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隨著風(fēng)電滲透率的增大,風(fēng)電爬坡事件容易引發(fā)電力系統(tǒng)安全問題。該文針對風(fēng)電爬坡事件造成的系統(tǒng)功率平衡問題,建立了可選型、定容的儲能優(yōu)化配置模型,用于決策滿足系統(tǒng)充裕性需求的儲能配置方案。針對目前儲能價格偏高的現(xiàn)狀,為減少儲能的投資成本,該文的模型結(jié)合了儲能和常規(guī)機組的技術(shù)特點,增強了配置結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性。后,該文在算例中綜合比較了儲能和常規(guī)機組在多種典型場景下的技術(shù)特點,儲能爬坡速度快、調(diào)節(jié)范圍大、啟停靈活等優(yōu)勢更適用于爬坡事件。

0 引言

風(fēng)電技術(shù)是目前經(jīng)濟(jì)和成熟的一種可再生能源發(fā)電技術(shù),風(fēng)電在中國發(fā)展迅速,裝機容量已位居世界首位[1]。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的情況下,風(fēng)電場的波動性和不確定性對保證系統(tǒng)的功率平衡帶來了新的挑戰(zhàn)。天氣的急劇變化容易引發(fā)風(fēng)電爬坡事件[2],近年來,世界范圍內(nèi)發(fā)生的風(fēng)電爬坡事件已對電網(wǎng)安全造成了不同程度的影響[3-5]。隨著風(fēng)電滲透率的逐漸增大,爬坡事件是大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)中不可忽略的因素。

常規(guī)電源的技術(shù)特點無法完全適應(yīng)風(fēng)電并網(wǎng)帶來的問題,為儲能提供了應(yīng)用空間。具體體現(xiàn)在：1)常規(guī)機組爬坡率有限,難以應(yīng)對風(fēng)電短時爬坡事件,而儲能具有充放電速度快的優(yōu)勢。2)常規(guī)機組運行范圍有限,其出力范圍受小技術(shù)出力限制,而儲能可承擔(dān)電源和負(fù)荷的雙重功能,因此相同額定功率的儲能具有更大的出力范圍。3)常規(guī)機組頻繁啟停能力弱,無法應(yīng)對短期內(nèi)風(fēng)電連續(xù)反向爬坡事件,儲能靈活啟停能力強。中國國家能源局和美國能源部都將大規(guī)模儲能作為應(yīng)對風(fēng)電并網(wǎng)問題的重要選項[6],儲能的運行和配置問題也被廣泛研究[7-11]。

然而,目前大規(guī)模儲能電站的投資成本普遍較高,只利用儲能解決系統(tǒng)功率充裕性問題是不經(jīng)濟(jì)的。儲能不能憑空產(chǎn)生能量,在充放電過程中存在能量損耗。由于技術(shù)和造價等原因,儲能也難以完全滿足大容量的系統(tǒng)功率需求。因此,儲能不能完全替代常規(guī)電源,需要結(jié)合儲能的靈活性優(yōu)勢和常規(guī)電源的能量和價格優(yōu)勢,根據(jù)系統(tǒng)需求合理配置儲能。

目前,在應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的儲能配置問題研究中,廣泛研究的儲能應(yīng)用場景主要集中在調(diào)峰上[12-15]。文獻(xiàn)[12]提出了一種電池儲能用于電網(wǎng)調(diào)峰的優(yōu)配置方法。文獻(xiàn)[13]根據(jù)可調(diào)容量占裝機容量的比重提出了調(diào)峰容量比的概念,基于此確定抽水蓄能機組的裝設(shè)容量。文獻(xiàn)[14]針對風(fēng)電接入系統(tǒng)的調(diào)峰問題基于well-being思想建立了含風(fēng)電電力系統(tǒng)的調(diào)峰容量需求模型,提出了基于調(diào)峰需求的儲能電源容量優(yōu)化配置方法。文獻(xiàn)[15]基于華東電網(wǎng)對考慮風(fēng)電不確定性時的儲能系統(tǒng)容量配置問題進(jìn)行了研究。在電網(wǎng)的調(diào)度問題中,文獻(xiàn)[16-17]已經(jīng)將風(fēng)電爬坡事件的影響考慮入內(nèi),然而在儲能配置問題中,鮮有文獻(xiàn)考慮風(fēng)電爬坡事件對儲能配置產(chǎn)生的影響。

