风-光-抽水蓄能联合互补发电系统研究.pdf
第 4 3卷 第 l 1 期 2 0 1 7年 l 1月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i n e Aut o ma fio n Vo 1 . 4 3 NO .1 1 NO V . 2 Ol 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 1 0 0 8 0 0 6 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 7 . 1 1 . 0 1 6 风一 光一 抽水蓄能联合互 补发电系统研究 温 颖 , 吴 胜 磊 中国矿业大学 电气与动力工程学院 , 江苏 徐州 2 2 1 】 1 6 摘要 针对废旧地下矿井极易造成地表塌陷、 水土流失的问题 , 提 出将 井下相应 区域 改造成抽 水蓄能电 站 , 进 而与 风一 光 互补 系统 结合 , 建 立风一光~ 抽 水蓄 能联合 互补 发 电 系统 。 以跟 踪 负荷 曲线 和 系统 出力 波动 性最小为优化 目标 , 分别对风力发 电、 光伏发 电和抽水蓄能电站建立 出力数 学模型, 并在 考虑风一 光 互补特 性 、 电网传输功率等约束条件下, 利 用改进粒子群算法对模型进行 求解。算例仿真结果验证 了所建模型可以 很好地跟踪优化 目标 , 有效解决了新能源并网时的功率波动和消纳问题 。 关键 词 矿 井改 造 ;风一 光 互补 ; 抽 水 蓄能 ; 联 合 互补 发 电 ;改进 粒子群 算法 中图分类 号 T D6 1 1 文献 标 志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 7 1 O 一 2 7 O 9 2 6 网络 出版地 址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 O 1 7 1 O 2 7 . 0 9 2 6 . 0 1 6 . h t ml S t u dy o n wi n d l i g ht pu mpe d s t o r a g e c o mbi n e d c o mpl e me n t a r y p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m W EN Yi ng. W U She ngl e i Sc ho ol o f El e c t r i c a l a nd Po we r Eng i ne e r i ng, Ch i na U n i ve r s i t y of M i ni n g a nd Te c h no l og y Xu z h ou 22 11 l 6. Chi na Ab s t r a c t I n v i e w of pr o bl e ms t h a t wa s t e mi ne c a n e a s i l y c a us e s u r f a c e s ub s i de n c e a nd s o i l e r os i o n,t he p a pe r pr o po s e d t o t r a ns f o r m c o r r e s po nd i n g un de r g r ou nd a r e a i nt o pu m p e d s t o r a ge po we r s t a t i o n,a nd t he n c o m b i ne d wi t h wi nd l i g ht c o m p l e me nt a r y s y s t e m t o e s t a bl i s h wi n d l i ght pu m p e d s t o r a ge c o m bi n e d c o m p l e m e nt a r y p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m .Tr a c ki n g l oa d c ur v e a nd m i n i m i z i n g s y s t e m o ut put v o l a t i l i t y a r e t a ke n a s t h e opt i m i z a t i o n t a r ge t t o e s t a b l i s h ou t pu t ma t he m a t i c a l mo de l s o f w i nd po we r g e ne r a t i o n, p ho t o vo l t a i c po we r ge n e r a t i on a n d pu mpe d s t o r a ge po we r s t a t i on s.I mpr o