促进新能源外送的梯级水电-风电联盟备用效益均衡模型_胡人川.pdf

第39卷 第2期2023年2月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.2Feb.2023清洁能源Clean Energy基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB0905200）。Project Supported by the National Key Research and Development（2018YFB0905200）.ABSTRACT：In order to reduce the impact of wind power outputuncertainty on the system，this paper studies the cooperativeoperation of cascade terraced hydropower-wind power.A Nashnegotiation-based standby efficiency equilibrium model of thecascade hydropower-wind power alliance is proposed to promotelarge-scale wind power outflow.Firstly，the wind-hydropowercoalition operation model is constructed with the objective ofmaximizing on-grid electricity of wind power，and with the windpower uncertainty and the outward transmission cross sectionlimitation considered.Secondly，based on the Nash bargainingtheory，an incremental reserve benefit equilibrium model for theterraced hydropower-wind power alliance is constructed to realizethe optimization of incremental reserve capacity and incrementalreserve capacity price within the alliance to ensure the stability ofthe alliance.Thirdly，the allocation of incremental reserve capacityis optimized within the terraced hydropower alliance.Finally，thesimulation results show that the operational efficiency of each entityand the overall efficiency of the cooperative alliance can besubstantially improved through the cooperative operation of thecascade hydropower-wind power.KEY WORDS：wind power consumption；cascade hydropowerstation；Nashnegotiation；cooperativeoperation；balancedbenefits摘要：为减小风电出力不确定性对系统造成的影响，针对梯级水电-风电的合作运行展开研究。为促进大规模风电外送，提出一种基于纳什谈判的梯级水电-风电联盟备用效益均衡模型。首先，在考虑风电不确定性的情况下，考虑外送断面限制，以风电上网电量最大为目标构建风电-梯级水电联合运行模型。其次，基于纳什谈判理论，构建梯级水电-风电联盟增量备用效益均衡模型，实现联盟内部增量备用容量和增量备用容量价格优化，确保联盟稳定；然后，在梯级水电联盟内部对增量备用容量进行优化分配。仿真结果表明通过梯级水电-风电的合作运行，可以较大幅度提高各主体的运行效益以及合作联盟的整体效益。关键词：风电消纳；梯级水电站；纳什谈判；合作运行；效益均衡近年来，风电入网规模日益增大。由于风电出力存在一定的波动性1-4，大规模的风电并网将对电网造成剧烈冲击，威胁系统安全运行5。梯级水电具有可调节水库库容、启动灵活、调节速度快等优点，与风电联合运行调度时，梯级水电机组可提供旋转备用容量，保障风电可靠并网运行，风电与梯级水电站联合运行是解决大规模风电消纳的有效途径6。然而，梯级水电参与大规模风电消纳的调度，势必损害其自身利益。当风电实际出力低于风电预测出力时，梯级水电仅从电量角度可获得更大上网空间，但由于风电的不确定性，梯级水电时常需要提供旋转备用等辅助服务来配合风电消纳，导致梯级水电利益受到损失。如何在水电参与风电消纳的过程中均衡风电与梯级水电之间的利益，成为风水电联合运行需要解决的关键问题之一。为应对大规模风电并网带来的不确定性问题，文章编号：1674-3814（2023）02-0103-11中图分类号：TM732文献标志码：A促进新能源外送的梯级水电-风电联盟备用效益均衡模型胡人川1，刘俊勇1，刘友波1，刘季昂1，何鑫1，舒俊霖1，宋璐璐2（1.四川大学电气工程学院，四川 成都610065；2.