本发明公开了一种风‑光‑抽蓄‑海水淡化复合系统的能量管理方法，风‑光‑抽蓄‑海水淡化复合系统主要有四部分组成：风力发电部分、光伏发电部分、抽水蓄能电站、海水淡化系统，本发明的能量管理方法基于常规负荷大小、海水淡化机组负荷大小、用水需求量、可再生能源出力等因素确定剩余功率的大小，根据剩余功率的大小判断抽水蓄能机组是否满足运行条件，若抽水蓄能机组满足运行条件，进一步确定其运行工况。该方法可以有效弥补风力发电、光伏发电的随机性与不均匀性，能够克服对柴油机等传统能源方式的依赖，适用于海岛及偏远地区，可为解决海岛及偏远地区的用能、用水问题提供一种有效途径。
一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及可再生能源综合利用系统能量管理领域，特别是涉及一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法。
背景技术
[0002] 环境污染和能源紧缺是人类生存亟待解决的两大难题。在全球变暖的碳减排压力和化石能源不可持续的危机之下，世界各国以风能、太阳能为代表的可再生能源开发利用步伐日益加快。随着可再生新能源发电占比的不断提高，稳定发电出力波动、增强可调节性、改善电网消纳能力等面临巨大挑战。
[0003] 可再生能源发电系统的核心问题是解决发电出力与负荷的平衡问题。储能技术是消除可再生能源大规模开发利用瓶颈的关键技术，可弥补风电、光伏发光电的不可预测性，提高能源利用效率，改善电网电能质量。
[0004] 抽水蓄能是目前唯一商业最成熟的大规模储能技术，能够很好的起到削峰填谷的作用。由于太阳能和风能在时间分布上具有很强的互补性，风光天然的互补性可以有效的减小峰谷差，从而可以降低对抽水蓄能的要求，使抽水蓄能机组的规模大大降低，降低投资，以更好的适应市场的要求。
[0005] 海岛的核心需求是用能、用水。可再生能源系统与海水淡化结合，可以有效解决海岛的用能、用水问题。同时，海水淡化对可再生能源系统出力具有很好的适应性，能够在系统的能量平衡方面承担重要的角色。
[0006] 基于上述分析，提出了一种针对风-光-抽蓄-海水淡化复合系统的能量管理方法，可以有效克服风力发电、光伏发电的随机性、波动性问题，可为解决海岛及偏远地区的用能、用水问题提供一种有效途径。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0009] 一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法，风-光-抽蓄-海水淡化复合系统包含风力发电部分、光伏发电部分、抽水蓄能电站和海水淡化系统，其中，抽水蓄能电站的抽水蓄能机组包含用于发电的水轮机机组和用于抽水的水泵机组；
[0010] 所述管理方法包含以下具体步骤：
[0011] 步骤1)，以小时平均风速为单位采集风速数据，以小时平均光照强度为单位采集光照资源数据；
[0012] 步骤2)，根据风速数据、光照强度数据、风机数量Nw、光伏组件数量Npv计算出风力发电部分、光伏发电部分出力；
[0013] 步骤3)，确定风-光-抽蓄-海水淡化复合系统中的常规负荷Pl(t)，即t时刻风-光-抽蓄-海水淡化复合系统中除去海水淡化系统的机组负荷外的基本生产和生活用电负荷，以小时平均负荷为单位；
[0014] 步骤4)，确定海水淡化系统中海水淡化需求及海水淡化机组运行数量，计算风-光-抽蓄-海水淡化复合系统的剩余功率，进而根据剩余功率控制抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作。
[0015] 作为本发明一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法进一步的优化方案，所述步骤4)中，当前淡水蓄水池蓄水量充足时的具体步骤如下：
[0016] 步骤4.1)根据以下公式确定当前淡水蓄水池蓄水量充足：
[0017] Sd(t-1)-Sd,min≥Qw(t)
[0018] Nd(t)＝0
[0019] 其中，Sd(t-1)为第t-1小时末淡水蓄水池蓄水量，Sd,min为保证应急用水淡水蓄水池的最小蓄水量，Qw(t)为第t小时海岛用水需求量，Nd(t)为第t时刻海水淡化机组运行数量；
[0020] 步骤4.2)，不启动海水淡化机组，Pd(t)＝0，其中，Pd(t)为t时段海水淡化系统用电负荷；
[0021] 步骤4.3)，根据以下公式计算风-光-抽蓄-海水淡化复合系统的剩余功率：
[0022] ΔP＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd(t)-Pl(t)
[0023] 其中，ΔP为剩余功率，Pw(t)为t时段风力发电部分输出功率，Ppv(t)为t时段光伏发电部分输出功率，ηAD为光伏逆变器转换效率；
[0024] 步骤4.4)，根据剩余功率控制抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作：
