提升局部區(qū)域新能源外送能力的儲能容量優(yōu)化配置方法

代 倩，吳俊玲，秦曉輝，張 健，張彥濤，陸潤釗

（中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 100192）

0 引言

中國力爭二氧化碳排放于2030 年前達到峰值，并努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。2030 年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1.2 TW［1］。但隨著新能源裝機規(guī)模不斷增加，新能源的隨機性和波動性勢必將給電網(wǎng)的電力電量平衡和安全穩(wěn)定帶來嚴峻的挑戰(zhàn)，新能源消納壓力將長期存在［2-3］。以中國西北新能源開發(fā)為例，該地區(qū)以集中開發(fā)為主，新能源消納受系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和外送通道輸電能力制約。儲能作為一種靈活性調(diào)節(jié)資源，具有快速功率調(diào)節(jié)能力，已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注［4-8］，在局部區(qū)域配置儲能裝置可利用其電量的時空轉(zhuǎn)移特性，減少線路尖峰潮流、滿足電網(wǎng)通道的安全穩(wěn)定因素制約，從而延緩輸電設(shè)施投資［9］。如何配置合理規(guī)模的儲能用于緩解通道阻塞壓力，提高新能源富集區(qū)域外送能力是亟須研究的技術(shù)問題。

儲能容量配置常見于新能源場站［10-13］和微電網(wǎng)［14-16］中。文獻［10］和文獻［11］分別利用頻譜分析和低通濾波相結(jié)合的技術(shù)以及粒子群優(yōu)化算法，確定滿足平滑新能源出力波動性需求的儲能最優(yōu)容量。文獻［12-13］為了滿足新能源場站輸出可供調(diào)度的固定功率，由儲能來補償新能源出力預(yù)測誤差，使新能源出力曲線滿足設(shè)定的可調(diào)度曲線。文獻［14-16］均將儲能作為能量平衡的元件，在園區(qū)等微電網(wǎng)系統(tǒng)中建立儲能的優(yōu)化配置模型，儲能的容量作為優(yōu)化待求解量，通過LINGO 商業(yè)軟件、人工智能算法等求解。上述文獻均是研究新能源場站、工業(yè)園區(qū)、微電網(wǎng)中儲能容量的配置問題，優(yōu)化求解變量維數(shù)小、機組類型不全面且不考慮實際網(wǎng)架的約束，這些方法在面對省域?qū)嶋H電力系統(tǒng)中的儲能規(guī)劃問題的適應(yīng)性會減弱。文獻［17-18］均從提升系統(tǒng)調(diào)峰能力促進新能源消納角度考慮儲能優(yōu)化配置問題。文獻［18］提出了滿足省級電網(wǎng)新能源消納性能/投資成本較優(yōu)的儲能容量需求計算方法，然而其在建模過程中沒有考慮常規(guī)機組類別和特性的差異性，僅以最小出力來統(tǒng)一安排所有非新能源機組的出力，不符合實際電力系統(tǒng)運行特性。另外，也沒有考慮新能源出力特性，以每月若干個典型日代表全年的資源特性，對大時間尺度下的新能源隨機特性考慮不夠全面。

目前尚未有文獻從緩解大電網(wǎng)局部斷面阻塞的角度來配置儲能以提升新能源消納能力。而在解決該問題時，同樣也需要克服文獻［18］存在的兩個問題，使儲能容量配置方法能適應(yīng)大電網(wǎng)儲能規(guī)劃的需求，本文基于電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷一體化生產(chǎn)模擬軟件（power system department-power energy &balance，PSD-PEBL），在考慮新能源預(yù)測偏差的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)多個分區(qū)在1 年內(nèi)各類型（火電、燃氣、水電、核電等）發(fā)電機的啟停安排和逐小時出力安排，模擬得到局部斷面外送的棄電功率；然后，對時序生產(chǎn)模擬得到的棄電曲線進行概率統(tǒng)計分析，以恒功率法得到滿足棄電率約束的儲能初始容量，在此基礎(chǔ)上利用累積概率分布函數(shù)確定儲能時長，進而對儲能進行優(yōu)化配置。最后，以中國西北某省局部區(qū)域新能源外送為案例，分析在現(xiàn)有國家要求的棄電率約束下所需配置的儲能規(guī)模，并探討儲能的配置規(guī)模與新能源裝機占比和利用率之間的敏感性。

