基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:闻昕()男教授博士主要从事水利水电调度运行研究:.通信作者:谭乔凤()女青年教授博士主要从事水利水电调度运行研究:.:/基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法闻 昕秦济森谭乔凤张子仪王燕玲(河海大学水利水电学院江苏 南京)摘要:针对多能互补模式下水库调度面临径流、新能源出力等多重不确定性叠加影响以及如何协调近期效益和远期效益的最优余留库容等关键问题提出了一种基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法 结合数学期望模型提出了水光互补调度两阶段随机优化决策框架基于水库调度的周期性马尔科夫特性采用逐步迭代方法对多能互补系统的余留期效益函数进行近似逼近以实现有限预报信息条件下水库长期余留库容动态决策 以锦屏一级水光互补系统为实例进行验证结果表明:余留期效益函数受光伏出力影响较小而与余留库容、径流呈正相关有关系随着调度时段从枯期进入汛期余留期效益函数逐渐从线性曲面变为凸曲面相较于常规调度方法提出的调度方法多年平均发电量在率定期、检验期分别增加了.亿、.亿 在径流、光伏出力预报信息相对较小的条件下能有效指导水光互补系统的长期调度运行关键词:水光互补余留期效益函数不确定性随机优化两阶段决策中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/():.:可再生能源的开发利用是保证未来能源安全以及应对全球气候变化的重大战略举措 然而以风电、光伏为代表的可再生能源具有间歇性、波动性和随机性直接并网会对电力系统的安全稳定运行带来极大压力 利用自然资源的天然互补性同时发挥水电的灵活调节性实施多能互补运行是促进新能源消纳的一种有效途径 国务院关于印发 年前碳达峰行动方案的通知文件中明确提出“推动西南地区水电与风电、太阳能发电协同互补”中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 年远景目标纲要文件中明确提出“建设一批多能互补的清洁能源基地”年国家能源局全面启动全国主要流域可再生能源一体化规划研究工作推动了以水电调节能力为核心的水风光一体化资源配置、规划建设、调度运行和消纳 水风光一体化协同发展是可再生能源未来发展方向是新时期可再生能源高质量发展的必由之路水风光多能互补系统的核心是利用水电快速灵活的调节能力平抑风光出力波动性在提升互补发电系统输电质量的同时提升多种能源的综合利用效率 由于风电、光伏不可储存多能互补系统调度运行的本质是将风光出力作为约束条件的水库再调度 按照时间尺度划分水库调度可以分为长期调度和短期调度 其中水库长期调度的目标是在满足各类约束的前提下寻求使发电量最大、发电保证率最大的水库调度计划既要考虑近期效益也要兼顾远期效益 目前围绕水库长期优化调度开展了广泛研究包括确定性优化调度和随机优化调度 确定性优化调度通常将调度期内的径流过程视为确定性已知条件利用动态规划算法()、遗 传 算 法()、粒 子 群 算 法()等优化算法获取整个调度期内各个调度时段的水库调度过程使调度结果达到理论最优 而在实际运行过程中长期径流的预报精度不高且预见期有限并不能保证整个调度期的径流已知因此未考虑径流不确定性的确定性优化调度往往无法直接应用于实际运行 随机优化调度考虑了径流不确定性实现了随机径流条件下的期望最优可分为隐随机优化调度和显随机优化调度 隐随机优化调度将长系列历史径流资料作为确定性优化模型的样本输入利用优化算法得到理论上的最优调度过程再利用多元回归、神经网络、支持向量机等方法提取调度规则 该方法获取的调度规则简单直观应用方便但是调度规则的解析形式没有先验知识调度规则的优劣受数据挖掘方法影响很大因此所提取的调度规则难以达到最优效果 显随机优化调度通过马尔可夫过程描述径流的不确定性借助条件转移概率和优化算法寻求余留库容各离散区间内的期望最优运行策略 随机动态规划()是最为常见的显随机优化方法其优化结果可直接指导水库的调度运行但是由于 