ve d p a r t i c l e s wa r m o pt i m i z a t i on a l g o r i t hm i s u s e d t o s o l ve t he mo de l s un de r t h e c o ns t r a i n t c o nd i t i o n o f c o ns i de r i n g wi n d l i ght c o m pl e m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c s a nd po we r t r an s mi s s i o n p o we r .The s i m u l a t i on r e s ul t s s h o w t ha t t h e mod e l s c a n be us e d t o t r a c k t he o pt i m i z a t i o n t a r ge t , a n d e f f e c t i v e l y s ol v e t he pr ob l e m o f po we r f l uc t u a t i o n a nd c on s u m p t i o n whe n t h e ne w e ne r gy i s c o nne c t e d. Ke y wo r d s mi n e r e c o ns t r u c t i on; wi nd l i g ht c o m p l e me nt a r y;pu m p e d s t or a ge; c omb i n e d c o m p l e m e nt a r y po we r ge n e r a t i o n;i mpr o ve d pa r t i c l e s wa r m o pt i m i z a t i o n a l go r i t hm 0 引言 我 困矿 产 资 源 十分 丰 富 , 但 是 由于资 源 过 度 开 采 、 设备陈旧、 技术落后等问题 , 一些地下矿井被废 弃, 既浪费了土地资源 , 又极易造成地表塌 陷、 水土 流失等 问题 。将废 旧地下 矿井改造成 抽水蓄 能电 站 , 与地 面 的风 一 光 互 补 发 电 系统 相 结 合 , 组 成 风 一 光一 抽水蓄能联合互补发 电系统 , 可 以有效解决 上 述 问题 。风 一 光 互 补 发 电 系 统 克 服 了风 、 光 资 源 的 间歇性 、 随 机性 缺点 , 充 分利 用两 者在 时 间分 布上 的 收稿 日期 2 0 l 7 o 6 1 4 ; 修 回日期 2 o 1 7 0 8 1 6 ; 责任 编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 5 0 4 2 5 3 ; 江苏省 自然科学基金项 目 B K2 0 l 6 1 1 8 5 。 作者简介 温颖 1 9 9 0 一 , 女 , 山东菏泽人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为智能电网和新能源并网优化 , E ma i l l 0 7 8 2 5 3 2 8 3 q q . c o rn。 引用格式 温颖 , 吴胜磊. 风一光一抽水蓄能联合互补发电系统研究r 门. _ r 矿 自动 化, 2 0 1 7 , 4 3 1 1 8 0 8 5 . WEN Yi n g , wu S h e n g l e i . S t u d y o n wi n d l i g h t p u mp e d s t o r a g e c o mb i n e d c o mp l e me n t a r y p o we r g e n e r a t i o n s y s l e m[ J ] . I n d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n, 2 01 7. 4 3 8 0 8 5 . 2 0 1 7年第 1 1 期 温颖等 风一 光一 抽水蓄能联合互补发 电系统研 究 8 1 互补性 , 能够稳定、 可靠地输出电能 , 减少并网时对 电网的冲击[ 1 ] 。但该系统发电量 多且不易储存 , 抽 水蓄能 电站可借助水泵抽水过程将多余电能储存起 来 , 在发 电量不足的时候 , 通过水轮机放水过程补充 电能 , 具有灵活 、 可靠、 环保等优点 ] 。 目前 , 将地下废旧矿井改造成抽水蓄能 电站的 相关研究不多 , 大多是将地表抽水蓄能 电站作 为储 能装置 , 且系统优化研究 多以成本最小和收益最大 为 目标 , 较少考虑跟踪负荷优劣情况 。如文献[ 3 ] 选 取风一 光一 蓄系统总成本最小为 目标函数 , 根据供电 可靠性约束和入 网功率波动约束进行分时段优化 。 