Multi-Objective Sizing of Solar-Wind-Hydro Hybrid Power System with Doubled Energy Storages Under Optimal Coordinated Operational Strategy

More and more attention has been paid to the high penetration of renewable energy in recent years.The randomness and intermittency of solar and wind energy make it an inevitable trend that renewables are coupled with energy storage technologies.Pumped hydro storage(PHS)is the most widelyused storage form in the power grid but the capacity is limited by geographic conditions.The concentrated solar power(CSP)plant with a thermal energy storage(TES)system can realize easier grid connections and effective peak shaving.Therefore,this paper proposes a solar-wind-hydro hybrid power system with PHS-TES double energy storages,and investigates the optimal coordinated operational strategy and multi-objective sizing.The optimal sizing problem which considers the minimum levelized cost of energy(LCOE)and loss of power supply probability(LPSP)as objectives is solved by multi-objective particle swarm optimization.Moreover,the seasonal uncertainties of renewables are considered by applying a scenario-based analysis using Kmeans clustering.Finally,a case study reveals the effectiveness of the coordinated operational strategy and double energy storages from the perspectives of economy and reliability.The comparisons of optimal sizing results show that the PV-WindCSP-PHS system decreases the LCOE by 19.1%compared to a PV-Wind-CSP system under the same LPSP,and reduces the LPSP compared to PV-Wind-PHS systems with limited reservoir capacity,which indicates that the proposed system with double energy storages has better economy and reliability performance compared to single storage.

水风光大基地资源分析要求和方法

近年来,由于“极热无风”“晚峰无光”“云来无光”“冬季枯水”甚至极端天气导致的“汛期反枯”等气象问题加剧了能源保供的压力,能源开发方式将不能局限于单一能源品种,而应呈现多能互补方式,清洁可再生的“水风光”多能互补开发,可以最大程度地带动流域内风光资源的开发利用,弥补新能源发电的出力不足,是保障电量可靠供给的有效方式。水风光资源的特性与时空分布是水风光多能互补规划设计和调度运行的基础与依据,本文首先论述了水风光资源特性及其评估方法,进而开展对水风光互补特性的研究,最后针对水风光大基地在规划设计和调度运行中的资源分析方法进行论述。

风光消纳对梯级水库群运行水位的影响

水风光多能互补系统大多聚焦协同调度和提高新能源消纳研究,却忽略了风光能源消纳对水库水位的潜在影响。构建了考虑短期弃电特征的水风光互补系统中长期优化调度模型。首先,根据实际水风光出力模拟可能的弃电情景,拟合弃电损失函数,将其嵌套在中长期优化调度模型中;其次,模拟接入风光前后的水库调度运行过程;最后,分析风光消纳对梯级水库群年际、年内、月运行水位的影响。以黄河上游龙羊峡至刘家峡梯级水电站水风光互补系统为实例,研究表明:①接入风光后,梯级水库群的年均出力降低约0.5%,可促进风光消纳,保证系统总出力更大,可提高风光上网出力和系统总出力约2.2%;②风光消纳导致梯级水库群的年际和月水位波动增加,龙羊峡和刘家峡水库的年末消落水位和年均水位的波动范围分别增加2.5%、101.6%、0.8%和78.9%,龙羊峡的月水位波动变幅为0,刘家峡月水位下限降低14.7%;③在丰水年,接入风光后梯级水库水位显著下降;平水年,龙羊峡水库水位稍有降低,刘家峡水库的水位表现为汛前春季水位降低,汛后秋季水位升高;枯水年,风光消纳对水库水位几乎没有影响。这些研究结果对于更好地理解风光能源与水库运行之间的复杂关系以及优化水风光互补系统的运行策略具有重要的实际意义。

基于改进Shapley值法的风-光-水-储多主体互补发电系统合作增益分配策略

为了充分发挥系统中可调节资源的自身优势,利用变速抽水蓄能机组配合小水电机组进行常规调节,并考虑变速抽水蓄能机组的快速响应特性,提出了兼顾系统小时级以及秒级安全性的风-光-水-储多主体互补发电系统的联合优化调度模型。为了降低合作博弈高效性算法线性增长的计算复杂度,基于改进Shapely值法提出了一种大规模利益主体的合作增量效益(增益)分配策略。通过资源聚合,对高维度问题进行降维处理,利用Shapley值法进行初始分配;构建合作增益贡献指标,采用非对称纳什谈判理论对同类型的不同主体进行细化分配。以某流域风-光-水-储10主体互补发电系统为仿真算例,结果表明:抽水蓄能机组与小水电机组互补运行可以提升系统的灵活性和安全性;基于改进Shapley值法的合作增益分配策略具有计算高效性以及应用可行性。