需要同时对状态变量和随机变量进行离散遍历比确定性动态规划的“维数灾”更为严重故其在复杂水库群系统中应用较少水电站长期发电策略一直是水库优化调度研究的难点 在制订优化调度方案时不仅要考虑面临时刻的径流形势及调度效益还要顾及余留期径流变化规律及余留期效益 特别是在水光互补调度、打捆外送的新背景下水库调度面临径流、光伏功率等多重不确定性如何确定能协调近期效益和远期效益的最优余留库容是亟待解决的难点问题 明波等提出了嵌套短期弃电风险的水光互补长期优化调度方法采用隐随机优化调度方法提取了线性调度函数该函数能有效指导水光互补长期调度 等采用隐随机优化调度方法提取了水光互补系统的线性调度规则提高了互补系统的发电量和发电保证率 刘哲源等针对水风光互补系统在变化环境下的运行问题采用集合卡尔曼滤波技术与隐随机优化调度方法开展适应性调度研究 等采用显随机优化调度方法同时考虑了径流和光伏功率的不确定性进一步了提高水光互补系统的调度效益 上述研究不同程度地考虑了径流、光伏功率的不确定性而如何实现有限预报精度和预见期下的最优余留库容决策仍需深入研究基于此本文提出了一种基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法以实现有限预报信息条件下水库长期余留库容动态决策 首先结合数学期望模型提出水光互补调度两阶段随机优化决策框架然后基于水库调度的周期性马尔科夫特性提出逐步迭代方法对多能互补系统的余留期效益函数进行近似逼近并建立基于余留期效益函数的水光互补两阶段决策模型用以指导水光互补系统长期发电计划滚动更新最后以锦屏一级水库及周边光伏电站为实例检验所提出方法的合理性和有效性 研究方法.两阶段随机优化决策框架在约束条件或目标函数中包含随机变量的情况下使目标函数的期望值达到最优的数学规划称为期望值模型 该模型要求在随机变量还未实现的情况下做出可以最大化目标函数期望值的决策对于这种随机优化问题可将问题划分为两个阶段:随机变量 实现前为第一阶段实现后为第二阶段 第一阶段制定的决策为 获得的阶段效益为()待随机变量 实现后在第二阶段制定策略 获得额外效益()两阶段决策框架为:()()()式中:()为第二阶段所有可能出现的情形下决策 的效用函数 为第二阶段的期望值水光互补调度的任务是:根据水库当前阶段初的水库库容和该时段的径流、光伏出力预报信息将光伏出力作为约束条件通过水库优化调度方法对水库进行再调度不断滚动向前做出水库的最优调度决策其不仅要兼顾当前阶段的近期效益还要通过余留库容考虑远期效益以实现全景效益最优图 为水光互补两阶段随机优化决策框架可见水光互补系统根据调度期可大致分为当前阶段(第 时段)和余留期(第 时段至调度期末 )互补系统可以根据当前阶段的水库初始库容、预报径流 和光伏预测出力 通过决策当前阶段的水库余留库容 将水电和光伏出力联合送出和集中消纳提高当前阶段的即时效益()也可以根据余留库容、余留期径流序列和余留期光伏出力序列 在余留期采用调度策略提高余留期效益()图 水光互补两阶段决策框架.定义水光互补调度的两阶段随机优化决策框架如下:()()()()()()()式中:()为互补系统在 时段的最优水光期望发电效益 为 时段关于随机变量(径流、光伏出力)的二元联合期望算子本文假定径流与光伏出力之间相互独立、分别为 时段的水光出力、水电出力和光伏出力 为互补系统的保证出力 为惩罚系数 为 时段的时间长度实施水光互补两阶段随机优化调度的前提是获得各个调度时段的余留期效益函数 但是余留期效益受到当前阶段的余留库容、余留期径流序列、光伏出力序列、调度策略等方面的影响这使得余留期效益函数难以获得 通过逆向递推计算可以获得不同状态变量(余留库容)和随机变量(径流、光伏出力)组合的余留期效益 但是传统的 存在缺陷:需要对所有的状态变量和随机变量进行离散遍历离散点过少会导致精度过低无法应对所有的工况离散点过多会使状态变量和随机变量的组合工况数量呈指数上升无法避免“维数灾”问题 为了克服传统 的缺陷本文提出一种逐步迭代方法对余留期效益函数进行近似逼近.