大规模消纳风电的常规水电运行方式_黄春雷

第３ ５ 卷　第 ２ ３期 ２ ０ １ １年１ ２月１ ０日Ｖ ｏ ｌ ． ３ ５　Ｎ ｏ ． ２ ３ Ｄ ｅ ｃ ． １ ０， ２ ０ １ １大规模消纳风电的常规水电运行方式黄春雷 ，丁 杰 ，田国良 ，唐海华（ ） 国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司 ，江苏省南京市 ２ １ ０ ０ ０ ３摘要 ：在中国风电迅猛发展和大规模接入电网的背景下 ， 结合风电运行特性和电网安全需求 ， 提出 了大规模风电接入电网后水电年度运行方式的制定原则和原理 ， 建立了考虑水电调峰对风电消纳 模拟计算了典型来水方式下的水电 贡献的水电运行调度数学模型 。

以东北电网桓仁水电厂为例 ， 运行方式 ， 计算结果表明该方法有利于提高电网的清洁能源消纳比例 。

关键词 ：风力发电 ；风电消纳 ；水电运行方式 ；清洁能源０ 引言常规 水 电 运 行 随 着 河 川 径 流 的 变 化 而 变 化 ， 由 于中国来水季节分 布 差 异 性 较 大 ， 对具有季调节及 一般可通过水库的调节作 以上能力水库的水 电 站 ， 用， 从发电量最大化 角 度 出 发 来 安 排 水 电 站 的 年 度］ １ ５ － ， 运行计划 ［ 以实 现 年 内 不 同 季 节 、 不均匀来水的 随着风电在部分区域电网中并网 再分配 。

近年来 ，１ 运行方式制定依据传统 的 水电 年 度 运行 计 划 主 要 根 据预 报 来 水， 结合水库自身承担的综合利用要求和电网负荷需求 趋势 ， 从发电量最大化角度出发 ， 采用数学优化方法 寻求水库在不同时段 （ 月或旬 ） 的最佳控制水位及电 站出力 。

也可以依据前期水文气象因素运行规律和 按照设计水库调度图来指导 水库的综合利用要 求 ， 水库的年度运行 ， 即根据水库当前时段初的水位在 调度图中的位置确 定 水 电 站 的 出 力 为 决 策 ， 以当前 ， 时段预报来水为输入 考虑水库及电站的运行约束 ， 通过水量平衡和出 力 计 算 方 法 确 定 下 时 段 初 水 位 ， 依次类推完成全年度的运行计划制定 。

由于基于调度图的水电年度运行方式制定中所 依据的调度图是从设计保证率的角度出发采用时历 其适 应 多 变 环 境 及 边 界 约 束 控 制 的 法制作得到的 ， 能力较差 ， 难以 满 足 日 益 增 长 的 风 电 发 展 需 求 。

因 ， 此 要适应风电装机容量快速增长所带来的问题 ， 其 电源组成 、 电网 结 构 及 调 峰 能 力 是 关 键 。

其 中 电 网 在短时间内 薄弱和电源构成不 合 理 是 结 构 性 问 题 ， 无法解决 ， 为利于大规模风电并网 ， 迫切需要研究解 决电网调峰能力不足的问题 。

而水电自身年度运行 方式中调峰存在的 问 题 是 夏 季 调 峰 容 量 不 足 、 冬季 调峰电量不足 。

因 此 ， 在大规模风电接入电网的情 应对水电在不同时期的调峰原理进行推导 ， 构 况下 ， 建综合考虑水电站发电量和对风电消纳贡献效益的 水库优化调度模型 ， 并通过不同频率的典型来水方 式进行计算 ， 以验证 大 规 模 风 电 接 入 电 网 情 况 下 的 水电年度运行方式制定方法的合理性 。

容量的快速增长和 装 机 比 重 的 显 著 增 加 ， 由于其发 间歇性和反调峰的特征 ， 导致各区域 电具有随机性 、 电网风电波动幅度 不 断 加 大 ， 而风电功率的快速波 增加了系统旋 动也加剧了系统调 峰 和 调 频 的 困 难 ， 对快速跟踪调节电 转备用容量配置与 调 度 的 难 度 ， 源的响应能力带来 了 严 峻 挑 战 ， 其中调峰问题是最］ ６ ７ － 。