金开新能科技有限公司，北京100032）A Cascade Hydropower-Wind Power Alliance Backup Benefit EquilibriumModel to Promote New Energy TransmissionHU Renchuan1，LIU Junyong1，LIU Youbo1，LIU Ji ang1，HE Xin1，SHU Junlin1，SONG Lulu2（1.School of Electrical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan，China；2.Jinkai New Energy Technology Company，Beijing 100032，China）清洁能源Clean Energy充裕的发电容量备用是提高风电上网电量的必要条件。传统的日前备用模型中，一般从整个系统层面选取最大负荷的固定百分比或最大单机容量作为系统备用。然而，由于未考虑到外送断面约束的限制7，当预留备用的发电机组在调整出力时，可能会出现断面潮流阻塞的情况，配置的系统备用存在部分无效备用容量，无法得到充分利用，当现有负备用难以满足风电全额消纳的需求时，系统在运行过程中难以平衡风电功率波动，可能导致弃风现象，从而造成经济成本的提高。因此，在风电大规模并网的情况下，当前的备用管理机制难以协调电力系统安全性和经济性。为此，本文将梯级水电的可调容量定义为梯级水电的增量备用容量，在调度过程中优先调度系统内的备用容量，若备用容量无法满足需求时，风电直接向梯级水电购买增量备用容量，以最大化各自利益为目标的同时实现风电-梯级水电联盟利益均衡，实现双赢。目前，在风电和水电的联合运行研究方面，文献8-9探索了风电和水电联合运行的调度机理，揭示了水电容量和风电电量的相互支撑关系；文献10构建了多个风电、多个光电以及梯级水电多能互补发电的经济调度模型，提出利用水电机组的快速调节特性向风光预测误差提供旋转备用。然而，上述研究主要集中在利用水电的调节能力促进风电等新能源消纳，没有考虑到个体趋利属性，不利于梯级水电与风电之间的利益均衡。在旋转备用容量确定方面，文献11针对风速、来水等多种不确定性因素，建立系统最优旋转备用容量确定模型；文献12在考虑风电、水电等电源机组运行特性的基础上，以发电效益与潜在期望风险为备用目标，建立考虑风电不确定性的旋转备用优化模型。文献13建立电力市场环境下含风电的旋转备用模型，考虑旋转备用容量对电网收益风险的影响。文献14提出了离网条件下，考虑短时间尺度的水光蓄多能互补发电系统的备用容量确定方法。然而，现有的备用配置原则尚能适用风电并网规模较小时，若风电大规模并网，利用现有备用配置可能会引起系统可靠性的下降。在梯级水电-风电联合运行过程中，梯级水电为风电提供备用容量，自身利益受到一定程度的损失15-17，因此，需要均衡梯级水电-风电合作联盟中梯级水电与风电的效益。纳什谈判理论作为合作博弈论的重要部分，常用于解决多主体利益均衡问题。文献18基于纳什谈判理论建立了风-光-氢多能源系统的合作调度模型，实现成员的个体效益以及联盟的整体效益；文献19考虑微能-水网与售电公司合作，基于纳什议价对利润进行分配，使分配后各成员获利较未合作前得到提升；文献20以风电消纳为指标，通过纳什议价理论建立多个电热综合能源的合作博弈模型，实现每个成员均达到帕累托最优，以保证其参与合作的积极性。以上研究表明纳什谈判理论可以用于梯级水电-风电联盟运行中，协调均衡梯级水电-风电联盟中各主体的效益。在上述背景下，针对梯级水电-风电的合作运行展开研究，首先，在考虑风电不确定性的情况下，考虑外送断面限制，以风电并网出力最大为目标构建风电-梯级水电联合运行模型；其次，为促进风电外送，减少弃风现象，建立基于纳什谈判的梯级水电-风电联盟增量备用效益均衡模型，实现联盟内部增量备用容量和增量备用容量价格优化，均衡梯级水电和风电利益；然后，在梯级水电联盟内部对增量备用容量进行分配。最后通过仿真算例验证本文方法的有效性。1梯级水风联合运行优化调度模型为促进大规模风电消纳，减少弃风现象，本文以风电并网出力最大为目标函数，建立了梯级水电-风电联合运行优化调度模型。1.1目标函数在调度期 T 内，在满足梯级水电自身发电任务的前提下，以风电上网电量最大作为优化目标。目标函数为E=maxt=1Tw=1NwPwtt（1）式中：E为调度期 T 内风电的发电量；Nw为风电厂总数；Pwt为 t 时刻风电厂 w 的输出功率；t为调度时段。1.2约束条件1.2.1风电约束由于风电功率具有较大不确定性，难以准确得到风电功率的概率分布函数，本文通过风电预测误差得到以预测值为中心上下偏差相同百分比的包络线。风电主体的约束模型如下：胡人川，等：促进新能源外送的梯级水电-风电联盟备用效益均衡模型Vol.39No.2104第39卷第2期电网与清洁能源清洁能源Clean EnergyPwmintPwtPwmaxt（2）Pwmint=P?wt-P?wt（3）Pwmaxt=P?wt+P?wt（4）P?wt=%P?wt（5）式中：Pwmint、Pwmaxt分别为 t 时刻风电出力的下、上限值；P?wt为 t 时刻风电功率的预测值；P?wt为风电厂w 在时段 t 出力偏离预测值的波动值，设为预测值的%。1.2.2梯级水电约束1）电量平衡约束在无风电联合运行时，梯级水电只需承担自身的调度任务，即h=1NhPhydroh,t=Pload()t（6）式中：Phydroh,t为 t 时刻第 h 座水电站的发电功率；Pload()t为 t 时刻梯级水电需满足的电力负荷；Nh为梯级水电站总数。2）出力约束PminhPhydroh,tPmaxh（7）式中：Pminh、Pmaxh为梯级水电站 h 的最小、最大出力。3）爬坡约束Phydroh,t-Phydroh,t-1RUh（8）Phydroh,t-1-Phydroh,tRDh（9）式中：RUh、RDh分别为梯级水电的最大向上爬坡速率、向下爬坡速率。4）水量平衡约束Vhydroh,t=Vhydroh,t-1+Qhydroh-1,t-h-Qhydroh,t+hydroh,tt（10）式中：Vhydroh,t为 t 时刻第h座水电站中的库容水量；Qhydroh,t为 t 时刻第h座水电站的发电流量；hydroh,t为 t时刻第h座水电站的自然来