1 新能源局部區(qū)域外送影響因素

局部新能源富集區(qū)域外送的示意圖見附錄A圖A1，外送受阻主要受以下3 個因素影響：

1）斷面輸電能力約束：由于本地支撐電源較少，受安全穩(wěn)定約束，若故障后可能會受低/高電壓約束，新能源存在脫網(wǎng)風(fēng)險，從而造成斷面棄電。

2）本地負荷制約：受本地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的制約，本地負荷少，消納新能源能力不足。

3）本地電源結(jié)構(gòu)：常規(guī)機組一般有火電、氣電、水電機組等組成，受供熱期、來水等的影響，本地電源的調(diào)節(jié)能力有限，也會造成新能源棄電。

為了適應(yīng)局部區(qū)域大規(guī)模新能源并網(wǎng)外送要求，當區(qū)域內(nèi)負荷消納能力和外送斷面的輸電能力不足時，需要新增具有快速功率吞吐能力的儲能裝置，并對其容量進行優(yōu)化配置，具體方案如下，流程如圖1 所示。

圖1 局部斷面儲能容量配置的計算流程圖Fig.1 Flow chart of calculation of energy storage capacity configuration for regional section

步驟1：確定區(qū)域電網(wǎng)的計算參數(shù)，定義局部區(qū)域送出斷面。

步驟2：利用PSD-PEBL 軟件建立系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，開展時序生產(chǎn)模擬計算。

步驟3：確定各局部區(qū)域送出斷面的新能源棄電率是否滿足棄電率考核指標。

步驟4：若不滿足，根據(jù)該斷面棄電曲線，利用恒功率法得到滿足棄電率約束的儲能初始配置規(guī)模。

步驟5：利用累積概率分布函數(shù)得到儲能配置時長，結(jié)合恒功率法得到的儲能初始配置規(guī)模，利用遍歷搜索方法得到符合棄電率約束的儲能容量優(yōu)化配置結(jié)果。

步驟6：判斷新能源送出區(qū)域是否遍歷完成，若沒完成，繼續(xù)步驟3 至步驟6。

步驟7：輸出各局部區(qū)域斷面所需配置的儲能規(guī)模（用功率/時長表示）。

2 PSD-PEBL 軟件功能介紹

PSD-PEBL 軟件是一款供需平衡分析軟件［19］，軟件的界面見附錄A 圖A2，目前已經(jīng)在國家電網(wǎng)有限公司運營區(qū)域內(nèi)的25 個省份的“十四五”電網(wǎng)規(guī)劃中得到全面應(yīng)用。該軟件可實現(xiàn)多個分區(qū)1 年內(nèi)逐小時各類型發(fā)電資源（火電、水電、核電、氣電、抽蓄、儲能、新能源）出力的安排，其功能框架結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A3 所 示。

框架中包含了數(shù)據(jù)建模、運行模擬策略、計算結(jié)果三大部分：1）數(shù)據(jù)建模需要全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，包含電源、網(wǎng)架和負荷；2）模擬策略為新能源優(yōu)先消納，各分區(qū)（省）各自平衡優(yōu)先，考慮新能源預(yù)測偏差參與電力平衡，以日最大負荷及備用需求確定常規(guī)開機方式，就近跨分區(qū)支援調(diào)峰不足或傳輸線受限時產(chǎn)生的棄電量；3）計算結(jié)果可根據(jù)需要統(tǒng)計分區(qū)間、省間、區(qū)域間的電力電量交換，并形成電力平衡、電量平衡、調(diào)峰平衡報表、開機位置圖、支路/斷面功率全年統(tǒng)計及新能源消納情況分析結(jié)果。

3 儲能容量配置方法

在PSD-PEBL 軟件中輸入電網(wǎng)參數(shù)、定義送出斷面之后，開展時序生產(chǎn)模擬后得到各送出斷面全年8 760 h 的功率曲線和新能源消納情況統(tǒng)計結(jié)果。

