基于云模型的水光互補清潔能源基地容量配置方案優選

黃顯峰,周引航,張啟凡,李大成,李 旭,吳 迪

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.武漢大學水利水電學院,湖北 武漢 430072;3.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081;4.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650214)

在“碳達峰”和“碳中和”的總體要求下,我國正積極推進多能互補的清潔能源基地建設,以逐步實現能源生產消費方式綠色低碳變革[1]。能源互補發電系統是清潔能源基地建設的重要內容之一。

能源互補發電系統是建立在能源資源互補特性之上的多能源混合發電系統,而配置互補系統容量的合理規模是達到綜合效益最大化的關鍵。朱燕梅等[2]以系統棄風光電量最小和接入的風光總規模最大為目標,建立了水光風互補發電系統容量優化模型,以計算水電站可接入的風光項目的最優比例和容量配置。李健華等[3]建立了以滿足互補和最大年收益率為目標的多能互補發電系統容量配置模型,提出了多能互補發電系統的容量配置規劃方法。王磊等[4]提出了一種基于雙層優化模型的風-光-儲互補發電系統優化配置方法,外層優化以互補發電系統年凈收益最大化為目標,內層優化以互補發電系統日出力波動率和日出力峰谷差最小化為目標。譚喬鳳等[5]系統研究了大規模風光接入背景下梯級水電站在長期、日前和實時尺度上的調度方式,彌補了風光預測不確定性導致的發電偏差,可提高供電可靠性。申建建等[6]提出水風光互補系統靈活性需求量化及協調優化模型,該模型能夠根據需求變化給出多類型電源互補調度方案?？梢?目前研究從優化配置方法、改進計算模型、增加約束條件等各方面對配置互補系統容量合理規模做了探索和嘗試,而提高能源互補利用率、保障系統送電性能穩定性等課題是研究中重要的一環。

水光互補是能源互補的主要形式之一。水資源與光資源具有非常明顯的時間互補特性,在水、光資源豐富的地區,基于資源空間的重合性以及時間上的互補性構建互補系統,可充分利用水電站已有送出線路通道和水電機組快速調節能力,將光伏發電和水電機組的電力聯合送出,提高線路通道利用率,減小光伏發電波動性的影響[7-9]?；パa系統能有效彌補獨立發電系統的不足,在往電網輸送更穩定、可靠電能的同時,合理利用空間以及共同的輸電設備,減少維護費用和投資,降低發電成本。明波等[10-11]考慮了水光互補系統光電的短期隨機波動性,提出了嵌套短期棄電風險的水光互補中長期優化調度方法,并對3種水光互補中長期隨機優化調度方法(隱隨機優化、顯隨機優化、參數-模擬-優化)進行了評估,可為中長期水光互補運行管理提供決策支持。梁藝繽等[12]為降低光伏出力波動性、提高水光互補系統的電量效益,研究了水光互補系統協調性和經濟性之間的關系,發現兩者呈現明顯的競爭關系。蔣萬梟等[13]建立了基于系統發電容量和備用容量耦合關系的兩階段優化模型,提出了容量確定方法。Yuan等[14]提出了一種包括典型場景分類、各場景下光伏流入量和發電量分析以及場景組合的場景分析技術,在此基礎上,構建優化模型確定了與水電站互補運行的光伏電站最優規模。上述研究對水光互補系統中的調度方案、容量確定方法等問題提出了優化思路,同時,為了減少互補過程中因系統棄水或棄光產生的電量損失,考慮了水光互補系統的多樣場景,得出互補效率高的容量配置方案。

在優選容量配置方案的過程中,需以綜合效益最優為目標,擬定多個水光互補清潔能源基地容量配置方案,最后在綜合比較分析后,優選出最合適的容量配置方案。因此需要構建一套評價指標體系,對不同容量配置方案進行綜合評價和優選。云模型[15]作為一種兼具模糊性與隨機性的評價工具,可以實現定量數據和定性概念之間的轉化。吳杰等[16]將云模型理論應用于儲能容量優化模型,從而確定了儲能系統的配置方案。何璞玉等[17]構建了水電外送競爭力評價指標體系,采用云模型對四川、云南和貴州的水電外送競爭力進行了分析研究。

