大電網(wǎng)儲能與各類電源協(xié)同規(guī)劃

黃旭祥韓學(xué)山李家維沈鐘婷

(1.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室 (山東大學(xué))，山東 濟南250061;2.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州215000)

0 引言

隨著風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，以及潔凈化利用能源理念的不斷深入，電力系統(tǒng)正經(jīng)歷著由化石燃料等主動可調(diào)、可控能源發(fā)電向風(fēng)光等被動可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)換與讓位的過程。高比例可再生能源發(fā)電并網(wǎng)已大勢所趨，為應(yīng)對這一趨勢，分布式儲能、電動汽車等主動負(fù)荷也相應(yīng)得到快速發(fā)展。在此背景下，僅靠有限火電機組的調(diào)節(jié)能力難以接納高比例可再生能源發(fā)電，儲能等人為引入的靈活性資源如何與其銜接和協(xié)調(diào)，以及如何配置更有效等問題亟待澄清。本文以接納可再生能源發(fā)電能力為線索，探討儲能系統(tǒng)的配置策略，以期為長期的電力系統(tǒng)規(guī)劃提供指導(dǎo)性建議。

電力不同于其它商品，發(fā)用電之間必須實時平衡，儲能裝置使得電力能夠得到存儲，松弛功率平衡的剛性約束，因此，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于儲能應(yīng)對可再生能源并網(wǎng)方面展開了諸多研究。儲能配置是在不同目標(biāo)下決策儲能功率容量、能量容量，安裝位置，儲能類型等，文獻[1]對不同場景下，不同類型儲能的選址定容方法進行綜述。儲能輸出功率的雙向性和快速性使其在含有可再生能源(renewable energy source，RES)的電力系統(tǒng)中作用顯著：在源源協(xié)同方面，平抑可再生電源波動[2-3]、削峰填谷(改變凈負(fù)荷曲線)[4]、提供旋轉(zhuǎn)備用[5]；在源網(wǎng)協(xié)同方面，參與調(diào)節(jié)電壓[6]、緩解網(wǎng)絡(luò)堵塞[7]等。

隨著高比例RES并網(wǎng)，系統(tǒng)運行過程中的靈活調(diào)節(jié)能力成為研究熱點，儲能系統(tǒng)能夠提高電力系統(tǒng)靈活性，而其配置原則取決于RES對系統(tǒng)不同時間尺度功率平衡的影響程度。文獻[8]考慮到RES和負(fù)荷的波動特性，提出RES與不同類型儲能的協(xié)調(diào)規(guī)劃；文獻[9]提出包含源荷儲在內(nèi)的廣義靈活資源的概念，基于最大凈收益增量比的目標(biāo)，設(shè)計雙層規(guī)劃模型，將靈活性指標(biāo)納入模型中。

伴隨RES并網(wǎng)比例的提高，儲能系統(tǒng)等靈活性資源參與電源長期規(guī)劃已大勢所趨，僅考慮可再生電源或者儲能的單一類型資源的規(guī)劃、直接利用容量包絡(luò)的傳統(tǒng)電源規(guī)劃不再適用于高比例RES的場景。要滿足能源政策要求，必須將主動電源(傳統(tǒng)火電等)、被動電源(風(fēng)光等)、間接主動資源(儲能系統(tǒng))協(xié)同考慮。

相比于既定電源結(jié)構(gòu)下的儲能配置方式，協(xié)同規(guī)劃各類電源和儲能可以在電源規(guī)劃階段計及儲能的積極作用，使其能夠替代部分僅具有調(diào)節(jié)作用的火電機組，減少火電機組投資成本，確定更加合理的電源結(jié)構(gòu)。因此，本文協(xié)同考慮各類電源與儲能的長期規(guī)劃，以能源政策(即RES電量占比)為主導(dǎo)約束確定各類電源與儲能系統(tǒng)容量，以RES限電量為主導(dǎo)約束進行以機組組合為基礎(chǔ)的時序生產(chǎn)模擬，校驗并修正得到最終各類電源與儲能系統(tǒng)容量。最后以山東電網(wǎng)2050年電源長期規(guī)劃為算例驗證本文提出的儲能配置宏觀策略的有效性和經(jīng)濟性。