促进水风光蓄一体市场化消纳的容量优化配置研究

水风光一体化开发是未来能源发展的重要方向之一。水风光多能互补建设面临着投资规模大、协调发展难度大、资源与电网需求分布不平衡等诸多挑战。抽水蓄能作为目前最经济、最高效、最成熟的一种储能方式,配合水风光一体化开发,在确保电力系统稳定运行的情况下,促进大规模的清洁能源消纳。通过研究水风光多能互补系统的运行特性及模型简化方法,构建综合定/变速抽水蓄能电站评价体系,厘清不同能源主体间的利益关系,进一步考虑合理的机制的制定,提高多清洁能源一体化的积极性。并对多能互补系统内部容量配置以及各部分之间联合优化调度进行研究,给出水风光蓄联合运行系统的容量优化配置方法。

基于混合柔直的水风光一体化新型电力系统简化建模方法

依托国内新建含混合柔性直流外送的水风光多能互补一体化新型区域电力系统工程实际,针对该系统三个核心组成场站,即水电机组侧、风光汇集系统侧和混合柔性直流的区域化模型分别进行简化建模,而后通过实验对比验证响应模型和本文提出的等效模型。结果表明,本文提出的新能源区域电力系统等效模型可以在发生故障时对系统动态过程在机电仿真尺度进行高精度等效。由于其具有易拓展性和广泛适用性,可作为研究极大规模高比例新能源电力系统的实验范式。

基于直流外送的水风光大基地最优容量配比研究

水风光大基地一体化运行是提高直流外送通道利用率、增加清洁能源电量、降低成本电价的重要方式,其难点在于确定风光水大基地的最优容量配比。首先构建水风光大基地系统模型,然后以投资经济性最优为目标,以风光水出力特性、直流通道输送容量为约束,建立时序生产模拟模型,并采用分支定界法求解模型。以金下界河上的梯级电站为例,通过对比不同水风光配比下的新增电量、提升设备利用率和成本电价,给出兼顾环保性、安全性、经济性的最优配比。研究结果可为水风光大基地电规划与建设提供参考依据。

水风光多能互补运行关键技术研究现状及展望

在全球能源结构转型背景下,水风光多能互补系统作为现代能源体系关键组成部分,正日益受到重视。探讨了我国水风光资源分布情况,并分析了互补基地建设规划。剖析了水风光多能互补系统在规划期资源评估与系统集成、运行期预报调度与高效运行、消纳期电力交易与市场营销等关键阶段技术挑战。总结了当前在资源评估方法创新、系统集成优化、智能调度系统开发以及储能技术应用等方面最新研究进展,并对未来研究趋势进行了前瞻性展望,研究成果可为相关领域研究和实践提供参考和借鉴。

风光接入下水电机组调节性能评价方法

风电、光伏在电网中占比越来越高,到2050年,风光总装机容量预计将占全国电源的70%,为保障风光接入后电网稳定运行,需借助水电资源进行消纳。但风光电的波动性需水电机组频繁参与调节,会导致水电机组调节动态特性发生变化。为量化评估风光接入下水电机组调节性能,构建了能反映水电机组调节性能的指标体系,借助模糊综合评价法客观综合评价风光接入下水电机组调节性能。所提方法可为风光新能源并网提供理论支撑,更好地助力水风光多能互补领域的发展。

考虑混蓄与纯蓄配置方式的水风光蓄互补系统调度运行对比研究

流域梯级水风光综合能源基地配建抽水蓄能构建水风光蓄互补系统,是提高风光消纳能力、加速可再生能源一体化开发的重要途径。水风光蓄互补系统因地制宜既可配置混合式抽水蓄能,又可配置传统常规抽水蓄能。针对何种配置方式更优问题,从调度运行需求出发进行了研究。首先量化分析了水风光资源的季节互补性和日内互补性。然后分别考虑配置混蓄与纯蓄,基于精细化流域梯级水电模型,以负荷跟踪偏差率最小、弃能最小、水量利用率最大为目标构建了水风光蓄互补系统短期优化调度模型,从调度运行角度探究不同抽蓄形式对水风光蓄互补系统的影响。最后,通过某流域梯级水风光一体化基地算例表明,配置混蓄相较于配置纯蓄,不同运行场景下负荷跟踪偏差率均更小、弃能均降低、水量利用率均提高,综合运行效率也得到提升,表明配置混蓄对水风光蓄互补系统调度运行的提升优于纯蓄。研究可为流域清洁能源基地、抽水蓄能规划建设及调度运行提供决策支持。

