大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的儲能容量配置優(yōu)化決策方法

李中勝

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系,福建 永安 366000)

0 引言

大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對于實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)型具有積極的促進作用,但大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的電力系統(tǒng)調(diào)度運行與管理也面臨著相應(yīng)的挑戰(zhàn)[1-2],電力系統(tǒng)儲能容量的服務(wù)需求直線上升。

目前,電力系統(tǒng)儲能單元的投資成本相對較高,儲能容量的合理性直接影響著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下電力系統(tǒng)儲能配置的經(jīng)濟性。如果儲能容量配置條件較差,在發(fā)電量較大時,電力系統(tǒng)無法對超出的電量進行合理存儲,導(dǎo)致風(fēng)電資源不能得到合理的利用,從而造成嚴重的資源浪費。反之,儲能單元設(shè)定較高,無法保證儲能單元的經(jīng)濟性,會降低電力系統(tǒng)的使用壽命[3-4]。因此,合理配置儲能單元,對于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下電力系統(tǒng)的運行效果具有直接影響。

針對前述問題,在本次研究中提出了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的儲能容量配置優(yōu)化決策方法,獲取更加有效的優(yōu)化配置方案,爭取改善當(dāng)前儲能容量配置優(yōu)化情況,提升風(fēng)電的存儲量與利用率。

1 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的儲能容量配置優(yōu)化決策方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測模型

選用小波變換算法獲取風(fēng)力發(fā)電功率的時間間隔特征[5-6],通過此特征獲取風(fēng)電在不同時間單位下的發(fā)電量。根據(jù)小波變換的相關(guān)理論對風(fēng)力發(fā)電過程進行分解,則有

(1)

(2)

式中:m表示出力系數(shù);q表示發(fā)電利用因數(shù);Tn表示風(fēng)力發(fā)電量增長的時間系數(shù)。

根據(jù)式(2)將儲能容量優(yōu)化過程劃分為多個方面的問題,具體內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 不同時間單位下儲能容量問題示意圖

將圖1 中內(nèi)容作為后續(xù)研究中的參考條件之一,在本環(huán)節(jié)中不對其進行贅述。將式(1)與式(2)進行整合,得到風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測結(jié)果?；谠摻Y(jié)果對風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量進行評估。

風(fēng)力發(fā)電完成后,電網(wǎng)的電壓會發(fā)生相對穩(wěn)定的波動,此波動計算公式設(shè)定如式(3):

(3)

式中:αU表示電壓發(fā)生的波動;UK表示發(fā)電后的實際電壓測量值;UN表示額定電壓值。通過式(3)可對電網(wǎng)電壓的整體變化進行研究,但僅使用此數(shù)據(jù)對風(fēng)電質(zhì)量進行分析是遠遠不夠的,需要對電壓分位點的波動進行評估,此評估過程可表示為

(4)

式中:Ys表示短時間內(nèi)的電壓閃變值;Yl表示長時間內(nèi)的電壓閃變值;b(βo,Vχ)表示電網(wǎng)中公共連接點內(nèi)部的阻抗角βo以及風(fēng)電機組所處地區(qū)的平均風(fēng)速Vχ的閃變系數(shù);Wn表示風(fēng)電機組的額定功率;Wo表示電網(wǎng)連接點的額定短路容量。對于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的電力系統(tǒng)公共連接點的閃變系數(shù)[7],可使用式(5)進行估算:

(5)

將式(5)的計算結(jié)果代入式(4)中,并將式(3)～式(5)進行整合,使用此部分公式對風(fēng)電質(zhì)量進行評估,以此作為風(fēng)電儲能容量結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)優(yōu)化條件。

1.2 確定儲能容量配置優(yōu)化目標函數(shù)

對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下的電力系統(tǒng)進行了系統(tǒng)分析,將儲能容量優(yōu)化成本以及風(fēng)電廢棄量的最小取值結(jié)果作為目標函數(shù),并根據(jù)此目標函數(shù)確定了儲能容量的配置函數(shù)。目標函數(shù)表達式可表示為

(6)