理論上，應(yīng)假設(shè)局部區(qū)域內(nèi)新能源不受調(diào)峰資源的限制，所有新能源消納僅受外送斷面送出能力制約。而在實際計算過程中，局部區(qū)域內(nèi)也會因調(diào)峰能力不足而造成棄電，故應(yīng)把因調(diào)峰造成的棄電也加到斷面輸送功率上，再根據(jù)斷面輸送功率極限，統(tǒng)計斷面新能源輸送功率超過斷面輸電能力的部分，該部分即為因局部斷面受阻而造成的新能源棄電曲線，計算過程如下。

1）在PSD-PEBL 軟件中創(chuàng)建工程，將全系統(tǒng)或分區(qū)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)、電源、負荷和分區(qū)聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)導(dǎo)入。將區(qū)外跨分區(qū)支援設(shè)為1，即完全支援。開始對該電網(wǎng)進行全年的生產(chǎn)模擬。

2）經(jīng)過時序生產(chǎn)模擬后，得到局部區(qū)域i內(nèi)因斷面阻塞而造成的新能源棄電曲線，表達式如下。

3.1 基于恒功率法的儲能容量初始配置方法

基于恒功率法的儲能初始容量配置的思路為：假設(shè)儲能可將恒定功率以下的新能源棄電功率全部充入儲能，計算引入儲能后的新能源棄電率，在滿足棄電率約束時，即可找到儲能的初始規(guī)模。以圖2 為例，根據(jù)斷面最大棄電功率將功率分成若干擋位，在圖2（a）中，紅色實線表示儲能功率配置在1 000 MW，紅色實線以下的棄電功率均可充入儲能，以上部分需棄掉。若要保證消納紅色實線以下的所有部分，儲能容量需要配置圖2（b）所示紅色面積中的最大值。由于新能源發(fā)電具有季節(jié)性，紅色面積對應(yīng)部分正好是新能源大發(fā)階段，是極端事件，因此儲能初始容量是比較大的；斷面是具有一定的輸送能力的，一天內(nèi)連續(xù)多次發(fā)生阻塞是比較少見的，且阻塞的棄電量規(guī)模不大；儲能調(diào)節(jié)模式是日充放?；谶@3 個原因考慮，本方法的假設(shè)是具有合理性的。具體計算步驟如下。

圖2 基于恒功率法的儲能初始容量配置示意圖Fig.2 Schematic diagram of initial capacity configuration for energy storage based on constant power method

3.2 基于累積概率函數(shù)分布的儲能容量優(yōu)化配置方法

由于儲能容量是圖2（b）中紅色區(qū)域的最大面積，而這種極端的大面積棄電事件發(fā)生的概率極低，若配置如此大規(guī)模的儲能，會導(dǎo)致儲能利用率不足。因此，不需要把紅色實線下方所有的電量都充入儲能，故有必要對儲能容量進一步優(yōu)化配置，具體步驟如下。

步驟1：根據(jù)棄電時長曲線的特性，選取儲能合理時長，由于儲能時長選取過長會導(dǎo)致儲能容量的浪費，過小會導(dǎo)致容量不足，建議選擇新能源棄電時長累計概率占比為50%的時長，記為Tref，i，以圖3 為例，此時Tref，i=4 h。

圖3 新能源棄電時長的累積概率分布Fig.3 Cumulative probability distribution of abandonment duration time for renewable energy

以上流程為局部區(qū)域i內(nèi)因斷面受阻造成新能源棄電而需配置儲能的詳細過程。

對全網(wǎng)的I個局部區(qū)域按照上述流程來確定儲能配置規(guī)模的詳細過程總結(jié)見附錄A 圖A4。

4 算例分析

4.1 中國西北某省級電網(wǎng)介紹

中國西北某省新能源和負荷呈逆向分布，新能源主要集中在A、B、C 地區(qū)，需輸送至省內(nèi)負荷中心地區(qū)甚至是區(qū)外消納。這些局部區(qū)域的新能源迅猛發(fā)展，使得現(xiàn)有局部送出斷面能力尚不能完全滿足新能源電力外送的需求。本文將以該省的三大新能源外送局部區(qū)域為例，計算提升斷面送出能力的儲能容量配置規(guī)模。

