摘 要：大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高風(fēng)電接入能力方面具有廣闊的應(yīng)用前景，然而儲(chǔ)能的高容量成本制約了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)展。為解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的功率波動(dòng)問(wèn)題，在考慮風(fēng)電出力波動(dòng)性和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自身運(yùn)行約束的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置策略。算例結(jié)果表明，只有當(dāng)系統(tǒng)懲罰成本的減少足以彌補(bǔ)儲(chǔ)能投資的增加時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)才有動(dòng)力投資儲(chǔ)能。通過(guò)合理配置儲(chǔ)能容量，能夠在平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
0 引言
環(huán)境污染和能源緊張促進(jìn)了可再生能源的快速發(fā)展。由于可再生能源特有的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性，其大規(guī)模并網(wǎng)所帶來(lái)的功率波動(dòng)將給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)[1-4]。儲(chǔ)能技術(shù)作為提高電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源發(fā)電接納能力的有效技術(shù)而備受關(guān)注，國(guó)內(nèi)外已相繼規(guī)劃建設(shè)多項(xiàng)風(fēng)光儲(chǔ)示范工程基地?，F(xiàn)有研究表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)特性和靈活的充放電能力，能實(shí)時(shí)平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行已成為改善風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)的重要方法之一[5-8]。
對(duì)于已建成的風(fēng)電場(chǎng)，為提高風(fēng)電利用率，滿足風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電場(chǎng)可配備一定容量的儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的順利入網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)要配置儲(chǔ)能，一方面意味著成本的增加，另一方面意味著電能質(zhì)量和整體運(yùn)行性能的提升。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量越大，平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的效果越好，相應(yīng)的成本也越高。然而，目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本較高，已成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此，有必要研究風(fēng)電場(chǎng)投資儲(chǔ)能系統(tǒng)以提高運(yùn)行性能的經(jīng)濟(jì)性。
為此，本文在考慮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出力特性的基礎(chǔ)上，提出了一種風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置策略，力求通過(guò)合理選取儲(chǔ)能容量，實(shí)現(xiàn)提高風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。
1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特性
1.1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖1為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要包括風(fēng)電單元和儲(chǔ)能單元。風(fēng)電單元用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，PW為風(fēng)電輸出功率。儲(chǔ)能單元用以平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)，Pch為BESS(電池儲(chǔ)能系統(tǒng))的充電功率;Pdch為BESS的放電功率;Pb為BESS的充/放電功率，當(dāng)Pb>0時(shí)儲(chǔ)能電池處于放電狀態(tài)，當(dāng)Pb<0時(shí)處于充電狀態(tài)。聯(lián)絡(luò)線上功率Pwb為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率。
圖1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)特性
將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可以平抑風(fēng)電的間歇性，提高可再生能源的利用率。按存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，儲(chǔ)能可分為機(jī)械、電池、電磁和熱力儲(chǔ)能4大類(lèi)型。BESS因其比能量大、充放電效率高、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用[9]，實(shí)際工程上可根據(jù)運(yùn)行要求和電池性能來(lái)選擇合適的儲(chǔ)能電池類(lèi)型。本文采用鈉硫電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，鈉硫電池是目前世界上最具市場(chǎng)活力、應(yīng)用規(guī)模最大的儲(chǔ)能電池[6]，其響應(yīng)速度快，可以在分鐘級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)充放電轉(zhuǎn)換,能夠滿足本文控制策略的要求。
2 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型
為提高可再生能源利用率，滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，需配備一定容量的儲(chǔ)能才能實(shí)現(xiàn)可再生能源的順利接入。為此，本文提出風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型。
2.1 目標(biāo)函數(shù)
優(yōu)化模型以風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的年收益最大為目標(biāo)：