本文結合云模型對水光互補系統容量配置方案進行評價,并以我國西南某清潔能源基地水光互補系統為實例進行分析。

1 容量配置方案評價指標體系

1.1 評價指標體系構建

水光互補清潔能源基地容量配置方案優選需要對多個方案進行評級,屬于多屬性決策問題,建立一套綜合評價指標體系和選取合適的指標是對容量配置方案進行有效評價的關鍵所在。

綜合評價指標體系的核心目標是容量配置方案的優選,基于核心目標可提出4個關鍵問題,即方案安全性是否合格,方案環保性是否達標,方案經濟性是否良好以及方案技術性是否合理,將這4個關鍵問題列為4個子系統,分析其內涵,進而提出各個子系統的評價指標,最后形成核心目標-子系統-評價指標的層次結構,得到水光互補清潔能源基地容量配置方案評價指標體系。

影響水光互補系統的因素眾多,依據國家發展改革委和國家能源局對于多能互補發展的指導意見,構建水光互補系統容量配置方案綜合評價指標體系需結合構建清潔低碳、安全高效的能源體系的目標與要求,綜合分析水光互補系統的影響因素,在選取指標的過程中遵循科學實用、系統客觀的原則,結合能源互補發電系統的發展現狀,既要兼顧定性與定量、獨立與典型,也要注意整個評價過程的可操作性[18]。因此,本文依據綜合評價指標體系的核心目標和4個子系統,參考屈小云等[19]梳理的評價指標,提出包含14個指標的容量配置方案評價指標體系如圖1所示。

圖1 容量配置方案評價指標體系

1.2 評價指標等級劃分標準

本文將容量配置方案的優劣分為4個等級,分別為優秀(Ⅰ)、良好(Ⅱ)、合格(Ⅲ)與不合格(Ⅳ),確定評價指標體系中各指標的等級標準和等級范圍,如表1所示。

表1 容量配置方案評價指標等級劃分標準

2 改進云模型評價方法

本文采用改進云模型方法對水光互補清潔能源基地容量配置方案進行評價,對云模型的改進表現在改變云模型中權重的計算方法。傳統云模型的權重處理方式為：依次使用云模型逆、正云發生器,根據初始權重模擬大量數據,取均值計算得到權重。初始權重一般來自專家意見,這使得經過云模型云發生器處理后得到的權重帶有較強的主觀性。而基于層次分析法改進的云模型計算得到的主觀權重,可以在一定程度上避免過大的主觀差異,使結果更為合理。計算得到主觀權重之后,再采用熵權法計算客觀權重,將主、客觀權重綜合賦權得到組合權重,最后將組合權重與云模型結合計算隸屬度,得到所需的評價結果[20]。

2.1 指標權重計算

a.改進云模型方法計算主觀權重。云模型可以根據初始權重,通過逆向云發生器求得3個特征值(期望、熵、超熵),再用正向云發生器補充云滴求得權重,其計算步驟[21-23]如下：①收集一定數量專家的評價意見,由層次分析法求得初始權重;②通過逆向云發生器求解3個特征值;③根據所求的3個特征值,用正向云發生器補充云滴,并基于最大隸屬度原則求得權重,并根據云滴計算正態隨機數和確定度;④對云滴取均值并進行歸一化處理,即可得到云模型主觀權重。

b.熵權法計算客觀權重。在信息論基本原理中,信息是系統有序程度的一個度量,熵是系統無序程度的一個度量。后來,熵被運用于多指標綜合評價中,因為某一個指標提供的信息量與該指標的信息熵成正比,所以熵值可作為指標在評價中重要程度的一個判斷,以此來確定其權重[18]。對于可查詢充足數據的綜合評價項目,熵權法可以提供客觀的依據,其計算步驟如下[24]：①根據已有的資料,將每個指標的樣本數據規范化,作為其特征比重;②計算每項指標的熵值和信息效用價值;③計算各指標權重。

c.計算組合權重。由上述兩種方法可分別計算主觀權重和客觀權重,兼顧了專家意見和客觀數據,既衡量了各指標在評價體系中的影響程度和重要性,又考慮了數據之間的關聯性,將二者進行綜合計算,可使所得結果更為合理。組合權重的計算公式如下[25]：