4.1.1 電源組成

2021年該省全網(wǎng)新能源總裝機容量約為24 GW，約為最大負荷的2 倍，占總裝機規(guī)模的60%，其中火電主要分布在該省主網(wǎng)和A 地區(qū)，A 區(qū)火電規(guī)模為670 MW，2021 年該省級電網(wǎng)總裝機和分區(qū)裝機規(guī)模見附錄A 表A1 和表A2。

4.1.2 負荷分布

2021 年該省內(nèi)各分區(qū)的負荷及電量見附錄A表A3，其中總負荷為10.67 TW。

4.1.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2021 年該省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A5 所示，省域電網(wǎng)根據(jù)本次研究的需要分為4 個分區(qū)，該省與相鄰省份通過3 個750 kV 通道相連。省內(nèi)有3 個送出斷面，分別為A 區(qū)外送、B 區(qū)上送和C 區(qū)上送斷面。直流線路有2 條，分別是柴拉直流線路和青豫特高壓直流線路。

4.2 新能源斷面消納情況

將該省電網(wǎng)、負荷和網(wǎng)架數(shù)據(jù)在PSD-PEBL 軟件中輸入，新能源資源曲線、負荷曲線和水文曲線按照歷史典型年數(shù)據(jù)布入，考慮新能源預(yù)測偏差為15%，斷面?zhèn)鬏敼β拾凑諏嶋H運行限額進行計算。在該省級電網(wǎng)60%新能源裝機占比下，新能源富集區(qū)域消納情況如表1 所示。

表1 2021 年中國某省新能源富集區(qū)域的消納情況Table 1 Renewable energy consumption in resource concentrated districts in a province of China in 2021

從表1 可知，2021 年該省級電網(wǎng)中A 和C 區(qū)的外送斷面棄電率均超過了5%，具有儲能安裝的必要性。

4.3 儲能容量配置結(jié)果

儲能容量配置結(jié)果包含兩部分：儲能容量初始配置規(guī)模和優(yōu)化配置結(jié)果。為了節(jié)約篇幅，以A 區(qū)為例，結(jié)果如表2 所示。

表2 2021 年中國某省A 區(qū)外送斷面儲能配置初始容量Table 2 Initial capacity of energy storage configuration for external transmission section of region A in a province of China in 2021

當棄電率考核目標為5%時，儲能的初始配置規(guī)模為：功率950 MW，能量12 060 MW·h。對棄電時長統(tǒng)計分析后，Tref，A=4 h，對儲能進行容量優(yōu)化配置，儲能功率初始值從12 060 MW/4=3 015 MW開始，逐步下調(diào)，當A 區(qū)儲能配置結(jié)果為1 500 MW/4 h 時，棄電率滿足5%的要求，此時儲能的能量較初始配置能量減小了50%。

為了驗證本文儲能時長選取的合理性，當滿足5%棄電約束時（允許儲能棄電率偏差為±0.05%），隨著儲能時長的變化，計算儲能所需配置的功率和能量的變化，結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看到，當儲能時長超過4 h 后，儲能配置功率沒有得到顯著的下降，而儲能所需配置的能量卻顯著上升；儲能時長過小，儲能容量有微弱的下降，但儲能的配置功率卻顯著上升，這會對儲能變流器的變流能力提出更高要求。

圖4 新能源95%利用率時儲能時長與儲能容量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between duration time and capacity of energy storage with 95% renewable energy utilization

1 500 MW/4 h 的儲能引入前后對A 區(qū)因斷面阻塞造成新能源棄電量的效果對比見附錄A 圖A6，由圖A6 可知，引入儲能后新能源棄電量減少，甚至減少了棄電次數(shù)的發(fā)生。用同樣的方法對該省其他局部區(qū)域開展斷面儲能容量配置，結(jié)果見表3。

表3 2021 年中國某省各局部區(qū)域儲能優(yōu)化配置規(guī)模Table 3 Optimized configuration results of energy storage in various partial areas in a province of China in 2021

