市場機制下光伏、小水電和抽水蓄能電站的系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法

原創(chuàng)2020-08-17 12:16·電氣技術(shù)

團隊介紹

羅仕華，電子科技大學，碩士研究生，研究方向為可再生能源發(fā)電規(guī)劃運行，與能源系統(tǒng)中可再生能源整合優(yōu)化。作為學生核心成員參與國家重點研發(fā)計劃項目“分布式光伏與梯級小水電互補聯(lián)合發(fā)電技術(shù)研究及應用示范”（2018YFB0905200）。

胡維昊，電子科技大學教授、博士生導師、“智慧電力與能源研究所”所長。主要從事人工智能在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用和可再生能源發(fā)電等研究。主持由國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等資助的縱向課題5項，作為課題負責人和核心成員參與由國家重點研發(fā)計劃、丹麥國家戰(zhàn)略研究基金、歐盟地平線2020戰(zhàn)略規(guī)劃基金和中丹可再生能源合作基金等資助的國家級縱向課題15項。

發(fā)表論文170余篇（含SCI檢索論文80余篇，中科院一區(qū)/二區(qū)論文50余篇），發(fā)表的論文被引用2400余次，h-index為26（Google 學術(shù)數(shù)據(jù)），獲IEEE會議最佳論文3次。

擔任IET Renewable Power Generation副編輯（Associate Editor）、Journal of Modern Power System and Clean Energy專刊和《電工技術(shù)學報》專刊特約主編、IEEE Transactions on Power Systems專刊客座編輯等，并擔任亞洲能源與電氣工程研討會IEEE AEEES 2020大會主席、亞洲智能電網(wǎng)國際會議IEEE ISGT Asia 2019程序委員會主席、IEEE電力電子學會成都分會主席、中國電工技術(shù)學會人工智能與電氣應用專委會副秘書長等學術(shù)職務。獲中國儀器儀表學會科學技術(shù)一等獎1項，教育部科技進步二等獎1項。

黃琦，教授，博導，成都理工大學副校長，IET Fellow，教育部新世紀優(yōu)秀人才，四川省學術(shù)技術(shù)帶頭人，四川省青年科技創(chuàng)新團隊負責人，主要從事廣域測量與控制技術(shù)、智能電網(wǎng)先進測量與測試技術(shù)、能源交易與信息支撐技術(shù)等方面研究。

承擔國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金等項目多項，以第一完成人榮獲中國儀器儀表學會科技一等獎、教育部科技進步二等獎和四川省科技進步二等獎各1項。已獨立或合作發(fā)表學術(shù)論文200余篇，其中SCI檢索90余篇，EI、ISTP檢索150余篇，申報專利100余項。

現(xiàn)為國家科技部能源領(lǐng)域十三五規(guī)劃專家組成員，國際科技合作重點項目計劃咨詢評價專家，四川省能源化工領(lǐng)域十四五規(guī)劃專家組長。擔任ISGT Asia 2019 大會主席，International Conference on Smart Grid and Clean Energy Technologies程序委員會主席和Energy Engineering、電測與儀表、智能電網(wǎng)、智能電網(wǎng)前沿期刊等期刊編委。

導語

本研究針對電力市場下的新能源發(fā)電技術(shù)，以經(jīng)濟性為目標，實現(xiàn)市場機制下混合能源系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置。

項目研究背景

近年來，在市場環(huán)境下進行電力改革已成為我國電力行業(yè)的發(fā)展趨勢，同時，隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，如何將新能源電力引入現(xiàn)階段的電力市場并提高新能源發(fā)電的經(jīng)濟性是當前新能源研究的一大課題。由多種可再生能源電站（風電、水電、光伏發(fā)電等）有機結(jié)合而成的混合能源系統(tǒng)則被視為實現(xiàn)這一目標的重要手段。

此外，在一些可再生能源豐富但當?shù)嘏潆娫O(shè)施并不完善的地域，建立并網(wǎng)混合能源系統(tǒng)是補充用電需求、滿足供電安全的有效方法。考慮到當前電力市場發(fā)電側(cè)的激烈競爭，如何對混合能源系統(tǒng)進行容量優(yōu)化配置使其在電力市場中更具競爭力是新能源企業(yè)與投資的關(guān)鍵。

目前對混合能源系統(tǒng)的研究主要集中在風光混合系統(tǒng)的運行及容量優(yōu)化問題上，考慮到我國西部省份豐富的水力資源以及水光互補特性，將水電這一成熟的清潔能源整合到系統(tǒng)中無疑對混合能源系統(tǒng)在我國的發(fā)展具有重要意義。

本研究依托于國家重點研發(fā)計劃在四川小金縣示范區(qū)的水光儲系統(tǒng)，探討存在外部大電網(wǎng)供電基礎(chǔ)上并網(wǎng)的水光儲系統(tǒng)容量配置問題。