[0025] 当ΔP＝0时，即风、光发电系统输出功率等于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组不运行；
[0026] 当ΔP＞0时，即风、光发电系统输出功率大于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作于水泵工况，利用剩余功率进行抽水，Pp(t)＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pl(t)，Pp(t)为t时刻水泵工况所消耗的功率；
[0027] 当ΔP＜0时，即风、光发电系统输出功率小于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作于水轮机工况，进行发电，Pt(t)＝Pl(t)-(Pw(t)+Ppv(t)ηAD)，Pt(t)为t时刻水轮机工况出力。
[0028] 作为本发明一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法进一步的优化方案，所述步骤4)中，当前淡水蓄水池蓄水量不足，且在满足用户用水需求前提下，抽水蓄能电站中全部机组开启在一小时内无法超过蓄水池上限时的具体步骤如下：
[0029] 步骤4.a)，根据以下公式确定当前淡水蓄水池蓄水量不足，且在满足用户用水需求前提下，抽水蓄能电站中全部机组开启在一小时内无法超过蓄水池上限：
[0030] Sd(t-1)-Sd,min＜Qw(t)
[0031] Sd(t-1)+Nd(t)×Od-Qw(t)≤Sd,max
[0032]
[0033] Pd,min(t)＝Nd,min(t)×Pd0
[0034] Nd,max(t)＝Nd
[0035] Pd,max(t)＝Nd,max(t)×Pd0
[0036] 其中，Sd(t-1)为第t-1小时末淡水蓄水池蓄水量，Sd,min为保证应急用水淡水蓄水池的最小蓄水量，Sd,max为淡水蓄水池的蓄水上线，Qw(t)为第t小时海岛用水需求量，Nd(t)为第t时刻海水淡化机组运行数量，Od为单台海水淡化机组每小时产水量，Nd,min(t)为第t小时可开启的海水淡化机组数量下限，Nd,max(t)为第t小时可开启的海水淡化机组数量上限，Nd为海水淡化机组总数量，Pd0为单台海水淡化机组额定功率，Pd,min(t)为第t小时海水淡化负荷功率下限，Pd,max(t)为第t小时海水淡化负荷功率上限；
[0037] 步骤4.b)，根据以下公式计算风-光-抽蓄-海水淡化复合系统的剩余功率：
[0038] ΔP＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd(t)-Pl(t)
[0039] 步骤4.c)，根据剩余功率控制抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作：
[0040] Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,max(t)-Pl(t)≤ΔP≤Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,min(t)-Pl(t)[0041] 当ΔP＝0时，即风、光发电系统输出功率等于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组不运行；
[0042] 当ΔP＞0时，即风、光发电系统输出功率大于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作于水泵工况，利用剩余功率进行抽水：
[0043] Pp(t)＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-(Pl(t)+Pd(t))
[0044] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0045] 其中Pp(t)为t时刻水泵工况所消耗的功率；
[0046] 当ΔP＜0时，即风、光发电系统输出功率小于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作于水轮机工况，进行发电：
[0047] Pt(t)＝Pl(t)+Pd(t)-(Pw(t)+Ppv(t)ηAD)
[0048] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0049] 其中Pt(t)为t时刻水轮机工况出力。
[0050] 作为本发明一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法进一步的优化方案，所述步骤4)中，当前淡水蓄水池蓄水量较低，且在满足用户用水需求前提下，抽水蓄能电站中全部机组开启在一小时内必定超过蓄水池上限时的具体步骤如下：