(1)

2.2 指標等級計算

指標等級采用云模型的X條件云發生器計算,其具體步驟如下[26-28]：①收集資料,得到評價目標的指標值,并確定評價指標等級標準;②計算各指標的3個特征值,并依據正、逆向指標分別求解各個指標在各等級下的隸屬度;③通過級別特征值的方法進行評價等級評判,最后得到整體評價等級。

2.3 改進云模型方法評價流程

改進云模型方法評價流程如圖2所示。

圖2 改進云模型方法評價流程

3 實例研究

3.1 工程概況

我國西南某清潔能源基地徑流豐沛穩定、落差大,水能資源豐富,規劃的梯級水電站建設條件較好,是我國尚待開發的大型水電能源基地之一,同時流域及周邊太陽能資源豐富,流域年日照時數在2200h左右,年總輻射量在5800～6700MJ/m2之間,穩定度為0.65,整個流域輻射量相對平均,規劃區域的太陽能資源屬于“很豐富至最豐富”等級,太陽能資源很穩定,適于進行太陽能資源的開發利用。流域干流河段河道長379km,落差約1080m,平均比降2.85‰,基本為峽谷河段。

通過水光互補可建成大型清潔能源基地,規劃清潔能源基地總規模約2000萬kW,多年平均發電量約570億kW·h。

在綜合考慮了清潔能源基地水力資源條件、水電站工程建設條件、光伏技術可開發規模、水光互補特性、輸電通道條件及受端負荷特性、光伏電站與換流站和水電站區位關系等因素后,選取了水電862萬、907萬、952.5萬、1000萬kW 4種規模,光伏1000萬、1100萬、1200萬、1400萬kW 4種規模,組合擬定了16種水光互補系統容量配置方案,如表2所示。

表2 水光互補系統容量配置方案 單位：萬kW

3.2 評價指標權重計算

由改進云模型方法求解得到子系統和評價指標的隸屬度分布如圖3和圖4所示。

圖3 容量配置方案子系統隸屬度

圖4 容量配置方案評價指標隸屬度

由圖3和圖4可知,各子系統和14個評價指標的模擬隸屬度均呈正態分布,通過求均值的方法可得各評價指標的云模型主觀權重,客觀權重可由熵權法計算得到,將上述主、客觀權重依據式(1)計算得到組合權重如表3所示。

表3 容量配置方案評價指標權重計算結果

3.3 評價等級計算

根據每個指標的指標值和評價指標等級劃分標準,通過條件云發生器可計算得到每個評價指標對應于各個等級的隸屬度,最后得到16個容量配置方案的等級評分如表4所示。

表4 容量配置方案云模型等級評分

3.4 評價結果分析

由表4等級評分可知,C3方案的等級評分最高,為89.81分,是這16種容量配置方案的推薦方案,這與該清潔能源基地最后選擇的規劃方案是相符的,證明了改進云模型方法適用于水光互補清潔能源基地容量配置方案評價。該方案各指標在對應評價等級下的隸屬度如表5所示。

表5 C3方案各子系統和評價指標不同評價等級隸屬度

由表5可知,基于最大隸屬度原則,C3方案的安全性、環保性、經濟性、技術性4個子系統的評價等級分別為良好、優秀、良好、良好,對此評價結果進行具體的分析如下：

a.在安全性子系統下,電力不足小時期望值占全年比重(x1)和最大負荷缺失深度占通道容量比重(x2)2個指標的評價等級均為良好,這說明由于發電不足導致受端負荷損失電量的平均值較低,且最嚴重的負荷缺失工況能夠在控制范圍之內,電力系統的可靠性較好,能夠按質按量、連續不斷地供應用戶所需電力,可見水光的互補性對于減少系統的棄電量十分有效。水庫蓄滿率(x3)指標的評價等級為優秀,對于年調節水庫,水庫能快速提高水頭并保證蓄滿,能更好地發揮發電效益,配合光伏消納,可為水光互補系統的協調提供重要保障。而削峰填谷率(x4)指標的評價等級僅為合格,這表明了互補系統對綜合出力削峰填谷的效果并不理想,導致電力系統的穩定性受影響,而這可能是由于水電機組和光伏發電的聯合出力尚未能有效削減峰谷差,需要在聯合出力的基礎上更好地發揮各自的優勢。方案的安全性指標直接反映了電力系統能否保持穩定的運行狀態,光伏發電具有間歇性和波動性,而水力發電機組的加入,可充分利用水力互補特性,有效降低發電量不足的概率、頻率和持續時間。

