計及儲能使用年壽命的風(fēng)電場整體性儲能配置

禹海峰，黃婧杰，蔣詩謠，周雨樺，劉海軍，何 婧，楊洪明

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖南 長沙 410007；2.能源互聯(lián)網(wǎng)供需運營湖南省重點實驗室，湖南 長沙410004；3.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；4.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

中國風(fēng)電快速持續(xù)增長，逐步進入風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展階段，根據(jù)國家能源局已發(fā)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，全國風(fēng)電累計裝機達2.1億kW。然而，由于風(fēng)電存在反調(diào)峰性、隨機性和波動性等特征[1]，大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展帶來了大量棄風(fēng)、并網(wǎng)功率波動等問題[2-3]，從而給電力系統(tǒng)的可靠、安全運行帶來負(fù)面影響。為此，國家和地區(qū)政府對風(fēng)電并網(wǎng)做了一系列要求，例如在風(fēng)電消納方面，國家發(fā)改委和能源局聯(lián)合印發(fā)了《清潔能源消納行動計劃(2018—2020)年》，要求2020年中國風(fēng)電棄風(fēng)率控制在5%左右。

為了解決風(fēng)電快速發(fā)展所帶來的負(fù)面影響，以及滿足國家和地區(qū)政府對風(fēng)電并網(wǎng)要求，電儲能(儲能)技術(shù)因具有雙向快速電功率交互和電能時空遷移的能力，逐漸成為了當(dāng)前的主流方案[4-5]。但當(dāng)前儲能配置一次投資過大，且由于儲能循環(huán)壽命短，導(dǎo)致儲能配合風(fēng)電并網(wǎng)方案的經(jīng)濟性較差[6-7]。為此，根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)的需求并結(jié)合不同類型電儲能的技術(shù)特點，進行儲能優(yōu)化配置來提高風(fēng)電并網(wǎng)儲能配置的經(jīng)濟性顯得尤為重要。

目前，關(guān)于儲能配置的研究主要集中于利用儲能促進風(fēng)電消納和平抑風(fēng)功率的波動。在促進風(fēng)電消納方面，文獻[8]采用火電廠側(cè)配置儲能來提升調(diào)峰火電機組的向下調(diào)峰能力，可有效促進系統(tǒng)對風(fēng)電消納；文獻[9]考慮風(fēng)電出力的時序特性，并以儲能帶來的電網(wǎng)多環(huán)節(jié)效益為目標(biāo)制定了電網(wǎng)側(cè)儲能配置策略；文獻[10]根據(jù)風(fēng)電消納需求特性展開儲能應(yīng)用研究，建立了儲能額定功率與風(fēng)電消納需求關(guān)系模型。在平抑風(fēng)功率波動方面，文獻[11]研究了不同平抑策略、不同置信度水平下風(fēng)功率波動平抑的儲能優(yōu)化配置問題；文獻[12]采用小波分解法對風(fēng)電偏差功率進行分解，并利用能量型處理高頻分量和功率型處理低頻分量，給出了混合儲能平抑風(fēng)電場的儲能優(yōu)化配置方法?？芍L(fēng)電的電儲能配置取得了許多成果，然而以上文獻多針對棄風(fēng)或風(fēng)功率波動某一問題來配置儲能，較少探討棄風(fēng)和風(fēng)功率波動與對應(yīng)調(diào)度階段的聯(lián)系。此外，較少考慮電儲能實際使用狀態(tài)對儲能壽命的影響，即忽略了電儲能實際使用狀態(tài)對儲能成本的影響。

因此，本文充分考慮電儲能實際使用過程和狀態(tài)對儲能壽命的影響，并將電儲能壽命的影響折算到電儲能配置成本中，建立電儲能實際使用壽命年值模型。此外，對棄風(fēng)和風(fēng)功率波動所對應(yīng)的調(diào)度階段進行分析，將提高風(fēng)電消納和平抑風(fēng)功率波動的需求轉(zhuǎn)換為日前、日內(nèi)調(diào)度需求；依據(jù)當(dāng)前國家或地區(qū)對風(fēng)電并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)要求，考慮日前、日內(nèi)調(diào)度需求的整體性，結(jié)合功率型電池和能量型電池的優(yōu)缺點，以某風(fēng)電場為研究背景，計及電儲能實際使用過程和狀態(tài)對電儲能壽命的影響，以及風(fēng)電消納和風(fēng)電偏差考核要求，并兼顧儲能的投資，以年運行收益為目標(biāo)進行風(fēng)電場儲能配置。

