基于儲能系統(tǒng)的大規(guī)模風(fēng)電外送能力優(yōu)化研究

基于儲能系統(tǒng)的大規(guī)模風(fēng)電外送能力優(yōu)化研究

（1）可大規(guī)模能源開發(fā)和利用是確保中國能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要手段。特別是，風(fēng)能發(fā)電是發(fā)展最快、技術(shù)最成熟、商業(yè)前景最好的清潔能源開發(fā)方式之一。我國地域廣闊,風(fēng)能資源豐富,隨著我國風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大和風(fēng)電裝機容量的快速增加,風(fēng)電接入對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響日益凸顯。我國風(fēng)電多集中接入東北、華北、西北及內(nèi)蒙電網(wǎng)末端,這些地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱,跨區(qū)輸送能力及協(xié)調(diào)能力不足。2009年以來,由于甘肅、黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林等風(fēng)電大省(自治區(qū))外送通道不暢,本地風(fēng)電消納能力不足,隨著風(fēng)電開發(fā)規(guī)模的擴大,風(fēng)電窩電的波及范圍擴大,其嚴重程度也隨之增強。2011年,上述4個省(自治區(qū))限電的比例都接近或超過了20%。近5年來風(fēng)電連續(xù)爆炸式發(fā)展,其裝機容量占電網(wǎng)最小負荷的比例逐漸提高,風(fēng)電并網(wǎng)引起的棄風(fēng)問題越來越嚴重,特別是“棄風(fēng)限電”問題一度成為各方關(guān)注的焦點。風(fēng)電棄風(fēng)限電的主要原因有調(diào)峰能力和輸電容量不足,其中輸電容量不足在一定程度上加劇了調(diào)峰的困難,也是導(dǎo)致風(fēng)電棄風(fēng)的一個不可忽略的因素。由于新增風(fēng)電場的迅速增加,部分地區(qū)輸電配套設(shè)施并不是很完善,這就使風(fēng)電在輸送過程中存在一定的限制,并且有的區(qū)域只是增加了少數(shù)風(fēng)電場,沒有必要為此而新建輸電線路。實踐運行結(jié)果表明,大部分風(fēng)電場等效為滿發(fā)年用小時數(shù)大約在1900h左右,風(fēng)電能量密度較低。在現(xiàn)有的線路下,風(fēng)電整體出力部分時段因輸電容量的不足,導(dǎo)致風(fēng)能不能全部輸送出去,因此如何將因阻塞棄風(fēng)電量合理地輸送出去是急需解決的問題。儲能系統(tǒng)(energystoragesystem,ESS)可以實現(xiàn)能量的時空平移,利用儲能充放電使系統(tǒng)滿足有功平衡,部分儲能設(shè)備由于其具有響應(yīng)速度快、單體體積小、安裝使用便捷等優(yōu)點,已在許多國家的示范工程中得到廣泛應(yīng)用,尤其是在風(fēng)電場的應(yīng)用,因此采用儲能技術(shù)是比較有效的途徑。就此問題,目前有少數(shù)研究者從風(fēng)電出力不確定性對輸電容量規(guī)劃問題做過初步研究。Billinton等結(jié)合輸電網(wǎng)設(shè)備、風(fēng)電機組的可靠性以及風(fēng)速的特性,對含有大型風(fēng)電場電網(wǎng)的擴展規(guī)劃提出了可靠性的評估方法,是該領(lǐng)域相對早期的研究;于晗等將解析的概率潮流計算方法與MonteCarlo方法相結(jié)合,有效處理輸電規(guī)劃中的不確定性問題,是傳統(tǒng)的確定性輸電規(guī)劃模型向不確定領(lǐng)域的延伸;文獻[4-12]詳細介紹了超級電容器儲能和釩液流儲能在風(fēng)電中的應(yīng)用,包括對其建模、制訂控制策略及儲能容量計算等,其工作重點放在了儲能控制策略的制訂來削弱風(fēng)電的波動性及不可控性上,但沒有考慮風(fēng)電并網(wǎng)的輸電問題,缺乏利用儲能提高輸電能力的研究。