1 儲能系統(tǒng)與電源協(xié)同規(guī)劃模型

1.1 總體架構(gòu)

本文構(gòu)建的含有高比例RES的電源與儲能協(xié)同規(guī)劃模型由投資決策模塊和生產(chǎn)模擬運行模塊兩部分構(gòu)成。投資決策模塊確定待規(guī)劃年主動電源(火電)與被動電源(風(fēng)、光等)以及靈活性資源(儲能)的容量比例，生產(chǎn)模擬模塊以計及協(xié)同效應(yīng)的時序生產(chǎn)模擬模型為基礎(chǔ)，加入儲能相關(guān)約束，總體框架見圖1。

圖1 儲能系統(tǒng)與電源協(xié)同規(guī)劃總體框架Fig.1 The overall framework of cooperative planning of energy storage and generation

投資決策模塊決策各類電源與儲能系統(tǒng)的容量，各類電源容量比例決定了能源政策是否滿足，同時影響可再生電源限電量、失負(fù)荷量；儲能系統(tǒng)容量決定了可再生電源限電量、失負(fù)荷量約束能否滿足，同時影響清潔電量占比。各類電源與儲能系統(tǒng)在規(guī)劃層面具有協(xié)同作用。

生產(chǎn)模擬模塊中，儲能系統(tǒng)不僅改變基點平衡，也改變波動量平衡，在系統(tǒng)運行層面，圍繞系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)特性，主動量與間接主動量協(xié)調(diào)合作應(yīng)對被動量，具有協(xié)同效應(yīng)[10]。

1.2 投資決策模塊

投資決策模塊是包含主動電源、被動電源以及靈活性資源(儲能)的容量規(guī)劃問題。高比例RES并網(wǎng)后，要實現(xiàn)電能替代，風(fēng)光等被動電源必將逐步替代火電等主動電源，為保證系統(tǒng)安全運行，儲能等能夠靈活調(diào)節(jié)的措施必須大規(guī)模參與到系統(tǒng)運行當(dāng)中，因此在系統(tǒng)電源規(guī)劃中，既包括具有完全主動性的火電機組，不具有主動性的風(fēng)、光等可再生電源，又包括具有間接主動性[11]的儲能系統(tǒng)。

本模塊模型以各類電源投資成本最小為目標(biāo)函數(shù)，以能源政策和火電機組利用小時數(shù)約束為主導(dǎo)約束，包含其他保證系統(tǒng)安全運行的約束，決策各電源裝機容量。投資決策目標(biāo)函數(shù)如式(1)，包括規(guī)劃期N內(nèi)第n年火電機組、可再生電源、儲能系統(tǒng)的投資成本CG，n、CRE，n、CESS，n。通過折現(xiàn)率將投資總成本分?jǐn)偟礁魇褂媚攴荨?/p>

1.2.1 電源投資成本

其中

式中：ΔPG，τ為第τ年新建火電機組容量(由于火電機組按個數(shù)增加，因此用新增機組的個數(shù)表示，將連續(xù)變量變?yōu)殡x散變量)，αG，τ和xG，τ分別為第τ年火電機組單位容量建設(shè)成本和是否需要分?jǐn)偝跏纪顿Y成本，NG為火電機組使用年限。

其中

式中：M表示可再生電源類別(風(fēng)、光、生物質(zhì)能等)，ΔP m，τ為第τ年新建m類可再生電源容量，αm，τ和x m，τ分別為第τ年第m類可再生電源單位容量建設(shè)成本和是否需要分?jǐn)偝跏纪顿Y成本，N m為各類電源使用年限；δ表示折現(xiàn)率。

