碳排放約束下可再生能源接入電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型

陳盛燃

(東莞供電局，廣東 東莞 523000)

現(xiàn)如今，多個(gè)國(guó)家將可再生能源的利用作為實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、提升能源利用率的主要途徑，以此避免能源短期問(wèn)題對(duì)社會(huì)的影響[1-2]。隨著全球氣候變暖情況的加劇，傳統(tǒng)煤炭、石油等非可再生能源的減少，需要進(jìn)一步推進(jìn)可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，風(fēng)能、光能等已經(jīng)接入電力系統(tǒng)，我國(guó)仍在不斷提升風(fēng)電、光伏發(fā)電的規(guī)模，提高其在傳統(tǒng)能源發(fā)電中的占比。在提高可再生能源滲透率的同時(shí)，逐漸緩解了碳排放量的污染問(wèn)題。隨著能源種類(lèi)的增加，單一的配電網(wǎng)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。在現(xiàn)今碳排放約束下，如何有效規(guī)劃電網(wǎng)中的可再生能源儲(chǔ)能單元，成為了考察配電網(wǎng)運(yùn)行效果的主要因素[3-5]。

可再生能源接入電網(wǎng)在一定程度上可緩解能源短缺，但其對(duì)配電網(wǎng)的儲(chǔ)能單元運(yùn)行能力以及規(guī)劃能力相對(duì)較高，當(dāng)前的儲(chǔ)能方法無(wú)法滿(mǎn)足多種可再生能源同期運(yùn)行的要求。在以往的研究中，國(guó)外的專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了大量的分析，此部分研究成果均可對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能單元進(jìn)行合理規(guī)劃，但規(guī)劃后儲(chǔ)能單元及電網(wǎng)的運(yùn)行成本相對(duì)較高，無(wú)法達(dá)到電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求[6-7]。為此，將應(yīng)用西方學(xué)者的研究成果，結(jié)合我國(guó)的低碳環(huán)保要求，構(gòu)建可再生能源接入電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型，力求使用此模型獲取到可行性與科學(xué)性更高的規(guī)劃方案。

1 多階段規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

此次研究將碳排放約束條件作為研究背景，在此環(huán)境下優(yōu)化電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)的實(shí)際場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 可再生能源接入電網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景Fig.1 Application scenarios of renewable energy access to the power grid

為保證此次研究過(guò)程具有可控性，設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型設(shè)計(jì)過(guò)程Tab.1 Design process of multi-stage planning model for power grid energy storage

根據(jù)表1內(nèi)容，完成電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型設(shè)計(jì)過(guò)程，此模型中含有大量的計(jì)算內(nèi)容，此次研究將主要對(duì)計(jì)算部分進(jìn)行分析。

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電性能分析

當(dāng)可再生能源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)微小單元，在進(jìn)行儲(chǔ)能規(guī)劃的過(guò)程中需要對(duì)儲(chǔ)能單元的功率以及荷電狀態(tài)進(jìn)行分析，具體過(guò)程如下：

(1)儲(chǔ)能單元功率

Ab(t)=ui(t)Adis(t)+uj(t)Aj(t)

(1)

式中，ui(t)、uj(t)分別為儲(chǔ)能單元的充電與放電標(biāo)志。當(dāng)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電或放電時(shí)，ui(t)、uj(t)的取值分別為(1，0)以及(0，1)。Adis(t)為儲(chǔ)能單元的充電功率；Aj(t)為儲(chǔ)能單元的放電功率。

(2)儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)

將儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)設(shè)定為SOC，使用其表示儲(chǔ)能單元剩余電量與儲(chǔ)能單元完全充電狀態(tài)時(shí)容量的比率[8-11]，則t時(shí)刻儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)可表示為：

(2)

使用上述公式，對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電能力進(jìn)行分析，并作為后續(xù)規(guī)劃方案選擇的參考條件。

1.2 可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配

電網(wǎng)儲(chǔ)能單元在規(guī)劃過(guò)程中，需要對(duì)不同階段的可再生能源功率的高低頻展開(kāi)計(jì)算。按照相關(guān)的計(jì)算原則[12]，構(gòu)建高通濾波器對(duì)不同能源的儲(chǔ)能功率進(jìn)行分配，具體計(jì)算過(guò)程如下：

(3)

式中，TU為高通濾波器[13-15]使用過(guò)程中的時(shí)間常數(shù)。不同能源儲(chǔ)能單元之間的占比可轉(zhuǎn)化為不同儲(chǔ)能頻率補(bǔ)償范圍。對(duì)QHESS進(jìn)行頻譜分析，在確定儲(chǔ)能單元分界頻率后，明確各類(lèi)型能源的補(bǔ)償范圍。本次研究中選用傅立葉算法[16-17]對(duì)上述公式進(jìn)行求解，確定補(bǔ)償頻段的幅值，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，將補(bǔ)償段外的幅值設(shè)定為0，得到各能源的儲(chǔ)能單元應(yīng)輸出的功率序列：

