考慮功率互濟(jì)的多區(qū)域電網(wǎng)儲能系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化配置

楊賀鈞, 王井寅, 馬英浩, 張大波, 沈玉明, 馬靜

(1. 新能源利用與節(jié)能安徽省重點(diǎn)實驗室(合肥工業(yè)大學(xué)), 合肥市 230009;2. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 合肥市 230022)

0 引 言

隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷提高,儲能系統(tǒng)在平抑新能源波動和促進(jìn)新能源電量消納方面的作用日益凸顯[1-2]。電力系統(tǒng)對于儲能系統(tǒng)的需求容量不斷增加,逐漸由新能源側(cè)[3-5]、微網(wǎng)[2,6-8]或配電網(wǎng)側(cè)[9-13]的儲能規(guī)劃向著電網(wǎng)側(cè)[14-15]儲能規(guī)劃轉(zhuǎn)變,各區(qū)域電網(wǎng)儲能的協(xié)同作用也亟待挖掘。

我國當(dāng)前部分地區(qū)仍存在新能源資源與負(fù)荷需求時空錯位問題[16]。一方面,若新能源資源豐沛區(qū)的電力需求有限,則完成新能源的本地消納要求規(guī)劃大量儲能并降低常規(guī)火電機(jī)組的發(fā)電效益,甚至危害區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性[17-18]。另一方面,若大負(fù)荷區(qū)域的新能源資源有限,需要增設(shè)常規(guī)機(jī)組以滿足電力電量需求,不益于我國電力行業(yè)向清潔低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)展目標(biāo)[19-20]。因此,為充分發(fā)揮可再生能源的低碳優(yōu)勢,解決多區(qū)域間源荷分布差異造成的資源低效利用的問題,需要開展互聯(lián)電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化策略研究,實現(xiàn)區(qū)域儲能系統(tǒng)的合理配置[21]。

對于儲能系統(tǒng)規(guī)劃問題,現(xiàn)有研究通?？紤]規(guī)劃和運(yùn)行兩個層面。文獻(xiàn)[22]針對配電網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲”多層次調(diào)度問題,以低碳運(yùn)行作為目標(biāo),提出協(xié)同調(diào)度的優(yōu)化控制模型,并在此基礎(chǔ)上提出考慮源儲系統(tǒng)的規(guī)劃優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[23]以光伏消納為目標(biāo),建立含光儲系統(tǒng)的配網(wǎng)儲能系統(tǒng)的規(guī)劃模型,并使用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[24]應(yīng)用雙層迭代粒子群算法求解混合儲能規(guī)劃模型,存在求解最優(yōu)性問題。文獻(xiàn)[25]考慮微電網(wǎng)中的需求側(cè)響應(yīng),建立儲能和需求側(cè)響應(yīng)的雙層規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[26]以相變儲能和超級電容構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)為研究對象,針對其控制算法和運(yùn)行策略優(yōu)化進(jìn)行分析,提出面向風(fēng)電輸出波動平抑的混合儲能規(guī)劃方法。但是以上研究多集中于新能源側(cè)[1,26]、微電網(wǎng)[2,6-7]或配電網(wǎng)[27-28]的儲能系統(tǒng)運(yùn)行或規(guī)劃方向,儲能系統(tǒng)的容量規(guī)模較小。隨著我國新能源滲透率不斷提高,針對多區(qū)域、大范圍互聯(lián)電網(wǎng)的多儲能配置問題需要進(jìn)一步開展研究。為此,本文以廣域互聯(lián)電網(wǎng)為對象,進(jìn)行儲能系統(tǒng)的規(guī)劃配置研究。

目前,針對大電網(wǎng)的廣域儲能規(guī)劃問題,已開展廣泛研究。文獻(xiàn)[29]以風(fēng)光典型場景下的最優(yōu)運(yùn)行為目標(biāo),實現(xiàn)包含電化學(xué)與氫儲能的混合儲能最優(yōu)配置。文獻(xiàn)[30]針對甘肅電網(wǎng),以提升省內(nèi)新能源消納能力為目標(biāo),提出廣域儲能系統(tǒng)的規(guī)劃方法及儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評估算法。文獻(xiàn)[31]提出兩區(qū)域電網(wǎng)簡化模型,建立針對單目標(biāo)區(qū)域的儲能配置模型,以寧夏電網(wǎng)為規(guī)劃對象,儲能規(guī)劃后有效降低區(qū)內(nèi)的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究以合理配置省級大電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)為核心,將大電網(wǎng)簡化為單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),缺乏對多個區(qū)域電網(wǎng)間功率互濟(jì)的考慮。此外,多區(qū)域電網(wǎng)單獨(dú)進(jìn)行規(guī)劃也會增加儲能系統(tǒng)的總投資。