1.2.2 儲能系統(tǒng)投資成本

儲能系統(tǒng)投資成本分為兩部分，能量轉(zhuǎn)換裝置(power convert system，PCS)成本以及儲能單元(energy storage unit，ESU)成本[12]，總投資成本為

其中

式中：ΔPESS，τ和 ΔEESS，τ分別為第τ年新增儲能裝置功率容量和能量容量；αPCS，τ和αESU，τ分別為其單位容量建設(shè)成本；xESS，τ為第τ年是否需要分?jǐn)偝跏纪顿Y成本；NESS為儲能裝置運行使用年限，本文考慮兩種類型儲能裝置，抽水蓄能電站和網(wǎng)側(cè)電池儲能電站，為計算方便，抽水蓄能電站運行使用年限設(shè)置為50年，但電池儲能使用年限受充放電深度與充放電次數(shù)影響，文獻[12-13]詳細(xì)介紹了電池儲能使用壽命的計算方法，但是由于本文研究重點在規(guī)劃，因此利用電池全充全放的計算壽命作為使用壽命。

約束條件如下。

1)容量約束

2)電量約束

式中：n表示年數(shù)；G N，n為火電機組臺數(shù)；PGi為第i臺火電機組容量；HGi，n、H m，n分別為第i臺火電機組、第m類可再生電源利用小時數(shù)；H l，n為負(fù)荷利用小時數(shù)；R el，n為備用系數(shù)，主要考慮儲能裝置充放電過程中會造成能量損耗。

3)火電機組利用小時數(shù)約束

4)能源政策約束

式中：分子表示第n年各類可再生電源總發(fā)電量，分母表示第n年各類電源總發(fā)電量；αre，n表示第n年政策要求的清潔電源發(fā)電量占比下限值。

5)可再生電源限電量與失負(fù)荷量約束

式(13)表示第n年可再生電源限電量ΔERE，n與實際總發(fā)電量ERE，n比值小于規(guī)定值βRE，失負(fù)荷量ΔE l，n與負(fù)荷總量E l，n比值小于規(guī)定值βl。

1.3 時序生產(chǎn)模擬模塊

時序生產(chǎn)模擬模塊根據(jù)投資決策模塊決策的電源容量，以文獻[11]中的機組組合模型為基礎(chǔ)，加入頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)進行模擬運行，儲能系統(tǒng)作用在于兩方面，一方面儲能充放電對基點平衡約束產(chǎn)生影響，另一方面儲能提供調(diào)頻備用對波動量平衡約束產(chǎn)生影響。

本模塊以運行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，以可再生電源限電量、切負(fù)荷量為主導(dǎo)約束，包含保證系統(tǒng)安全運行的其他約束，決策各電源調(diào)度基點、利用小時數(shù)、可再生電源限電量、切負(fù)荷量等。

運行模擬目標(biāo)函數(shù)：

式中：foperation為系統(tǒng)規(guī)劃期內(nèi)的總運行成本，包括第n年發(fā)電成本Cfuel，n、懲罰成本Cpun，n、環(huán)境成本Cenviroment，n、能量損耗成本C E-loss，n，T n為第n年運行模擬總時段(間隔為1 h)，本章取8 760 h。發(fā)電成本包括以二次函數(shù)表示的燃料成本以及機組啟停成本[11]；懲罰成本包括棄風(fēng)棄光、失負(fù)荷損失兩部分[13]；環(huán)境成本以CO2排放量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，為t時段的煤耗，mco2為每t標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的CO2，γco2表示碳交易價格[14]；能量損耗成本為儲能轉(zhuǎn)移電量過程中產(chǎn)生的損耗為儲能系統(tǒng)t時段充、放電功率，ηch、ηd分別為儲能充放電效率，μ為單位購電價格，為計算簡便，暫不考慮分時電價。