1 電儲能實際使用壽命年值模型

1.1 電儲能分類和充放電模型

1.1.1 電儲能分類

電儲能根據(jù)其物理特性可分為能量型和功率型兩類儲能[13]，不同類型的電儲能有各自適合的應(yīng)用特點。能量型儲能，例如蓄電池，其優(yōu)勢是單位成本較功率型低，但其頻繁的進行充電轉(zhuǎn)換會損害電池壽命，不利于電池的全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟性；功率型儲能，例如超級電容，因具有快速充放電轉(zhuǎn)換能力，適用于抑制功率的頻繁波動，但由于配置成本較高不適合大容量配置(為了表述方便，本文將能量型電池蓄電池標(biāo)志為“1”；功率型電池超級電容標(biāo)志為“2”)。

1.1.2 電儲能充放電模型

1)功率模型。電儲能的安全運行需要滿足一定充放電功率約束，數(shù)學(xué)表達式為

(1)

2)能量變化模型。電儲能儲存的能量為一定時間內(nèi)放出/吸收能量的總和，其數(shù)學(xué)表達為

(2)

在電儲能的能量變化過程中，通常采用荷電狀態(tài)SOC來描述電池的運行狀態(tài)，其數(shù)學(xué)關(guān)系為

(3)

式中S1,t、S2,t分別為t時刻的蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)；E1，max、E2，max分別為所配置的蓄電池和超級電容容量。

為了保證儲能的安全、長久運行，要求其荷電狀態(tài)滿足約束：

(4)

(5)

1.2 電儲能等效年使用年壽命

在常規(guī)應(yīng)用環(huán)境下，儲能的壽命受放電深度和循環(huán)壽命的影響，一般通過循環(huán)次數(shù)與放電深度試驗關(guān)系來估算實際使用壽命，其中，放電深度為單次充放電過程中最大儲電量與電池配置容量之比。具體關(guān)系為

BDod=f(Dod)

(6)

式中BDod為充放電深度為Dod所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，則每次循環(huán)對應(yīng)的壽命損耗為1/BDod，具體表達式可參考文獻[14]。

則第j天放電深度與循環(huán)次數(shù)和單循環(huán)內(nèi)的壽命損耗關(guān)系為

(7)

式中BDod,j,s為第j天第s次循環(huán)對應(yīng)的充放深度；m為第j天電儲能充放電循環(huán)次數(shù)。

則可以推導(dǎo)出蓄電池的等效年使用壽命為

(8)

式中D為一年中的運行天數(shù)，不考慮檢修停運的影響，取值365。

在常規(guī)應(yīng)用環(huán)境下，超級電容具有循環(huán)次數(shù)多、功率密度大的優(yōu)勢，其使用壽命主要受循環(huán)次數(shù)影響。超級電容的出廠循環(huán)次數(shù)為M2，取值20萬次[15]，一年內(nèi)第j天的超級電容使用轉(zhuǎn)換次數(shù)為k2，j，則可以推導(dǎo)出超級電容的等效年使用壽命為

(9)

1.3 實際使用壽命下成本年值模型

配置儲能包含的成本主要由電池本體購置、輔助設(shè)備、運行維護成本和回收殘值所構(gòu)成。

1)本體購置成本。

(10)

式中λi,E、λi,P分別為第i類電儲能的單位容量、功率購置單價。

考慮貨幣時間價值的影響，電儲能的本體購置成本年值為

(11)

(12)

式中r為折現(xiàn)率，取值0.08；Li為第i類電儲能的實際使用年壽命。

2)輔助設(shè)備成本。第i類電儲能的輔助設(shè)備成本可描述為

(13)

