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伍俊, 魯宗相, 喬穎, 等. 考慮儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)充放電效率特性的風(fēng)儲(chǔ)電站運(yùn)行優(yōu)化 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(11): 41-47. DOI: 10.7500/ AEPS20180326002.
WU Jun, LU Zongxiang, QIAO Ying, et al. Optimal Operation of Wind Farm with Hybrid Storage Devices Considering Efficiency Characteristics of Dynamic Charging and Discharging [J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(11): 41-47. DOI: 10.7500/ AEPS20180326002.
考慮儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)充放電效率特性的風(fēng)儲(chǔ)電站運(yùn)行優(yōu)化
DOI: 10.7500/AEPS20180326002
伍俊，魯宗相，喬穎，楊海晶
1、研究背景
近年來(lái)，中國(guó)新能源迅猛發(fā)展，但同時(shí)棄風(fēng)棄光矛盾凸顯，風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能聯(lián)合是提升風(fēng)電場(chǎng)消納的有效途徑。儲(chǔ)能效率直接影響風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的消納效果，但目前的常數(shù)效率模型對(duì)儲(chǔ)能的效率特性刻畫(huà)不夠精細(xì)。本文以等效風(fēng)電消納量最大為目標(biāo)，建立了考慮儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)效率的風(fēng)電儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型。該模型考慮了儲(chǔ)能在充放電運(yùn)行功率不同時(shí)的效率變化，將動(dòng)態(tài)效率以分段函數(shù)形式納入混合整數(shù)線(xiàn)性?xún)?yōu)化模型。基于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，證明了動(dòng)態(tài)效率特性對(duì)最大化消納具有顯著影響，是風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化值得納入考慮的因素。
2、儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)效率特性
不同的儲(chǔ)能設(shè)備，其運(yùn)行功率范圍、效率大小、動(dòng)態(tài)效率變化的快慢程度不同，難以直接比較分析，為統(tǒng)一考慮其動(dòng)態(tài)充放電特性，采用功率-效率曲線(xiàn)來(lái)描述。某先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電設(shè)備透平機(jī)的效率隨功率的變化為一條“上升”曲線(xiàn)，發(fā)電環(huán)節(jié)效率可認(rèn)為透平發(fā)電設(shè)備的效率和包括儲(chǔ)熱設(shè)備在內(nèi)的其他環(huán)節(jié)效率的乘積，得到整個(gè)發(fā)電環(huán)節(jié)的效率變化如圖1，是一種“上升型”的特征。
圖1 主儲(chǔ)能發(fā)電部分的分段功率-效率曲線(xiàn)
圖2 鋰電池放電功率-效率曲線(xiàn)
電化學(xué)儲(chǔ)能的效率特性與壓縮空氣儲(chǔ)能完全不同。以放電環(huán)節(jié)為例，鉛酸電池和鋰電池儲(chǔ)能在合理放電深度范圍（典型值SOC在20%~95%區(qū)間），電壓基本不變，效率隨著放電電流的增大有不同程度的降低。依據(jù)鋰電池放電深度與電壓的關(guān)系、放電效率與電流的關(guān)系得到鋰電池放電效率變化特性，有著“下降型”特征，且近似線(xiàn)性。
3、風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型
