风电、光伏与抽水蓄能电站互补调度运行研究附Matlab代码

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于 2025-06-27 10:10:18 发布

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🔥 内容介绍

在全球积极推进能源转型、大力倡导可持续发展的时代背景下，风能与太阳能凭借其清洁、丰富、可再生的显著特性，在能源领域的地位愈发关键，成为各国能源发展战略的核心组成部分。随着风电和光伏装机规模的迅猛扩张，其在电力供应体系中的占比持续攀升，为能源结构的绿色低碳转型注入强大动力。然而，风电与光伏与生俱来的间歇性、波动性和随机性，给电力系统的稳定、可靠运行带来前所未有的严峻挑战。例如，风电出力常因风速的突然变化而大幅波动，光伏则会因云层遮挡等天气因素，瞬间出现功率骤降，这些不稳定特性严重影响了电力供应的质量与稳定性。

抽水蓄能电站作为一种技术成熟、应用广泛的大规模储能手段，在应对风电、光伏并网难题方面展现出独特优势。它通过在电力负荷低谷时段将电能转化为水的势能存储起来，在负荷高峰或新能源出力不足时，再将势能转化为电能释放回电网，起到 “削峰填谷” 的关键作用。风电、光伏与抽水蓄能电站的互补调度运行，正是利用三者的特性差异，通过科学、合理的协同调度策略，实现能源的高效利用与电力系统的平稳运行，已成为破解新能源消纳困境、推动能源可持续发展的核心路径。

二、风电、光伏与抽水蓄能电站特性分析

（一）风电特性

出力波动性：风速的不稳定直接导致风电出力呈现显著的波动性。在短时间内，风速可能因复杂地形、气象条件突变等因素大幅波动，使得风力发电机的输出功率随之急剧变化。据统计，在一些山区或沿海地区，风电出力在数分钟内的波动幅度可达装机容量的 30% - 50%，这对电网的稳定运行造成极大冲击。

间歇性：当风速低于切入风速或高于切出风速时，风力发电机无法正常工作，导致风电出力中断。此外，季节性的风力资源变化也较为明显，部分地区在特定季节风力较弱，风电发电量大幅减少。例如，在我国某些内陆地区，夏季风速相对较低，风电出力远低于春秋季节。

反调峰特性：风电出力在夜间（尤其是凌晨前后）通常达到高峰，而此时正是用电负荷低谷期；白天用电高峰时段，风电出力往往较低。这种反调峰特性与电网的负荷需求规律相悖，进一步增加了电网调度的难度。

（二）光伏特性

光照依赖性：光伏发电高度依赖光照强度与时长，具有明显的日周期性。白天阳光充足时，光伏板输出功率较高，在正午时分达到峰值；随着太阳落山，光照强度迅速减弱，光伏出力在傍晚降为零。日内波动幅度可达装机容量的 100%，其出力曲线与用电负荷曲线并不完全匹配。

天气敏感性：云层、阴雨、沙尘等天气状况对光伏发电影响巨大。即使在白天，一片乌云飘过遮挡阳光，都可能使光伏电站的输出功率瞬间下降 50% - 80% 。在连续阴雨天气下，光伏发电甚至可能长时间处于极低水平，严重影响电力供应的稳定性。

（三）抽水蓄能电站特性

双向调节能力：抽水蓄能电站具备发电和抽水两种运行模式，可灵活实现电能与势能的双向转换。在电力负荷低谷期，利用过剩电能将下水库的水抽到上水库储存，此时作为电力负荷消耗电能；在负荷高峰期或新能源出力不足时，将上水库的水放至下水库发电，向电网注入电能。其日循环效率通常可达 75% 左右，能够有效调节电力供需平衡。