目前的儲能配置問題研究主要決策儲能的容量,一些工作可進(jìn)一步選擇儲能的技術(shù)類型。文獻(xiàn)[18]總結(jié)了主流儲能技術(shù)類型,針對海島獨立型微電網(wǎng)特點從技術(shù)和成本角度對不同類型儲能進(jìn)行了分析和選擇,但該文獻(xiàn)針對微網(wǎng)應(yīng)用場景。文獻(xiàn)[19]提出了考慮輸電網(wǎng)絡(luò)的儲能配置方法,對抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鋰電池儲能和飛輪儲能等進(jìn)行了儲能技術(shù)類型選擇。然而,目前鮮有將常規(guī)機組作為可選技術(shù)類型以減少儲能配置容量的報道。

本文考慮風(fēng)電爬坡事件,建立了可選型、定容的儲能優(yōu)化配置模型,用于決策滿足系統(tǒng)充裕性需求的儲能配置方案。本文的模型結(jié)合了儲能和常規(guī)機組的技術(shù)特點,可減少儲能的投資成本、增強配置結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性。算例部分通過幾個典型爬坡場景綜合比較了儲能相比常規(guī)機組爬坡速度快、調(diào)節(jié)范圍大、啟停靈活等方面的優(yōu)勢。

1 考慮風(fēng)電爬坡事件的儲能配置問題模型

風(fēng)電爬坡事件是一種短時間尺度下風(fēng)功率大幅波動的事件,將會打破系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷平衡,給系統(tǒng)帶來較大的沖擊[16]。風(fēng)電爬坡事件相比日常典型場景發(fā)生頻次少,但若對其發(fā)生不采取措施可能會給電力系統(tǒng)帶來重大停電事故。因此,在配置問題中應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)電爬坡事件的影響。

然而,在儲能配置問題的場景中考慮了包括風(fēng)電爬坡事件場景在內(nèi)的諸多場景,會導(dǎo)致儲能配置容量過大。如何建立合適的配置模型,結(jié)合儲能和常規(guī)設(shè)備的技術(shù)特點保證系統(tǒng)安全,同時減少價格昂貴的儲能的配置容量,是本文研究的重點。由于主要著眼于系統(tǒng)功率平衡問題,本文建模中選用常規(guī)發(fā)電機組作為和儲能同時配置的常規(guī)設(shè)備。因此,本節(jié)建立了可選型、定容的儲能優(yōu)化配置模型,通過儲能和常規(guī)機組的聯(lián)合配置,可減少儲能的投資成本、增強配置結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)由建造投資費用與電網(wǎng)運行費用、備用費用等部分組成,如式(1)所示。常規(guī)機組旋轉(zhuǎn)備用功率的計算方法和相關(guān)約束表達(dá)在本文附錄A中進(jìn)行了說明。

式中：Ω_g、Ω_nes和Ω_ng分別為現(xiàn)有常規(guī)機組、待選儲能機組和待選常規(guī)機組的集合;N_t為場景考慮的時段數(shù);x_i為表征待選常規(guī)機組i是否投資的0-1變量;C_i^cons為待選常規(guī)機組i的建設(shè)費用;P_i和E_i分別為儲能機組i的額定功率和額定容量;α_i和β_i分別為儲能單位功率和單位容量的建設(shè)費用;ξ_i為儲能年限折算系數(shù);Pr(s)為場景s發(fā)生的概率;p_i,s,t為常規(guī)機組i在場景s第t時段的功率;C_i為常規(guī)機組i的運行費用;r_i,s,t為相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用功率;C_i^re為常規(guī)機組i的旋轉(zhuǎn)備用費用,0-1變量v_i,s,t表征常規(guī)機組是否啟動;C_i^st為常規(guī)機組i的開機費用;C_i^out和C_iⁱⁿ分別為儲能機組i的充電和放電運行費用;和分別為儲能機組i在場景s第t時段的充放電功率;w^c_s,t和d^c_s,t分別為切負(fù)荷和棄風(fēng)的功率;C_i^wc和C_i^dc分別為切負(fù)荷和棄風(fēng)的費用。