余留期效益函数近似本文提出一种基于 的逐步迭代方法:采用较少的离散节点获得余留期效益函数的输出样本然后在给定的收敛准则下通过逐步迭代的方法拟合样本输入和输出之间的函数关系推求余留期效益的近似函数 其主要求解步骤如下:步骤 建立考虑径流、光伏功率不确定性的 的递推方程:()()()()()()式中:、为径流、光伏出力等级指标()为径流的状态转移概率表示 时段径流为 时 时 段 径 流等 级 为的 概 率()为光伏出力的状态转移概率表示 时段光伏出力为 时 时段光伏出力 等级为 的概率()为 时段的余留期效益径流、光伏出力在月尺度上均有一定的转移规律可视为周期性的马尔科夫过程、一定程度上反映余留期的径流形势 和光伏出力形势可假定()()步骤 将每个时段的初、余留库容在库容上下限范围内离散为 个点径流可根据皮尔逊型曲线划分为 个区间光伏出力可根据威布尔分布划分为 个区间步骤 假定 时段末余留期效益为 即()()步骤 初始设置 步骤 通过式()计算 时段初库容状态为、径流为、光伏出力为 时的余留期效益值遍历所有的库容、径流、光伏出力离散状态从而获得 时段初余留期效益值的所有样本集合()步骤 以库容状态、径流、光伏出力 为输入样本 为输出样本使用支持向量机智能黑箱模型作为余留期效益函数的近似器获取 时段初的余留期效益近似函数:()()()步骤 如果 转入步骤 否则令 并转入步骤 步骤 更新 时段末的余留期效益值样本:()()()()步骤 采用智能黑箱模型获取 时段末的余留期效益近似函数 如果满足收敛准则式()则停止计算并保存最终的余留期效益近似函数否则转入步骤()()()()()式中:为迭代的次数 为允许误差随着逆向递推计算迭代次数增加余留期效益值将不断累积增大 但是对于 影响水库调度决策的是不同库容状态下的余留期效益之差而不是某个具体的余留期效益值 因此步骤 是为了避免余留期效益值在逐步迭代过程中不断累积增大并不影响其在随机优化调度中的作用.水光互补两阶段决策模型获取各个时段的余留期效益近似函数之后建立水光互补两阶段决策模型基于逐月的径流、光伏出力预报数据滚动向前决策将原多阶段序贯决策的调度问题简化为两阶段的调度问题解决在长期预报精度低且预见期有限条件下的调度难题.目标函数水光互补随机优化调度通过决策每个调度时段水库的余留库容发挥水库的调节作用对水库水量和径流进行再分配促进光伏能源的消纳最大限度地提高整个调度期的水光发电量 其通常以互补系统发电量最大和发电保证率最大为目标构造目标函数表示为 ()()式中 为水光互补系统在调度期内兼顾发电保证率的最优期望发电量.约束条件模型考虑的约束条件包括水量平衡约束、水库库容约束、泄流能力约束、发电流量约束、电站出力约束和传输能力约束:()()式中:为水库在第 时段的出库流量 为 时段的时间长度、为水库在 时段的库容下限(死库容)、上限(正常蓄水位或防洪限制水位)、为水库在 时段的下泄流量下限(最小生态需水流量)、上限(河道允许最大流量)为水库在第 时段的发电流量 为水库在 时段最大允许发电引用流量、分别为水电站在 时段的水电出力下限、上限 为外送通道传输能力本研究取水电装机容量 实例验证.工程概况与数据来源雅砻江流域水能资源丰富是我国第三大水电基地雅砻江下游是雅砻江流域的资源密集区也是整个雅砻江清洁能源基地的重点 选取锦屏一级水电站及周边光伏电站组成的水光互补系统为研究对象 锦屏一级水电站是雅砻江下游梯级电站中的龙头电站其正常蓄水位为 死水位为 防洪限制水位为 兴利调节库容为.亿 具有年调节性能水电装机容量 万 最大引用发电流量为 /根据雅砻江流域风光水能开发规划锦屏一级水电站规划接入 万 光伏收集了锦屏一级水库 年 月至 年月的月尺度径流数据考虑到光伏电站缺乏长系列运行资料从中国气象数据网站(:/./)下载了 年逐月的辐射和温度数据采用光伏出力转换模型计算光伏逐月出力.结果与分析将径 流、光 伏 出 力 的 资 料 划 分 为 率 定 期(年)和检验期(年)采用率定期的径流、光伏出力数据资料作为率定数据集用以推求余留期效益近似函数采用检验期的数据资料用以验证随机优化调度方法的性能.