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​抽水蓄能优先调节调度模式对多能互补系统低碳经济运行的影响

【研究背景】
为应对气候变化，利用以风、光为代表的新能源将助力各国“碳中和”目标的实现。然而，不稳定的风电和光伏等新能源大规模并网，会给电网的可靠运行带来巨大影响，使用大容量、长时间的灵活储能是提高电网的新能源消纳能力的关键手段。而抽水蓄能是一种技术和经济性能俱佳的大规模储能技术，我国计划开发814 GW的抽水蓄能资源，其中61.5 GW正在建设中（截至2021年底），410 GW被纳入中长期规划（图1）。然而，抽水蓄能电站如何与电网中绿色可调的常规水电站协同运行，以逐步代替火电的调节功能，进而减少化石能源消耗及碳排放呢？
图1. 我国已纳入规划的抽水蓄能站点资源
         
【工作介绍】
近日，武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室研究团队首先通过构建考虑碳排放和经济性的风-光-水-火-抽水蓄能多能互补系统优化调度模型；然后，提出一种抽水蓄能优先调节风、光的低碳-经济运行模式；最后，评估了抽水蓄能对多能互补系统及其子系统的影响，尤其是量化了抽水蓄能通过协同运行所减碳的效益。该工作以“Advantage of priority regulation of pumped storage for carbon-emission-oriented co-scheduling of hybrid energy system”为题发表在储能领域期刊Journal of Energy Storage上。论文第一作者为硕士生李旭东，通讯作者为杨威嘉副教授和赵志高副研究员，合作作者还包括殷秀兴教授、硕士生王冉。
         
【内容表述】
作者以多能互补系统经济成本最低和碳排放量最低为目标，在电量、水量等边界条件的约束下，构建小时尺度多能互补系统短期调度模型（图2）。然后，提出一种抽水蓄能优先调节的运行模式（S2），并与抽水蓄能未参与调节运行模式（S1）和常规水电优先调节运行模式（S3）对比。
图2. 风-光-水-火-抽水蓄能多能互补系统示意图
         
在假设风电、光伏全部并网的背景下，典型日仿真运行研究表明：（1）与S1运行模式对比，S2运行模式在更经济运行（成本降低2.09%）的条件下可以将多能互补系统的碳排放量降低1.54%）；（2）与S3运行模式相比，S2运行模式仍然较优。

为分析不同场景（如不同风/光出力、负荷）对仿真运行的影响，作者基于年度数据通过S2和S3运行模式进行仿真运行，研究表明：（1）较S3运行模式，S2运行模式日平均运行成本和碳排放量分别降低了0.84%和0.70%（图3）；（2）抽水蓄能的响应能力与净负荷（风/光并网后的剩余负荷）的波动性呈高相关性（图4、图5）。
图3. 4个季节日平均目标函数值和评价指标值
图4. 抽水蓄能响应与负荷波动的相关性（366天）。(a) 抽水蓄能日功率输出与净负荷变化的相关性，(b) 抽水蓄能日功率输出与净负荷最大峰谷差的相关性
图5. 抽水蓄能每小时运行情况及系统净负荷。(a) 抽水蓄能储能，(b) 抽水蓄能发电，(c) 净负荷(除去风、光)
         
【结论】
该工作提出了一种抽水蓄能优先调节的多能互补系统低碳-经济协同运行模型，该模型可同时优化多能互补系统及其子系统多性能目标，即可降低全系统的运行成本和碳排放量、子系统（常规水电、火电和抽水蓄能）的调节强度，模型和结果可为多能互补系统运行优化提供支撑。
         
Xudong Li, Weijia Yang*, Zhigao Zhao*, Ran Wang, Xiuxing Yin. Advantage of priority regulation of pumped storage for carbon-emission-oriented co-scheduling of hybrid energy system. Journal of Energy Storage. 2023.
https://doi.org/10.1016/j.est.2022.106400


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