風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為最大化風(fēng)電的等效消納量，包括三個(gè)部分：一段時(shí)間內(nèi)直接上網(wǎng)電量、儲(chǔ)能系統(tǒng)中的未上網(wǎng)電量變化額、運(yùn)行過(guò)程中的耗能（如冷啟動(dòng)消耗、熱備用狀態(tài)的消耗，包括輔機(jī)、儲(chǔ)熱裝置消耗等）。
考慮到效率隨功率變化而變化，電量為功率的積分函數(shù)，呈現(xiàn)為非線(xiàn)性形式，與電量相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件均會(huì)非線(xiàn)性化，為了綜合考慮模型求解的復(fù)雜度和最優(yōu)解的可靠性，用分段函數(shù)來(lái)擬合動(dòng)態(tài)效率曲線(xiàn)，儲(chǔ)能功率由一組連續(xù)變量和0-1變量表示，從而使得包括儲(chǔ)能的功率約束、電量上下限約束、啟停約束等在內(nèi)的約束條件線(xiàn)性化，目標(biāo)函數(shù)也表示為變量的線(xiàn)性函數(shù)，該優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性混合整數(shù)規(guī)劃，易于求解。
4、算例分析
主儲(chǔ)能放電的功率范圍取30%-100%，功率均勻劃分三段，即n=3，效率取值不均勻以保留曲線(xiàn)的非線(xiàn)性變化特征，三段效率取值為0.5、0.68、0.8，充電環(huán)節(jié)類(lèi)似。
4.1 只接入主儲(chǔ)能時(shí)的不同效率模型消納效果分析
1）放電時(shí)段
在動(dòng)態(tài)效率模型下，其特性是放電功率小對(duì)應(yīng)效率低，放電功率大對(duì)應(yīng)效率高，因此，不同放電功率下的等效消納電量不同，放電功率越低則消納電量越小，放電過(guò)程中損失的能量越大。圖3給出了主儲(chǔ)能放電時(shí)段的A、B兩種極限情況，B以最大功率即對(duì)應(yīng)最高效率放電，可釋放能量的等效消納電量最大；而A的放電功率及對(duì)應(yīng)效率最低，更多的能量被損耗，等效消納電量最小，B工況即為考慮動(dòng)態(tài)效率模型下的最優(yōu)結(jié)果。常數(shù)、動(dòng)態(tài)模型的消納效果最大差異值即為A、B工況的差值，相對(duì)差值為34.74%，一般常數(shù)效率取效率曲線(xiàn)的平均值，其消納差異會(huì)小一些。
圖3 兩種極限工況下的儲(chǔ)能功率曲線(xiàn)
2）充電時(shí)段
在充電時(shí)段，風(fēng)電功率一部分直接上網(wǎng)發(fā)電，一部分用于儲(chǔ)能設(shè)備充電（對(duì)應(yīng)產(chǎn)生部分損耗）。常數(shù)效率模型下，由于不同功率對(duì)應(yīng)的充電效率一樣，則風(fēng)電場(chǎng)以限值功率上網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)電最大出力與上網(wǎng)限值的差即為充電功率，這種差值方式消納效果最佳。而在動(dòng)態(tài)效率模型下，上網(wǎng)發(fā)電功率和充電功率之間則存在一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。圖4給出了動(dòng)態(tài)效率下充放電全時(shí)段優(yōu)化后的主儲(chǔ)能出力曲線(xiàn)，比B工況增加12.88MW·h，相對(duì)提升6.0%，原因在于，常數(shù)效率模型下主儲(chǔ)能的功率對(duì)效率不敏感，會(huì)出現(xiàn)一些時(shí)段在低效率狀態(tài)運(yùn)行，而動(dòng)態(tài)效率模型下將會(huì)盡量避免這種低效率情況。
圖4 兩種效率模型下主儲(chǔ)能功率曲線(xiàn)
4.2 混合儲(chǔ)能對(duì)消納效果的影響
混合儲(chǔ)能模式下，動(dòng)態(tài)效率模型優(yōu)化消納結(jié)果為245.52MW·h，對(duì)比B工況消納結(jié)果差值為31.1MW·h，這部分的提升來(lái)自于兩部分。第一部分是輔助儲(chǔ)能在局部充放電吸收棄風(fēng)，增加消納量為15.26MW·h，增加7.12%，這部分輔助儲(chǔ)能帶來(lái)的收益對(duì)于常數(shù)效率模型下混合儲(chǔ)能也同樣存在；第二部分，采用動(dòng)態(tài)效率模型帶來(lái)的綜合效率提升增加消納，具體增加量為15.84MW·h，提升7.39%，這部分因素在常數(shù)效率模型中不存在?？梢?jiàn)，小容量輔助儲(chǔ)能的加入，在主儲(chǔ)能低功率運(yùn)行時(shí)輔助充放電，混合儲(chǔ)能的低功率區(qū)段綜合效率得以提升。