同理，輔助設(shè)備成本的年值為

(14)

(15)

年固定成本主要反映人力和管理的投入費用，其與日常的電池運行狀態(tài)無關(guān)，主要受儲能類型和所配置的功率有關(guān)。

(16)

年可變成本主要反映電池日常運行所需要的費用，受日常運行狀態(tài)影響，主要由每天所處理的能量大小來刻畫，考慮時間價值因素的影響，可表述為

(17)

4)回收殘值。當(dāng)電池儲能的理論壽命結(jié)束時，可通過回收利用獲得收益，其回收年值可表示為

(18)

式中κi,rec為第i類儲能的回收系數(shù)，取0.15。

綜上，電儲能的配置在壽命周期內(nèi)的成本年值可表述為

(19)

2 風(fēng)儲系統(tǒng)日前—日內(nèi)調(diào)度需求整體性儲能配置方法

2.1 風(fēng)儲聯(lián)發(fā)系統(tǒng)調(diào)度需求分析

風(fēng)電場配置儲能后組建成風(fēng)儲聯(lián)發(fā)系統(tǒng)，相對于風(fēng)電場而言，風(fēng)儲聯(lián)發(fā)系統(tǒng)具有更高的靈活性，可對風(fēng)電場的出力進行調(diào)節(jié)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，Pgrid為風(fēng)電和儲能的聯(lián)合出力，Pw為風(fēng)電場出力。

圖1 風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of wind storage co-generation system

通過文1.1中對功率型和能量型電儲能的分析，可知通常情況下蓄電池特性適合調(diào)節(jié)風(fēng)電的“反調(diào)峰”特性，即應(yīng)用于風(fēng)電日前調(diào)度的上報計劃調(diào)整，從而提升風(fēng)電的消納空間；超級電容特性適應(yīng)于日內(nèi)調(diào)度的風(fēng)電波動所造成風(fēng)電偏差調(diào)整，從而降低風(fēng)電的偏差考核懲罰。

上述配置方式考慮了利用不同電儲能的技術(shù)優(yōu)缺點來針對性解決風(fēng)電所面臨的問題，但這種配置方式孤立了風(fēng)電日前與日內(nèi)調(diào)度需求內(nèi)在關(guān)聯(lián)的整體性。因此，在考慮上述應(yīng)用基礎(chǔ)上，本文將日前風(fēng)電“反調(diào)峰性”儲能配置與日內(nèi)風(fēng)電“波動性”儲能配置作為一個整體進行配置，充分發(fā)揮不同類型電儲能特性在確保風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)要求下，進一步提升儲能配置方案的經(jīng)濟性。

2.2 考慮日前、日內(nèi)調(diào)度需求整體性的風(fēng)電場儲能配置方法

2.2.1 日前階段風(fēng)電場儲能配置

日前階段主要解決風(fēng)電場出力的“反調(diào)峰性”如圖2所示，以某日風(fēng)電場日前出力進行消納示意，整個過程分為2個階段：預(yù)申報和再申報階段。

圖2 某月典型日的風(fēng)電示意Figure 2 Wind power diagram of a typical day of a month

預(yù)申報階段：風(fēng)電場將日前預(yù)測風(fēng)電出力作為預(yù)申報出力向上級電網(wǎng)調(diào)度申報，上級調(diào)度部門在校驗電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟等指標(biāo)后向風(fēng)電場下發(fā)可消納風(fēng)電。若不進行其他方式調(diào)節(jié)，風(fēng)電出力“反調(diào)峰”性則會導(dǎo)致大量棄風(fēng)(圖2)。

再申報階段：風(fēng)電場對風(fēng)電消納率進行核驗，如果滿足要求，則以預(yù)申報出力作為申報出力上報調(diào)度確定；如不滿足要求，風(fēng)電場依據(jù)可消納風(fēng)電與預(yù)申報出力的關(guān)系，在考慮經(jīng)濟性和風(fēng)電消納率要求的基礎(chǔ)上，進行蓄電池配置，使得風(fēng)電消納滿足要求，如圖3所示。