約束條件(為表述方便，本部分公式變量略去表示年份的下標(biāo)n)如下。

1)功率平衡約束

2)波動量平衡約束

3)儲能系統(tǒng)相關(guān)約束

4)其他約束

包括機組組合常見約束(最小啟停時間，機組出力約束等)[11]、頻率允許偏差量約束[10]、各類電源出力約束[11]等。

2 模型求解

本文建立應(yīng)對高比例RES并網(wǎng)的電源與儲能協(xié)同規(guī)劃模型，分為投資決策模塊和時序生產(chǎn)模擬模塊，從數(shù)學(xué)角度分析，各決策變量之間存在非線性關(guān)系，為混合整數(shù)非線性規(guī)劃(mixed-integer nonlinear programming，MINLP)問題，考慮將其線性化后求解。

采用分層優(yōu)化的思想，在長時間尺度的投資決策模塊中計算短時間尺度的生產(chǎn)模擬模塊，提出對應(yīng)的雙層優(yōu)化(bi-level programming，BLP)模型，其一般形式為

式中，F(xiàn)(·)和foperation(·)分別為外層和內(nèi)層優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，即規(guī)劃期內(nèi)總成本以及運行成本；h(·)、g(·)分別為等式約束和不等式約束，下標(biāo)1表示外層約束，包括式(8)—(16)，下標(biāo)2表示內(nèi)層約束，包括式(20)—(24)；x，y分別為外層、內(nèi)層優(yōu)化問題的決策變量，內(nèi)層優(yōu)化問題的最優(yōu)解受x影響，同時外層優(yōu)化問題不僅與x，還依賴于內(nèi)層決策量y，是具有兩層遞階結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化問題[15]。

結(jié)合本章模型，求解流程如下：

1)外層優(yōu)化問題中的投資決策模塊根據(jù)負(fù)荷水平、現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)、常規(guī)電源規(guī)劃約束等條件，按照各電源利用小時數(shù)最低要求確定主動電源、被動電源的初步容量，并傳遞到內(nèi)層生產(chǎn)模擬模塊；

2)內(nèi)層優(yōu)化問題通過時序生產(chǎn)模擬得到各類電源運行基點及利用小時數(shù)，并傳遞至外層模塊，判斷是否滿足能源政策(清潔電量占比)約束和利用小時數(shù)約束，不滿足則改變規(guī)劃方案直至滿足；其次，判斷可再生電源限電量、失負(fù)荷量是否滿足約束，不滿足則增加儲能系統(tǒng)容量直至滿足，得到儲能系統(tǒng)初步容量；

3)各主動電源、被動電源、儲能系統(tǒng)容量確定后，生產(chǎn)模擬運行結(jié)果與之前發(fā)生改變，根據(jù)新的結(jié)果依次形成新的電源規(guī)劃方案與儲能規(guī)劃方案，判斷新方案的總成本較前一次方案是否有減少，若減少則保留新方案，若增加則保留之前方案，內(nèi)外層不斷迭代，最終得到滿足各約束的系統(tǒng)總成本最小的規(guī)劃方案。

3 算例分析

3.1 山東電網(wǎng)數(shù)據(jù)

本文以山東省數(shù)據(jù)[15-20]為參考，進行規(guī)劃分析。分別選取2030、2050年為待規(guī)劃年：在運行模擬過程中由于火電機組牽扯到機組組合問題，因此假設(shè)建設(shè)中或?qū)⒁ㄔO(shè)的火電機組都是1 000 MW超超臨界機組，相關(guān)建設(shè)成本見表1，該投資單價取自待規(guī)劃年預(yù)測值[21]；山東省屬于嚴(yán)重缺水省份，水資源開發(fā)利用難度大，全省水能資源理論可開發(fā)總量僅為11.7萬k W，因此可忽略水力發(fā)電；為計算簡便，假設(shè)儲能單位功率容量建設(shè)成本與能量建設(shè)成本相同。除上述電源外，“外電入魯”是山東省重要電力來源之一，2017年底送電山東的“四交兩直”特高壓工程建成，穩(wěn)定送電能力達到2 000萬k W，2030年將達到3 500萬k W，預(yù)計2050年達到8 000萬k W，其中送端系統(tǒng)RES與火電打捆比例取1∶1.76[14]，并以此計算受端系統(tǒng)接受外來電量中的RES電量占比。

