【复现】含混合式抽水蓄能的梯级水电系统多时间尺度调度策略（Matlab代码实现）

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💥第一部分——内容介绍

含混合式抽水蓄能梯级水电的源网荷储日前协同调度优化研究

摘要

新能源大规模并网带来出力随机波动、电网供需时空错配、配电网潮流越限与弃风弃光等多重运行矛盾，传统单一电源调度模式难以兼顾电网经济性与供电可靠性。混合式抽水蓄能依托梯级上下游水库天然库容耦合特性，兼具常规水电调峰与抽蓄储能双向功率调节能力，可与分布式新能源、柔性负荷、电网侧储能形成完整源网荷储协同调控体系。本文以两级梯级水电系统为研究对象，上游梯级配置混合式抽水蓄能机组、下游为常规径流梯级电站，构建兼顾水库水文耦合、机组运行特性、配电网潮流约束的源网荷储日前协同优化调度模型。模型引入二阶锥规划松弛方法处理配电网最优潮流非线性约束，完整刻画梯级水库水量平衡、水位库容联动、机组启停状态与功率爬坡等运行边界，以配电网网络损耗、新能源弃电成本、火电发电煤耗综合成本最小为优化目标，实现新能源消纳、水电储能调节与电网潮流安全的多目标均衡调度。所搭建调度优化框架适配 Matlab-Yalmip-Gurobi 求解体系，可为高新能源渗透率区域梯级水电 - 抽蓄联合源网荷储协同调度提供理论支撑与工程参考。

关键词：混合式抽水蓄能；梯级水电；源网荷储；日前协同优化；二阶锥规划；最优潮流

1 引言

1.1 研究背景与意义

双碳目标驱动下风电、光伏等新能源装机规模持续扩张，新能源出力日内、日间波动性显著，高比例新能源接入配电网易引发电压偏移、支路功率越限、富余新能源无法就地消纳产生弃电问题。常规梯级水电依靠水库库容具备天然调峰能力，但仅能单向发电，无法平抑新能源大发时段过剩功率；独立式抽水蓄能需单独修建上下水库，建设周期长、土地资源占用量大，经济成本偏高。混合式抽水蓄能依托现有梯级上下游水库改造增设可逆机组，无需新建配套水库，建设成本更低、调节灵活性更强，可实现负荷低谷抽水储能、负荷高峰放水发电，成为耦合梯级水电与新能源消纳的核心调节资源。

源网荷储一体化调度通过统筹电源侧梯级混合抽蓄、新能源、火电机组，电网侧配网潮流安全约束，负荷侧柔性可调负荷，储能侧多元储能资源，打破各类资源独立调度壁垒。现有研究多将纯抽蓄与梯级水电分开建模，忽略上下游水库水力耦合关系，且潮流计算线性化处理带来精度损失，难以同时兼顾水文约束、机组运行约束与配电网安全约束。针对上述问题，本文复现并完善多时间尺度调度文献中的日前协同优化架构，建立两级梯级混合抽蓄 - 源网荷储联合调度模型，采用二阶锥规划松弛技术精确处理配电网最优潮流非线性项，量化水电水力耦合、机组启停爬坡、网络损耗、弃电与火电煤耗多重经济指标，挖掘混合式抽蓄梯级水电在源网荷储系统中的调节潜力，提升区域新能源消纳水平与电网运行经济效益。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 梯级水电与混合抽水蓄能调度研究

现阶段梯级水电调度研究多聚焦水库群水文优化，以发电量最大、防洪效益最优为目标，未深度结合电网新能源消纳需求。混合式抽水蓄能相关研究证实其相较于独立抽蓄具备显著成本优势，现有文献构建多时间尺度调度框架，区分日前调度、日内实时修正层级，但模型简化处理梯级水库水量交换过程，忽略上下游水位库容动态耦合对机组出力的限制，且未将配电网潮流约束纳入调度体系，调度结果仅满足水电自身运行最优，无法适配配电网安全运行要求。

1.2.2 源网荷储协同优化与配电网潮流处理

源网荷储协同优化研究普遍整合新能源、储能、柔性负荷资源，但多数文献将水电等效为简单可调电源，剥离水库水文约束；针对配电网最优潮流求解，传统线性近似方法会造成潮流计算误差，影响调度方案实际可行性。二阶锥规划松弛具备求解精度高、计算效率稳定的优势，可将非线性潮流约束转化为凸可行域，适配大规模日前调度优化求解，但现有研究较少将该松弛方法与梯级混合抽蓄水力调度模型耦合，缺少水电 - 电网联合一体化优化完整建模思路。