式中：R為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的年收益;Re為年售電收益;Cinv為折算至等年值的儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資成本;Cop為年運(yùn)行維護(hù)成本;Cpun為聯(lián)合系統(tǒng)出力的懲罰成本。
風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)最主要的收益是售電收益和國(guó)家補(bǔ)貼，售電收益由售電量與上網(wǎng)電價(jià)共同決定，國(guó)家對(duì)可再生能源的補(bǔ)貼折算在可再生能源標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)里。聯(lián)合系統(tǒng)收益可表示為：
式中：ce為考慮國(guó)家補(bǔ)貼的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)上網(wǎng)電價(jià);Pwb(t)為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)在時(shí)段t的輸出功率;ρ為一年中風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行的天數(shù);Δt為1個(gè)采樣時(shí)段。
(1)投資成本
儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資包括儲(chǔ)能電池、雙向變流器等電力電子裝置的購(gòu)置與安裝，其與儲(chǔ)能電池的容量成正比。儲(chǔ)能系統(tǒng)折算至壽命周期內(nèi)的等年值投資成本可表示為：
式中：Eb為儲(chǔ)能電池容量;Cre為單位儲(chǔ)能容量成本;n為設(shè)備的使用年限;λ為年利率。
(2)運(yùn)行維護(hù)成本
儲(chǔ)能的維護(hù)成本為維持儲(chǔ)能系統(tǒng)處于良好運(yùn)行狀態(tài)所需要的費(fèi)用，可按初始投資成本的百分比估算。儲(chǔ)能電站的年維護(hù)成本可表示為：
式中：δ為儲(chǔ)能電站的年維護(hù)成本占年投資成本的比例。
(3)懲罰成本
本文考慮風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)按照跟隨計(jì)劃出力的調(diào)控模式運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受風(fēng)電出力的波動(dòng)以及儲(chǔ)能容量的限制，可能造成風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)無(wú)法滿足跟蹤計(jì)劃出力的要求。懲罰成本包括缺電懲罰成本和棄風(fēng)懲罰成本，可表示為：
式中：γ1和γ2分別為缺電懲罰系數(shù)、棄風(fēng)懲罰系數(shù)，反映了電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)劃出力要求的嚴(yán)格程度，懲罰系數(shù)越高，對(duì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可控性要求就越高;Pref(t)為聯(lián)合系統(tǒng)在時(shí)段t的計(jì)劃出力。式(5)的第1項(xiàng)為研究周期內(nèi)的缺電懲罰成本，第2項(xiàng)為棄風(fēng)懲罰成本。H(x)為引入的輔助函數(shù),式(6)保證風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)在t時(shí)刻只會(huì)有缺電懲罰成本和棄風(fēng)懲罰成本中的一種。
2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
在平抑可再生能源輸出功率波動(dòng)的過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率受限于電池容量及其最大允許充放電功率。為此，本文建立儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用于記錄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)刻的充放電功率和電池SOC(荷電狀態(tài))，以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略對(duì)電池特性的要求。
式中： Pw(t)為 t時(shí)刻風(fēng)電出力; Pch(t)為 t時(shí)刻儲(chǔ)能電池的充電功率;Pdch(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能電池的放電功率; uch(t)和 udch(t)分別表示儲(chǔ)能電池 t時(shí)刻的充、 放電狀態(tài)， uch(t)=1 和 udch(t)=1 分別表示儲(chǔ)能電站t時(shí)刻處于充電和放電狀態(tài);Soc(t)為t時(shí)刻的電池荷電狀態(tài);ε為電池自放電率;ηch和ηdch分別為儲(chǔ)能電池的充、放電效率;Smax和Smin分別為儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)的允許上、下限值。
在上述儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，式(10)為充放電狀態(tài)約束，保證t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)只可能處于充電、放電、不動(dòng)作三種狀態(tài)中的一種;式(11)為電池荷電狀態(tài)遞推公式。
3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略
風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)按照一定的控制策略調(diào)整儲(chǔ)能電池的充放電行為，使得聯(lián)合系統(tǒng)總功率輸出跟隨計(jì)劃出力曲線。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的思路是：當(dāng)風(fēng)電出力小于計(jì)劃出力值時(shí)，功率缺額由儲(chǔ)能電池放電來(lái)提供;當(dāng)風(fēng)電出力大于計(jì)劃出力值時(shí)，多余的輸出功率將儲(chǔ)存在蓄電池里，以保證聯(lián)合系統(tǒng)出力實(shí)時(shí)跟隨計(jì)劃出力。
功率缺額可表示為：
當(dāng)功率缺額為正時(shí)，儲(chǔ)能電池應(yīng)放電：
當(dāng)功率缺額為負(fù)時(shí)，儲(chǔ)能電池應(yīng)充電：
式中：Pcmax和Pdmax分別為儲(chǔ)能電池允許最大充、放電功率。
4 算例分析
本文以澳洲某風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)作為計(jì)劃出力曲線，考慮實(shí)際出力與預(yù)測(cè)出力的偏差服從正態(tài)分布N(0，1)。儲(chǔ)能介質(zhì)選取目前已規(guī)?；瘧?yīng)用的鈉硫蓄電池，電池成本為3 000元/kWh，壽命周期為5年，其容量與最大充、放電功率滿足一定的比例關(guān)系[10]，電池充、放電效率均取90%。根據(jù)2015年發(fā)改委的最新公布數(shù)據(jù)，風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.56元/kWh。年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用比例取2%，折算系數(shù)為10%。