圖3 蓄電池配置效果示意Figure 3 Battery configuration effect diagram

2.2.2 日內(nèi)階段風(fēng)電場儲能配置

日內(nèi)階段主要解決日前階段結(jié)束后風(fēng)電“波動性”導(dǎo)致的風(fēng)電偏差問題，即實際風(fēng)電出力為

(20)

實際風(fēng)儲系統(tǒng)的出力與申報出力存在偏差，一般可以采用超級電容進行平抑偏差，即

(21)

但僅考慮超級電容單獨平抑偏差會使得其所配置的容量較大，經(jīng)濟性不太可觀。因此，本文充分考慮蓄電池與超級電容的配置，即蓄電池動作區(qū)間段可以優(yōu)先修改蓄電池運行狀態(tài)，消除偏差量；蓄電池未動作時段由所配置的超級電容來消除，如圖4所示。

圖4 日內(nèi)階段蓄電池優(yōu)先調(diào)整時區(qū)Figure 4 The intraday phase battery has priority to adjust the time zone

當(dāng)然，蓄電池參與偏差消除時需滿足關(guān)系：

(22)

(23)

此外，為了保持蓄電池的使用壽命，蓄電池日內(nèi)調(diào)整不改變充、放電狀態(tài)，即滿足：

(24)

3 考慮調(diào)度需求整體性的風(fēng)電場儲能配置數(shù)學(xué)模型

風(fēng)電場配置蓄電池和超級電容，在日前階段可將風(fēng)電進行時序轉(zhuǎn)移，最終確定日前申報出力，可有效減少棄風(fēng)懲罰，并帶來相關(guān)收益；在日內(nèi)階段可消除風(fēng)電偏差，從而降低不平衡電量懲罰成本。本文在考慮日前和日內(nèi)對儲能需求以及風(fēng)電消納和風(fēng)電偏差考核要求基礎(chǔ)上，兼顧儲能的投資，以年運行收益為目標(biāo)，具體目標(biāo)函數(shù)為

(25)

(26)

(27)

(28)

為了滿足棄風(fēng)率在控制要求范圍內(nèi)，設(shè)置年棄風(fēng)率約束：

(29)

此外，本文約束還包括式(1)～(19)、式(22)～(24)。

4 算例分析

4.1 參數(shù)說明

選取中國中部某風(fēng)電場進行電儲能配置和相關(guān)分析，并以該風(fēng)電場2018年整年的風(fēng)電預(yù)測出力、可消納風(fēng)電和預(yù)測出力偏差作為數(shù)據(jù)樣本。為了分析和模型求解方便，將數(shù)據(jù)以日為單元，應(yīng)用K-means算法進行聚類[16]，并得到4類典型日(典型日1～4分別含聚類天數(shù)55、135、35、140 d)，如圖5、6所示。

圖5 不同典型日的風(fēng)電預(yù)測偏差量Figure 5 Wind power forecast deviation of different typical days

圖6 不同典型日的可消納風(fēng)電和預(yù)測出力Figure 6 Different typical days can absorb wind power and forecast output

蓄電池選擇鐵鋰蓄電池和超級電容，其相關(guān)參數(shù)如表1所示[11,17]；風(fēng)電上網(wǎng)單價為0.6元/(kW·h)。

表1 電儲能的成本參數(shù)Table 1 The cost parameters of electric energy storage

4.2 方案設(shè)置

為便于對比所提電儲能配置方案的有效性，共設(shè)計4個方案：

1)本文所提儲能配置方案；

2)相比于方案1，未考慮調(diào)度需求整體性；

3)相比于方案1，未考慮實際使用壽命約束，但按照實際使用情況進行實際使用壽命年折算；

4)未配置儲能方案。

4.3 方案分析

在MATLABR2018a中調(diào)用fminunc函數(shù)和編程求解各方案，結(jié)果如表2所示，可知方案1相比方案2可以有效延長超級電容的使用壽命，以及可降低超級電容功率和容量的配置，但由于方案1中的蓄電池在一定時段內(nèi)需要兼顧風(fēng)電消納和偏差消除，其需配置的蓄電池功率和容量有所提高。將方案1、3對比可知，方案3未考慮使用壽命約束雖然可以降低蓄電池容量和功率的配置，但蓄電池運行在深度充放電狀態(tài)，使得蓄電池實際使用壽命降低。將方案1、2、3與方案4比較，可知配置儲能有效提高風(fēng)電消納水平。