1.2.3 现有研究不足总结

1）水电建模简化，缺失两级梯级水库水量平衡、水位库容联动约束，未精准刻画混合抽蓄抽水、发电双向工况对上下游水库水位的联动影响； 2）调度模型割裂水电系统与配电网，仅考虑发电侧经济指标，未兼顾配电网网损、支路功率安全约束； 3）潮流求解采用粗略线性近似，优化结果存在潮流越限风险，难以直接落地工程应用； 4）目标函数单一，未同步统筹火电煤耗、新能源弃电、电网损耗三类核心经济成本，综合优化效益无法充分释放。

1.3 本文主要研究内容与创新点

1.3.1 主要研究内容

1）搭建两级梯级水电系统物理架构：上游梯级 H1 配置混合式抽水蓄能可逆机组，下游梯级 H2 为常规径流水电站，梳理上下游水库水力关联关系，完整建立水库水量平衡、水位库容转换、区间流量传递约束； 2）构建源网荷储日前协同优化整体框架，统筹电源侧混合抽蓄、常规水电、新能源、火电机组，电网侧配电网最优潮流，负荷侧固定负荷与柔性可调负荷，形成多资源协同调度体系； 3）采用二阶锥规划松弛技术处理配电网最优潮流非线性方程，消除线性近似带来的计算偏差，保障调度方案满足配电网电压、支路功率安全边界； 4）精细化刻画机组运行约束，包含混合抽蓄双向功率区间、机组启停状态、功率爬坡速率限制，区分抽水工况与发电工况不同运行边界； 5）建立多维度综合成本目标函数，以配电网网损成本、新能源弃电惩罚成本、火电发电煤耗成本总和最小为优化目标，实现经济最优调度； 6）基于 Matlab-Yalmip-Gurobi 优化求解平台搭建完整调度程序，程序分层架构清晰、模块注释完备，可直接运行并支持模型参数、系统结构拓展改进。

1.3.2 研究创新点

1）实现混合式抽蓄梯级水电与配电网最优潮流一体化联合建模，同步耦合水力水文约束、机组机电约束、电网潮流安全约束，解决水电调度与配电网运行割裂问题； 2）引入二阶锥凸松弛方法求解配电网最优潮流，精准刻画配电网非线性损耗特性，提升日前调度方案潮流可行性； 3）完整复现并完善两级梯级水库耦合约束，精准描述混合抽蓄抽水、发电两种工况下上下游水库流量交换、水位联动变化规律； 4）构建兼顾网损、弃电、火电煤耗的综合经济目标，充分发挥混合抽蓄削峰填谷能力，同步降低电网损耗、减少新能源弃电量、削减火电化石能源消耗。

2 含混合式抽蓄梯级水电的源网荷储系统架构

2.1 梯级水电系统拓扑结构

本文研究两级串联梯级水电系统，上游电站 H1 搭载混合式抽水蓄能可逆机组，下游为常规径流梯级电站 H2，两水库通过河道形成天然水力耦合关系。上游 H1 水库作为抽蓄上下库复合载体：负荷低谷时段，可逆机组抽水，将水体从下游河道抽入上游水库储存；负荷高峰时段，水库放水驱动机组发电，下泄水流一部分供给下游 H2 电站发电，剩余流量沿河道流出梯级系统。下游 H2 仅具备单向发电能力，依靠上游下泄径流发电，水库无抽水设备，仅承担径流调节功能。

梯级水电系统与区域配电网、新能源场站、柔性负荷、火电备用机组共同构成完整源网荷储系统。电源侧包含：风电、光伏分布式新能源、上游混合抽蓄机组、下游常规水电机组、火电机组；电网侧为中低压配电网，承担功率输送任务，存在网络损耗与潮流安全约束；负荷侧包含居民刚性负荷、工商业可平移柔性负荷；储能侧除混合抽蓄外可配套配置电化学储能形成多元储能互补体系。

2.2 系统资源协同运行机理

1）新能源大发时段：风电、光伏出力超出本地负荷需求，启动混合抽蓄抽水工况，消纳富余新能源，降低弃电总量，富余水体储存于上游水库；同时优化配电网潮流，降低支路重载带来的网络损耗； 2）负荷高峰时段：新能源出力不足，上游水库放水，混合抽蓄切换至发电工况，配合下游梯级水电、火电共同满足负荷用电需求，减少火电出力，降低煤耗成本； 3）水电水文约束约束下，通过日前调度优化水库下泄流量，协调上下游水位库容变化，避免水位超限、河道流量越界，保障水电长期安全运行； 4）配电网潮流层面，依靠源侧多电源出力协同调节，优化各节点功率注入，平抑节点电压波动，控制支路传输功率不超过安全上限，最小化全天网络损耗。