贵州省水风光一体化基地开发研究

水能、风能、太阳能等可再生能源具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染的特点,利用水能、风能、太阳能已成为全球实施经济社会和能源可持续发展的重要选择,但单一的风、光出力过程间歇性强、波动性大、可控性差,利用水电站的快速响应及调节能力可有效平滑新能源出力,提高电能品质,促进新能源消纳。本文从贵州省资源条件和开发现状出发,结合贵州省水电、风电、光伏出力特性和资源分布,提出了贵州省开展水风光一体化基地规划的优势。最后考虑风光出力与负荷的匹配性,提出了贵州省风光开发风电比例在0.4~0.6时对系统影响最小,考虑综合弃风光率5%,贵州省开展水风光一体化基地合理规模约8000MW。

考虑源荷协同的水风光一体化多时间尺度优化调度研究

以大规模、高比例新能源为主体的新型电力系统背景下,为解决中长期、短期水风光互补系统的电力质量、源荷协同矛盾的问题,本文提出了一种考虑不同时间尺度下水风光互补目标的水库优化调度决策,可实现不同时间尺度下的水风光一体化优化调度,指导水风光一体化系统的全周期运行过程。首先,从水风光一体化互补基本原理层面,阐述水风光一体化互补的机理、原则以及具体方法;其次,提出基于多时间尺度的以送电量为主、适应受端负荷的水风光互补调度多目标函数,构建水风光中长期—短期优化调度的多层嵌套调度模型,引入分层联合解耦、区间二分搜索算法求解;最后,通过不同时间尺度的水风光一体化场景与受端负荷特性确定边界,结合多目标函数构建水电中长期、短期优化调度方案。研究结果表明:利用水电灵活调节性能可有效提升中长期、短期水风光互补发电质量效益,同时增加对受端电力系统负荷的适应性。本次研究成果对水风光一体化系统的调度运行指导提供一定的经验借鉴和参考。

计及新能源容量配置的水风光基地一体化运行研究

随着全球对清洁、可持续能源需求的增长,水、风、光等可再生能源在能源转型中扮演关键角色。传统上这些能源往往独立运行,难以实现最优协同。水风光基地的一体化运行,可以解决资源波动和电网接纳问题。研究表明,一体化运行可充分发挥水电调峰能力,减少风光波动,提高新能源利用率;电量分配方案的选择应综合考虑外送水电站调峰能力及电网稳定性。通过新能源容量配置的深入研究,以期为提供清洁能源在能源系统中的高效利用提供理论基础和实践指导。

金沙江下游可再生能源出力及水风光互补特性分析

随着中国经济的不断发展和人民生活水平的提高,对清洁能源的需求逐渐增加,可再生能源在能源结构中的地位愈发凸显。以金沙江下游四川侧地区为研究对象,通过对风电和光伏的季、日出力特性展开分析,深入了解该地区的可再生能源潜力,研究水风光互补特性。研究成果可为可再生能源的高效利用提供科学依据。

基于MIQP-GWO的水火风光近似区间需求响应调度

在新型电力系统背景下,水能、风能、太阳能等清洁能源占比显著提升,由于风电和光电的随机波动性及不稳定性,增加了并网的难度。为了更好的应对风电和光电的不确定性,充分发挥梯级水电、火电的调节能力,开展多种能源的联合优化调度,已经成为当前电网调度亟需解决的问题。利用切比雪夫扩张函数对风光发电模型进行近似区间求解,在传统的需求响应模型的基础上,提出水火风光区间需求响应调度模型。利用启发式方法对约束条件进行优化处理,并提出一种嵌套混合整数二次规划法(MIQP)的灰狼算法(MIQP-GWO)。实例分析表明与其他智能算法对比,MIQP-GWO算法在求解区间需求响应调度模型问题的稳定性和性能上有显著的提升。