論文所解決的問題及意義

為填補目前以小水電站為主體的混合能源系統(tǒng)研究空白，本文建立在我國西南地區(qū)特有的資源：光伏電、小水電和抽水蓄能為主體的混合能源系統(tǒng)上，綜合考慮新能源發(fā)電原理與歷史全年數(shù)據(jù)，建立三個主體電站組成的混合能源系統(tǒng)模型。

基于此，提出雙層規(guī)劃模型，探索混合能源系統(tǒng)投資成本與售電收益之間的關(guān)系，得出具有最大經(jīng)濟效益的系統(tǒng)容量優(yōu)化配置。

論文方法及創(chuàng)新點

針對以光伏電站、小水電站和抽水蓄能電站為主體的混合能源系統(tǒng)，本研究首先建立包含三個主體電站的混合能源系統(tǒng)模型；其次，為平衡系統(tǒng)的投資成本及運行收益之間的博弈關(guān)系。

本研究提出采用雙層規(guī)劃模型來解決混合能源系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置問題。其中：

1）建立以系統(tǒng)投資成本最小為優(yōu)化目標的上層目標函數(shù)，而在研究投資成本時，傳統(tǒng)的研究方法中很少考慮投資成本規(guī)模效應，即生產(chǎn)規(guī)模增大帶來的邊際成本遞減，本研究在計算混合能源系統(tǒng)建造總成本時，為更加精確地貼合實際將這一效應納入了模型中；

2）建立系統(tǒng)優(yōu)化運行年售電收益最大為下層目標函數(shù)。

相較于其他研究，本文采用了不同的上、下層求解算法。上層混合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題具有強非線性特性，啟發(fā)式算法是當前解決該問題的較好選擇。

本文采用了線性遞減慣性權(quán)重粒子群(Linearly Decreasing Inertia Weight, LDIW)算法對其進行求解，并對比其他算法證明其優(yōu)越性，而下層運行問題則運用序列二次規(guī)劃(Sequential Quadratic Programming, SQP)算法進行求解。

利用LDIW算法和SQP算法求解文中的雙層規(guī)劃模型的具體流程圖如圖1所示。

圖1 混合能源系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型求解流程

研究人員通過展示混合能源系統(tǒng)中最優(yōu)容量的小水電站在有儲能方式與無儲能方式下優(yōu)化運行的結(jié)果對比（圖2a）和有儲能方式時最優(yōu)容量的抽水蓄能電站的運行結(jié)果（圖2b），證實雙層規(guī)劃模型優(yōu)化系統(tǒng)運行的有效性，如圖2所示。

同時，通過有儲能方式與無儲能方式下混合能源系統(tǒng)在建造周期內(nèi)獲得的經(jīng)濟效益對比，表明容量優(yōu)化配置方法的有效性，如圖3所示。

圖2 (a) (b)

圖3 兩種模式下混合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

為衡量本文中提出的雙層規(guī)劃模型中利用LDIW算法求解上層問題的優(yōu)越性及效率，采用粒子群(Particle Swarm Optimization, PSO)算法、遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)求解并與之對比，見表1。

表1 各算法結(jié)果對比

結(jié)論

本研究以面向電力市場的新能源發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，建立由光伏電站、小水電站和抽水蓄能電站組成的混合能源系統(tǒng)模型，并基于該模型提出一種行之有效的混合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法。

研究表明：

1）以建設(shè)成本和運行收益作為上下層目標函數(shù)的雙層規(guī)劃模型，在對系統(tǒng)每小時運行優(yōu)化的前提下研究系統(tǒng)的容量配置，同時考慮各個主體電站投資成本的規(guī)模效應，是提高電力市場下混合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的有效方法。

2）相較于無儲能方式的系統(tǒng)，具備抽水蓄能電站的混合能源系統(tǒng)不僅可以很大程度上緩解水電站棄水情況，而且還體現(xiàn)出更優(yōu)良的經(jīng)濟性，在項目周期內(nèi)獲得的經(jīng)濟效益是無儲能方式下的2.6倍。

3）針對本文提出的雙層規(guī)劃模型，利用LDIW算法求解上層規(guī)劃問題對比利用PSO算法、GA算法，無論是在計算時間還是求解最優(yōu)解上都更具有優(yōu)越性。

引用本文

羅仕華, 胡維昊, 黃琦, 韓曉言, 陳哲. 市場機制下光伏/小水電/抽水蓄能電站系統(tǒng)容量優(yōu)化配置[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(13): 2792-2804. Luo Shihua, Hu Weihao, Huang Qi, Han Xiaoyan, Chen Zhe. Optimization of Photovoltaic/Small Hydropower/Pumped Storage Power Station System Sizing under the Market Mechanism. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2792-2804.