2017年山東省最大負(fù)荷為7 500萬k W，按照預(yù)測增速，2030年最大負(fù)荷為10 693萬k W，2050年為14 520萬k W，負(fù)荷最大利用小時數(shù)為6 279 h；現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)及建設(shè)潛力見表1，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)中得到的負(fù)荷、風(fēng)光特性形成待規(guī)劃年模擬數(shù)據(jù)。

表1 現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)、建設(shè)潛力與建設(shè)成本Table 1 Structure,construction potential and construction cost of existing power generation

3.2 算例結(jié)果

設(shè)置火電機組利用小時數(shù)下限為3 500 h，電池儲能充放電效率為0.9，抽水蓄能充放電效率為0.7。棄風(fēng)棄光率上限為10%，失負(fù)荷率上限為1%，2030、2050年非化石能源電量占比分別為30%，60%。經(jīng)計算得到如表2所示結(jié)果。

表2 各類電源規(guī)劃結(jié)果Table 2 Planning results of various types of power sources

為滿足非化石能源電量占比的政策要求，火電機組裝機容量占最大負(fù)荷比重由1.38降至0.70。2017、2030、2050年電源總裝機容量為14 808、23 231、34 417萬k W，其中，火電機組容量占比由69.8%降至29.3%，風(fēng)電裝機容量占比由7.2%升至16%，光伏裝機容量占比由7.1%升至26%，生物質(zhì)能裝機容量占比5.5%，省外來電容量占比由13.5%升至23.2%。由于山東省風(fēng)電可開發(fā)資源有限，而分布式光伏具有較大開發(fā)潛力，因此2030—2050期間光伏成為增長最快的電源。

2017、2030、2050年電量需求分別為4.65×1011、6.71×1011、9.12×1011k W·h，其中，各電源電量占比如圖2所示。

圖2 各電源電量占比Fig.2 Ratio of power generation

火電機組電量占比由85.47%降至2050年的39.93%，說明未來含有高比例RES的電源結(jié)構(gòu)中主體電源已經(jīng)不再是火電，三個年份火電利用小時數(shù)分別為4 506、3 989、3 254 h，也說明火電由主要承擔(dān)發(fā)電任務(wù)向主要承擔(dān)輔助服務(wù)轉(zhuǎn)變。

由山東省風(fēng)光出力歷史數(shù)據(jù)分析，當(dāng)風(fēng)電與光伏裝機容量比為3：2時互補效果最好，即能夠最大程度滿足負(fù)荷曲線，2030年規(guī)劃結(jié)果也一定程度體現(xiàn)了這個結(jié)論，但是由于山東省大規(guī)模風(fēng)電可開發(fā)資源有限，分布式風(fēng)電又不切合實際，而太陽能資源豐富，分布式光伏具有較大發(fā)展?jié)摿?，因?050年規(guī)劃結(jié)果顯示光伏裝機容量提升明顯。

山東省是農(nóng)業(yè)大省，生物質(zhì)資源豐富，但受限于建設(shè)成本，生物質(zhì)能發(fā)展空間不大。除本省可再生電源外，“西電東送”等外電成為重要電力來源，隨著未來技術(shù)發(fā)展，送電端風(fēng)/光/火打捆比例進一步提升，但是由于未來電力系統(tǒng)應(yīng)該采用大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送模式還是就地消納風(fēng)光模式仍存在較大爭議[14]，因此本算例對“外電入魯”的容量規(guī)劃采用政策決定，未做優(yōu)化。