大型陆上水风光综合基地交直流组网送出方案研究

西南地区大规模陆上水风光综合基地颇具开发潜力,需确定合适方式将其送至东部负荷中心。针对风光新能源基地内部的升压汇集,鉴于传统的交流方案存在无功、距离受限等问题,开展了大型陆上风光综合基地的交直流组网送出方案研究。首先,从光伏风电并网多电压等级直流系统和水电孤岛送出系统两个方面介绍了水风光综合基地的交直流组网方案,并给出光伏风电并网多电压等级直流系统各级直流变压器方案。随后详细描述了直流电压控制策略和故障穿越控制策略。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建15000MW大型陆上水风光综合基地交直流组网送出系统仿真模型,验证了所提交直流组网方案的可行性。

基于合作博弈的风-光-水互补发电系统保证容量分配策略

风电、光伏出力具有间歇性、随机性,而梯级水电出力受限于天然来水,因此,保证容量是衡量风、光、水等清洁能源发电出力稳定性的一个重要指标。采用基于Copula函数的一阶季节性模型对风-光-水发电资源进行多年随机模拟,构建风-光-水互补发电系统的保证容量计算模型。为实现风-光-水互补发电系统保证容量在各利益主体间的高效、公平分配,提出一种基于混合整数规划的合作博弈分配策略:在计算模型中引入二进制变量,将单一场景求解问题转变为多场景的混合整数规划问题;构建“超量”指标量化各组合场景分配结果的联盟理性不满意度;构建基于核的分配模型,依次将不满意度最高的场景约束添加至模型中进行迭代优化并获取新的分配方案。最后,采用中国雅砻江下游流域12利益主体算例进行验证,结果表明所提分配策略通过寻求有效约束,可降低保证容量分配模型求解规模;将最大最小成本法分配结果作为迭代初值可加速算法收敛,在核内求得满足公平性要求的分配方案。

龙羊峡地区水-风-光出力互补特性研究

准确掌握流域水-风-光多能源互补规律对于指导清洁能源规划布局、开展多能互补调度以提升能源利用效率具有重要意义。运用数理统计方法,计算得出了龙羊峡地区典型年的水-风-光出力逐日标准化数据的多个统计量,据此分析了水-风-光出力在长期时间尺度下的互补特性。建立了基于Spearman秩相关系数的水-风-光三能源出力互补性评价指标,根据龙羊峡地区典型年的水-风-光出力逐日标准化数据,在长期时间尺度上对龙羊峡地区的水-风-光出力互补特性进行了重新定量评价,并与数理统计方法的结果进行对比印证。此外,提出了基于K-means聚类算法的典型日出力特征辨识模型,分析了不同时间尺度划分对水-风-光出力互补规律评价的影响。结果表明:①龙羊峡地区的水-风-光出力在长期时间尺度上的互补特性较强,春冬季节水电出力较小,风光出力较大,而夏秋季节则呈现出相反的变化特征;②基于Spearman秩相关系数的水-风-光三能源出力互补性评价结果为“较互补”,与数理统计方法结果一致;③不同时间尺度划分对水-风-光互补特性评价影响显著,随着时间尺度的增加,水-风-光出力互补规律呈增强的趋势,具体体现为:季节互补特性强于月间互补特性,月间互补特性强于日间互补特性。

考虑动态频率响应的风光水互补发电短期优化调度模型

针对风光并网会降低系统惯量、削弱系统调频能力的问题,综合考虑水电机组同步惯量、风电场和光伏电站的虚拟惯量和下垂控制作用,提出含风光水的多机系统动态频率响应模型,推导系统频率变化率约束、最低点频率偏差约束和准稳态频率偏差约束。基于此,为实现清洁能源利用最大化,以弃风、弃光、弃水最小及水库调度期末蓄能最大为目标,兼顾梯级水电、风电、光伏和发电系统的多种运行约束,构建风光水互补发电系统短期优化调度模型,并使用混合整数线性规划方法进行求解。最后通过算例仿真验证所提模型的有效性和适用性。

金沙江下游水风光资源多时间尺度互补性分析

多种能源的互补性分析是科学规划风、光大基地的基础。本文建立基于波动性描述的互补评价指标体系,以金沙江下游水风光一体化清洁能源基地为研究区域,开展水风光资源多时间尺度的互补规律分析。结果表明:从格林威治风场设计平台和光伏地理信息系统获取的风、光出力分布规律与实测序列一致,具有较高的可靠性;风电与光伏互补性较弱,在日内、年内、年际尺度上具有互补性的概率仅为25.5%、0和37.2%;径流、风电与光伏三者互补性较强,在日内、年内和年际尺度上具有互补性的概率分别为46.5%、100%和53.5%。