風(fēng)電集群的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置

王凱， 李喜蘭， 劉振偉 ， 鄭海林

(1.福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350000；2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

要實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)比重必將進(jìn)一步提升。然而，風(fēng)電出力的間歇特性大大制約了風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展[1]。為風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能可以提高風(fēng)電消納率以及風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性[2-3]。

目前已有一些文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電配置儲(chǔ)能的容量?jī)?yōu)化進(jìn)行相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[4]從風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差縮減、預(yù)測(cè)結(jié)果的合格率以及投運(yùn)成本來(lái)考慮風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能配置容量。文獻(xiàn)[5]通過(guò)儲(chǔ)能的回收年份與預(yù)測(cè)誤差控制范圍來(lái)確定風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能的最優(yōu)容量。文獻(xiàn)[6]從減少風(fēng)電場(chǎng)的缺電懲罰成本和棄風(fēng)懲罰成本帶來(lái)的收益來(lái)優(yōu)化儲(chǔ)能容量配置。文獻(xiàn)[7]提出配置合適比例容量的儲(chǔ)能用于平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。同時(shí)，儲(chǔ)能作為良好的調(diào)峰和調(diào)頻資源[8-9]，文獻(xiàn)[10]提出了風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)可以通過(guò)提供輔助服務(wù)來(lái)回收成本。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于風(fēng)電配置儲(chǔ)能往往僅考慮單一風(fēng)電場(chǎng)的配置儲(chǔ)能情況，容易出現(xiàn)儲(chǔ)能資源浪費(fèi)。此外，隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的增大，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接納度給未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展會(huì)帶來(lái)一定的影響。

本文分析對(duì)比了各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能的效益與風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的效益，提出了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的接納度指標(biāo)，綜合考慮了風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能所減少偏差考核的經(jīng)濟(jì)效益、參與輔助服務(wù)市場(chǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和儲(chǔ)能設(shè)施的投建以及運(yùn)行維護(hù)成本。

1 風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)

假設(shè)風(fēng)電集群中有三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，參數(shù)如表1所示。

表1 各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)

考慮完全消除風(fēng)電的預(yù)測(cè)偏差所需要的儲(chǔ)能容量，各個(gè)時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電集群偏差量如圖1所示。

圖1 各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電集群風(fēng)電預(yù)測(cè)偏差量

在各個(gè)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能的場(chǎng)景下，各風(fēng)電場(chǎng)所需儲(chǔ)能容量分別為124.24 MWh、173.47 MWh和134.51 MWh。在風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的場(chǎng)景下，所需要的儲(chǔ)能容量為405.94 MWh，減小了23.28 MWh的儲(chǔ)能配置，減少比例為5.73%，提高了風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的效益與成本

2.1 減少偏差考核的收益

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的出力偏差電量超范圍時(shí)，按照偏差范圍分段計(jì)算偏差考核電量。

Rbias=∑Pbias×p1

(1)

(2)

式中:Rbias為減少偏差考核收益；Pbias為偏差考核電量；P為風(fēng)電出力超發(fā)電量或欠發(fā)電量；Swind為風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量；p1為機(jī)組批復(fù)的上網(wǎng)電價(jià)。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)的接納度

風(fēng)電功率的波動(dòng)過(guò)大會(huì)降低電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接納程度，不利于風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。

(3)

(4)

式中:Faccept為電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接納度；K為總的采樣區(qū)間數(shù)；Sk為第k次采樣區(qū)間風(fēng)電波動(dòng)指標(biāo)；Pw(k-1)、Pw(k)分別為k-1與k時(shí)刻風(fēng)電出力；Pes(k-1)、Pes(k)分別為k-1與k時(shí)刻儲(chǔ)能動(dòng)作；p為風(fēng)電場(chǎng)每小時(shí)最大有功出力變化限值。

2.3 參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的收益

參與調(diào)峰的市場(chǎng)主體采用分區(qū)間報(bào)價(jià)補(bǔ)償[11],對(duì)參與調(diào)頻的市場(chǎng)主體，根據(jù)調(diào)頻里程進(jìn)行補(bǔ)償[12]。

(5)

(6)

式中:Rps為調(diào)峰帶來(lái)的收益；Rfm為調(diào)頻帶來(lái)的收益；N為時(shí)間段內(nèi)計(jì)費(fèi)周期的個(gè)數(shù)；p2為有償調(diào)峰申報(bào)價(jià)格；Pw(t)為風(fēng)電場(chǎng)第t個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的實(shí)際出力；Pwe(t)為風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)峰時(shí)第t個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的出力；LFM(t)為第t個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的調(diào)頻里程；Pclear(t)為調(diào)頻里程補(bǔ)償價(jià)格。

2.4 環(huán)境效益

環(huán)保收益為體現(xiàn)在燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組產(chǎn)生的污染治理成本。