針對以上問題,本文首先提出多區(qū)域電力系統(tǒng)的等效網(wǎng)絡(luò)模型,明確多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的功率互濟(jì)關(guān)系;其次,提出多區(qū)域系統(tǒng)的機(jī)組啟停方法,計算不同區(qū)域從屬的多機(jī)組日內(nèi)啟停方案;針對互聯(lián)電網(wǎng)中的儲能規(guī)劃問題,以外層的互聯(lián)電網(wǎng)新能源消納率最優(yōu)為總目標(biāo),建立考慮區(qū)域電網(wǎng)互濟(jì)的儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化模型;然后,提出全場景近似網(wǎng)損值和聯(lián)絡(luò)線綜合利用率指標(biāo),以量化儲能規(guī)劃方案提升互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行的效益;最后,通過算例分析驗證所提模型及方法的有效性。

1 多區(qū)域電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)等效和機(jī)組啟停

當(dāng)前互聯(lián)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃問題,涉及各區(qū)域之間電力電量的流動,即區(qū)域電網(wǎng)的功率互濟(jì),需要發(fā)揮區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線(即輸電斷面)的作用。此外,實際區(qū)域電網(wǎng)中存在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會影響系統(tǒng)的運(yùn)行過程,進(jìn)而影響儲能系統(tǒng)的規(guī)劃決策。對于多區(qū)域電力系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃問題,一方面,若完全考慮各個子區(qū)域的具體網(wǎng)架將提高多區(qū)域系統(tǒng)建模的復(fù)雜度,增加優(yōu)化問題決策變量的維度,可能造成求解規(guī)模過大而不可解的問題;另一方面,若各區(qū)域分別進(jìn)行儲能容量配置,可能增加儲能總投資成本,降低儲能資源利用效率。因此,本文提出多區(qū)域電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等效方法,以解決多區(qū)域系統(tǒng)建模復(fù)雜度提高的問題,并提出多區(qū)域系統(tǒng)的機(jī)組啟停方法,以提高運(yùn)行優(yōu)化問題的求解效率。

1.1 多區(qū)域電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)等效

本文所提的多區(qū)域電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等效示意圖如圖1所示。其中,將各區(qū)域電網(wǎng)整合為單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),將區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷或新能源場站進(jìn)行聚合,對于各個火電機(jī)組的容量不做合并。隨后,采用多個典型場景描述互聯(lián)電網(wǎng)中的運(yùn)行過程。

圖1 多區(qū)域電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等效示意圖Fig.1 Schematic of equivalent model of multi-region power system

1.2 多區(qū)域電力系統(tǒng)的機(jī)組啟停

基于各個場景下不同區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷曲線和常規(guī)火電機(jī)組的相關(guān)參數(shù),獲取互聯(lián)電網(wǎng)中常規(guī)機(jī)組啟停計劃,進(jìn)而得到不同場景火電功率的可調(diào)范圍。本文假設(shè)每臺機(jī)組在場景日內(nèi)不做啟停狀態(tài)變更,簡化為當(dāng)日停機(jī)和當(dāng)日運(yùn)行兩種情形,各機(jī)組運(yùn)行時可在最大與最小出力范圍內(nèi)進(jìn)行變化。所提多區(qū)域機(jī)組啟停流程如圖2所示。

圖2 多區(qū)域機(jī)組啟停流程Fig.2 The start-stop procedure of units in multi areas

對于第s個場景,本文所提多區(qū)域機(jī)組啟停方法的具體流程如下:

步驟3：基于比耗量最優(yōu)原則,得到節(jié)點(diǎn)i各機(jī)組的開機(jī)順序表。

(1)

(2)

式中:UO(s,i)表示區(qū)域i的機(jī)組開機(jī)數(shù)。

(3)

(4)

2 考慮區(qū)域電網(wǎng)互濟(jì)的儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化模型