文献E 4 ] 建立 了风一 光一 抽水蓄能复合 系统模型 , 并 在 Vc 2 0 0 8开 发环 境 下 对模 型进 行 了仿 真 。文 献E 5 ] 研究 了以抽水蓄能 电站为储 能装 置的风一 光 互补系统容量优化配置 , 提 出一种变步长循环离散 算法 , 并利用 HO ME R优化 软件 工具进 行仿 真分 析。文献E 6 ] 研究 了抽水蓄能 电站容量优化配置 的 仿真模型, 采用改进粒子群算法 , 以系统经济收益最 大化为 目标对模型进行求解。 基于上述研究 , 本文首先介绍 了利用废旧矿井 改造 的地下抽水蓄能电站 , 建立风一 光一 抽水蓄能联 合互补发 电系统模型 , 以抽水蓄能 、 电网传输功率、 跟踪调度 曲线等作为约束条件 , 得到风一光互补 出 力波动最小及跟踪负荷曲线优化 配置模型 ; 然后利 用改进粒子群算法 对优化模型进行求解 ; 最后对系 统模型进行仿真和计算 , 验证其有效性和合理性 。 1 系统 结构 地下抽水蓄能电站的建造过程充分利用原有井 下空间 , 不需重新开凿和消耗地表土地资源 。上 、 下 水库分别被安置在原矿井的巷道群和采空区, 水泵、 水轮机和发 电机仍置 于原矿井 机房 , 如 图 1所 示。 只需 在原 有废 旧矿 井 的基 础 上 进 行 相 应 改 造 、 调 整 和封固, 即可建成稳定 、 通畅的水库空间和动力系统 空 间 。经 改造 后 的井 下 空 间稳 定 性 增 加 , 不 仅 避 免 了封井后可能出现的地表塌 陷问题 , 也避免 了后续 可 能 引起 的水 污染 问题 。 风一 光一 抽水蓄能联合互 补发 电系统包括风力 发 电机、 光伏阵列、 水泵、 水轮机、 逆变器和控制器 , 如图 2所示。风力发电系统和光伏发 电系统分别将 风能与太 阳能转换 成电能 ; 水泵将下水库 的水抽至 上水库 , 储存 电能 ; 水 轮机将上水 库的水放 至下水 库 , 释放电能 ; 逆变器将光伏发电系统发出的直流 电 转换成交流电; 控制器根据风速 和 日照 的变化调整 输 出端工作状态 , 以保证系统稳定运行。 电网 图 1 地下抽水蓄能 电站 F i g . 1 Un d e r g r o u n d p u m p e d s t o r a g e p o we r s t a t i o n 图 2 风 一 光 一 抽 水蓄能联合互补发 电系统结构 Fi g . 2 S t r u c t u r e o f wi n d l i g h t p u mp e d - s t o r a g e c o mb i n e d c o mp l e me n t a r y p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m 通过 调 节 地 下 抽 水 蓄 能 电站 的储 发 状 态 和 能 力 , 使系统总出力尽量满足负荷所 需。外部电网可 通过公共连接点与系统进行功率传输, 使系统 出力 曲线有效地跟踪负荷 曲线 , 提高系统对新能源的消 纳 能力 。 2 系统模 型 2 . 1 风 力 出 力 模 型 对风 电机组来说 , 实测风速与轴毂 的高度成指 数变化, 计算风 电出力时需将实测风速转换成 风力 发 电机 轴 毂处风 速 , 转换 公式 为 式中 为实测风速 ; L 为任意高度 ; 为 L 高度 处毂轮的风速 ; L为实际毂轮 高度 ; 口为转换 指数 , 取值范围为0 . 1 2 5 ~O . 5 。 风力机组输 出功率 P 受风速变化影响, 其计算 公式为 f 0 ,0≤ ≤ , ≥ I P f J P , 2 I ‘ “一 b 【 P , ≤ a时 , 粒子的更新速度和位置分别为 V 一 a l r a n d 1 P{ 一 x a 2 r a n d 2 G } 一 X 2 5 x 一 x 2 6 4 算 例 选择装机容量分别为 1 5 0 MW 的风力发 电站、 5 0 MW 的光伏发 电站 和 4 0 Mw 的抽水蓄能 电站 构成风~ 光一 抽水 蓄能联合互补发 电系统进行仿 真 研究。负荷根据 日负荷曲线 等比例缩小 , 调度周期 为 1 d , 分为 2 4个时段 。某地某天风速 、 光照辐射数 据 见表 1 。 8 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 表 1 某天风速 、 光照辐射数据 Ta bl e l W i nd s p e e d an d l i g ht r a di a t i o n da t a o f s o me whe r e a c e r t a i n da y NN/ 光照辐射/ g t N/ 光照辐射 H m .s k W.m z H 段 m .S 1 k W.m l 8 . 5 2 7 0 1 3 8 . 5 2 7 0 . 3 0 2 9 2 8 . 45 3 0 1 4 8 . 4 5 3 0 . 31 0 3 3 8 . 3 8 9 0 1 5 8 . 