CN114186877A - 一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法。本发明如下步骤：步骤一：以通道容量限制光伏出力；步骤二：基于水电出力的水光互补；步骤三：基于调节库容的水光互补成果复核与调整。本发明针对现有技术的缺陷和不足，提出一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法。本发明主要针对具有日调节性能的水电站与光伏电站互补运行调度，能够基于水电站水库调节库容对水电与光伏进行互补计算，计算中以光伏吸纳最大为目标函数，但同时考虑水库调节库容的限制。

Description

一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法

技术领域

本发明涉及水光互补调度技术领域，特别是一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法。

背景技术

“双碳目标”战略背景下，国家大力鼓动水电及新能源等清洁能源电力发展，我国西藏地区的光伏资源较好，但是由于光伏出力的间歇性、周期性和随机性等特点，直接并网将对电网造成较大的冲击，影响了电网电能质量以及供电可靠性。同时西藏地区水电资源丰富，可采用日调节性能以上的水电对光伏进行互补调节，充分利用水电的调节能力，考虑水电和光伏以互补的形式联合开发运行，降低可再生能源综合开发成本，提高送出通道利用率，同时为电网提供优质的清洁能源电力。

水光互补计算是研究水光互补清洁能源基地开发水电与光伏规模确定的基础工作之一，当前已有公开的关于水光互补计算方法的发明专利中，但这些专利中均未考虑水库调节库容，例如发明专利“一种大规模水光能源互补调度方法与***”，该专利采用了引力搜索算法对水光互补进行优化计算，通过生成种群的方式进行计算，以达到最大迭代次数后得到的种群全局最有位置作为水光能源互补***的最优方案，该方法主要是采用数学优化的方式，未考虑水库运行方式及调节库容能力，即优化后的最终结果是否水电站的调节能力能够满足；发明专利“基于清洁能源基地水光日内互补的光伏消纳率计算方法”可计算水电站与光伏日内互补后的出力，该专利主要利用水电站的日调节性能，以保持水电一日发电量不变为原则，通过对水电站一日之内的逐时出力过程进行调整，利用通道尽可能多的吸纳光伏，但该专利中的方法主要是基于水电站的日调节性能，默认水光互补后的逐时水电出力在一日内水电站均可调节，但实际中若水电在一日内的逐时出力变化过大，水库调节库容不能满足出力要求，尤其是汛期降水位运行的日调节水电站。基于此，有必要提出一种考虑水库调节库容的水光互补计算方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷和不足，提出一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法。本发明主要针对具有日调节性能的水电站与光伏电站互补运行调度，能够基于水电站水库调节库容对水电出力及光伏出力进行互补计算，计算中以光伏吸纳最大为目标函数，但同时考虑水库调节库容的限制。

本发明的技术方案：一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，包括如下步骤：

步骤一：以通道容量限制光伏出力；

步骤二：基于水电出力的水光互补；

步骤三：基于调节库容的水光互补成果复核与调整。

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，所述步骤一是采用光伏电站全年8760h的逐时出力，以通道容量对限制光伏出力，即光伏最大出力不能超过通道容量，公式为：

s′_i,j＝Min(s_i,j,Tc)；

式中，s′_i,j为通道容量限制后的光伏出力，kW；s_i,j为初始的光伏出力，kW；Tc为通道容量，kW；i、j分别为日内时序数、年内日序数。

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，所述步骤二是采用水电站典型年逐日径流计算的逐日出力与通道容量限制后的光伏出力进行水光互补计算，以水光互补后的日内光伏出力最大为目标函数，公式为：

式中，s_j为第j日水光互补后的光伏出力之和，kW；s″_i,j为水光互补后的逐时光伏出力，kW。

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，所述水光互补包括约束条件如下：

a.水电强迫出力及预想出力约束，即水光互补后的水电出力不能低于强迫出力且不能高于预想出力，公式为：

n_min≤n′_i,j≤n_max,j；

式中，n_min为考虑生态流量下放需求的水电强迫出力，kW；n′_i,j为水光互补后的水电出力，kW；n_max,j为水电预想出力，kW；

b.水电出力平衡限制，即水光互补前后日内水电出力之和不变，即水光互补过程中不弃水电，公式为：

式中，n_i,j为水光互补前的水电出力，即水电典型日径流调节成果中的出力，kW；

c.所述水光互补包括约束条件如下：

通道容量限制，即水电与光伏逐时出力之和不超过通道容量，公式为：

n′_i,j+s″_i,j≤Tc。

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，所述步骤三是结合来水量及水库调节库容对步骤二中水光互补后的出力进行复核与调整，包括以水库水量平衡、水量平衡过程中的约束条件、复核调整后水电出力及光伏出力；所述水库水量平衡的公式为：