本文所提儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化模型以促進(jìn)新能源消納為目標(biāo),考慮多區(qū)域電網(wǎng)的功率互濟(jì),實現(xiàn)各區(qū)域儲能優(yōu)化配置。由于涉及儲能系統(tǒng)規(guī)劃和各區(qū)域系統(tǒng)運(yùn)行兩個層面,故本文采用雙層優(yōu)化模型設(shè)計。其中,外層以互聯(lián)電網(wǎng)的整體新能源棄量最小化為目標(biāo),優(yōu)化各區(qū)域的儲能配置,內(nèi)層充分利用區(qū)域互濟(jì),優(yōu)化多區(qū)域內(nèi)部運(yùn)行及區(qū)域間的功率傳輸情況,實現(xiàn)節(jié)約儲能容量投資、降低全網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線傳輸損耗。

2.1 多區(qū)域儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化模型

2.1.1 外層目標(biāo)函數(shù)

本文所提模型以促進(jìn)新能源消納為目標(biāo),故目標(biāo)函數(shù)為最大化互聯(lián)電網(wǎng)的整體新能源消納比例,即最小化新能源棄量:

(5)

(6)

(7)

2.1.2 外層約束條件

1)儲能規(guī)劃總?cè)萘考s束。

(8)

(9)

2)額定充放電時長約束。

(10)

式中:TES,min、TES,max分別為儲能系統(tǒng)的最小、最大額定充放電時長。

3)各區(qū)域規(guī)劃容量上下限約束。

考慮到各區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行時的儲能系統(tǒng)需求,儲能規(guī)劃容量需滿足以下約束:

(11)

2.2 考慮區(qū)域互濟(jì)的電力系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型

互聯(lián)電網(wǎng)的新能源消納情況與各區(qū)域的“源荷新儲”結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切,因此本節(jié)需計算各區(qū)域運(yùn)行過程,得出各區(qū)域火電機(jī)組、負(fù)荷、新能源和儲能系統(tǒng)的多場景運(yùn)行情況。

2.2.1 內(nèi)層目標(biāo)函數(shù)

內(nèi)層模型中將各區(qū)域電網(wǎng)等效為單一節(jié)點(diǎn),以區(qū)域間傳輸功率與節(jié)點(diǎn)注入功率的波動量和值最小為目標(biāo),優(yōu)化各節(jié)點(diǎn)各時段的火電出力、儲能充放電功率和新能源消納情況,具體目標(biāo)函數(shù)如下:

minFI=

(12)

2.2.2 內(nèi)層約束條件

1)功率平衡約束。

(13)

因此,各區(qū)域電網(wǎng)的注入功率與區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線的功率滿足以下平衡約束:

(14)

該式即表示節(jié)點(diǎn)i處的注入功率與外送功率滿足基爾霍夫電流定律。

2)互聯(lián)傳輸功率上下限。

互聯(lián)傳輸功率需要滿足基本的線路容量約束:

(15)

式中:Pline,max(i,j)表示節(jié)點(diǎn)i與j之間傳輸功率的上限。

3)新能源出力約束。

(16)

4)分區(qū)新能源消納率約束。

考慮到各區(qū)域電網(wǎng)新能源資源的差異,各區(qū)新能源消納率要求不完全一致,且分區(qū)消納率與電網(wǎng)整體消納率呈現(xiàn)弱關(guān)聯(lián)的特點(diǎn),故引入分區(qū)新能源消納率約束:

(17)

式中:ηcsm(i)表示等效節(jié)點(diǎn)i處的新能源消納率下限。

5)常規(guī)火電機(jī)組出力。

常規(guī)機(jī)組需要滿足出力范圍約束:

(18)

此外,火電機(jī)組還需滿足爬坡約束:

(19)

6)儲能系統(tǒng)出力約束。

第s個典型場景下的儲能系統(tǒng)運(yùn)行模型為:

(20)

(21)

第s個場景下的儲能系統(tǒng)電量變化模型為:

(22)

式中:E(s)(i,t)表示第s個場景下節(jié)點(diǎn)i儲能系統(tǒng)在時段t末的剩余電量。此外,儲能充放電功率及剩余電量需要滿足以下上、下限約束:

(23)

(24)

式(23)為儲能充放電功率的上下限約束,式(24)為儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)上下限約束,SOC,max和SOC,min表示SOC的上、下限。