1.2 基于場景的運行約束

運行約束基于典型日常場景和典型爬坡場景,保證投資決策能滿足不同運行場景下系統(tǒng)的功率平衡。

1.2.1 系統(tǒng)功率平衡約束

各場景下的系統(tǒng)功率平衡約束如式(2)所示,

式(3)和式(4)分別限制了棄風(fēng)和切負(fù)荷的比例。

式中：Ω_w和Ω_d分別為風(fēng)電場和負(fù)荷的集合;w_s,t和d_s,t分別場景s第t時段的風(fēng)電和負(fù)荷功率;φ^_w和φ^_d分別為棄風(fēng)和切負(fù)荷的比例限制。

為方便下文敘述,式(2)—(4)抽象表達(dá)為式(5)。

式中：p^g、p^nes和p^ng分別為現(xiàn)有常規(guī)機組、待選儲能機組和待選常規(guī)機組的功率;w^c和d^c分別為棄風(fēng)和切負(fù)荷的功率。

1.2.2 常規(guī)機組約束

常規(guī)機組約束包括常規(guī)機組的功率、爬坡、機組啟停等約束。現(xiàn)有常規(guī)機組和待選常規(guī)機組抽象表達(dá)分別如式(6)和式(7)所示,鑒于篇幅所限,具體表達(dá)式見附錄A。

式中：u^g為現(xiàn)有常規(guī)機組的啟停決策變量;u^ng和x^ng分別為待選常規(guī)機組啟停和投資決策變量。

1.2.3 待選儲能機組約束

待選儲能機組約束如式(8)—(16)所示。

其中：式(8)(9)是儲能的功率上下限約束;和分別表示儲能充放電工作狀態(tài)的0-1變量;μ_i為裕度系數(shù)。式(10)是儲能注入功率表達(dá)式,p_i,s,t是儲能注入電網(wǎng)的功率。式(11)是儲能的工作狀態(tài)約束,它保證了儲能機組在一個時刻只能工作在吸收功率(=1,=0)、發(fā)出功率(=0,=1)或者停機(=0,=0) 3種狀態(tài)中的一種狀態(tài),不能同時充放電。式(12)是儲能單位時間爬坡率約束,R_Ui和R_Di分別是儲能功率上爬坡和下爬坡的上限,Δt為每個時段的時間間隔。式(13)—(16)是儲能的能量約束,對于不同類型的儲能,能量約束表達(dá)形式的物理意義有所不同,例如電池儲能是對SOC的限制,抽水蓄能是對庫容的限制。其中,e_i,s,t為儲能機組ii在場景s第t時段的能量(SOC或庫容),δ_i為儲能機組i的能量自損耗系數(shù),η_iⁱⁿ、η_i^out分別為儲能機組ii充電和放電過程中的能量轉(zhuǎn)化效率;γ_i,s,tE_i、E_i分別表示待配置儲能機組i的能量上下限,E_i是待優(yōu)化變量,γ_i,s,t、分別是[0, 1]區(qū)間內(nèi)的歸一化系數(shù)。

注意到,式(8)(9)中存在連續(xù)變量Pi和0-1變量和的乘積項,本文使用大M法將其消除,使儲能約束保持混合整數(shù)線性性質(zhì)。具體如式(17)—(20)所示,其中M的合理取值需要保證,P_i^∗為儲能機組ii優(yōu)的額定功率。

為方便下文敘述,將式(10)—(20)抽象表達(dá)為式(21)。

式中：p^nes、pⁱⁿ(p^out)、uⁱⁿ(u^out)和e分別為儲能機組注入功率、充(放)電功率、充(放)電工作狀態(tài)和能量的變量。

1.3 儲能-常規(guī)機組聯(lián)合配置問題模型

建立的可用于選型、定容的儲能-常規(guī)機組聯(lián)合配置模型為式(22)。具體地,以式(1)為目標(biāo)函數(shù),式(2)—(4)、(6)(7)、(10)—(20)為約束的優(yōu)化配置問題模型。