快速响应特性：抽水蓄能机组的启动、停止速度快，从静止状态到满负荷发电或抽水，仅需 2 - 3 分钟。这一快速响应特性使其能够迅速对风电、光伏的出力波动做出反应，及时平抑功率波动，保障电网频率和电压稳定。例如，当风电因风速突变出现功率骤降时，抽水蓄能电站可在极短时间内增加发电出力，弥补电力缺口。

大容量储能：抽水蓄能电站通常具有较大的储能容量，可存储大量电能。通过合理规划水库库容与装机规模，能够实现对风电、光伏过剩电力的长时间存储，在需要时持续、稳定地向电网供电，提升电力系统的调峰、调频和备用能力。

三、互补调度运行的目标与意义

（一）平抑新能源出力波动

通过抽水蓄能电站的实时调节，将风电、光伏不稳定的随机功率转化为相对稳定的输出。在风电、光伏出力过高时，抽水蓄能电站抽水储能，吸收多余电能；在出力过低时，放水发电补充电力，有效抑制功率波动，降低对电网的冲击，保障电能质量。例如，某地区在引入抽水蓄能电站参与风电、光伏互补调度后，风电和光伏出力的波动标准差降低了约 40%，电网电压波动明显减小。

（二）提高新能源消纳率

抽水蓄能电站能够缓解风电、光伏出力与用电负荷在时间和空间上的错配问题。将新能源发电高峰期的过剩电能存储起来，在发电低谷期或用电需求高峰时释放，减少弃风、弃光现象，提高新能源在电力系统中的并网消纳比例。据研究，在一些新能源资源丰富但消纳困难的地区，通过实施风电、光伏与抽水蓄能互补调度，弃风弃光率可降低 10% - 20% 。

（三）增强系统调频调峰能力

风电和光伏的弱惯性特性使其在电网频率调节方面作用有限。抽水蓄能电站凭借快速响应和强大的惯性支撑能力，可有效参与电网的调频、调峰。在电网频率波动时，迅速调整发电或抽水功率，维持频率稳定；在负荷高峰低谷变化时，及时切换运行模式，满足电网的调峰需求。以某区域电网为例，在加入抽水蓄能电站参与调度后，系统的频率偏差范围缩小了 30%，负荷峰谷差得到有效缓解。

（四）优化系统经济性

减少火电机组的频繁启停和深度调峰，降低燃料消耗与设备磨损，节约运行成本。同时，抽水蓄能电站参与辅助服务市场，通过提供调频、备用等服务获取收益，提升电力系统整体的经济性。例如，某电网通过优化风电、光伏与抽水蓄能的互补调度，每年可节省火电机组燃料成本数千万元，抽水蓄能电站辅助服务收益也相当可观。

四、互补调度运行策略与方法

（一）中长期调度策略

资源预测与规划：结合历史气象数据、地理信息以及数值天气预报模型，对风电、光伏的长期出力进行精准预测。同时，考虑水库的水位变化、来水情况等因素，制定抽水蓄能电站的中长期水库调度计划。根据预测结果，合理安排风电、光伏的发电计划与抽水蓄能电站的储能、发电任务，实现能源资源的优化配置。例如，通过对未来一周的风电、光伏出力预测，提前规划抽水蓄能电站的充放电时段与容量，确保系统稳定运行。

容量优化配置：综合考虑风电、光伏的装机规模、出力特性、当地用电负荷需求以及抽水蓄能电站的建设成本、运行效率等因素，运用优化算法确定三者的最佳容量配比。例如，采用遗传算法、粒子群优化算法等，以系统运行成本最低、新能源消纳率最高等为目标函数，求解出风电、光伏与抽水蓄能电站的最优容量组合，提高系统的整体效益。

（二）短期调度策略

实时监测与反馈：利用先进的监测技术与通信系统，对风电、光伏的实时出力、电网负荷变化以及抽水蓄能电站的运行状态进行实时监测。将监测数据实时传输至调度中心，通过数据分析与处理，及时发现系统运行中的异常情况与潜在风险。例如，当风电出力突然大幅下降时，监测系统迅速捕捉到这一变化，并将信息反馈给调度中心。