考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)按式(13)—(17)的控制策略進(jìn)行充放電調(diào)度，應(yīng)用MATLAB編程求解儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示，根據(jù)優(yōu)化配置模型測(cè)算得到的最佳配置儲(chǔ)能容量為6.72 MW，此時(shí)系統(tǒng)年收益最大。當(dāng)配置儲(chǔ)能容量為25.92 MWh時(shí)，懲罰成本為0，風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率能完全跟隨計(jì)劃出力曲線，但由于儲(chǔ)能的高成本，使得總收益降低。圖2為儲(chǔ)能電池各時(shí)段的SOC(采樣點(diǎn)以5 min為一個(gè)時(shí)段，全天共288個(gè)時(shí)段)，可以看出在本文的控制策略下，SOC被控制在合理范圍內(nèi)，避免了儲(chǔ)能設(shè)備過(guò)度充放電對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備壽命的影響。
懲罰系數(shù)反映了電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)劃出力要求的嚴(yán)格程度。懲罰系數(shù)與聯(lián)合系統(tǒng)的收益直接相關(guān)，不同懲罰系數(shù)下系統(tǒng)年收益與儲(chǔ)能容量的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出：在確定的懲罰系數(shù)下，系統(tǒng)年收益都隨著配置儲(chǔ)能容量的增加先增大后減小，這是因?yàn)閮?chǔ)能容量的增加使得聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率盡可能跟隨計(jì)劃出力曲線，從而減小了系統(tǒng)的懲罰成本;繼續(xù)增大配置的儲(chǔ)能容量，系統(tǒng)懲罰成本的減少將不足以彌補(bǔ)儲(chǔ)能投資的增加，導(dǎo)致總收益減小。此外，儲(chǔ)能的最優(yōu)配置容量隨懲罰系數(shù)的增大而增加，這是因?yàn)閼土P系數(shù)的增大，意味著電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)出力的要求變高，聯(lián)合系統(tǒng)不得不通過(guò)多配置儲(chǔ)能容量，來(lái)減少系統(tǒng)懲罰成本，實(shí)現(xiàn)最大化系統(tǒng)總收益。
表1 儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置計(jì)算結(jié)果
?
?
圖2 儲(chǔ)能電池各時(shí)段SOC
?
圖3 不同懲罰系數(shù)下風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)年收益
5 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型進(jìn)行了研究，以系統(tǒng)總收益最大為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量配置的影響因素及其敏感度進(jìn)行了分析。算例結(jié)果表明，只有當(dāng)系統(tǒng)懲罰成本的減少足以彌補(bǔ)儲(chǔ)能投資的增加時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)才有動(dòng)力投資儲(chǔ)能。通過(guò)合理配置儲(chǔ)能容量，能夠在平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
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Optimal Capacity Configuration of Cogeneration System of Wind Power and Energy Storage
WANG Xiaolei1， GU Jia1， ZHOU Jiawei2
(1.State Grid Suzhou Power Supply Company， Suzhou Jiangsu 215000， China;2.State Grid Suzhou Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215000， China)
Abstract:The integration of large-scale wind power brings new challenges to power system safety and stability.Energy storage system is quite promising in improving wind power access capability while the high capacity cost is a barrier in front of the development of cogeneration system of wind power and energy storage.To solve power fluctuation of large-scale wind power integration，the paper proposes optimal capacity configuration strategy based on wind power output fluctuation and operation restrictions of battery storage system.The calculation example shows that wind farms have energy storage investment drive only when penalty cost can make up energy storage investment increase.By optimal energy storage configuration，operation economy of wind farm is improved on the basis of suppressing power fluctuation of wind power.
Key words:wind power generation;energy storage system;optimal capacity configuration;control strategy
DOI:10.19585/j.zjdl.201809003
文章編號(hào)：1007-1881(2018)09-0014-04
中圖分類(lèi)號(hào)：TM614
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
收稿日期：2018-06-28
作者簡(jiǎn)介：王小蕾(1993)，女，助理工程師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)與電池儲(chǔ)能。