余留期效益近似函数结果在推求余留期效益近似函数过程中设置锦屏一级水电站库容状态离散步长为 亿 径流与光伏出力依据其边缘分布(径流为皮尔逊型分布光伏为威布尔分布)累积频率阈值、将各时段径流、光伏出力分别划分为 个等级区间 采用 年的径流、光伏出力数据资料应用基于 的逐步迭代方法推求逐月的余留期效益近似函数 典型月份的余留期效益近似函数曲面如图 所示 由图 可见余留期效益近似函数随着水库的余留库容、径流、光伏出力单调递增 水库的余留库容增加表示水库的余留水量增加可以增加余留期的发电流量和水头进而增加余留期效益 径流可以从两方面影响水光互补系统的余留期效益:一方面径流增加既可以增大当前阶段的发电流量以提升即时效益也可以增加余留水量以提升余留期效益另一方面径流前后时段具有较强的正相关性即前一时段的径流增多预示着余留期的径流也越丰富有利于余留期效益的提高 光伏出力则直接作用于水光互补系统的余留期效益在水光出力不超过输送通道容量条件下光伏出力越大余留期效益越大()月末()月末()月末()月末()月末()月末图 典型月的余留期效益近似函数曲面.随着调度时段从枯期进入汛期余留期效益近似函数逐渐从线性曲面转变为凸曲面 为了更直观地表示余留期效益近似函数分别与余留库容、径流、光伏出力之间的关系采用单一变量控制的方法绘制余留期效益近似函数的曲面投影图图、图 分别是 月末、月末的余留期效益近似函数曲面投影图 由图()()、图()()可见枯期余留期效益近似函数随余留库容和径流基本呈线性单点递增趋势汛期余留期效益近似函数随余留库容和径流呈单调递增趋势但是增长速度逐渐减缓满足边际效益递减规律 这是由于汛期 月径流丰富锦屏一级水电站的装机容量有限且光伏出力占用一定的输送通道容量在水库的余留库容较高而余留期径流较丰时可能导致余留期弃水降低了单位水量的余留期效益另外锦屏一级水库在主汛期承担防洪任务需要满足防洪限制水位要求余留库容过高、径流太大会增加余留期的弃水量降低单位水量的边际价值 由图()、图()可见无论是枯期还是汛期余留期效益近似函数受光伏出力的影响很小余留期效益基本呈一条平线这是由于光伏出力在月尺度的波动性较小相对稳定并且各月的变异系数(样本标准差与平均值之比)均在.以下 综上余留期效益近似函数在月尺度上主要受余留库容、径流影响受光伏出力的影响较小.方案对比分析设置 种对比方案分析随机优化调度方法的适用性 常规调度方案:考虑到长期径流、光伏预报的精度较低且预见期有限的前提条件水电站水库调度规范规定编制水电站年发电计划常用保证率为 的径流过程作为模型初始假定 ()余留期效益随余留库容变化()余留期效益随径流变化()余留期效益随光伏出力变化图 月末余留期效益近似函数投影.()余留期效益随余留库容变化()余留期效益随径流变化()余留期效益随光伏出力变化图 月末余留期效益近似函数投影.径流输入随着时间推移逐月更新径流输入本研究采用保证率为 的径流、光伏出力序列作为模型初始假定输入以互补系统发电量最大为优化准则采用 制定长期发电计划 优化调度方案:将某年完整的径流、光伏出力序列作为模型输入以互补系统发电量最大为优化准则采用 制定长期发电计划 该发电计划的发电效益为当年输入序列条件下的理论最大发电效益因此该方案用于检验两阶段调度方案的有效性 两阶段调度方案:采用基于余留期效益函数的水光互补随机优化调度方法制定互补系统的发电计划 基于 推求余留期效益近似函数根据径流、光伏出力逐月的预测数据通过水光互补系统两阶段决策模型滚动向前决策从而制定长期发电计划采用多年平均发电量和多年平均弃水量评价 种调度方案的发电效益并采用超过率指标评价两阶段调度方案相较于常规调度方案的优越性超过率为优化调度方案、两阶段调度方案的年平均发电量优于常规调度方案的年份数占比 表 为不同方案调度效益评价结果可以看出无论是率定期还是检验期常规调度方案的综合效益最差两阶段调度方案次之优化调度方案最优 两阶段调度方案在所需调度信息相对较少的情况下综合效益与优化调度方案相差较小多年平均发电量在率定期、检验期分别只少了.亿、.亿 约占其效益的.相较于常规调度方案多年平均发电量在率定期、检验期分别增加了.亿、.亿 并且采用两阶段调度方案的超过率达 以上即在大部分情况下两阶段调度方案综合效益比常规调度方案更优因此在径流、光伏出力预报信息相对较少的情况下采用两阶段调度方案能有效指导水光互补系统的长期调度运行表 不同方案调度效益评价结果 调度方案多年平均发电量/亿 多年平均弃水量/亿 超过率/率定期检验期率定期检验期率定期 检验期常规调度.优化调度.两阶段调度.