表2 不同方案儲能配置結(jié)果Table 2 Energy storage configuration results of different schemes

各方案經(jīng)濟性比較如表3所示，可知配置儲能方案(方案1、2、3)比未配置儲能方案(方案4)能有效降低棄風(fēng)懲罰成本和偏差考核成本，并提升了售電收益，但由于電儲能配置成本過高，導(dǎo)致總的年運行收益降低，這表明如果目前選擇電儲能滿足風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)要求，需要一定程度上犧牲經(jīng)濟性為代價。結(jié)合表1、3，對比方案1、2可知，在風(fēng)電消納和偏差消除相當(dāng)?shù)那闆r下，本文考慮日前—日內(nèi)調(diào)度需求整體性配置方案降低儲能配置和年運行成本，驗證本文配置電儲能方案有效性；對比方案1、3可知，考慮實際使用壽命約束的電儲能配置年運行成本更低，提高了年運行收益，驗證了本文考慮實際使用壽命的有效性。

表3 不同方案經(jīng)濟性比較Table 3 Comparison of different program economic systems 萬元

4.4 電儲能價格對儲能配置方案的影響分析

電儲能價格會隨著儲能技術(shù)不斷發(fā)展而降低，分析儲能價格降低到不同情況下的風(fēng)電場儲能配置，以及儲能配置后所帶來經(jīng)濟、技術(shù)影響，具有一定指導(dǎo)意義。為了分析方便，選取方案1的儲能配置方案為基礎(chǔ)，假設(shè)其他參數(shù)不變，并引入儲能單價折扣系數(shù)來模擬電儲能價格降低水平。計算結(jié)果表明：超級電容配置情況不變，風(fēng)電場經(jīng)濟技術(shù)如表4所示，蓄電池配置方式如圖7所示。

表4 不同儲能單價下風(fēng)電場經(jīng)濟技術(shù)分析Table 4 Economic and technical analysis of wind farm under different energy storage unit price

圖7 不同折扣下蓄電池配置情況Figure 7 Battery configuration at different discounts

由表4和圖7可知，當(dāng)電儲能成本折扣系數(shù)度達到0.6時，配置儲能方案相比于未配置儲能方案才有經(jīng)濟上的優(yōu)勢。進一步分析可知，折扣系數(shù)在0.9～0.7之間時，儲能配置方案主要受技術(shù)性約束(棄風(fēng)率)和儲能成本限制，這種情況下風(fēng)電場是折損經(jīng)濟效益來滿足技術(shù)要求的，可以制定相應(yīng)補貼政策給予補貼和鼓勵；當(dāng)折扣系數(shù)小于等于0.6時，此時風(fēng)電場儲能配置不在受儲能成本的絕對限制，風(fēng)電場配置儲能可實現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟上的雙贏，即在電儲能使用壽命內(nèi)可收回電儲能成本的同時，還能在滿足風(fēng)電消納最低要求上主動追求風(fēng)電消納。

5 結(jié)語

1)風(fēng)電場配置電儲能時考慮實際使用壽命和日前—日內(nèi)調(diào)度需要整體性，靈活利用蓄電池和超級電容兩種電儲能的性能和經(jīng)濟特點，相比于未考慮整體性和實際使用壽命配置方法，能有效降低電儲能配置年運行成本，從而提升了配置方案的經(jīng)濟性。

2)當(dāng)前電儲能價格下配置電儲能消納風(fēng)電是以犧牲效益為代價的，為了提升方案的可行性和工程實用性，結(jié)合P2G等其他新型風(fēng)電消納方式值得進一步探討。

3)本文建模僅考慮了配置儲能后的年運行成本，未考慮儲能初始投資巨大帶來的資本壓力。為了解決初始投資的資本壓力，商業(yè)模式方面值得探討。