3 8 9 0 . 27 4 9 4 8 . 1 1 6 0 l 6 8 . 1 1 6 0 .1 6 9 4 5 7 . 28 7 0 l 7 7 . 2 8 7 0 .1 0 7 3 6 6 . 97 9 0 】 8 6 . 9 7 9 0 . 0 4 4 2 7 6 . 01 2 0 1 9 6 . 0 1 2 0 . 01 2 4 8 6 . 4 5 8 0 . 0 2 2 9 2 0 6 . 4 5 8 0 9 6 . 0 3 4 0 . 0 8 3 8 2】 6 . 0 3 4 0 1 0 4 . 6 8 7 0 .1 8 1 8 2 2 4 . 6 8 7 0 1 1 4 . 5 8 3 0 . 2 3 5 8 2 3 4 . 5 8 3 0 l 2 4 . 5 7 3 0 . 2 9 5 9 2 4 4 . 5 7 3 0 参 考 相 关 资 料 , 根 据 仿 真 软 件 模 拟 分 析 得 到 1 d的风 电出力 P r 、 光 电 出力 P 、 抽 水 蓄能 出力 P 和负荷 P 。 的分布曲线 , 如图 4 所示 。 一风电出力 ≥ 糌 嚣 图 4风 一光 一抽 水 蓄 能 出 力 曲线 及 负 荷 曲线 Fi g . d Ou t p u t c u r v e a n d l o a d c u r v e o f wi n d l i g h t p ump e d s t o r a ge 由图 4可 见 , 风 力 机 组 全 天 发 电 , 中 午 出力 最 小 , 输 出 功 率 波 动 很 大 ; 光 伏 阵 列 只 在 0 6 3 0 一 l 9 2 O 发 电 , 中午 出力 最 大 ; 二 者 在 时 间分 布 上具 有 互补 特性 。 系统 出 力 曲 线 和 电 网 功 率 交 换 曲 线 如 图 5 所示 。 由图 5可知 , 风一 光 互 补 出力 的峰 谷 差 比风 、 光 单独 出力的峰谷差小 , 但 是互补 出力 的波动性仍然 很 大 , 在 并 网 时 仍 会 对 电 网 造 成 较 大 冲 击 。此 外 , 风 ~ 光 互 补 出力 曲线 不 能 跟 踪 负 荷 曲线 , 很 多 时段 无 法 满足 负荷 需求 。 在风 一 光 互 补 出力 较 大 时 , 抽 水 蓄 能 电站 工 作 在抽水状态进行储能 , 若还有剩余出力 , 则联合互补 图 5 系统 出力 曲线 和电网功率交换 曲线 Fi g.5 Sys t e m out p ut c ur ve a nd g r i d p owe r e x c ha n ge c ur ve 发电系统 向电网传输 功率 。在风一光 出力较小 时, 抽水蓄能 电站工作在放水状态进行发 电, 若还是无 法满足负荷需求 , 则电网 向联合互补发 电系统传输 功 率 。 风一 光~ 抽水蓄能联合互补发 电系统 出力和负 荷 曲线 如 图 6所 示 。 图 6系 统 出 力 曲线 和 负 荷 曲线 Fi g .6 Sys t e m ou t p ut c ur v e a nd l o ad c ur ve 从 图 6可 看 出 , 风 一 光 一 抽 水 蓄能 联 合互 补 发 电 系统出力波动较小 , 减小 了风 一 光并 网时对 电网造 成的冲击 , 且系统出力曲线走 向与负荷 曲线走 向基 本一 致 , 跟 踪 负荷 曲线 效果 理想 。 5 结 论 1 提 出 将 废 旧矿 井 改 造 成 地 下 抽 水 蓄 能 电 站 , 建立风一 光一抽水 蓄能联合互 补发电系统模型 , 提高 了空间和设备的重复利用率 , 充分利用 了风能 和太 阳能 的互 补 特性 。 2 在 风 一 光 出力 充 足时 , 抽水 蓄 能 电站将 多余 电能转换 为 水 能 存 储 起 来 , 充 当储 能 装 置 作 用 ; 在 风一 光 出力不足时 , 抽水蓄能 电站放水发电 , 充当备 用电源作用 。这种机制提高了系统调节 出力的灵活 性及其对新能源的消纳能力和风一 光并网穿透率 。 3 以跟踪负荷 曲线和系统出力波动最小为优 化 目标 , 采用 改 进粒 子群 算法 对 系统模 型 进行 分 析 , 利用仿真软件对算例进行计算研究 , 验证 了本文设 置 的 目标 函数 的合 理 性 和 改 进 算 法 的有 效性 , 也 证 明了改 造废 旧矿井 并 将 其 用 于 风 一光 一抽 水 蓄 能 联 合 互 补发 电系 统 的可行 性 。 2 0 1 7年 第 1 1期 温颖等 风 一 光一 抽 水蓄 能联 合互补 发 电 系统研 究 8 5 参考 文献 R e f e r e n c e s [1] 谢 和平 , 侯正猛 , 高峰 , 等.煤矿井 下抽水 蓄能发 电新 技术 原理 、 现状 及展望E J ] .煤炭 学报 , 2 0 1 5 , 4 0 5 965 9 72 . 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