[0051] 步骤4.A)，根据以下公式确定当前淡水蓄水池蓄水量较低，且在满足用户用水需求前提下，抽水蓄能电站中全部机组开启在一小时内必定超过蓄水池上限：
[0052] Sd(t-1)+Nd(t)×Od-Qw(t)≥Sd,max
[0053]
[0054] Pd,max(t)＝Nd,max(t)×Pd0
[0055]
[0056] Pd,min(t)＝Nd,min(t)×Pd0
[0057] 其中，Sd(t-1)为第t-1小时末淡水蓄水池蓄水量，Sd,min为保证应急用水淡水蓄水池的最小蓄水量，Sd,max为淡水蓄水池的蓄水上线，Qw(t)为第t小时海岛用水需求量，Nd(t)为第t时刻海水淡化机组运行数量，Od为单台海水淡化机组每小时产水量，Nd,min(t)为第t小时可开启的海水淡化机组数量下限，Nd,max(t)为第t小时可开启的海水淡化机组数量上限；Nd为海水淡化机组总数量，Pd0为单台海水淡化机组额定功率，Pd,min(t)为第t小时海水淡化负荷功率下限，Pd,max(t)为第t小时海水淡化负荷功率上限；
[0058] 步骤4.B)，根据以下公式计算风-光-抽蓄-海水淡化复合系统的剩余功率：
[0059] ΔP＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd(t)-Pl(t)
[0060] 步骤4.C)，根据剩余功率控制抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作：
[0061] Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,max(t)-Pl(t)≤ΔP≤Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,min(t)-Pl(t)[0062] 当ΔP＝0时，即风、光发电系统输出功率等于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组不运行；
[0063] 当ΔP＞0时，即风、光发电系统输出功率大于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作于水泵工况，利用剩余功率进行抽水:
[0064] Pp(t)＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-(Pl(t)+Pd(t))
[0065] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0066] 其中Pp(t)为t时刻水泵工况所消耗的功率；
[0067] 当ΔP＜0时，即风、光发电系统输出功率小于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能电站中抽水蓄能工作于水轮机工况，进行发电:
[0068] Pt(t)＝Pl(t)+Pd(t)-(Pw(t)+Ppv(t)ηAD)
[0069] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0070] 其中Pt(t)为t时刻水轮机工况出力。
[0071] 作为本发明一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法进一步的优化方案，所述步骤4)中，所述的风力发电部分、光伏发电部分出力不能满足常规负荷及海水淡化基本负荷，抽水蓄能工作于水轮机工况进行发电，水轮机工况出力仍不能满足负荷缺口时，则水轮机工况的出力为其当时条件下的最大出力。
[0072] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0073] 1.克服风力发电、光伏发电的随机性、波动性。目前大多数可再生能源系统采用蓄电池作为储能装置。但蓄电池寿命短、成本高、有污染、且不能大量存储。抽水蓄能电站能够大量储存电能，且启动迅速、运行灵活可靠，能够有效弥补风力发电和光伏发电的随机性与不均匀性。
[0074] 2.海水淡化系统参与调节，能够实现海水淡化负荷与可再生能源发电单元出力的匹配。根据用户用水需求、淡水蓄水池容量、海水淡化机组数量限制，当风光资源丰富时，尽可能利用海水淡化机组以最大化消耗可再生能源系统出力；当风、光资源相对匮乏时，根据用户用水需求，优先利用淡水蓄水池中储存的水量来满足用户基本用水需求，尽可能减少海水淡化机组启动数量，以实现系统出力与用户用电、用水需求相匹配。
[0075] 3.能够克服对柴油机等传统能源方式的依赖，适用于海岛及偏远地区，为海岛及偏远地区的用能、用水问题提供一种有效途径。
附图说明
[0076] 图1是本发明的风-光-抽蓄-海水淡化复合系统结构示意图；
[0077] 图2是本发明的海水淡化机组运行策略流程图；
[0078] 图3是本发明的风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量交换策略流程图。