Ggc=F(Egc) ={Egc,1,Egc,2,Egc,3,…,Egc,n}

(4)

式中，F(xiàn)(·)為傅立葉變換函數(shù)。

使用此公式可得到儲(chǔ)能單元的功率輸出曲線，具體圖像如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能單元功率輸出曲線Fig.2 Power output curve of energy storage unit

對(duì)上述圖像進(jìn)行分析可以看出，儲(chǔ)能單元的功率輸出狀態(tài)大致可分為3個(gè)階段，此次研究將以功率輸出曲線作為藍(lán)本，完成規(guī)劃過(guò)程。

1.3 電網(wǎng)儲(chǔ)能階段規(guī)劃

根據(jù)上文中設(shè)計(jì)內(nèi)容以及碳排放要求，構(gòu)建電網(wǎng)儲(chǔ)能階段規(guī)劃模型。在此次研究中將儲(chǔ)能單元運(yùn)行總成本最小值設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，使用資本回收系數(shù)[18-19]作為多階段規(guī)劃中的成本折算公式，則多階段規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(5)

其中，L為儲(chǔ)能單元設(shè)備壽命；δ為通貨膨脹率；χ為可再生能源儲(chǔ)能的資本回收系數(shù)[20]；h為設(shè)備已經(jīng)歷的使用年限。在此公式的基礎(chǔ)上，可得到多階段規(guī)劃模型：

(6)

其中，Δt為電網(wǎng)儲(chǔ)能單元的運(yùn)行時(shí)間；Ωc為電網(wǎng)所處階段；Ωk為電網(wǎng)運(yùn)行年份；Ωe為電網(wǎng)所處季度。

使用當(dāng)前規(guī)劃模型的求解方法對(duì)上述公式進(jìn)行求解，以此完成可再生能源接入電網(wǎng)后的儲(chǔ)能多階段規(guī)劃工作。對(duì)上文中設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行整理，至此，碳排放約束下可再生能源接入電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型構(gòu)建完成。

2 算例論證分析

2.1 算例數(shù)據(jù)設(shè)定

本次實(shí)驗(yàn)中將修正后的39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)作為研究對(duì)象，驗(yàn)證此次研究中提出模型的可行性。

此測(cè)試系統(tǒng)中包含5臺(tái)不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，火電機(jī)組的參數(shù)與各節(jié)點(diǎn)的設(shè)備配置情況見(jiàn)表2。

除表2中數(shù)據(jù)外，此系統(tǒng)的其他參數(shù)設(shè)定如下：最大負(fù)荷 1 200 MW；新能源的總裝機(jī) 650 MW，其

圖3 算例研究的測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Test system for example study

表2 火電機(jī)組參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relationship between thermal power unit parameters and node equipment

中風(fēng)電500 MW，光伏150 MW。3臺(tái)風(fēng)機(jī)分別安裝在節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)19以及節(jié)點(diǎn)30，額定容量分別為300、150、200 MW；節(jié)點(diǎn)15處安裝光伏發(fā)電器，額定容量為120 MW。將測(cè)試周期設(shè)定為1 d，以1 h為采樣點(diǎn)，取冬季與夏季2個(gè)典型日作為測(cè)試案例，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，繪制冬季與夏季典型日電力系統(tǒng)運(yùn)行曲線如圖4所示。

圖4 負(fù)荷及功率示意Fig.4 Schematic diagram of load and power

本次實(shí)驗(yàn)中的儲(chǔ)能電池允許安裝到節(jié)點(diǎn)1—20。以常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，假設(shè)系統(tǒng)中儲(chǔ)能單元的儲(chǔ)能功率為95%左右，充放電深度為25%～75%，旋轉(zhuǎn)備用上下限設(shè)定為系統(tǒng)負(fù)荷的5%和可再生能源的15%，其他參數(shù)及需求彈性系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 儲(chǔ)能單元參數(shù)設(shè)定Tab.3 Parameter setting of energy storage unit

在碳排放約束環(huán)境下，需要考慮到儲(chǔ)能運(yùn)行過(guò)程中的環(huán)境成本。參考表3中的數(shù)據(jù)，為降低計(jì)算難度，將儲(chǔ)能系統(tǒng)中污染物減少而產(chǎn)生的環(huán)境效益設(shè)定為0.1元/kW·h。將上述內(nèi)容作為本次測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)樣本，實(shí)現(xiàn)對(duì)本文模型使用效果的分析。

