含高比例風(fēng)電的新型電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行及儲能配置

郭 峰，王 悅，陸 鑫，張世軍，陳 婧，柳維剛，楊金龍

（1.國網(wǎng)陜西省寶雞供電公司，陜西寶雞 721004；2.國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司，福建福州 35000；3.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000）

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，以風(fēng)電為代表的可再生能源將是新增裝機(jī)容量的主力[1]。截止2022 年3 月底，我國可再生能源累計裝機(jī)容量10.88×108kW，占全部裝機(jī)容量的44.8%，其中風(fēng)電裝機(jī)3.37×108kW，占全部裝機(jī)容量的13.9%。僅2022 年第一季度，我國可再生能源新增裝機(jī)2 541×104kW，占全國新增發(fā)電裝機(jī)的80%，其中，風(fēng)電新增790×104kW[2-5]。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑之一，然而，由于可再生能源輸出功率的強(qiáng)烈隨機(jī)波動性，系統(tǒng)在運行過程中面臨著功率實時平衡的挑戰(zhàn)[6]。對于高比例風(fēng)電替代的電力系統(tǒng)而言，風(fēng)電出力具有明顯的反調(diào)峰特性，即在谷時大發(fā)、峰時小發(fā)[7-8]。受這兩方面因素的影響[9-10]，系統(tǒng)容易因功率不平衡而發(fā)生棄風(fēng)、失負(fù)荷問題，影響系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。隨著風(fēng)電替代比例的增加，系統(tǒng)功率不平衡問題將更加嚴(yán)峻。因此，對不同風(fēng)電替代容量以及儲能配置下系統(tǒng)的功率平衡及供電成本進(jìn)行分析十分必要。

儲能技術(shù)能有效提高電力系統(tǒng)消納風(fēng)力發(fā)電的能力[11]。儲能可吸收多余的風(fēng)力輸出，并在風(fēng)力發(fā)電量小于所需量時向系統(tǒng)注入電力[12]?，F(xiàn)階段儲能成本仍較為昂貴[13]，利用儲能平衡系統(tǒng)功率將增加系統(tǒng)運行成本，因此，在盡量減少棄風(fēng)、不失負(fù)荷情況合理配置儲能容量，方可保證高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[14]。為了提高風(fēng)力并網(wǎng)的可靠性和可操作性，在文獻(xiàn)[15]中采用了遺傳算法和概率最優(yōu)潮流算法優(yōu)化儲能配置容量以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行能力。在文獻(xiàn)[16]中提出了一種計及風(fēng)力發(fā)電不確定性的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化方法，用于儲能選址和選型，改善成本最小化和電壓曲線。文獻(xiàn)[17-18]中提出了一個混合整數(shù)線性模型，用于儲能設(shè)備的輸電擴(kuò)展規(guī)劃。儲能的最佳尺寸是根據(jù)節(jié)點功率平衡和負(fù)載持續(xù)時間曲線確定的[19]。文獻(xiàn)[20]將云模型理論與k-means 聚類算法相結(jié)合來實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的合理配置。然而，具體研究中尚未對高比例新能源場景下儲能設(shè)備對電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性的影響情況進(jìn)行分析。

隨著風(fēng)電替代比例增加，本文首先分析了電力系統(tǒng)的供需功率平衡情況，計算不同場景下系統(tǒng)的棄風(fēng)和失負(fù)荷電量以及單位供電成本。針對不同風(fēng)電替代比例下系統(tǒng)功率出現(xiàn)失負(fù)荷和棄風(fēng)等問題，分別采用優(yōu)化風(fēng)電容量和配置儲能容量等方式，以滿足電力系統(tǒng)對于供電可靠性和經(jīng)濟(jì)運行的要求，計算不同風(fēng)電替代比例對于單位供電成本的影響，以此為高比例可再生新能源系統(tǒng)的規(guī)劃提供理論參考依據(jù)。

1 風(fēng)火儲的新型電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)提升，而負(fù)荷仍將保持一定增長，實時電力供應(yīng)與中長期電量供應(yīng)保障困難更加突出，如何實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)中“源-網(wǎng)-荷-儲”的高效互動亟需深入研究。另外，隨著光伏、風(fēng)電等新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻變化。新型電力系統(tǒng)供需雙側(cè)均面臨較大的不確定性，電力平衡模式由“源隨荷動”的發(fā)/用電平衡轉(zhuǎn)向儲能、多能轉(zhuǎn)換參與緩沖的更大空間、更大時間尺度范圍內(nèi)的平衡。供需雙側(cè)運行特性對氣候等外部條件的依賴性較高，針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建立的供需平衡理論亟需發(fā)展完善。