滚动优化调度：根据实时监测数据，以 15 分钟、30 分钟或 1 小时为时间间隔，对风电、光伏与抽水蓄能电站的出力进行滚动优化调度。考虑当前时刻的系统状态、预测的未来时段风电、光伏出力以及负荷变化趋势，动态调整抽水蓄能电站的运行模式与出力，确保系统始终处于最优运行状态。例如，每隔 30 分钟重新计算一次调度方案，根据最新的新能源出力预测和负荷变化，优化抽水蓄能电站的充放电计划。

（三）控制方法

功率协调控制：通过建立功率协调控制模型，实现风电、光伏与抽水蓄能电站之间的功率平衡与协同控制。根据电网的功率需求指令，合理分配风电、光伏与抽水蓄能电站的发电任务，确保系统输出功率稳定且满足负荷需求。例如，当电网负荷增加时，优先增加风电、光伏的发电出力，若仍无法满足需求，则启动抽水蓄能电站发电，同时根据新能源出力情况动态调整抽水蓄能电站的出力大小。

储能控制策略：针对抽水蓄能电站的储能特性，制定科学的充放电控制策略。考虑储能系统的荷电状态（SOC）、充放电效率、寿命等因素，优化充放电时机与功率。例如，在 SOC 较低且风电、光伏出力过剩时，优先进行充电；在 SOC 较高且电网负荷高峰或新能源出力不足时，进行放电。同时，通过控制充放电速率，延长储能系统的使用寿命。

五、案例分析

（一）案例一：某地区大规模风电、光伏与抽水蓄能互补项目

项目概况：该地区拥有丰富的风能和太阳能资源，建设了总装机容量达 [X] MW 的风电场和 [X] MW 的光伏电站。配套建设了一座装机容量为 [X] MW 的抽水蓄能电站，上水库库容为 [X] 万立方米，下水库利用天然湖泊，通过输水管道和水泵水轮机实现电能与水能的转换。

调度运行情况：采用中长期与短期相结合的调度策略。在中长期调度中，根据气象预测和历史数据，制定年度、月度的风电、光伏发电计划以及抽水蓄能电站的水库调度方案。在短期调度中，利用实时监测系统，每 15 分钟对系统进行一次优化调度。当风电、光伏出力高于预测值且电网负荷较低时，抽水蓄能电站启动抽水工况，将多余电能储存起来；当风电、光伏出力不足或电网负荷高峰时，抽水蓄能电站迅速切换至发电工况，保障电力供应。

运行成效：通过互补调度运行，该地区弃风弃光率从实施前的 15% 降低至 5% 以下，新能源消纳率显著提高。电网的频率稳定性明显增强，频率偏差范围控制在 ±0.1Hz 以内。同时，火电机组的启停次数大幅减少，每年节约燃料成本约 [X] 万元，项目经济效益和社会效益显著。

（二）案例二：某海岛风电、光伏与小型抽水蓄能互补系统

项目概况：某海岛远离大陆，电力供应依赖传统柴油发电，成本高且环境污染大。为实现能源转型，该海岛建设了 [X] MW 的分布式风电、[X] MW 的屋顶光伏以及一座装机容量为 [X] MW 的小型抽水蓄能电站。抽水蓄能电站利用海岛的地形高差，建设了上、下两个小型水库，实现电能的存储与释放。

调度运行情况：由于海岛电网规模小、惯性弱，对电力稳定性要求极高。该互补系统采用基于实时监测的快速响应调度策略。通过安装在风电机组、光伏板和电网侧的传感器，实时采集数据并传输至智能控制系统。当风电或光伏出力出现波动时，智能控制系统在数秒内做出反应，调整抽水蓄能电站的运行模式，平抑功率波动。同时，根据海岛的用电负荷变化，优化风电、光伏与抽水蓄能电站的出力分配。