在电网安全稳定运行和国家 突出的问题 之 一 ［ 清洁能源消纳政策 双 重 压 力 下 ， 如何适应这种变化已经成为 当 前 电 网 调 度 面 临 的 迫 切 需 要 解 决 的 问 题 。

在当前条件下 ， 运用现有常规水电的快速调节 能力来配合风电运 行 是 最 可 行 的 方 式 之 一 ， 但水电 如何运行才能减少 风 电 接 入 对 电 网 的 不 利 影 响 ， 以 及如何实现风电和水电的整体效益最大化等方面研 究较少 。

要利用水 电 来 适 应 风 电 运 行 ， 提高水电不 同季节的调峰能力 ， 就必然要改变水电传统的年度 运行方式 ， 以满足风力发电的不确定性需求 ， 而这种 运行方式的改变也将打破原有的单纯以水电发电量 为减小风力发电的随 最大化为目标的 方 式 。

因 此 ， 机性 、 间歇性对电网的影响 ， 本文主要从水电站发电 量及其调 峰 对 风 电 消 纳 贡 献 效 益 最 大 化 的 角 度 出 发， 探讨一种适用于 大 规 模 风 电 消 纳 的 常 规 水 电 运 行方式 。

２ 运行方式制定原则；修回日期 ： 。

收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ６ １ ６ ２ ０ １ １ ０ ８ １ ５ － － － － 国家电网公司科技项目 。

大规 模 风 电 接 入 电 网 情 况 下 ， 并没有实质性地 改变水电原来承担的任务和原有运行特点 ， 因此 ， 新 — ３ ７ —（ ） ２ ０ １ １， ３ ５ ２ ３　形势下水电年度运行方式制定主要遵循以下原则 。

） 水库综合利用优先原则 ： 水库原承担的防洪 、 １ 灌溉 、 供水等综合利用任务不变并且优先考虑 。

） 由于水电是清洁 ２ 清洁能源发 电 量 最 大 原 则 ： 优质电源 ， 不能因消 纳 风 电 能 力 最 大 化 而 牺 牲 水 电 自身的发电效益 ， 而应综合权衡水电站发电量及风 电消纳能力 ， 来寻求水电的运行方式 。

） 满足电网负 荷 需 求 原 则 ： 电能必须满足供需 ３ 在没有大规模储能情况下 ， 制定的运行方 瞬时平衡 ， 式必须满足电网的负荷需求 。

） 考虑风电发 展 规 划 需 求 原 则 ： 由于风电在未 ４ 来一段时间内仍处于较快的发展时期 ， 因此 ， 制定水 电年度运行方式时必须考虑风电装机进度的影响并 预留接口 。

Ｐｂ， ｔ综合考虑了水 库 综 合 利 用 要 求 和 水 电 站 最 小保证出力需求 ， 即 （ ， （ ） ， ， Ｐｂ， ａ ｘ Ｐ（ Ｑｍ ｈ Ｐｍ ５ ｔ ＝ ｍ ｉ ｎ ｔ， ｔ） ｉ ｎ ｔ）（ ） ， Ｅｂ， ｔ ６ Δ ｔ ＝Ｐ ｂ ｔ 式中 ： 为ｔ 时 段 水 库 综 合 利 用 最 小 下 泄 ， Ｐ（ Ｑｍ ｈ ｉ ｎ ｔ， ｔ） 流量 Ｑｍ 其值还与水电站发电 ， ｉ ｎ ｔ对应的水电站出力 ， ； 水头 ｈ 有关 为水电站 时段的最小保证 出力 ， Ｐｍ ｔ ｔ ｉ ｎ ｔ 要求 ； Ｅｂ， ｔ为保证电量 。

根据 ＥＣＨ， 计算水电ｔ 时段调峰消 纳 风 ｔ 的大小 ， 电贡献电量 Ｅ Ｗ， 可分为 ２ 种情况 ： ｔ３ 运行方式制定原理模型 的 建 立 主 要 围 绕 水 电 调 峰 的 本 质 开 展 ， 即 构建综合考虑水电站发电量和风电消纳能力最大化 的优化模型 。

因此 ， 评判大规模风电接入电网情况 下水电运行优劣的标准包含 ２ 部分信息 ： （ ） Ｅ ＝ ＥＨ ＋ＥＷ １ ； ； 式中 ： 为目标电量 为 水 电 站 发 电 量 为 水 Ｅ ＥＨ ＥＷ 电调峰对风电消纳贡献的电量 。