3 源网荷储日前协同优化模型构建

3.1 模型整体框架

本文日前协同优化模型分为三层约束体系：梯级水电水力耦合约束层、发电机组运行约束层、配电网最优潮流安全约束层，统一以综合经济成本最小为优化目标，时间尺度为 24 小时日前分时调度，分时步长统一。模型依托二阶锥规划凸松弛手段将非凸最优潮流约束转化为凸约束，保证求解全局最优，适配商用求解器 Gurobi 高效求解。

3.2 梯级水电水力耦合约束体系

针对两级串联梯级 H1、H2 建立完整水文约束，核心包含水量平衡约束、水位库容转换约束、河道流量传递约束、水库水位上下限约束。 1）水库水量平衡：对上游混合抽蓄水库，每一时段水库库容变化量等于自然入库径流，减去发电下泄流量，叠加抽水回库流量；下游常规水库库容变化量等于上游下泄来水，扣除自身发电泄放流量与区间弃水流量； 2）水位库容耦合关系：水库库容与水位呈非线性对应关系，调度过程中水位不得超过防洪上限、不得低于死水位，库容同步对应存在上下边界； 3）梯级流量传递：上游电站发电下泄水流经河道延时后全部汇入下游水库，河道区间弃水直接流出系统，无法被下游水电利用； 4）混合抽蓄双向流量约束：抽水工况存在最大抽水流量上限，发电工况存在最大发电泄流上限，同一时段机组不可同时抽水、发电，设置二进制启停状态变量区分两种工况。

3.3 发电机组运行约束

1）上游混合式抽水蓄能机组约束：划分抽水、发电两种独立运行区间，两种工况功率上下限存在明显差异；设置机组最小启停持续时间，避免机组频繁切换工况造成设备损耗；增加功率爬坡约束，限制相邻时段抽水 / 发电功率最大变化幅度； 2）下游常规水电机组约束：仅具备单向发电能力，设置出力上下限、爬坡速率约束，机组启停逻辑与常规水电一致； 3）火电机组约束：承担备用调峰任务，包含出力上下限、爬坡约束、最小启停时长，火电出力直接关联发电煤耗成本； 4）新能源机组约束：风电、光伏出力以日前预测出力为基准，实际出力不得超过预测值，超出部分计为弃电，产生弃电惩罚成本。

3.4 配电网二阶锥最优潮流约束

配电网辐射状拓扑下，节点功率平衡、支路功率损耗方程为非线性非凸形式，直接求解易陷入局部最优。本文采用二阶锥规划松弛方法，对支路潮流乘积项进行凸松弛变换，在保证计算精度前提下将潮流约束转化为凸可行域。约束体系覆盖节点有功、无功功率平衡，支路有功、无功传输功率约束，节点电压幅值上下限约束，支路传输容量安全约束。松弛后最优潮流可与水电调度模型联合求解，同步优化各电源节点注入功率，实现全天网络损耗最小化。

3.5 目标函数

模型目标为调度周期内综合经济成本最小，由三项成本构成： 1）配电网网络损耗成本：各时段全网支路有功损耗总和乘以电价，量化电网输送环节经济损失； 2）新能源弃电惩罚成本：风电、光伏实际出力低于预测出力部分为弃电量，设置单位弃电惩罚系数，激励系统充分消纳新能源； 3）火电机组发电煤耗成本：基于火电出力二次煤耗特性，计算全天火电燃煤总消耗对应的经济成本，引导调度优先使用水电储能资源替代火电出力。

三项成本加权求和形成统一优化目标，通过协调混合抽蓄、梯级水电、新能源、火电出力分配，平衡三类成本，获取全局最优日前调度方案。

4 模型求解框架与程序体系说明

4.1 优化求解工具链

模型求解依托 Matlab 软件搭建上层调度逻辑，调用 Yalmip 工具包完成优化变量、约束、目标函数标准化建模，通过 Gurobi 商用求解器完成凸优化问题数值求解。二阶锥规划约束可被 Gurobi 原生支持，求解稳定性、计算速度优于传统内点法求解程序，适配 24 小时分时大规模联合优化问题。