b.在環保性子系統下,水資源利用率(x5)和光伏消納率(x6)2個指標的評價等級均為優秀,證明了水光互補系統對水資源和光資源的利用效率均很高?，F階段電力系統大多存在棄風棄光的現象,水光聯合發電比單獨使用水力發電或光伏發電更能彌補由于能源間歇性帶來的損失,促進能源消納,提高自然資源的利用率,更好地發揮水光互補系統的環境效益。

c.在經濟性子系統下,費用年值占期望年值比重(x7)、基地單位電能投資(x8)、基地千瓦投資(x9)3個指標的評價等級分別為良好、合格、良好,這說明水光互補系統的電力競爭力較強,投資成本因水光聯合送電而降低。綜合上網電價(x10)指標的評價等級為良好,代表了基地的盈利能力較好,這是由于減少棄電的同時提高了送電質量和穩定性。投資貢獻GDP增長率(x11)指標的評價等級為良好,這說明基地不但有利于能源合理利用,而且能帶動當地經濟的發展。發電系統的經濟性是水光互補系統能否具有競爭性的決定因素之一,合適的收益會極大地促進水光互補系統的發展。

d.在技術性子系統下,水電有效利用小時數占全年比重(x12)、光伏有效利用小時數占全年比重(x13)、送出通道有效利用小時數占全年比重(x14)3個指標的評價等級分別為合格、合格、良好,這說明水電系統和光伏系統均未得到最大利用,而互補效果較為顯著,可以在滿足綜合出力要求的前提下,提高水電系統和光伏系統的利用水平。水光互補系統的技術問題也是需要關注的重要方面,應提升技術設備的利用效果,改善運行情況,有效地發揮效益。

綜上所述,C3方案在各個子系統下的評價結果都較好,充分發揮了能源互補的優勢,但仍需要關注和充分利用水光各自的特點。

3.5 集對分析法驗證

為了進一步驗證改進云模型方法評價結果的準確性,采用集對分析法[29]對水光互補清潔能源基地容量配置方案進行評價對比。由集對分析法得到的各方案等級評分如表6所示。

表6 容量配置方案集對分析等級評分

由表6可知,由于計算方法的不同,集對分析法得到的等級評分整體比改進云模型方法等級評分要低,但是評價結果與云模型一致： C3方案的等級評分最高。

由集對分析法計算得到的C3方案各指標在不同評價等級下的隸屬度可知,有1個指標的評價等級為優秀,8個指標的評價等級為良好,5個指標的評價等級為合格,整體情況與云模型相似。

相較于改進云模型方法,集對分析法由于計算公式的限制,其最高隸屬度通常只能到0.5,導致其在評價過程中隸屬度的分布不是十分準確。而改進云模型方法在計算過程中生成了大量云滴(即模擬了大量數據),能更精確地反映數字特征,但其邊界等級的標準有時會導致隸屬度的計算產生誤差。

4 結 語

對于水光互補系統而言,容量配置方案的優選是其重中之重,一個合理的容量配置方案可以體現兩種能源的互補特性,提高能源的利用率,在改善能源結構的同時發揮出最大的效益。本文構建了水光互補清潔能源基地容量配置方案評價指標體系,結合改進云模型方法對我國西南某清潔能源基地的16種初選方案進行了全面有效的評價,篩選出最合適的方案,并采用集對分析法加以驗證,得到了一致的結果,且與基地選擇的規劃方案相同,證明了云模型在水光互補系統容量配置方案評價中具有較好的適用性。

云模型兼具模糊性與隨機性的特點,實現了定量數據和定性概念之間的轉化,同時在計算過程中結合層次分析法進行改進,使得評價結果更加合理,將其應用于水光互補系統的容量配置方案評價,可使清潔能源基地取得最大的綜合效益。當然,在評價過程中,可以構建更加合適全面的評價指標體系,修正邊界等級的標準,以提高評價結果的準確性。