在2021 年新能源裝機占比為60%時，該省A區(qū)配置1 500 MW/4 h 儲能，C 區(qū)配置225 MW/4 h儲能可使A 區(qū)和C 區(qū)的新能源滿足棄電率考核指標約束，從而不受斷面輸電能力的制約。

4.4 儲能容量配置結(jié)果敏感性分析

4.4.1 新能源裝機占比與儲能容量配置之間的敏感性分析

隨著“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”的構(gòu)建，新能源占比將越來越大，亟須探索斷面儲能配置規(guī)模與新能源裝機占比之間的敏感性。

當新能源裝機規(guī)模占比提升到70%時，具體規(guī)模見附錄A 表A4，負荷和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等條件均不變，計算70%新能源裝機占比時，該省局部區(qū)域需加裝的儲能，對比結(jié)果如表4 所示。

表4 儲能配置規(guī)模與新能源裝機占比的敏感性分析Table 4 Sensitivity analysis between energy storage capacity configuration and proportion of renewable energy in installed capacity

分析可知：在其他條件不變時，隨著新能源裝機占比的提升，新能源棄電量大幅增多，在5%新能源棄電率約束下，70%新能源占比場景下的儲能需求規(guī)模也在增加，斷面儲能裝機規(guī)模由1 725 MW/4 h增加到了8 900 MW/4 h（約5 倍）。

4.4.2 新能源利用率與儲能容量配置之間的敏感性分析

斷面儲能的配置規(guī)模與局部區(qū)域內(nèi)的新能源裝機規(guī)模、資源特性、常規(guī)機組調(diào)峰能力、本地負荷和送出通道的輸電能力相關(guān)。由于新能源占比增大后，斷面輸電能力有限，本地負荷新增規(guī)模有限，新能源棄電現(xiàn)象將會加重。若繼續(xù)按照現(xiàn)有棄電率考核指標作為約束，儲能的加裝規(guī)模需求將持續(xù)增大。因此，可探討斷面儲能配置規(guī)模與新能源利用率（100%減去棄電率）之間的敏感性，尋求更為合理的新能源利用率考核指標。

以A 區(qū)為例，圖5 為在不同新能源利用率考核指標下，在新能源裝機占比分別為70%和60%時，A 區(qū)外送斷面所需配置的儲能。若新能源利用率考核指標減小，所需配置的儲能規(guī)模也顯著下降。當新能源裝機占比為60%時，若新能源利用率從95%降低到90%時，所需配置的斷面儲能容量減小了80%，僅需配置300 MW/4 h。當新能源裝機占比提高到70% 時，若新能源利用率從95% 降低到90%時，所需配置的斷面儲能容量減小了36%，儲能容量也降低到3 800 MW/4 h。

圖5 新能源利用率與儲能容量配置的敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis between renewable energy utilization rate and energy storage allocation capacity

5 結(jié)語

本文基于當前電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷一體化生產(chǎn)模擬的主流軟件PSD-PEBL，提出了時序生產(chǎn)模擬和概率統(tǒng)計優(yōu)化分析相結(jié)合的方法，用于解決大電網(wǎng)中局部區(qū)域儲能容量配置的問題。與傳統(tǒng)方法相比，本文所提儲能容量配置求解方法不反復(fù)依賴于生產(chǎn)模擬優(yōu)化求解模型，僅需利用一次PSD-PEBL 軟件求解得到斷面棄電曲線，對該棄電曲線進行統(tǒng)計分析，利用恒功率法得到儲能配置的初始規(guī)模和基于新能源棄電時長的累積概率得到儲能的最佳配置時長，在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化搜索得到儲能最佳容量配置規(guī)模。該方法有效避免了求解維數(shù)災(zāi)難和求解效率低的問題，不但具有理論支撐還具有很強的工程實用功能。本文未對儲能配置的經(jīng)濟性直接建模，但從儲能時長的合理配置規(guī)模中對經(jīng)濟性給出了映射。對2021 年中國西北某省級電網(wǎng)進行算例分析，求解過程證明了所提模型的有效性；同時隨著新能源裝機占比的不斷提高，儲能配置需求也在顯著增大。下一步將對省域范圍內(nèi)同時考慮調(diào)峰約束和斷面阻塞約束下開展儲能經(jīng)濟優(yōu)化配置的研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。