參考全國首個“風(fēng)火儲”沙戈荒新能源基地項目拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文所研究的風(fēng)火儲電力系統(tǒng)輸送拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)火儲電力系統(tǒng)輸送拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Transmission topology of wind-coal-storage power system

由圖1 可知，高比例風(fēng)電替代的電力系統(tǒng)中，風(fēng)電出力呈現(xiàn)強(qiáng)烈的隨機(jī)性和波動性，對系統(tǒng)的功率平衡和可靠性有一定影響。因此，隨著風(fēng)電替代比例增加，需要通過儲能的靈活性調(diào)節(jié)以及與源、儲與荷的聯(lián)動，實現(xiàn)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲能各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)互動，實現(xiàn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運行[21]。

2 含高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)的運行模型

2.1 不接入風(fēng)電時的系統(tǒng)運行分析

用戶負(fù)荷由系統(tǒng)內(nèi)的多臺火電機(jī)組供電，在系統(tǒng)日負(fù)荷曲線已知，且火電以最小成本運行時，需將負(fù)荷需求在火電機(jī)組間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配[21]。對火電機(jī)組而言，其運行成本取決于煤耗成本和運行維護(hù)成本，可以通過優(yōu)化模型進(jìn)行計算。

然而，對于傳統(tǒng)火電機(jī)組間有功功率經(jīng)濟(jì)分配的必要條件是各機(jī)組的煤耗微增率相等。同時，在僅由火電機(jī)組供能的電力系統(tǒng)中，所有機(jī)組的有功出力之和要盡可能滿足負(fù)荷需求。其中，火電機(jī)組的發(fā)電煤耗與其出力之間關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：F1(Pi(t))為火電機(jī)組i在t時段的煤耗量；Pi(t)為火電機(jī)組i在t時段的有功出力；ai，bi和ci均為火電機(jī)組i的煤耗量系數(shù)；

將式（1）進(jìn)行求導(dǎo)可得到各火電機(jī)組的耗量微增率。此時，系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組滿足式（2）和式（3）所示關(guān)系。

式中：P1(t)，P2(t)，…，PN(t)為第1，2，…，N臺火電機(jī)組在t時段的出力；N為系統(tǒng)內(nèi)火電機(jī)組數(shù)量；a1，a2，…，aN，b1，b2和bN分別為第1，2，…，N臺火電機(jī)組的煤耗量系數(shù)；L(t)為此時系統(tǒng)的負(fù)荷需求。

等微增算法能夠?qū)崿F(xiàn)火電機(jī)組出力的經(jīng)濟(jì)分配。然而，由于火電機(jī)組的最大和最小出力限制，在可運行區(qū)間內(nèi)可能無法滿足式（3），因此采用優(yōu)化方法進(jìn)行求解。

火電成本包括運行成本和碳捕集成本，其中運行成本由運行維護(hù)成本和發(fā)電煤耗成本構(gòu)成，綜合考慮火電綜合運行成本，可得目標(biāo)函數(shù)F的表達(dá)式如式（4）所示：

式中：T為調(diào)度時段；δ為調(diào)度步長；F2(Pi(t))為t時段機(jī)組i的運維成本；F3(Pi(t))為t時段機(jī)組i的碳捕集成本。

2.2 含不同比例風(fēng)電系統(tǒng)的運行成本分析

由于風(fēng)電功率具有明顯的隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)峰等特點[22]，含高比例風(fēng)電的電力系統(tǒng)源荷兩端的供需矛盾將加劇，導(dǎo)致電力系統(tǒng)功率平衡問題愈發(fā)凸顯。風(fēng)電出力較小而負(fù)荷需求較大時更易發(fā)生失負(fù)荷（火電達(dá)到最大技術(shù)出力）；風(fēng)電出力較大而負(fù)荷需求較小時更易發(fā)生棄風(fēng)（火電達(dá)到最小技術(shù)出力）。由圖2 可知，大容量風(fēng)電接入將對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性產(chǎn)生較大影響，有必要尋找合理的功率平衡解決方案十分必要。

圖2 風(fēng)電替代增加系統(tǒng)的產(chǎn)生失負(fù)荷和棄風(fēng)現(xiàn)象Fig.2 Lost load and wind abandonment of power system with high proportion of wind power

與無風(fēng)電接入場景相比，風(fēng)、火聯(lián)合運行時需綜合火電運行成本、風(fēng)電運維成本和棄風(fēng)成本，并以總成本最低建立目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式如式（5）所示：