2.2 多階段規(guī)劃實(shí)驗(yàn)設(shè)定

為驗(yàn)證文中模型的合理性，在此次實(shí)驗(yàn)中設(shè)定4個(gè)場(chǎng)景對(duì)文中模型的使用效果進(jìn)行對(duì)比。①場(chǎng)景1：無(wú)儲(chǔ)能；②場(chǎng)景2：?jiǎn)文茉磁渲脙?chǔ)能；③場(chǎng)景3：2類(lèi)能源配置儲(chǔ)能；④場(chǎng)景4：3類(lèi)能源配置儲(chǔ)能。

表4 需求彈性系數(shù)Tab.4 Coefficient of demand elasticity

在此次研究中，將無(wú)儲(chǔ)能環(huán)境中模型應(yīng)用結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)中測(cè)試對(duì)照組，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 無(wú)儲(chǔ)能環(huán)境下電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)結(jié)果Tab.5 Grid operation index results without energy storage environment

由表5中數(shù)據(jù)可知，在無(wú)儲(chǔ)能單元運(yùn)作的環(huán)境下，電網(wǎng)運(yùn)行損失較大且電網(wǎng)機(jī)組啟停成本相對(duì)較高。將上述數(shù)據(jù)作為后續(xù)多環(huán)境實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)照組，對(duì)本文構(gòu)建模型進(jìn)行分析。

2.3 儲(chǔ)能多階段規(guī)劃實(shí)驗(yàn)分析

在使用本文模型完成儲(chǔ)能規(guī)劃后，場(chǎng)景2、場(chǎng)景3、場(chǎng)景4的階段儲(chǔ)能規(guī)劃結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下電網(wǎng)儲(chǔ)能Tab.6 Grid energy storage under different experimental environments

對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，使用此模型后電網(wǎng)在不同的場(chǎng)景綜合效益均為正數(shù)，表明儲(chǔ)能單元作為獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行中，通過(guò)可再生能源接入電網(wǎng)后在提升電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也帶來(lái)了較高的社會(huì)效益。其中場(chǎng)景3的綜合收益最高，對(duì)于提升電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性效果最為顯著。此時(shí)，電網(wǎng)中的儲(chǔ)能階段個(gè)數(shù)可劃分為3個(gè)階段與1個(gè)階段。與此同時(shí)，對(duì)此表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，隨著可再生能源數(shù)量的不斷提升，儲(chǔ)能總配置呈現(xiàn)出先增加后降低的走向，且在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不同的儲(chǔ)能規(guī)劃結(jié)果均能控制碳排放量。為了更好地對(duì)本文模型進(jìn)行分析，對(duì)使用后電網(wǎng)運(yùn)行成本與使用此模型前的運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比分析，確定此模型的經(jīng)濟(jì)性，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

對(duì)圖5中的內(nèi)容進(jìn)行分析可以看出，使用本文模型進(jìn)行規(guī)劃后，電網(wǎng)的收益得到顯著的提升。隨著新能源儲(chǔ)能配置的不斷完善，電網(wǎng)損失收益逐漸增加，但呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)接入的新能源過(guò)多時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行成本受制于儲(chǔ)能單元的投資成本，且電網(wǎng)的運(yùn)行成本不足以抵消儲(chǔ)能單元的投資成本，使得電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。

圖5 電網(wǎng)儲(chǔ)能單元運(yùn)行成本Fig.5 Operation cost of grid energy storage unit

2.4 實(shí)驗(yàn)討論分析

本次實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)文中提出的規(guī)劃模型使用后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為此，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中設(shè)定了多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)模型使用后儲(chǔ)能單元以及運(yùn)行成本進(jìn)行了細(xì)致分析。在多次實(shí)驗(yàn)中，本文模型均可在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提升儲(chǔ)能單元與電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低碳排放的污染量，實(shí)現(xiàn)模型的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在后續(xù)的研究中，應(yīng)對(duì)此模型的其他使用性能進(jìn)行分析，以此實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，為可再生能源的應(yīng)用與電網(wǎng)的發(fā)展提供更加有效的儲(chǔ)能規(guī)劃方案。儲(chǔ)能單元作為獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備，在提升其自身經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還應(yīng)注重社會(huì)效益，降低電網(wǎng)系統(tǒng)耗損，減少環(huán)境污染。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能多階段規(guī)劃模型使用后，電網(wǎng)運(yùn)行成本不斷提升的問(wèn)題，在此次研究中構(gòu)建新型模型對(duì)其展開(kāi)優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，新型模型在使用中可有效提升電力系統(tǒng)以及儲(chǔ)能單元的經(jīng)濟(jì)性。在未來(lái)的研究中，將進(jìn)一步考慮風(fēng)電、光伏等不確定性因素的變化速率，以期進(jìn)一步推動(dòng)可再生能源應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。