式中，V_0,j为初始时段库容，万m³；V_n为正常蓄水位对应的库容，若水电站存在汛期运行控制水位，则汛期时段V_n则为汛期运行控制水位对应的库容，万m³；V_i+1,j、V_i,j为第i+1及i时段的水库库容，万m³；Q_i+1,j、q_i+1,j分别为第i+1时段的来水流量及下泄流量，m³/s。

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，所述水量平衡过程中的约束条件包括：

a.库容限制

水库调节水电出力过程中水库库容不能低于死库容且不能高于正常蓄水位对应的库容，公式为：

V_d≤V_i,j≤V_n；

式中，V_d为水库死水位对应的死库容，万m³；

b.末时段库容限制

水库调节仅在日内完成，即初时段水位及末时段水位均为正常蓄水位，具体以末时段库容限制如下：

V_23,j＝V_n；

式中，V_23,j为日内末时段库容，万m³；

c.水量平衡限制

即日内来水总量与下泄总量一致，公式为：

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，所述复核调整后水电出力及光伏出力，经水库调节后水电及光伏出力计算公式如下：

n″_i,j＝Min[n_max,j,(k·q_i,j·h_i,j)]；

式中，n″_i,j为基于调节库容对水光互补成果复核调整的水电出力，kW；k为水电出力系数；h_i,j为发电利用水头，m；s″′_i,j为经水库调节后的光伏出力，kW。

前述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法中，通过所述的三个步骤则可计算出考虑水库调节库容的水光互补成果，以多个典型年水电逐日出力与光伏出力进行互补与调节，则可得到各个典型年可吸纳的光伏出力；其中，某个典型年的光伏吸纳率计算公式为：

式中，α为某个水电典型年的光伏吸纳率。

有益效果

本发明相对于现有技术而言，核心创新点为基于日调节水库，考虑日调节水库的运行方式及调节库容进行日内水光互补计算，即水光互补仅在一日内完成，每日初始水位及末时水位应一致，日内来水量及下泄量一致，不改变日调节运行方式，相对于现有技术而言水光互补计算成果更加精确与稳定可靠，可以作为水光互补清洁能源基地建设设计规模的有效参考，并且在水光互补基地运行时可参考使用该方法进行水光互补运行调度设计。

附图说明

附图1为本发明的总体思路图；

附图2为日内水光互补示意图；

附图3为日内水库调节示意图；

附图4为日内水库调节后水电出力及光伏出力。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例。一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，

如图1所示，所述的一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法主要思路总体分为三个步骤，即步骤一为以通道容量限制，基于初始的8760h光伏出力得到步骤二计算需要的光伏出力，步骤二为以通道容量与水电不弃电为限制水光互补计算，步骤三为基于水电站调节库容对步骤二中的水光互补成果复核与调整，得到最终水光互补调节后的出力。

步骤一：以通道容量限制光伏出力

采用光伏电站全年8760h的逐时出力，以通道容量对限制光伏出力，即光伏最大出力不能超过通道容量，得到所述步骤二计算需要的光伏出力；相应公式为：s′_i,j＝Min(s_i,j,Tc)；

式中，s′_i,j为通道容量限制后的光伏出力，kW；s_i,j为初始的光伏出力，kW；Tc为通道容量，kW；i、j分别为日内时序数、年内日序数。

步骤二为基于水电出力的水光互补

采用水电站典型年逐日径流计算的逐日出力与通道容量限制后的光伏出力进行水光互补计算，总体互补原则如下：1)将第一步通道容量限制后的光伏出力与水电出力在日内24h进行互补，通过水电调节实现光伏吸纳最大，其中水电日内逐时出力采用日平均出力。

2)当光伏出力与水电出力叠加超过通道容量时，将超出电力调至晚上无光伏的时段，且优先调至凌晨时段，若调后凌晨时段出力达到预想出力还剩超出电力，则将其进一步将剩余超出电力调至光伏右侧的夜晚时段，且整个调节过程中，由于生态流量下放需求，水电出力必须不低于强迫出力；通过调节各个小时水电出力达到预想出力或水电出力与光伏出力之和等于通道容量后，仍有部分水电出力无位置放置则需要弃光，即通过水光互补调节后的水电平均出力与调节前的平均出力一致。