式中：Pi(t)為t時段風(fēng)電出力；Wp為風(fēng)電裝機(jī)容量；F4(WP)為風(fēng)電運維成本；F5(Pw(t))為棄風(fēng)成本。

因此，火電發(fā)電和風(fēng)電成本的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Pw(t)為時刻t下風(fēng)電供負(fù)荷功率；Pwf(t)為風(fēng)電在時刻t的出力標(biāo)幺值；Cw_o為風(fēng)電機(jī)組單位電量運維成本；Cw_a為單位電量棄風(fēng)成本。

同樣，在電力系統(tǒng)運行過程中需要滿足功率平衡約束，如式（8）所示：

此外，滿足火電機(jī)組出力和風(fēng)電機(jī)組出力約束條件表達(dá)式為：

式中，Pi，max和Pi，min分別為機(jī)組i有功出力的上下限。

2.3 含高比例風(fēng)電系統(tǒng)儲能容量的優(yōu)化配置

在含高比例風(fēng)電的新型電力系統(tǒng)內(nèi)同時存在較大的棄風(fēng)電量和失負(fù)荷電量，導(dǎo)致額外的系統(tǒng)成本。而儲能作為保障系統(tǒng)功率實時平衡的有效手段可以在棄風(fēng)時段進(jìn)行充電，而在失負(fù)荷時段進(jìn)行放電從而保障系統(tǒng)功率平衡[23]。但考慮到儲能成本相對比較昂貴，過多配置儲能也可能導(dǎo)致系統(tǒng)額外增加成本[24]。因此，本節(jié)在滿足系統(tǒng)不失負(fù)荷的前提下，綜合考慮系統(tǒng)的火電成本、風(fēng)電成本、棄風(fēng)失負(fù)荷成本以及儲能成本進(jìn)行分析，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：PBN為儲能配置功率；EBN為儲能配置能量；P（tB）為t時刻儲能充電/放電值，計算如式（12）所示；F（6PBN，EBN）和F（7P（t8））分別為儲能的投資成本和運維成本，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（13）和式（14）所示。

式中：γ1(t)和γ2(t)分別為儲能在t時刻的充放電狀態(tài)判斷變量，取值為{0，1}，γ1(t)=1 表示在t時刻充電；γ1(t)=0 表示t時刻放電；Pin(t)表示t時刻儲能的放電功率；Pout(t)為儲能的單位功率投資成本；CB_P為儲能的單位能量投資成本；NB為儲能全壽命周期；CB_O為儲能充放電單位能量的運維成本。

為保證儲能不同時充放電，儲能充放電狀態(tài)判斷變量應(yīng)滿足式（15）所示約束：

此外，為保障儲能良好運行，還應(yīng)滿足充放電功率約束、儲能的荷電狀態(tài)約束、儲存能量約束和全天充放電電量約束，表達(dá)式為：

式中：EB(t)為儲能在t時刻貯存的能量；E（tB-1）為儲能在t-1 時刻貯存的能量；EB(0)為儲能的初始能量；為儲能的充放電效率；SOC,max和SOC,min為儲能的最大荷電狀態(tài)和最小荷電狀態(tài)。

聯(lián)立相關(guān)約束，以式（11）作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計算，得到系統(tǒng)各機(jī)組出力、儲能充放電狀態(tài)和各時段容量以及棄風(fēng)情況。

3 算例分析

風(fēng)電功率的隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)峰等特點對電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性和可靠性都帶來嚴(yán)峻的考驗。因此，本文以全國首個“風(fēng)火儲”沙戈荒新能源基地項目為研究對象，所研究的電力系統(tǒng)由3 組火電機(jī)組、多種容量替代風(fēng)電機(jī)組、1 組大型儲能裝置以及波動負(fù)荷組成。本文對5 種含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠供電進(jìn)行定量分析，其場景設(shè)置如下（其中風(fēng)電滲透率按題設(shè)所給計算方法：風(fēng)電滲透率=最大風(fēng)電功率與最大負(fù)荷功率之比）。場景1：含風(fēng)電，風(fēng)電滲透率為0%；場景2：300 MW 風(fēng)電替代3 號機(jī)組，風(fēng)電滲透率為33.3 %；場景3：600 MW 風(fēng)電替代2 號機(jī)組，風(fēng)電滲透率為66.7%；場景4：900 MW風(fēng)電替代2 號、3 號機(jī)組，風(fēng)電滲透率為100%；場景5：600 MW 風(fēng)電替代2 號機(jī)組，考慮增設(shè)儲能來提高系統(tǒng)供電可靠性。