圖5 動(dòng)態(tài)效率模型下主儲(chǔ)能和輔助儲(chǔ)能功率曲線(xiàn)
4.3 消納效果影響的因素分析
1）主儲(chǔ)能容量影響分析
假設(shè)主儲(chǔ)能的容量在170MW·h~400MW·h之間變化，得到單一儲(chǔ)能模式下消納提升效果與儲(chǔ)能容量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示（放電時(shí)段均為最大效率）?？梢园l(fā)現(xiàn)，消納提升效果的百分比總趨勢(shì)隨容量增加而增加；當(dāng)容量增加到一定水平后，改善效果趨于飽和，不再增加。通過(guò)這組曲線(xiàn)，也可以為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能優(yōu)化配置提供借鑒。
圖6 消納提升效果與儲(chǔ)能容量的關(guān)系
2）混合儲(chǔ)能模式下配比影響分析
圖7表示了充電環(huán)節(jié)提升效果受輔助儲(chǔ)能容量的影響，其縱坐標(biāo)表示混合儲(chǔ)能通過(guò)提高效率帶來(lái)的消納提升，這部分提升在常數(shù)效率模型中無(wú)法獲得。3條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同放電時(shí)長(zhǎng)的輔助儲(chǔ)能，即最大存儲(chǔ)電量容量不同。可以看到輔助儲(chǔ)能加入后，對(duì)動(dòng)態(tài)效率的提升存在一個(gè)飽和值，這是因?yàn)楫?dāng)混合儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行將儲(chǔ)能都優(yōu)化到高效率點(diǎn)以后，來(lái)自于動(dòng)態(tài)效率模型的消納提升則飽和。
圖
7 消納提升效果與輔助儲(chǔ)能容量的關(guān)系
3）預(yù)測(cè)誤差影響分析
以預(yù)測(cè)曲線(xiàn)計(jì)算出動(dòng)態(tài)效率模型和常數(shù)模型下的出力，在預(yù)測(cè)曲線(xiàn)上添加隨機(jī)誤差（本次分析重復(fù)50次），分析兩種模型下的日前優(yōu)化出力在添加誤差后的實(shí)際效果，其中基準(zhǔn)值為添加誤差后新曲線(xiàn)的最優(yōu)理想消納效果。由圖8可以看到，動(dòng)態(tài)模型給出的出力計(jì)劃與理想最優(yōu)效果差距平均為8.49%，而以B工況的出力效果與理想最優(yōu)的差距平均為20.70%，在預(yù)測(cè)誤差的干擾下，動(dòng)態(tài)模型消納效果受到的影響相對(duì)較小，這是動(dòng)態(tài)模型下的儲(chǔ)能出力在較高的效率區(qū)域的緣故。
圖8 預(yù)測(cè)誤差對(duì)兩種模型出力效果的影響
5、結(jié)論
本文以壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能為例，建立了儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)效率特性模型，在此基礎(chǔ)上建立了混合儲(chǔ)能-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的混合整數(shù)優(yōu)化模型，用于分析實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)電消納的優(yōu)化運(yùn)行方式。結(jié)合理論與算例分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)中，不論充電時(shí)段還是放電時(shí)段，努力使儲(chǔ)能工作在滿(mǎn)足約束條件下的最大功率模式，可有效提升風(fēng)電消納效果，采用動(dòng)態(tài)效率模型能夠更精確刻畫(huà)其儲(chǔ)能效率。主儲(chǔ)能容量和混合儲(chǔ)能配比影響消納效果，隨著主儲(chǔ)能容量增加，動(dòng)態(tài)效率模型的消納提升效果越顯著，但這種增效存在飽和特性；在此基礎(chǔ)上，輔助儲(chǔ)能能帶來(lái)額外提升，但同樣存在飽和現(xiàn)象。
與常數(shù)模型優(yōu)化運(yùn)行相比，動(dòng)態(tài)效率模型受誤差隨機(jī)性的影響有所減少，但仍然存在。本文對(duì)效率模型受誤差影響的研究尚有局限，預(yù)測(cè)誤差對(duì)動(dòng)態(tài)效率影響的量化及依此進(jìn)行儲(chǔ)能出力的修正將是進(jìn)一步的研究方向。