3 聯(lián)合規(guī)劃模型的效益評價指標(biāo)

為表征本文所提聯(lián)合規(guī)劃模型對于互聯(lián)電網(wǎng)整體運(yùn)行效益的提升,定義以下評價指標(biāo)。

1)全場景近似網(wǎng)損值。

考慮到各區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行環(huán)境相似,故基于同一電壓等級與同型號輸電線路的假設(shè),計算互聯(lián)電網(wǎng)的全場景近似網(wǎng)損值。

(25)

2)聯(lián)絡(luò)線綜合利用率。

考慮不同線路在互聯(lián)電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)作用的差異,本文提出聯(lián)絡(luò)線綜合利用率指標(biāo):

(26)

式中:wL(i,j)為線路ij的權(quán)重系數(shù)。

(27)

式中:lA(i,j)表示與節(jié)點(diǎn)i、節(jié)點(diǎn)j相關(guān)聯(lián)的線路數(shù)量,其值越大說明該線路對于互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)功率互濟(jì)的影響越大,則該條線路利用率在綜合指標(biāo)中的權(quán)重wL(i,j)越大。

4 算例分析

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文采用多區(qū)域互聯(lián)測試系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 The topology of multi-area interconnection system

該互聯(lián)電網(wǎng)中包含7個子區(qū)域(等效節(jié)點(diǎn))和8條聯(lián)絡(luò)線,聯(lián)絡(luò)線統(tǒng)一采用220 kV電壓等級。各區(qū)域的年負(fù)荷峰值及各類型電源裝機(jī)情況如表1所示,各聯(lián)絡(luò)線的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 各區(qū)域負(fù)荷峰值與電源裝機(jī)情況Table 1 The peak loads and capacity of different power sources in each area MW

表2 測試系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線參數(shù)Table 2 The parameters of linking-up roads in the test system

本文所提規(guī)劃模型中涉及各等效節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行過程,采用某地共7個區(qū)域的負(fù)荷與新能源的典型出力曲線作為運(yùn)行模擬的場景。需要指出的是,本文將風(fēng)電和光伏可用發(fā)電曲線進(jìn)行疊加,統(tǒng)一歸算為新能源可用出力曲線,圖4為等效節(jié)點(diǎn)1處的負(fù)荷曲線與新能源可用出力曲線。

圖4 區(qū)域1處負(fù)荷及新能源典型出力曲線Fig.4 The typical load curve and renewable energy power in area 1

4.2 考慮區(qū)域電網(wǎng)互濟(jì)的儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃結(jié)果分析

本文以促進(jìn)新能源消納為目標(biāo),考慮多區(qū)域電網(wǎng)能量互濟(jì),優(yōu)化配置各區(qū)域儲能系統(tǒng)容量。為表現(xiàn)所提儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃模型的優(yōu)點(diǎn),分別采用本文所提模型與各區(qū)域獨(dú)立規(guī)劃兩種策略,在保持相同新能源消納指標(biāo)的前提下,計算得出各區(qū)域的儲能系統(tǒng)配置。

其中,獨(dú)立規(guī)劃方法以各區(qū)域新能源消納率不低于95%為基本約束,并忽略聯(lián)絡(luò)線的互濟(jì)作用,進(jìn)行儲能系統(tǒng)的配置。若存在區(qū)域電源不足情形,則需新增常規(guī)火電機(jī)組,計算得出滿足新能源消納約束的最低火電機(jī)組新增容量。在獨(dú)立規(guī)劃完成之后,計算互聯(lián)電網(wǎng)整體消納率,將其作為聯(lián)合規(guī)劃模型中消納率上限約束,以實現(xiàn)相同消納指標(biāo)下的策略比較,兩種方法的規(guī)劃結(jié)果如表3所示。新能源消納率為95.6%。

表3 聯(lián)合規(guī)劃與獨(dú)立規(guī)劃方法的結(jié)果Table 3 The results of joint planning and independent planning methods

結(jié)合表1可以看出,在相同的新能源消納率(95.6%)要求下,兩種規(guī)劃策略存在顯著差異,其中:

1)區(qū)域1和區(qū)域5的新能源裝機(jī)容量較少且常規(guī)火電總量不足,獨(dú)立規(guī)劃策略下,存在新能源出力較低的特殊場景。此時,存量火電機(jī)組滿發(fā)仍不能滿足負(fù)荷需求,必須新增火電機(jī)組。因此,若采用獨(dú)立規(guī)劃策略進(jìn)行該區(qū)儲能配置,將危害電力系統(tǒng)運(yùn)行的充裕性和可靠性。

2)區(qū)域3和區(qū)域7的新能源裝機(jī)容量較大,且配置充分的常規(guī)火電機(jī)組,電力充裕性可以得到有效保證。對比本文所提聯(lián)合規(guī)劃策略,獨(dú)立規(guī)劃策略的儲能容量顯著增加,這是由于波動性新能源出力和嚴(yán)格的消納率約束將壓低火電機(jī)組的出力水平,需要額外配置儲能容量進(jìn)行日內(nèi)的大規(guī)模電量時移。

3)綜合比較兩種規(guī)劃策略,本文所提策略考慮多區(qū)域的電量互濟(jì),在減少6.4%儲能規(guī)劃容量的前提下,還可以實現(xiàn)負(fù)荷型區(qū)域和電源型區(qū)域之間電力電量的合理分配,有助于保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 雙層模型對新能源消納及儲能配置的影響分析

本文所提儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化模型采用雙層結(jié)構(gòu),外層以互聯(lián)電網(wǎng)的整體新能源棄量最小化為目標(biāo),內(nèi)層則優(yōu)化多區(qū)域內(nèi)部運(yùn)行及區(qū)域間的功率傳輸情況。為說明所提雙層模型的優(yōu)越性,從區(qū)域新能源消納率、整體消納率、聯(lián)絡(luò)線利用率和全場景近似網(wǎng)損等方面,將其與現(xiàn)有單層規(guī)劃模型進(jìn)行對比分析。

與上節(jié)中所提及的獨(dú)立規(guī)劃策略不同,此處單層規(guī)劃模型可借由聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行區(qū)域間的電力電量平衡,但僅以互聯(lián)電網(wǎng)的整體新能源消納率最大化為目標(biāo),忽略對區(qū)域間協(xié)調(diào)運(yùn)行的考慮。兩種規(guī)劃模型的計算結(jié)果如表4-6所示,其中表4為兩種規(guī)劃模型的儲能配置結(jié)果和互聯(lián)電網(wǎng)的新能源消納情況,表5給出兩種模型計算后的各條聯(lián)絡(luò)線的利用率和近似網(wǎng)損值對比結(jié)果,表6為互聯(lián)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線綜合利用率和全網(wǎng)近似網(wǎng)損值對比。

表4 雙層模型與單層模型規(guī)劃結(jié)果和消納率對比Table 4 The comparison of planning results and consumption rate between the proposed two-layer model and the single-layer model

表5 各聯(lián)絡(luò)線利用率及近似網(wǎng)損結(jié)果對比Table 5 Comparison of utilization rate and approximate network loss for each linking-up road

表6 全網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率及近似網(wǎng)損結(jié)果對比Table 6 Comparison of comprehensive utilization rate and approximate network loss for all linking-up roads

由表4可見,在具有相同儲能系統(tǒng)規(guī)劃總量的前提下,相較于單層模型:本文所提雙層模型充分利用儲能系統(tǒng)充放特性,通過內(nèi)層運(yùn)行模型的最優(yōu)計算,區(qū)域1、5和7的域內(nèi)新能源消納率得到了顯著提高,最終將互聯(lián)電網(wǎng)的整體新能源消納率提升至99.36%,有助于大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

此外,兩種模型的儲能功率/容量規(guī)劃結(jié)果對比中,所提雙層模型中區(qū)域1、3和5的儲能容量有所增加。這是因為區(qū)域1、3和5的火電機(jī)組裝機(jī)不足,需要增加儲能容量來提升區(qū)域內(nèi)的電力電量調(diào)節(jié)能力,以滿足內(nèi)層模型的目標(biāo)函數(shù)對于各區(qū)域注入功率平穩(wěn)性的要求。相應(yīng)地,受到互聯(lián)電網(wǎng)儲能規(guī)劃總量的約束,區(qū)域2和4的儲能系統(tǒng)容量有所減少,但是兩個區(qū)域各自的新能源消納率保持在高位,說明所提雙層模型求解“規(guī)劃-運(yùn)行”混合問題的優(yōu)越性。