式中:f1儲能單元運行成本;f2表示風(fēng)電廢棄量;G1表示風(fēng)電機組的構(gòu)成成本;G2表示微型燃機的運行成本;G3表示儲能單元的運行成本;G4表示微型燃機的維護成本;G5表示微型燃機的燃料成本;G6表示污染治理成本;G7表示風(fēng)電機組與儲能單元的設(shè)備置換成本;E表示風(fēng)電廢棄量;G表示風(fēng)電廢棄量的成本。此目標函數(shù)在計算的過程中設(shè)有多個約束條件,具體約束函數(shù)設(shè)定如式(7)[8-9]:

(7)

式中:H1、H2以及H3分別表示風(fēng)電機組、微型燃機與儲能單元的數(shù)量;H1max表示風(fēng)電機組的最大安裝數(shù)量;H2max表示微型燃機的最大安裝數(shù)量;H3min、H3max表示儲能單元的最少安裝數(shù)量以及最大安裝數(shù)量。

Rmin≤R≤Rmax,

(8)

式中:R表示微型燃機的輸出功率;Rmin與Rmax分別表示其功率的最大值與最小值。

(9)

QOCmin≤QOC(t)≤QOCmax,

(10)

式中:QOC(t)表示時間周期內(nèi)儲能單元的剩余容量;QOCmin表示儲能單元的最小剩余容量;QOCmax表示儲能單元的最大剩余容量。除前述約束條件外,還需保證電力系統(tǒng)的供電可靠性[10-11],此可靠性計算公式設(shè)定如式(11):

X≤Xmax,

(11)

式中:X表示額定供電不足概率;Xmax表示電力系統(tǒng)可允許的最大供電不足概率。對前述公式進行整合,對目標函數(shù)的計算過程展開控制,并將此目標函數(shù)作為儲能配置優(yōu)化決策方案的主要選擇指標。

1.3 儲能容量配置優(yōu)化決策

在前文設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上,使用拉丁超立方采樣方法對風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果進行抽樣,并逐個使用目標函數(shù)對其進行計算與控制,得到不同的決策方案,然后對此部分方案進行對比,得到最優(yōu)決策方案。

設(shè)定預(yù)測模型的誤差值為隨機變量ci,此時累積概率函數(shù)可表示為[12-13]

yi=fi(ci)。

(12)

(13)

對預(yù)測結(jié)果進行隨機取樣,對取樣結(jié)果進行評定,如符合相關(guān)要求,將其作為儲能優(yōu)化決策的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[14]。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標函數(shù)以及約束函數(shù),構(gòu)建決策模型,具體內(nèi)容如式(14)～(15):

minLi=max(zi(t))-min(zi(t)),

(14)

可得到最終的決策方案,為保證此方案具有一定的可行性,構(gòu)建相應(yīng)的驗證指標對式(14)的計算結(jié)果進行控制,則有

(15)

式中zi(t)表示研究周期內(nèi)儲能單元配置容量[15],對已獲取到的決策方案進行驗證,以此確保決策方案的科學(xué)性。

對前述設(shè)定內(nèi)容進行整合,至此,大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的儲能容量配置優(yōu)化決策方法設(shè)計完成。

2 實例論證分析

為證實設(shè)計方法在常規(guī)環(huán)境中具有應(yīng)用價值且選擇的決策方案可解決當(dāng)前運行問題,構(gòu)建20臺機器測試系統(tǒng),對此方法的應(yīng)用效果進行分析。

2.1 實例參數(shù)設(shè)定

采用20機測試系統(tǒng)進行仿真實驗,其中含有10臺風(fēng)電機以及部分微燃機和儲能單元,機組參數(shù)與負荷數(shù)據(jù)見表1。

表1 機組參數(shù)及負荷量統(tǒng)計表

風(fēng)力發(fā)電機5、7、9各時間段的發(fā)電功率約束設(shè)定為60 MW、75 MW、80 MW,設(shè)備常規(guī)備用負荷為總負荷的15%。風(fēng)電備用比例系數(shù)取值為0.15。模擬冬季時風(fēng)力發(fā)電機6、7、8、10的最小發(fā)電量為額定發(fā)電量的60%、65%、50%和45%,非冬季時風(fēng)力發(fā)電機供電量為最低。