结合上述水光互补原则，步骤二中目标函数及约束条件主要如下：

以光伏吸纳最大为目标函数，以水电出力不变为原则进行水光互补计算，具体如下：

目标函数：

水电强迫出力及预想出力约束，即水光互补后的水电出力不能低于强迫出力且不能高于预想出力约束：

水电出力平衡限制，即水光互补前后日内水电出力之和不变，即水光互补过程中不弃水电约束：

通道容量限制，即水电与光伏逐时出力之和不超过通道容量限制约束：n′_i,j+s″_i,j≤Tc；

式中，s_j为第j日水光互补后的光伏出力之和，kW；s″_i,j为水光互补后的逐时光伏出力，kW；n_min为考虑生态流量下放需求的水电强迫出力，kW；n′_i,j为水光互补后的水电出力，kW；n_max,j为水电预想出力，kW；n_i,j为水光互补前的水电出力，即水电典型日径流调节成果中的出力，kW。

水光互补计算中水电出力的主要调节原则为：如图2所示，当光伏出力与水电出力叠加超过通道容量时，将超出电力调至晚上无光伏的时段，且优先调至凌晨时段(图2中①)，若调后凌晨时段出力达到预想出力还剩超出电力，则将其进一步将剩余超出电力调至光伏右侧的夜晚时段(图2中②)，同时考虑上述约束条件，通过调节各个小时水电出力达到预想出力或水电出力与光伏出力之和等于通道容量后，仍有部分水电出力无位置放置则需要弃光，将超出部分电力放置于弃光的位置。

步骤三：基于调节库容的水光互补成果复核与调整

步骤二中的水光互补是假定水库调节能力能够完全满足日内24h的水电出力调节，但水库调节库容不一定能够通过调节实现水光互补后的水电出力过程，因此需结合来水量及水库调节库容对步骤二中水光互补后的出力进行复核与调整，总体原则及思路主要如下：

1)水库在日内满足水量平衡，水库日内初时段及末时段水位均为正常蓄水位。

2)结合步骤二中的水光互补原则，根据步骤二水光互补后的水电出力，尽可能利用水库调节库容在无光伏出力的凌晨时段多发电腾库容，当光伏开始出力水电出力减少时水库开始蓄水，当蓄水达到正常蓄水位后，按来水量发电，且日内各时段水位不能低于死水位或高于正常蓄水位，若水电站存在汛期运行控制水位，汛期时段相应的正常蓄水位则为汛期运行控制水位。

3)水光互补后的水电出力以1)、2)中的原则进行复核与调节，确定水电出力，进一步复核调整光伏出力，即若水电出力过程发生变化，光伏出力需随之发生变化。

结合上述基于调节库容水光互补成果的复核及调整原则，步骤三主要以水库水量平衡、水量平衡过程中的约束条件、复核调整后水电出力及光伏出力为主，具体如下：

水库水量平衡计算：

水库调节水电出力过程中水库库容不能低于死库容且不能高于正常蓄水位对应的库容，具体公式：V_d≤V_i,j≤V_n

水库调节仅在日内完成，即初时段水位及末时段水位均为正常蓄水位，具体以末时段库容限制为：V_23,j＝V_n

来水量与下泄流量相等约束：

复核调整后水电及光伏出力计算，经水库调节后水电及光伏出力计算公式如下：

n″_i,j＝Min[n_max,j,(k·q_i,j·h_i,j)]

式中，V_0,j为初始时段库容，万m³；V_n为正常蓄水位对应的库容，若水电站存在汛期运行控制水位，则汛期时段V_n则为汛期运行控制水位对应的库容，万m³；V_i+1,j、V_i,j为第i+1及i时段的水库库容，万m³；Q_i+1,j、q_i+1,j分别为第i+1时段的来水流量及下泄流量，m³/s；V_d为水库死水位对应的死库容，万m³；V_23,j为日内末时段库容，万m³；n″_i,j为基于调节库容对水光互补成果复核调整的水电出力，kW；k为水电出力系数；h_i,j为发电利用水头，m；s″′_i,j为经水库调节后的光伏出力，kW。

通过上述三个步骤则可计算出考虑水库调节库容的水光互补成果，通常以多个典型年水电逐日出力与光伏出力进行互补与调节，则可得到各个典型年可吸纳的光伏出力。上述三个步骤可实现水电站某典型年的逐日水光互补计算，且日内计算时段为小时，计算后得到全年光伏吸纳率计算公式为：

式中，α为某个水电典型年的光伏吸纳率。

通过上述方法进行实施，西藏某水电站装机容量为860MW，枯期11月～次年5月正常蓄水位3538m，调节库容6328万m³，汛期6-10月运行控制水位3528m，调节库容1170万m³，采用丰水年、平水年、枯水年三个典型年水电出力与960MW的光伏出力进行逐日水光互补计算，通道容量限制为860MW，且计算时分汛枯期考虑了调节库容能力，计算得到水光互补后电量及光伏吸纳率见表1。