(7)

式中：REP為風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境效益；Cpoll為常規(guī)機(jī)組燃煤發(fā)電單位電量所產(chǎn)生的污染物治理費(fèi)用，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文簡(jiǎn)化為0.11 元/kWh；Pw(t)為t時(shí)刻風(fēng)電配置儲(chǔ)能后增加的出力；T為計(jì)算周期。

2.5 儲(chǔ)能成本和運(yùn)行損耗

由于電池容量衰減，在項(xiàng)目周期內(nèi)更換帶來(lái)電池更換成本。儲(chǔ)能成本模型采用全壽命周期進(jìn)行分析。

(8)

(9)

(10)

(11)

式中:Creplace為儲(chǔ)能電池更換成本；α為電池成本年下降比例；KR為電池的更換次數(shù)；Ces為電池的單位成本；N為電池儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)周期;L為儲(chǔ)能電池更換周期；CLCCNPV為儲(chǔ)能電站全壽命周期凈現(xiàn)值；CLCCNAV為儲(chǔ)能電站全壽命周期凈年值；CCI為儲(chǔ)能電站的投資成本；CCM.j為第j年的檢修成本；i為貼現(xiàn)率；CCD為期末退役成本。

(12)

式中：Celc為儲(chǔ)能運(yùn)行損耗成本；Pes(t)為儲(chǔ)能t時(shí)刻的充電量；η為儲(chǔ)能的循環(huán)效率；p2為電池儲(chǔ)能循環(huán)損耗成本。

2.6 目標(biāo)函數(shù)

用于減小偏差考核部分的儲(chǔ)能容量，以配置儲(chǔ)能后單位投資的收益最大、電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電接納度的提高程度為目標(biāo)函數(shù)。參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的儲(chǔ)能容量則把配置儲(chǔ)能后的凈收益最大化作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)求解。

max[(Rbias+REP)/CLCCNAV+Faccept.ws-Faccept.w]

(13)

(14)

max[(Rps+Rfm)-CLCCNAV-Celc]

(15)

(16)

式中:Faccept.w為配置儲(chǔ)能前風(fēng)電集群的接納度；Faccept.ws為配置儲(chǔ)能后風(fēng)電集群的接納度；Sbias為用于調(diào)整偏差考核的儲(chǔ)能容量；Sps為參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的儲(chǔ)能容量；max(windbias)為風(fēng)電的最大偏差量。

3 粒子群算法

算法流程如圖2所示。

圖2 粒子群算法流程

(1) 輸入算例參數(shù)和粒子群初始參數(shù)。

(2) 計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，與個(gè)體極值對(duì)比，保留最優(yōu)值并繼續(xù)下一次迭代。

(3) 用每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值和全局極值對(duì)比，并更新粒子的速度和位置。

(4) 如果滿足結(jié)束條件，終止程序并輸出結(jié)果，否則返回步驟(2)繼續(xù)執(zhí)行程序。

4 算例仿真分析

4.1 算例參數(shù)

本文基于某地區(qū)風(fēng)電集群數(shù)據(jù)作為計(jì)劃出力曲線，假定所有預(yù)測(cè)偏差符合正態(tài)分布，風(fēng)電機(jī)組以及儲(chǔ)能電站的參數(shù)如表2所示。

表2 算例參數(shù)

4.2 算例結(jié)果分析

(1) 針對(duì)風(fēng)電集群不同的預(yù)測(cè)偏差進(jìn)行了分類(lèi)，不同預(yù)測(cè)精度下的最優(yōu)儲(chǔ)能配置容量以及配置前后的接納度與投資需求如表3所示。

表3 用于減少偏差考核的儲(chǔ)能配置容量與效益

(2) 采用粒子群算法對(duì)風(fēng)電集群所配置的儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的收斂曲線如圖3所示。當(dāng)收斂到最優(yōu)值時(shí)，儲(chǔ)能的配置容量、投資凈年值、年凈收益以及回收年限如表4所示。

表4 參與輔助服務(wù)市場(chǎng)儲(chǔ)能配置容量與效益

圖3 粒子群算法收斂曲線

本文研究了以風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能相較于分散配置儲(chǔ)能可以減少5.73%的儲(chǔ)能配置容量。當(dāng)預(yù)測(cè)精度為15%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能最優(yōu)配置比例為11.58%，回收年限為13.79年；當(dāng)預(yù)測(cè)精度為20%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能最優(yōu)配置比例為11.84%，回收年限為13.95年。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)比得出了以風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，提出了風(fēng)電場(chǎng)的接納度這一指標(biāo)，綜合考慮了風(fēng)電配置儲(chǔ)能的成本、效益以及并網(wǎng)后的發(fā)展，能夠更加貼近實(shí)際生活，為風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能提供參考借鑒。