī)組最大波動(dòng)幅度

最大波動(dòng)幅度為機(jī)組波動(dòng)最大幅值，用A表示。

式中：Pmax和Pmin分別為波動(dòng)的極大值和極小值。

（6）水電機(jī)組調(diào)速器一次調(diào)頻響應(yīng)速度

水電機(jī)組調(diào)速器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為

式中：bt是暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；bp是永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；Td是緩沖時(shí)間常數(shù)。

（7）水電機(jī)組一次調(diào)頻穩(wěn)定性

一次調(diào)頻穩(wěn)定性用出力保證系數(shù)α表示。

式中：P0為頻率沒穩(wěn)定在50±0.05 Hz范圍的初始出力；P是頻率沒穩(wěn)定在50±0.05 Hz范圍后15～45 s的自動(dòng)采樣出力；Pr是機(jī)組額定出力；f是頻率沒穩(wěn)定在50±0.05 Hz范圍后15～45 s的采樣頻率；fr是機(jī)組額定頻率；Δfsq是一次調(diào)頻死區(qū)，當(dāng)f＜50 Hz時(shí)，為正，反之為負(fù)。

（8）水電機(jī)組超調(diào)量

式中：σ 為超調(diào)量；ξ為阻尼比。

（9）水電機(jī)組水頭損失

式中：n為等截面段數(shù)；m為局部阻力數(shù)。

2 評價(jià)體系構(gòu)建

運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法確定指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)權(quán)重和指標(biāo)值計(jì)算得到評價(jià)值[14-15]。模糊綜合評價(jià)法基于關(guān)鍵因素或指標(biāo)確定評價(jià)集合，為每個(gè)評價(jià)指標(biāo)確定其屬性的取值范圍，即評價(jià)集合；根據(jù)評價(jià)集合構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣，矩陣中每一行表示一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，每一列表示一個(gè)評價(jià)對象，矩陣元素為對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)對評價(jià)對象的評價(jià)值；確定模糊權(quán)重，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的重要程度，確定每個(gè)指標(biāo)的模糊權(quán)重[16-19]，可通過專家咨詢、模糊層次分析法等方法得出；計(jì)算隸屬函數(shù)，將模糊權(quán)重轉(zhuǎn)化為隸屬函數(shù)，以描述每個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重分布；求解綜合評價(jià)，根據(jù)隸屬函數(shù)，對模糊評價(jià)矩陣的每個(gè)元素進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到綜合評價(jià)的模糊結(jié)果：對模糊化處理后的結(jié)果進(jìn)行解釋與分析，探討不同指標(biāo)對結(jié)果的貢獻(xiàn)程度，并根據(jù)結(jié)果提出改進(jìn)措施或相應(yīng)的決策[20-22]。

3.1 模糊矩陣的構(gòu)建

針對評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建模糊矩陣，記一級指標(biāo)為A={a1，a2，…，an}，總數(shù)用n表示。二級指標(biāo)記為B={b1，b2，…，bm}，總數(shù)為m。將二級指標(biāo)對一級指標(biāo)的隸屬度表示為模糊矩陣R。

對各指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，將評價(jià)結(jié)果用評價(jià)集 V={v1，v2，…，vn}表示，n是評價(jià)結(jié)果總數(shù)。

2.2 權(quán)重確立

采用層次分析法評價(jià)指標(biāo)集。將選取的水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)分層，第一層為總目標(biāo)，用一個(gè)指標(biāo)表示，按照對目標(biāo)的影響相關(guān)性將指標(biāo)劃分層次，并且各個(gè)層次指標(biāo)之間滿足支配關(guān)系[23]。按照層次劃分的指標(biāo)結(jié)構(gòu)自上而下形成主導(dǎo)關(guān)系，指標(biāo)結(jié)構(gòu)底層是決策方案，中間層是約束條件。構(gòu)建好指標(biāo)結(jié)構(gòu)后，需要依據(jù)指標(biāo)結(jié)構(gòu)對水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能進(jìn)行客觀綜合評價(jià)。為保證評價(jià)結(jié)果的可說服性，需廣泛閱讀本行業(yè)的學(xué)術(shù)成果，或者請國內(nèi)外知名專家對指標(biāo)依次評級，降低權(quán)重的主觀性。對每層的指標(biāo)兩兩比較，得到指標(biāo)間的相對重要性，按照指標(biāo)間相對重要性形成判斷矩陣。判斷矩陣的值按9標(biāo)度法表示（表1）。