本文研究系統(tǒng)包含火電、風(fēng)電、儲能和負(fù)荷，火電機(jī)組3 臺、裝機(jī)容量1 050 MW，其具體參數(shù)和運行成本如表1 和表2 所示。風(fēng)電單位電量運行成本為0.045 元/kWh。

表1 火電機(jī)組相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of thermal power unit

表2 儲能運行成本參數(shù)Table 2 Operating cost parameters of energy storage

3.1 考慮供電可靠性的系統(tǒng)單位供電成本分析

在風(fēng)電替代容量增加時，采用系統(tǒng)的失負(fù)荷量來表征系統(tǒng)供電可靠性大小。在4 種含風(fēng)電場景下，對不同含風(fēng)電場景出現(xiàn)的失負(fù)荷成本進(jìn)行統(tǒng)計，如表3 所示。

表3 不同風(fēng)電場景下系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計Table 3 Statistics of system indicators under different scenarios with wind power penetration

注：單位供電成本=系統(tǒng)總發(fā)電成本/系統(tǒng)總負(fù)荷電量，萬元/MWh。

由表3 可知，在沒有風(fēng)電及風(fēng)電替代容量較小時，火電機(jī)組技術(shù)出力完全能夠滿足負(fù)荷需求，不會出現(xiàn)失負(fù)荷情況。因此，場景1 和場景2 下系統(tǒng)的供電可靠性較高。當(dāng)風(fēng)電替代容量為600 MW 和900 MW 時，火電機(jī)組出力的調(diào)節(jié)范圍有限，即使火電達(dá)到最大技術(shù)出力也無法滿足負(fù)荷需求，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)失負(fù)荷。其中，場景3 和場景4 的失負(fù)荷電量分別為12.3 MWh 和216 MWh，失負(fù)荷最大功率分別為47.7 MW 和147 MW，可見風(fēng)電替代容量增加會導(dǎo)致系統(tǒng)供電可靠性下降，失負(fù)荷成本也大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致單位供電成本不減反增。當(dāng)采用增加風(fēng)電裝機(jī)容量以保證不失負(fù)荷時，隨著風(fēng)電滲透率增加，系統(tǒng)的單位供電成本也隨之增加。因此，風(fēng)電滲透率越小時，通過增加風(fēng)電裝機(jī)容量以保證可靠性更加經(jīng)濟(jì)。

給出場景4 下系統(tǒng)各機(jī)組出力情況如圖3 所示，此時系統(tǒng)的棄風(fēng)和失負(fù)荷情況如圖4 所示。

圖3 電力系統(tǒng)接入900 MW風(fēng)電時各機(jī)組出力Fig.3 Output of each unit in power system with wind power integration of 900 MW

圖4 電力系統(tǒng)接入900 MW風(fēng)電時系統(tǒng)的棄風(fēng)和失負(fù)荷情況Fig.4 Wind abandonment and loss load of power system integrating wind power of 900 MW

由圖3 和圖4 可知，由于風(fēng)資源分布與負(fù)荷用能的時序差別，系統(tǒng)內(nèi)此時存在較大的棄風(fēng)電量和失負(fù)荷電量，其中棄風(fēng)時段主要集中于凌晨和晨間，此時風(fēng)電出力相對較高，而負(fù)荷需求較低；失負(fù)荷時段主要集中于午間和傍晚，此時風(fēng)電出力較低，而負(fù)荷需求較高。計算得到此時系統(tǒng)全天的失負(fù)荷電量為215.9 MWh，進(jìn)而導(dǎo)致失負(fù)荷成本高達(dá)173 萬元，極大增加了單位供電成本、降低了供電可靠性。

3.2 增加儲能保障供電可靠性的運行經(jīng)濟(jì)影響分析

在含高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)內(nèi)同時存在較大的棄風(fēng)電量和失負(fù)荷電量，導(dǎo)致額外的系統(tǒng)成本。而儲能作為保障系統(tǒng)功率實時平衡的有效手段可以在棄風(fēng)時段進(jìn)行充電，而在失負(fù)荷時段進(jìn)行放電從而保障系統(tǒng)功率平衡。但考慮到儲能成本相對比較昂貴，過多配置儲能也可能導(dǎo)致系統(tǒng)額外增加成本[14-16]。因此，在滿足系統(tǒng)不失負(fù)荷的前提下，綜合考慮系統(tǒng)的火電成本、風(fēng)電成本、棄風(fēng)失負(fù)荷成本以及儲能成本進(jìn)行分析，求解最小儲能容量的目標(biāo)函數(shù)，得到系統(tǒng)各機(jī)組出力、儲能充放電狀態(tài)和各時段容量以及棄風(fēng)情況如圖5 和圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)加入儲能后的系統(tǒng)機(jī)組出力Fig.5 Unit output of system after integrating energy storage