4.2 程序分层架构设计

完整程序采用模块化分层设计，各模块功能独立、耦合清晰，便于后续模型修改、参数替换与功能拓展，整体分为五大核心模块： 1）系统参数输入模块：包含梯级水库水文参数、混合抽蓄机组参数、新能源预测出力、配电网拓扑与线路参数、负荷分时数据、各类成本系数； 2）优化变量定义模块：统一声明水库库容、水位、机组功率、机组启停状态、配电网潮流、弃电量等连续变量与二进制整数变量； 3）约束构建模块：分三级依次写入梯级水力耦合约束、机组机电运行约束、二阶锥最优潮流约束，模块内部分段注释区分两级梯级水电、抽蓄双向工况、电网潮流约束； 4）目标函数构建与求解模块：整合网损、弃电、煤耗三类成本形成目标函数，调用 Gurobi 求解器设置求解精度、计算时间限制等控制参数，执行优化计算； 5）结果输出与数据整理模块：提取最优调度结果，输出各时段水库水位库容、抽蓄机组功率、水电出力、新能源弃电量、配电网损耗、火电出力等时序数据，便于后续结果分析。

4.3 程序拓展性说明

整套程序注释完善，各模块参数、约束逻辑相互独立，可适配多类拓展研究场景：可调整梯级级数拓展至多梯级混合抽蓄系统；可新增电化学储能、可控充电桩等多元储能资源；可引入需求响应柔性负荷价格激励机制；可更换潮流处理方法对比线性近似与二阶锥松弛计算精度；可修改目标函数，新增防洪、生态流量、碳排放等优化指标，适配不同方向源网荷储、抽水蓄能、梯级水电相关研究。

5 模型调度运行效果分析思路

基于所搭建日前协同优化模型，可从多维度量化分析混合式抽蓄梯级水电对源网荷储系统的优化作用，分析维度如下： 1）新能源消纳效果：对比有无混合抽蓄场景下全天弃电量、弃电时长，分析抽蓄抽水工况对富余新能源的吸纳能力； 2）水电水文运行特性：输出调度周期内上下游水库水位、库容时序曲线，验证水量平衡约束有效性，分析负荷峰谷时段水库蓄放水调节规律； 3）机组出力调节特性：对比混合抽蓄发电、抽水时段分布，分析其削峰填谷作用，量化梯级水电整体出力平稳性改善效果； 4）配电网运行指标：统计全天总网络损耗、各节点电压波动范围、支路功率利用情况，验证二阶锥潮流松弛方法对电网安全约束的满足能力； 5）系统经济运行指标：对比不含抽蓄、仅常规梯级水电、混合抽蓄梯级水电三种场景下总综合成本，拆分网损、弃电、火电煤耗分项成本，量化混合式抽蓄带来的经济效益提升幅度。

6 结论与展望

6.1 研究结论

本文构建含两级混合式抽水蓄能梯级水电的源网荷储日前协同优化调度模型，完整刻画上下游水库水力耦合、混合抽蓄双向工况机组约束，采用二阶锥规划松弛方法精准处理配电网最优潮流非线性约束，以网损、弃电、火电煤耗综合成本最小为优化目标，依托 Matlab-Yalmip-Gurobi 平台搭建完整可复用调度优化框架。研究架构弥补现有模型简化水电水文约束、割裂水电与配电网调度、潮流计算精度不足的缺陷，充分发挥混合式抽蓄依托梯级水库的低成本储能调节优势，实现新能源消纳、水电安全运行、配电网经济安全运行多目标协同优化。模块化程序体系具备良好拓展性，可为梯级抽蓄、源网荷储一体化调度相关仿真与理论研究提供完整建模与求解思路。

6.2 未来研究展望

1）时间尺度拓展：在日前调度基础上叠加日内实时滚动修正模型，考虑新能源超短期预测误差，构建多时间尺度分层调度策略，完善源网荷储动态调控体系； 2）多目标优化拓展：引入碳排放、河道生态流量、水库防洪约束，构建多目标协同调度模型，兼顾经济、低碳、生态多重效益； 3）多元资源耦合：新增电化学储能、虚拟电厂、分布式可控负荷，研究混合抽蓄与多元储能、柔性资源的互补调节机制； 4）模型算法改进：结合智能优化算法与凸优化求解框架，针对大规模多梯级、多节点配电网场景提升求解效率，适配区域级大型水电 - 配电网联合调度场景。

📚第二部分——运行结果

【梯级水电】混合式抽水蓄能+梯级水电+源网荷储

🎉第三部分——参考文献

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