風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能判斷矩陣為

形成指標(biāo)集的判斷矩陣后，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算式為

將計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重表示為W={w1，w2，…，wn}。為保證指標(biāo)權(quán)重的適用性，將權(quán)重歸一化表示，即

式中：wnew為歸一化后的矩陣，即指標(biāo)集的最終權(quán)重；wmin為指標(biāo)權(quán)重未歸一化前的最小值； wmax為指標(biāo)權(quán)重未歸一化前的最大值。

為檢驗(yàn)指標(biāo)權(quán)重的合理性，對權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性指標(biāo)CR。

式中：RI表示平均一致性指標(biāo)值，見表2。

2.3 評價(jià)值確定

確定各指標(biāo)權(quán)重W和模糊矩陣后R后，計(jì)算其綜合評定矩陣A：

將A進(jìn)行歸一化處理，并對其進(jìn)行最終評定量化：

式中：F為風(fēng)光接入下的水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能綜合評價(jià)值；V T為評價(jià)集。

3 結(jié)束語

大規(guī)模風(fēng)光并入電網(wǎng)產(chǎn)生了對水電調(diào)節(jié)靈活性的需求。風(fēng)光的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致水電機(jī)組調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，為量化評估風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能，本文構(gòu)建了風(fēng)光接入下水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能評價(jià)體系，從水電機(jī)組波動(dòng)率、爬坡率、最短啟停時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、最大波動(dòng)幅度、機(jī)組額定容量、一次調(diào)頻響應(yīng)速度、一次調(diào)頻穩(wěn)定性、超調(diào)量、水頭損失等方面構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法構(gòu)建評價(jià)體系以評價(jià)水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能。研究成果為風(fēng)光并網(wǎng)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

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Evaluation Method for Regulation Performance of Hydropower Unit Integrated with Wind and Photovoltaic Power

WANG Lei1，2，WANG Pei3，ZHANG Fangqing3，GUO Jiang3

（1.Joint Laboratory of Water-Wind-Solar Multi-energy Complementation，Wuhan 430014，China；2. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3. School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：In response to carbon peaking and carbon neutrality policy，the proportion of wind and photovoltaic power in the grid will increase. By 2050，the total installed capacity of wind and photovoltaic power is estimated to account for 70% of China's power supply. To ensure the stable operation of the grid after wind power integration，it is necessary to utilize hydropower resources for balancing. The volatility of wind and solar power requires frequent involvement of hydroelectric units for regulation，which changes the dynamic characteristics of hydroelectric unit regulation. To quantitatively evaluate the regulation performance of hydropower units integrated with wind and photovoltaic power，we? established an evaluation system for the regulation performance of hydropower units. First，we constructed an index system that reflects the regulation performance of hydropower units. Subsequently，by using the fuzzy comprehensive evaluation method，we comprehensively evaluated the regulation performance of hydropower units integrated with wind and photovoltaic power. The proposed method in this paper provides theoretical support for the grid connection of wind and photovoltaic energy，and contributes to the development of hydro-wind-solar energy complementary integration.

Key words：hydro-wind-solar energy complementary；hydropower units；adjustment performance；evaluation system；fuzzy comprehensive evaluation method

基金項(xiàng)目：湖北省科技重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022AAA007）

作者簡介：汪 磊，男，工程師，本科，主要研究方向?yàn)槎嗄芑パa(bǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。E-mail：wang_lei10@ctg.com.cn