圖6 系統(tǒng)加入儲能后棄風(fēng)、儲能狀態(tài)和充放電情況Fig.6 Wind abandonment，energy storage status and charging and discharging status of system after integrating energy storage

此時，優(yōu)化得到需要配置的最小儲能功率為146.505 MW，儲能能量為197 MWh。由圖6 可知，在配置儲能后，系統(tǒng)無失負(fù)荷現(xiàn)象發(fā)生，且峰時儲能釋放的電能可在棄風(fēng)時進(jìn)行補(bǔ)充，從而減少了棄風(fēng)電量，此時系統(tǒng)全天的棄風(fēng)電量為355.3 MWh。綜合考慮火電成本、風(fēng)電成本、棄風(fēng)成本及儲能成本，此時系統(tǒng)的單位供電0.016 8 萬元/MWh。

對比場景3 和場景4，儲能配置方案的相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計如表4 所示。

表4 高比例風(fēng)電場景下系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計Table 4 Statistics of system indicators under different scenarios with wind power penetration

由表4 可以看出，在600 MW 風(fēng)電替代時，通過Cplex 求解器仿真分析可得保證不失負(fù)荷失時，場景5 中儲能投資及運維成本年平均成本為37.9 萬元，遠(yuǎn)低于場景4 的失負(fù)荷成本（173 萬元）。相比于場景3 和場景4，當(dāng)采用配置儲能的方式來保證不失負(fù)荷時，高比例風(fēng)電替代的電力系統(tǒng)單位供電成本顯著降低。因此，當(dāng)風(fēng)電替代比例越大時，采用配置儲能以保證供電可靠性更加經(jīng)濟(jì)。

3.3 長時間尺度下儲能方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢分析

大容量風(fēng)電接入將對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性產(chǎn)生較大影響，有必要尋找合理的功率平衡解決方案十分必要，由于失負(fù)荷成本較高，達(dá)到8 元/kWh，因此在功率平衡時應(yīng)盡量以不失負(fù)荷為基本原則，進(jìn)而保障系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性?；谠撛瓌t，可以通過增加風(fēng)電裝機(jī)、配置儲能來進(jìn)行功率平衡，下面分析采用配置儲能方案的經(jīng)濟(jì)性。

增加配套儲能且保障系統(tǒng)不失負(fù)荷時，此時的目標(biāo)函數(shù)與約束條件與2.3 節(jié)所述相同，得到此時系統(tǒng)需增加的儲能功率為826.88 MW，儲能能量為18 922 MWh，系統(tǒng)各機(jī)組出力和棄風(fēng)情況如圖7 和圖8 所示。

圖7 增加儲能保證不失負(fù)荷時的機(jī)組出力Fig.7 Unit out without lost load when integrating energy storage

圖8 增加儲能不失負(fù)荷時系統(tǒng)儲能狀態(tài)和充放電功率Fig.8 Energy storage state and charge and discharge power of system without lost load when integrating energy storage

由圖7 和圖2 可知，在不失負(fù)荷的前提下，增加儲能容量后的單位供電成本為0.192 元/kWh。原因在于保障某些時段的負(fù)荷功率需求，導(dǎo)致其他負(fù)荷需求不高的時段產(chǎn)生較大的棄風(fēng)電量，進(jìn)而導(dǎo)致單位供電成本上升。因此，在風(fēng)電滲透率較高時，增設(shè)儲能設(shè)備保證可靠供電的經(jīng)濟(jì)性更好。然而，此時的儲能裝設(shè)容量達(dá)到較高，在實際工業(yè)中無法實現(xiàn)如此大容量的儲能設(shè)備。

4 結(jié)語

高比例風(fēng)電滲透是未來新型電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，但高比例風(fēng)電滲透使電力系統(tǒng)的供電可靠性和調(diào)節(jié)能力下降，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的單位運行成本急劇增加。對于含高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)，根據(jù)實際電源系統(tǒng)組成及日負(fù)荷曲線來合理優(yōu)化容量儲能設(shè)備的容量，不僅能增加風(fēng)電消納空間以降低單位供電成本，而且能避免系統(tǒng)出現(xiàn)失負(fù)荷情況發(fā)生而保證電力系統(tǒng)的安全可靠性。