3.3 儲能的價值分析

本算例中考慮抽水蓄能電站與電網(wǎng)側(cè)分布式電池儲能兩種儲能類型，隨著時間的推移，抽水蓄能機組由于資源限制等因素建設(shè)成本上升，電池儲能則由于技術(shù)的發(fā)展建設(shè)成本持續(xù)下降，因此在2050年規(guī)劃結(jié)果中分布式電池儲能得到大規(guī)模應(yīng)用。

以總?cè)萘康?.05 pu為區(qū)間寬度，統(tǒng)計兩種儲能系統(tǒng)的充放電功率次數(shù)，得到圖3所示分布。其中全年儲能狀態(tài)有8 760個，電池儲能不充不放次數(shù)為1 598次，抽水蓄能不充不放次數(shù)為4263次。抽水蓄能更多的是承擔(dān)調(diào)峰以及提供備用的任務(wù)，充放電次數(shù)分布較電池儲能均勻，即小功率充放電次數(shù)較少。全年儲能系統(tǒng)共轉(zhuǎn)移電量1.64×1010k W·h，損耗電量為3.09×109k W·h；同時，各時刻儲能系統(tǒng)提供調(diào)頻備用均值占備用需求的約52.3%。由此可見，在高比例RES電力系統(tǒng)中，以儲能為代表的靈活性資源不可或缺。

圖3 充放電功率分布Fig.3 Distribution of charge-discharge power

為進一步分析儲能系統(tǒng)在長期規(guī)劃中與電源協(xié)同考慮的價值，本算例設(shè)置兩種場景：1)長期規(guī)劃中考慮儲能；2)長期規(guī)劃中不考慮儲能。場景2)中系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力取決于常規(guī)機組，因此為了模型有解，不考慮最大利用小時數(shù)約束和棄風(fēng)棄光約束。得到2050年各電源規(guī)劃結(jié)果及成本如表3所示。

表3 各電源規(guī)劃結(jié)果及成本Table 3 Planning results and cost of each power source

如表3所示，在長期規(guī)劃中不考慮儲能系統(tǒng)，導(dǎo)致火電機組投資急劇上升，且通過火電機組平均利用小時數(shù)可以看出，新建火電機組主要用于彌補RES波動，并未充分利用，造成資產(chǎn)擱置。因此，在長期規(guī)劃中考慮儲能系統(tǒng)，其價值遠(yuǎn)大于既定電源結(jié)構(gòu)下配置儲能。

4 總結(jié)

隨著高比例RES的并網(wǎng)，未來電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)必將發(fā)生重大變化，儲能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用成為可能。為此本文考慮各類電源及儲能系統(tǒng)，建立協(xié)同規(guī)劃模型，并將模型應(yīng)用于山東省電網(wǎng)，分析山東省實現(xiàn)高比例RES的發(fā)展路徑。得到如下結(jié)論：

1)要實現(xiàn)非化石能源電量占比的目標(biāo)，電源結(jié)構(gòu)必然進行調(diào)整，火電機組更多承擔(dān)輔助任務(wù)，可再生電源成為主要供能者。但可再生電源裝機規(guī)模受限于本地風(fēng)光等自然條件，增加電網(wǎng)互聯(lián)，能夠彌補資源分布與電力需求分布不對稱的局面。

2)儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用能夠有效彌補可再生電源的不可控出力，起到轉(zhuǎn)移電量與提供備用的作用，且將儲能系統(tǒng)與電源規(guī)劃協(xié)同考慮，儲能系統(tǒng)價值得到更加充分的體現(xiàn)，因此未來隨著電池儲能成本的下降，高效率的電池儲能會得到廣泛應(yīng)用。

3)通過能源政策為導(dǎo)向的電源規(guī)劃和模擬運行得到的山東省規(guī)劃方案顯示，單純從單母線模型可以實現(xiàn)含有高比例RES的電力系統(tǒng)愿景。