表1-实例水光互补计算成果

项目/水平年	丰水年	平水年	枯水年	均值
					水电装机(MW)	860	860	860	860
通道容量(MW)	860	860	860	860
					光伏装机(MW)	960	960	960	960
初始光伏电量(亿kWh)	16.58	16.58	16.58	16.58
					步骤一通道容量限制后光伏电量(亿kWh)	16.50	16.50	16.50	16.50
步骤二水光互补计算后光伏电量(亿kWh)	11.90	12.36	14.75	13.01
					步骤三基于水库调节库容调整后光伏电量(亿kWh)	11.58	12.19	14.57	12.78
光伏吸纳率(％)	69.85	73.55	87.88	77.09

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：以通道容量限制光伏出力；

步骤二：基于水电出力的水光互补；

步骤三：基于调节库容的水光互补成果复核与调整。

2.根据权利要求1所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：所述步骤一是采用光伏电站全年8760h的逐时出力，以通道容量对限制光伏出力，即光伏最大出力不能超过通道容量，公式为：

s′_i,j＝Min(s_i,j,Tc)；

式中，s′_i,j为通道容量限制后的光伏出力，kW；s_i,j为初始的光伏出力，kW；Tc为通道容量，kW；i、j分别为日内时序数、年内日序数。

3.根据权利要求2所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：所述步骤二是采用水电站典型年逐日径流计算的逐日出力与通道容量限制后的光伏出力进行水光互补计算，以水光互补后的日内光伏出力最大为目标函数，公式为：

式中，s_j为第j日水光互补后的光伏出力之和，kW；s″_i,j为水光互补后的逐时光伏出力，kW。

4.根据权利要求3所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：所述水光互补包括约束条件如下：

a.水电强迫出力及预想出力约束，即水光互补后的水电出力不能低于强迫出力且不能高于预想出力，公式为：

n_min≤n′_i,j≤n_max,j；

式中，n_min为考虑生态流量下放需求的水电强迫出力，kW；n′_i,j为水光互补后的水电出力，kW；n_max,j为水电预想出力，kW；

b.水电出力平衡限制，即水光互补前后日内水电出力之和不变，即水光互补过程中不弃水电，公式为：

式中，n_i,j为水光互补前的水电出力，即水电典型日径流调节成果中的出力，kW；

c.所述水光互补包括约束条件如下：

通道容量限制，即水电与光伏逐时出力之和不超过通道容量，公式为：

n′_i,j+s″_i,j≤Tc。

5.根据权利要求3所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：所述步骤三是结合来水量及水库调节库容对步骤二中水光互补后的出力进行复核与调整，包括以水库水量平衡、水量平衡过程中的约束条件、复核调整后水电出力及光伏出力；所述水库水量平衡的公式为：

式中，V_0,j为初始时段库容，万m³；V_n为正常蓄水位对应的库容，若水电站存在汛期运行控制水位，则汛期时段V_n则为汛期运行控制水位对应的库容，万m³；V_i+1,j、V_i,j为第i+1及i时段的水库库容，万m³；Q_i+1,j、q_i+1,j分别为第i+1时段的来水流量及下泄流量，m³/s。

6.根据权利要求5所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：所述水量平衡过程中的约束条件包括：

a.库容限制

水库调节水电出力过程中水库库容不能低于死库容且不能高于正常蓄水位对应的库容，公式为：

V_d≤V_i,j≤V_n；

式中，V_d为水库死水位对应的死库容，万m³；

b.末时段库容限制

水库调节仅在日内完成，即初时段水位及末时段水位均为正常蓄水位，具体以末时段库容限制如下：

V_23,j＝V_n；

式中，V_23,j为日内末时段库容，万m³；

c.水量平衡限制

即日内来水总量与下泄总量一致，公式为：

7.根据权利要求5所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：所述复核调整后水电出力及光伏出力，经水库调节后水电及光伏出力计算公式如下：

n″_i,j＝Min[n_max,j,(k·q_i,j·h_i,j)]；

式中，n″_i,j为基于调节库容对水光互补成果复核调整的水电出力，kW；k为水电出力系数；h_i,j为发电利用水头，m；s″′_i,j为经水库调节后的光伏出力，kW。

8.根据权利要求7所述的考虑水库调节库容的日内水光互补计算方法，其特征在于：通过所述的三个步骤则可计算出考虑水库调节库容的水光互补成果，以多个典型年水电逐日出力与光伏出力进行互补与调节，则可得到各个典型年可吸纳的光伏出力；其中，某个典型年的光伏吸纳率计算公式为：

式中，α为某个水电典型年的光伏吸纳率。

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