模型I(儲能-常規(guī)機組聯(lián)合配置模型) ：

1.4 對比模型

為便于與本文建立的模型對比,分析不同場景下儲能和常規(guī)機組技術(shù)特點,同時對比各種類型儲能之間的相對優(yōu)劣,將本文第2節(jié)建立的儲能-常規(guī)機組聯(lián)合配置模型(模型I)進(jìn)行簡化,得到了儲能單獨配置模型(模型II)和常規(guī)機組單獨配置模型(模型III)。其表達(dá)式分別為式(23)和式(24),其中目標(biāo)函數(shù)obj _ IIbj _ II和obj _ IIIbj _ III見附錄B中的式(B1)和式(B2)。

模型I、模型II和模型III都是混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,本文使用Cplex軟件求解。

模型II(儲能單獨配置模型)：

模型III(常規(guī)機組單獨配置模型)：

以上對比模型的功能在于：1)用于對比說明本文建立的儲能-常規(guī)機組聯(lián)合配置模型(模型I)的有效性。2)使用模型II對不同類型的儲能進(jìn)行單獨配置,可進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)型分析,得到某種儲能價格未來降到何種程度可選用的結(jié)論。3)使用模型II和模型III,對比分析不同場景下各類型儲能和常規(guī)機組的相對優(yōu)劣勢。

不同場景下各類型儲能和常規(guī)機組的相對優(yōu)劣勢的探討有助于理解不同場景特點和不同設(shè)備特點的相互匹配關(guān)系,特別是有助于認(rèn)識風(fēng)電爬坡事件的特點以及挖掘儲能的應(yīng)用場景。

2 算例驗證

本文使用8節(jié)點系統(tǒng)為算例,說明可用于選型、定容的儲能優(yōu)化配置模型的功能,以及如何通過合理配置消除不同場景下電網(wǎng)調(diào)度存在的功率平衡問題。

2.1 8節(jié)點系統(tǒng)概述

本文采用的8節(jié)點系統(tǒng)現(xiàn)有5個常規(guī)發(fā)電機組和2個風(fēng)電場,其中風(fēng)電場W1裝機容量為550 MW,風(fēng)電場W2的裝機容量為450 MW。圖1為所采用的8節(jié)點系統(tǒng)的示意圖,表1為該系統(tǒng)現(xiàn)有常規(guī)機組的參數(shù),表2為待選常規(guī)機組的參數(shù)。表3為各種類型儲能的技術(shù)指標(biāo)。

圖1 8節(jié)點系統(tǒng)示意圖

Fig. 1 8-bus power system diagram

表1 8節(jié)點系統(tǒng)現(xiàn)有常規(guī)機組參數(shù)

Tab. 1 Parameters of exist conventional generators

表2 待選類型常規(guī)機組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

Tab. 2 Parameters of 3-types of conventional generators for ion

表3 待選類型儲能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

Tab. 3 Parameters of 3-types of energy storage units for ion

2.2 模型功能敘述

本文的模型適用于儲能機組配置(模型II)、常 規(guī)機組配置(模型III)和儲能常規(guī)機組的聯(lián)合配置(模型I)表4展示了以上幾種配置方案的結(jié)果對比。

表4 配置方案

Tab. 4 Configuration results

可以發(fā)現(xiàn)儲能的配置較常規(guī)機組單獨配置在同樣滿足所有配置約束的情況下,更加經(jīng)濟(jì)。同時,該方法也同樣選擇出了目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)下,抽水蓄能較鉛炭電池、磷酸鐵鋰電池更適合選用。按該系統(tǒng)的需求,鉛炭電池、磷酸鐵鋰電池的單位能量和功率價格若分別小于抽水蓄能的22.84%、19.61%,則更適合選用。因此,本文提出的方法可用于選型、定容的儲能優(yōu)化配置。