具体实施方式
[0079] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0080] 本发明公开了一种风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量管理方法。
[0081] 如图1所示，风-光-抽蓄-海水淡化复合系统包含风力发电部分、光伏发电部分、抽水蓄能电站和海水淡化系统，其中，抽水蓄能电站包含用于发电的水轮机机组和用于抽水的水泵机组。
[0082] 本发明管理方法包含以下具体步骤：
[0083] 步骤1)，以小时平均风速为单位采集风速数据，以小时平均光照强度为单位采集光照资源数据；
[0084] 步骤2)，根据风速数据、光照强度数据、风机数量Nw、光伏组件数量Npv计算出风力发电部分、光伏发电部分出力；
[0085] 步骤3)，确定风-光-抽蓄-海水淡化复合系统中的常规负荷Pl(t)，即t时刻风-光-抽蓄-海水淡化复合系统中除去海水淡化系统的机组负荷外的基本生产和生活用电负荷，以小时平均负荷为单位；
[0086] 步骤4)，确定海水淡化系统中海水淡化需求及海水淡化机组运行数量，计算风-光-抽蓄-海水淡化复合系统的剩余功率，进而根据剩余功率控制抽水蓄能电站中抽水蓄能机组工作。
[0087] 海水淡化机组运行数量受用户淡水需求、海水淡化系统淡水蓄水池当前蓄水量、淡水蓄水池总容量等因素的影响。根据这些因素可确定海水淡化机组运行数量的可调范围，从而确定单位时间内海水淡化机组运行所需要消耗功率的上下限，然后再结合可再生能源出力大小、常规负荷大小进一步确定剩余功率，最终根据剩余功率大小判断抽水蓄能机组的运行状态及其工况。
[0088] 如图2和图3所示，步骤4)具体分以下三种情况：
[0089] 第一种情况：当前蓄水量充足时，即
[0090] Sd(t-1)-Sd,min≥Qw(t)
[0091] Nd(t)＝0
[0092] 即无需启动海水淡化机组
[0093] Pd(t)＝0
[0094] 其中：Sd(t-1)为第t-1小时末淡水蓄水池蓄水量；Sd,min为保证应急用水淡水蓄水池的最小蓄水量；Qw(t)为第t小时海岛用水需求量；Nd(t)为第t时刻海水淡化机组运行数量；
[0095] Pd(t)为t时段海水淡化系统用电负荷。
[0096] 风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量平衡关系：
[0097] ΔP＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd(t)-Pl(t)
[0098] 其中：ΔP为剩余功率；Pw(t)为t时段风力发电部分输出功率；Ppv(t)为t时段光伏发电部分输出功率；ηAD为光伏逆变器转换效率。
[0099] 当ΔP＝0时，即风、光发电系统输出功率等于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组不运行；
[0100] 当ΔP＞0时，即风、光发电系统输出功率大于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组工作于水泵工况，利用剩余功率进行抽水，有
[0101] Pp(t)＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pl(t)
[0102] 其中：Pp(t)为t时刻水泵工况所消耗的功率。
[0103] 当ΔP＜0时，即风、光发电系统输出功率小于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组工作于水轮机工况，进行发电(假设水轮机工况出力足够大)，有
[0104] Pt(t)＝Pl(t)-(Pw(t)+Ppv(t)ηAD)
[0105] 其中：Pt(t)为t时刻水轮机工况出力。
[0106] 第二种情况：当前蓄水量不足，且在满足用户用水需求前提下，全部机组开启，在一小时内无法超过蓄水池上限时，即
[0107] Sd(t-1)-Sd,min＜Qw(t)
[0108] Sd(t-1)+Nd(t)×Od-Qw(t)≤Sd,max
[0109]
[0110] Pd,min(t)＝Nd,min(t)×Pd0
[0111] Nd,max(t)＝Nd
[0112] Pd,max(t)＝Nd,max(t)×Pd0
[0113] 其中：Sd,max为海水淡化系统淡水蓄水池最大蓄水量；Od为单台海水淡化机组每小时产水量；Nd,min(t)为第t小时可开启的海水淡化机组数量下限；Nd,max(t)为第t小时可开启的海水淡化机组数量上限；Nd为海水淡化机组总数量；Pd0为单台海水淡化机组额定功率；Pd,min(t)为第t小时海水淡化负荷功率下限；Pd,max(t)为第t小时海水淡化负荷功率上限。
[0114] 根据风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量平衡关系：