从不 同 时 期 水 库 的 来 水 特 点 上 看 ， 水电年度运 行方式可分为汛期和非汛期运行 。

３． １ 非汛期运行方式 非汛 期 时 水 电 站 应 尽 可 能 地 发 挥 调 峰 作 用 ， 为 电网消纳风电提供条件 。

从水电在电网负荷图上的 运行工作位置来看 ， 水电承担的峰荷越多 ， 预留给电 网其他电源承担的 负 荷 越 平 坦 ， 对电网消纳清洁能 源的条件越有利 ， 但非汛期受可用水量和水电站装 机容量的制约 ， 水电 在 电 网 高 峰 时 段 承 担 的 电 量 有 限， 即水电调峰来消 纳 风 电 的 能 力 与 水 电 站 的 发 电 量、 水电站装机容量 、 发电水头 、 水库综合利用要求 ， 以及电网运行要求有关 。

各电量关系计算如下 ： （ ） ＥＨ， Ｑｔ ｈ ｔ ２ Δ ｔ ＝Ｋ ｔ （ ） ， ＥＣＨ， ｔ ３ Δ ｔ ＝ ＥＨ， ｔ －Ｐ ｂ ｔ （ ） ， ， ＥＰＬ， Ｐｍａ ｔ ４ Δ ｔ ＝ （ ｘ ｔ －Ｐ ｂ ｔ） 式中 ： ＥＨ， ｔ 时段的发电量 ； Ｋ 为水电站 综 ｔ为水电站 ； 合出力系数 ； 为 时段的发电流量 Ｑ ｔ ｈ ｔ 时段水 ｔ ｔ 为 电站平均发 电 水 头 ； ｔ 为ｔ 时 段 的 小 时 数 ； ＥＣＨ， Δ ｔ为 ｔ 时段水电站实发电 量 扣 除 保 证 电 量 后 的 电 量 ； Ｐｂ， ｔ ； 为 时段水电最小保证出力 为水电站 时段的 ｔ ＥＰＬ， ｔ ｔ 可调电量 ； 大小与 ， Ｐｍａ ｘ ｔ 为ｔ 时 段 水 电 站 预 想 出 力 ， 水电站平均发电水 头 、 机组可用容量和联络线上限 有关 。

— ３ ８ —ＥＰＬ， ｔ 烄 ＥＣＨ， ｔ Ｅ ＣＨ， ｔ ＜ ２ （ ） ＥＷ， ７ ｔ ＝ 烅 ＥＰＬ， ｔ ＥＰＬ， ＥＣＨ， ｔ －Ｅ ＣＨ， ｔ ｔ ≥ ２ 烆 ， ， 可见 非汛期水电站发电量越多 对通过调峰来 消纳风电越有利 ， 但 当 水 电 站ｔ 时 段 的 发 电 量 超 过电网负荷高峰需求 的 可 调 电 量 时 ， 必然就要承担低 ， ， 谷电量 此时水电站发电量越多 反而对电网调峰越 ） 不利 。

由式 （ 可得 ： ７ （ ＥＷ， ｉ ｎ ＥＣＨ， ＥＰＬ， ｔ ＝ ｍ ｔ， ｔ －Ｅ ＣＨ， ｔ） 即ｔ 时段 ＥＨ， ｔ与 Ｅ Ｗ， ｔ的关系如图 １ 所示 。

（ ） ８图 １ 非汛期水电站发电量与调峰对风电消纳 贡献电量的关系 Ｆ ｉ ． １　Ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｈ ｄ ｒ ｏ ｏ ｗ ｅ ｒ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｇ ｐ ｙ ｐ ｇ ｗ ｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｅ ｒ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｄ ｍ ｉ ｔ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｂ ｐ ｇ ｙ ｅ ａ ｋ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｐ ｇ ｇ 当发电量到达 ＥＨ， 时， 水电调峰对风电 消 纳 贡 ′ ｔ ， 献的 电 量 达 到 最 大 值 ， 理 论 上 当 ＥＨ， 且 ′ ｔ ＞ ＥＨ， ｔ ， ， 时 电 网 对 清 洁 能 源 消 纳 达 到 最 佳 点 ＥＨ， ＥＷ，   ｔ＝ ｔ 但由于水库调度用 水 具 有 滞 后 性 ， 该最佳点为动态 ， 的最佳点 需放在整个调度期去综合平衡 。