图 为水光互补系统的多年平均弃水流量和水位过程 由图 可见常规调度发电效益低是因为其根据规范将发电保证率为 的径流、光伏出力过程假定为模型输入随着时间推移逐月更新模型输入对余留期的能量输入估计偏于保守为了兼顾水光互补系统的余留期效益水库处于较高水位运行使得水量利用不充分极易使水库在主汛期造成大量弃水减弱了水库的调蓄作用降低了单位水量的效益 而两阶段调度方案采用基于余留期效益近似函数的水光互补两阶段决策模型滚动决策长期发电计划余留期效益近似函数能够反映余留期的最优期望效益可避免对余留期径流、光伏出力序列的假定基于当前时段径流、光伏出力的预报信息通过水库的调蓄作用增加水库在枯期的发电量同时增加水库在汛期的存蓄能力降低了水库在主汛期的弃水流量增加了单位水量的效益从检验期中选取 年、年、年 个典型年进行具体分析验证随机优化调度方法的合理性和有效性其中 年属于特丰水年份年的年平均来水接近保证率 属于平水年份 年属于特枯水年份 图 为 个典型年的调度过程表 为 个典型年的发电量、弃水量统计结 果 由图()()可见当实际径流远大于 保证率的径流时常规调度方案假定的余留期径流过程较实际的径流过程偏低水库水位一直处于高水平运行不能及时腾空库容导致枯期互补系统发电量低汛期加剧水光通道竞争产生大量弃水尤其在 月水光竞争关系最为剧烈最终使得发电量低于两阶段调度方案弃水量高于两阶段调度方案由图 ()()可见当实际径流接近于 保证率的径流时虽然 年的年平均来水量与 保证率的典型年相差不大但是两年的径流序列、光 ()多年平均弃水流量过程 ()多年平均水位过程图 多年平均弃水流量和水位过程.()年常规调度()年优化调度()年两阶段调度()年常规调度()年优化调度()年两阶段调度()年常规调度()年优化调度()年两阶段调度图 个典型年的调度过程.伏出力序列相差较大常规调度方案相较于优化调度方案、两阶段调度方案水库水位处于高水位运行在 月水光通道竞争激烈产生了更多弃水不利于光伏能源的消纳 由图 ()()可见当实际径流远低于 保证率的径流时常规调度方案假定的余留期径流过程较实际的径流过程偏高水库过早地降低了其运行水位损失了水头效益同时余留期的径流不足又导致汛期不能满发多发最终导致发电量低于两阶段调度方案 两阶段调度方案相较于优化调度方案其所得的余留期效益近似函数表示余留期的最优期望效益当其应用于具体某一年时仅能达到相对较优因此两阶段调度方案的综合效益略低于优化调度方案表 个典型年的效益评价 调度方案年发电量/亿 年弃水量/亿 年 年 年 年 年 年常规调度.优化调度.两阶段调度.综上所述在大部分情况下两阶段调度方案的运行效益要优于常规调度方案并且两阶段调度方案的运行效益仅略低于优化调度方案 在径流、光伏出力预报信息相对较小的条件下采用基于余留期效益函数近似的水光互补随机优化调度方法能有效指导水光互补系统的长期调度运行 结 论.余留期效益近似函数随着水库的余留库容、径流单调递增并且随着调度时段从枯期进入汛期函数也逐渐从线性曲面变为凸曲面而由于光伏出力在月尺度的波动性较小余留期效益近似函数在长期尺度上受光伏出力的影响较小.将保证率的径流、光伏出力序列作为模型初始假定输入的常规调度方案由于需要假定余留期的径流、光伏出力序列当实际径流、光伏出力序列偏高时水库水位处于高水位运行导致枯期发电量低汛期大量弃水当实际径流、光伏出力序列偏低时水库过早降低了其运行水位降低了水头效益.相较于常规调度方案两阶段调度方案的多年平均发电量在率定期、检验期分别增加了.亿、.亿且与将全年径流、光伏出力序列视为已知的确定性优化调度方案的多年平均发电量相差不大.在径流、光伏出力预报信息相对较小的条件下采用基于余留期效益函数近似的水光互补随机优化调度方法能有效指导水光互补系统的长期调度运行参考文献:谭乔凤聂状闻昕等.大规模风光接入下梯级水电站调度方式研究.水力发电学报():.(.():.()黄显峰颜山凯李大成等.对水电效益影响最小的水光互补运行方式研究.水利水电科技进展():.(.():.()井志强王义民王学斌等.水风光多能互补运行中多主体损益关系分析.水力发电学报():.(.():.()李耀华孔力.发展太阳能和风能发电技术 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