[0115] ΔP＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd(t)-Pl(t)
[0116] 有：Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,max(t)-Pl(t)≤ΔP≤Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,min(t)-Pl(t)[0117] 当ΔP＝0时，即风、光发电系统输出功率等于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组不运行；
[0118] 当ΔP＞0时，即风、光发电系统输出功率大于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组工作于水泵工况，利用剩余功率进行抽水，有
[0119] Pp(t)＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-(Pl(t)+Pd(t))
[0120] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0121] 其中：Pp(t)为t时刻水泵工况所消耗的功率。
[0122] 当ΔP＜0时，即风、光发电系统输出功率小于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组工作于水轮机工况，进行发电(假设水轮机工况出力足够大)，有
[0123] Pt(t)＝Pl(t)+Pd(t)-(Pw(t)+Ppv(t)ηAD)
[0124] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0125] 其中：Pt(t)为t时刻水轮机工况出力。
[0126] 第三种情况：当蓄水量较低，且在满足用户用水需求前提下，全部机组开启，在一小时内必定超过蓄水池上限时，即
[0127] Sd(t-1)+Nd(t)×Od-Qw(t)≥Sd,max
[0128]
[0129] Pd,max(t)＝Nd,max(t)×Pd0
[0130]
[0131] Pd,min(t)＝Nd,min(t)×Pd0
[0132] 根据风-光-抽蓄-海水淡化复合系统能量平衡关系：
[0133] ΔP＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd(t)-Pl(t)
[0134] 有：Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,max(t)-Pl(t)≤ΔP≤Pw(t)+Ppv(t)ηAD-Pd,min(t)-Pl(t)[0135] 当ΔP＝0时，即风、光发电系统输出功率等于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组不运行；
[0136] 当ΔP＞0时，即风、光发电系统输出功率大于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能机组工作于水泵工况，利用剩余功率进行抽水，有
[0137] Pp(t)＝Pw(t)+Ppv(t)ηAD-(Pl(t)+Pd(t))
[0138] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0139] 其中：Pp(t)为t时刻水泵工况所消耗的功率。
[0140] 当ΔP＜0时，即风、光发电系统输出功率小于海水淡化负荷及常规负荷时，抽水蓄能工作于水轮机工况，进行发电(假设水轮机工况出力足够大)，有
[0141] Pt(t)＝Pl(t)+Pd(t)-(Pw(t)+Ppv(t)ηAD)
[0142] Pd,min(t)≤Pd(t)≤Pd,max(t)
[0143] 其中：Pt(t)为t时刻水轮机工况出力。
[0144] 所述的海水淡化系统参与可再生能源系统能量管理作用体现在：根据用户用水需求、淡水蓄水池容量、海水淡化机组数量限制，当风、光资源丰富时，尽可能利用海水淡化机组以最大化消耗可再生能源系统出力；当风、光资源相对匮乏时，根据用户用水需求，优先利用淡水蓄水池中储存的水量来满足用户基本需求，尽可能减少海水淡化机组启动数量，以实现系统出力与用户用电、用水需求相匹配。
[0145] 所述的风、光发电系统出力不能满足常规负荷及海水淡化基本负荷，抽水蓄能工作于水轮机工况，进行发电，若水轮机工况出力仍不能满足负荷缺口时，则水轮机工况的出力为其当时条件下的最大出力。
[0146] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0147] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