從表1中可以看出互聯(lián)電網(wǎng)最大負(fù)荷位于區(qū)域5,結(jié)合表5的對比情況,本文所提雙層模型的結(jié)果中,線路1、2和4的利用率有所提升,相應(yīng)地這三條線路的全場景近似網(wǎng)損增加,反映出區(qū)域1和2的送出電量的增加,通過將本地負(fù)荷難以全量消納的新能源電量向其余區(qū)域轉(zhuǎn)移,即經(jīng)過線路3和4將區(qū)域1、2和3的電量輸送至區(qū)域5,從而提高此類區(qū)域的新能源消納效果。此外,線路5、6、7和8的利用率和全場景近似網(wǎng)損都有所下降,主要由于區(qū)域1、2和3的新能源送出量提升,區(qū)域5對于其余區(qū)域4、6和7的電量需求相應(yīng)降低,即所提雙層模型充分利用區(qū)域間的功率互濟(jì)特性,實現(xiàn)了互聯(lián)電網(wǎng)電力電量資源的最優(yōu)調(diào)度。

結(jié)合表5和表6可見,雙層模型得出的全網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線綜合利用率提升0.64%,其全場景近似網(wǎng)損值降低幅度為9.5%。因此,本文所提儲能系統(tǒng)的雙層規(guī)劃在內(nèi)層考慮多區(qū)域運(yùn)行最優(yōu)過程,可以合理調(diào)整各區(qū)域注入功率大小和各聯(lián)絡(luò)線傳輸功率水平,提高了互聯(lián)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線綜合利用率,從而促進(jìn)新能源占比較高區(qū)域電量的區(qū)域外消納,降低其余區(qū)域的電量送出水平,進(jìn)而降低互聯(lián)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線傳輸損耗。

4.4 不同區(qū)域的最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果分析

為驗證本文所提儲能規(guī)劃模型進(jìn)行內(nèi)層運(yùn)行過程優(yōu)化的有效性,并分析不同特征區(qū)域下儲能系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)揮的作用,對以下區(qū)域電網(wǎng)的特征場景的運(yùn)行過程進(jìn)行分析。

4.4.1 高負(fù)荷水平區(qū)域

此類區(qū)域(節(jié)點(diǎn))的特征表現(xiàn)為區(qū)域負(fù)荷水平較高,本地常規(guī)火電機(jī)組裝機(jī)容量有限,且新能源裝機(jī)容量不足,造成該區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行時無法滿足電力充裕性的基本要求,需要借助聯(lián)絡(luò)線送入功率來滿足負(fù)荷需求。圖5所示為區(qū)域5在場景1時對應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖5 區(qū)域5場景1對應(yīng)的運(yùn)行情況Fig.5 The operation results of area 5 in scene 1

圖5中,儲能功率為正表示放電,反之表示充電。“儲能參與后的區(qū)域電源曲線”表示各時段火電、新能源和儲能的總功率,負(fù)荷曲線與火電和新能源出力的差值表示為“區(qū)域源荷差”曲線。將區(qū)域源荷差曲線與儲能充放電曲線疊加,得到節(jié)點(diǎn)(區(qū)域)注入功率曲線,亦即負(fù)荷曲線與儲能參與后的區(qū)域電源曲線的差值,若該曲線上的一點(diǎn)為正,則表示此時段該區(qū)域向外送出的電量,反之表示該區(qū)域從聯(lián)絡(luò)線輸入的電量。

由圖5可見,該節(jié)點(diǎn)由于本地電源容量不足,新能源電量可以得到全量消納,還需從聯(lián)絡(luò)線引入其他區(qū)域電源以保持源荷平衡。因此,該類型節(jié)點(diǎn)對于儲能系統(tǒng)的需求有限,其儲能系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)平抑節(jié)點(diǎn)注入功率曲線的波動,以滿足所提內(nèi)層目標(biāo)的最優(yōu)化。結(jié)合表3分析可見,該區(qū)域應(yīng)優(yōu)先增加本地電源建設(shè),充分發(fā)揮本地機(jī)組的調(diào)節(jié)能力,降低對于域外電源的依賴性,隨后再考慮新能源消納的次要目標(biāo)。