本次實驗以我國某實際大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)儲能結(jié)構(gòu)為例,對此電網(wǎng)的儲能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析,獲取此電力系統(tǒng)24 h的風(fēng)力發(fā)電量、負荷如圖2所示。

圖2中的內(nèi)容為此電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行情況,根據(jù)此情況對儲能單元進行優(yōu)化,分析提出方法的使用效果。

圖2 電力系統(tǒng)日負荷/風(fēng)力發(fā)電曲線

2.2 優(yōu)化決策方案應(yīng)用模擬

使用文中方法,對機組測試系統(tǒng)進行優(yōu)化,利用式(3)和式(4)計算風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)電壓和運行波動?；趦?yōu)化目標函數(shù)式(6)和約束條件式(7)獲得優(yōu)化配置方案,得到儲能單元節(jié)點數(shù)量的最大值。所得儲能容量配置優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 儲能容量優(yōu)化配置結(jié)果

對表2中的數(shù)據(jù)進行分析可以看出,當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)的輸電質(zhì)量下降。電壓波動較大,已經(jīng)超出現(xiàn)有波動允許量的上限。從儲能單元優(yōu)化結(jié)果可以看出,此儲能單元可接入10個儲能節(jié)點,使用本文方法后交易費用明顯降低,說明此方法具有一定的可行性與科學(xué)性。這是因為本文設(shè)置的優(yōu)化目標函數(shù)將交易成本和電力系統(tǒng)供電可靠性作為優(yōu)化目標,得到最優(yōu)決策方案,使電壓波動和成本有效降低。

2.3 實驗對比分析

對優(yōu)化前后儲能單元運行情況和經(jīng)濟效益進行對比,測試本文提出方法的應(yīng)用效果。

對圖3中的內(nèi)容進行分析可以看出,風(fēng)電儲能節(jié)點個數(shù)與運行成本成反比例。優(yōu)化前儲能單元的運行情況明顯與目標函數(shù)曲線有較大的差異性。優(yōu)化后儲能單元運行情況與目標函數(shù)走向較為一致且整體數(shù)值較為接近。因為使用拉丁超立方采樣方法對風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果進行抽樣,并逐個對隨機變量數(shù)值進行評定與控制,將符合要求的數(shù)值作為儲能優(yōu)化決策的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),使得儲能單元運行與目標函數(shù)走向一致且整體數(shù)值較為接近。由此可以看出,本文方法的使用效果較好。

圖3 優(yōu)化前后儲能單元運行情況與目標函數(shù)關(guān)系

對電力系統(tǒng)維護成本、環(huán)保處理成本以及風(fēng)電廢棄成本進行統(tǒng)計,對比優(yōu)化前后的電力系統(tǒng)相關(guān)費用,具體內(nèi)容如圖4所示。

對圖4中的內(nèi)容進行分析可以看出,優(yōu)化后的電力系統(tǒng)各項運行費用均得到了控制,可有效提升電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。同時,通過對比風(fēng)電廢棄成本也可以確定此方法使用效果較好,儲能單元的經(jīng)濟效益也得到提升。這是因為本文方法在成本優(yōu)化目標函數(shù)建立的過程中全面考慮了儲能單元運行成本、微型燃機的運行成本、微型燃機的維護成本、微型燃機的燃料成本、污染治理成本、風(fēng)電廢棄量的成本等多成本因素,因此,優(yōu)化配置后大幅度降低了運行費用。

圖4 儲能容量配置優(yōu)化后電力系統(tǒng)各項費用統(tǒng)計

3 結(jié)語

為了使風(fēng)電更好地服務(wù)于人們的生產(chǎn)生活,有必要對電力系統(tǒng)的儲能單元進行合理的優(yōu)化,使用拉丁超立方采樣方法對預(yù)測結(jié)果進行抽樣,將儲能容量優(yōu)化成本以及風(fēng)電廢棄量的最小取值結(jié)果作為目標函數(shù),結(jié)合儲能單元的容量限制條件,分析了電網(wǎng)的電壓波動情況,進而明確了儲能單元的運行情況與目標函數(shù)曲線,匹配了更加有效的配置優(yōu)化方案。