4.4.2 高新能源占比區(qū)域

對于新能源占比較高區(qū)域,依據(jù)負(fù)荷水平的高低考慮兩種情況。圖6和圖7分別為區(qū)域1和區(qū)域4在場景1時的系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖6 區(qū)域1場景1對應(yīng)的運(yùn)行情況Fig.6 The operation results of area 1 in scene 1

圖7 區(qū)域4場景1對應(yīng)的運(yùn)行情況Fig.7 The operation results of area 4 in scene 1

由圖6可見,區(qū)域1 的新能源占比較高但負(fù)荷水平不高,現(xiàn)有電源即可滿足本地負(fù)荷需求。若不考慮區(qū)域間的功率互濟(jì),在本地消納高比例新能源將會壓低常規(guī)火電機(jī)組的出力水平,從而造成本地火電調(diào)節(jié)資源的大量浪費(fèi),進(jìn)而威脅到該區(qū)域電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖中,時段2-6和時段11-18為新能源出力峰時,其余時段也處于較高出力水平,本文所提模型通過將部分新能源電量注入互聯(lián)電網(wǎng),本地新能源消納壓力得到緩解,火電機(jī)組調(diào)節(jié)能力得到釋放,進(jìn)而在較大的時間尺度上深度調(diào)節(jié)新能源波動,其中的儲能系統(tǒng)則在小尺度上進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)注入功率的波動性。

由圖7可見,區(qū)域4的新能源占比同樣較高,但是其負(fù)荷水平較低,新能源本地消納的壓力較小。由于本文所提運(yùn)行模型考慮了各區(qū)域間的功率互濟(jì),因此區(qū)域4火電機(jī)組的出力僅僅用于彌補(bǔ)本地電量缺口或消納新能源,同時還需兼顧外部輸入電量的吸收和區(qū)外負(fù)荷補(bǔ)償?shù)墓δ?具體體現(xiàn)于時段6的電量缺口由區(qū)外電源來負(fù)責(zé)平衡。其中儲能系統(tǒng)在本地電源谷時(時段16、19和20)放電,在電源的峰時(時段14、15和23)充電,即實現(xiàn)源、荷曲線差異的消弭。

4.4.3 低新能源占比區(qū)域

圖8為區(qū)域7在場景1的運(yùn)行情況。由圖8可見,區(qū)域7的常規(guī)火電機(jī)組容量較大,新能源出力水平較低,新能源本地消納的壓力較低,且節(jié)點(diǎn)注入功率曲線恒為正,因此該區(qū)域的火電機(jī)組輸出功率波動平緩,火電機(jī)組主要承擔(dān)供給外部負(fù)荷的任務(wù)。由于少量新能源出力存在波動性,故該區(qū)域的儲能系統(tǒng)在新能源出力的峰時充電,在出力谷時放電,以輔助區(qū)域新能源的高比例消納。

圖8 區(qū)域7場景1對應(yīng)的運(yùn)行情況Fig.8 The operation results of area 7 in scene 1

5 結(jié) 論

在新能源大規(guī)模接入背景下,本文開展考慮區(qū)域電網(wǎng)互濟(jì)的儲能系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化配置研究,通過算例驗證分析得出以下結(jié)論:

1)多區(qū)域電力系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)模型可以刻畫大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)的功率互濟(jì)關(guān)系,將其轉(zhuǎn)化為系列約束條件后,可有效應(yīng)用于多區(qū)域儲能系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃。

2)通過聯(lián)合規(guī)劃模型與其他方法的對比可知,本文所提方法充分考慮多區(qū)域之間的功率互濟(jì),在運(yùn)行層面合理調(diào)控節(jié)點(diǎn)注入功率和聯(lián)絡(luò)線傳輸功率,可降低聯(lián)絡(luò)線上的能量損耗,節(jié)約儲能資源配置,并實現(xiàn)全網(wǎng)新能源消納率的全局提升。

3)通過對多區(qū)域最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果的分析,得出不同區(qū)域“源荷儲”出力特征的差異性,說明本文所提運(yùn)行模型對于多類型區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)廣泛的適用性。

本文所提多區(qū)域的機(jī)組啟停方法對實際機(jī)組調(diào)度策略做了部分簡化,后續(xù)有必要研究兼顧最優(yōu)性和求解效率的多區(qū)域機(jī)組組合模型。