由以上分析可知,利用電池儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量時空平移,減少風(fēng)電場棄風(fēng)量。然而現(xiàn)今儲能系統(tǒng)價格十分昂貴,對于給定的輸電線路是否有必要配置儲能設(shè)備以及如何配置儲能容量可使其全壽命周期內(nèi)效益最大是一個亟需研究的問題。基于上述問題,為了降低因輸電容量不足導(dǎo)致棄風(fēng)所造成的損失,本文分析了影響輸電容量的因素,提出了利用儲能系統(tǒng)提高風(fēng)電外送能力的方案,綜合考慮了風(fēng)電的輸送需求、輸電工程成本、輸電運行效益、儲能投資成本和儲能運行成本,構(gòu)建基于儲能系統(tǒng)的輸電線路的數(shù)學(xué)模型,利用儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電出力,在輸電線路容量不足時存儲受限棄風(fēng)電量,在輸電容量充裕時進行合理釋放,使輸電容量在輸電線路要求范圍以內(nèi),充分發(fā)揮已有輸電線路的作用,達到合理棄風(fēng)的目標,提高風(fēng)電的接納能力,以實現(xiàn)輸電工程和儲能系統(tǒng)整體效益的最大化。針對某省大型風(fēng)電基地,利用本文提出的模型及方法對風(fēng)電場配備儲能系統(tǒng)受限情況加以改善,設(shè)計算例并運用算例結(jié)果驗證所建模型及方法的合理性。1影響因素及電網(wǎng)協(xié)議送電功率的分析輸電線路傳輸容量是指輸送功率距離的遠近以及大小,影響輸電容量大小的因素為負荷波動、線路參數(shù)和系統(tǒng)備用容量以及系統(tǒng)機組常規(guī)機組出力。1.1負荷損失輸電的目的是滿足負荷的要求,負荷的波動性導(dǎo)致不同時段負荷的需求是不同的,線路輸出的功率需在一定范圍內(nèi),并且滿足負荷波動的要求。1.2輸電能力的影響因素輸電距離和輸電容量為電力輸電線路的輸電能力,其取決于線路的電壓、允許的壓降、導(dǎo)線型號等。對于不同的輸電需求會選取不同輸電能力的線路。1.3系統(tǒng)的備用容量電力系統(tǒng)在正常運行情況下,除去發(fā)電負荷所必需的容量外,為保證可靠供電和良好的電能質(zhì)量,需保留一定量的額外系統(tǒng)電源容量,這部分容量稱為系統(tǒng)的備用容量。系統(tǒng)備用容量的多少影響輸電容量的大小。1.4輸電線路功率系統(tǒng)負荷存在一定的規(guī)律性和波動性,為保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行,不可輕易啟停機組。啟停機組對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響較大,因此不同的火電機組有常規(guī)的最小出力要求。由于負荷的約束,所以輸電通道的曲線由受電和送電雙方根據(jù)電源調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)受端負荷特性協(xié)調(diào)確定。風(fēng)電場輸電線路的輸電通道外送功率按如下公式確定式中,Ps(t)為t時刻輸電線路協(xié)議輸電功率;Pline為輸電通道容量;β(t)為t時刻協(xié)議輸電功率與輸電通道容量的比值。由圖1可知,在協(xié)議輸電功率小于風(fēng)電場發(fā)出功率時,因阻塞而不能接納風(fēng)電,導(dǎo)致阻塞棄風(fēng);當(dāng)協(xié)議送電功率大于風(fēng)電場可發(fā)功率時,可能存在充裕接納風(fēng)電電量的空間,此時可通過儲能的時空能量轉(zhuǎn)換在輸電線路協(xié)議送電功率不足時存儲受限棄風(fēng)電量,在輸電協(xié)議送電功率充裕時進行合理釋放,使輸電容量在輸電線路要求范圍以內(nèi),并且獲得最大的效益。2儲能系統(tǒng)投放產(chǎn)出本工作綜合考慮了風(fēng)電的輸送需求、輸電工程成本、可能阻塞棄風(fēng)損失、輸電運行效益以及儲能投資成本等因素,構(gòu)建了能夠反映輸電工程和儲能的綜合收益的目標函數(shù),即式中,f為風(fēng)電外送輸電工程和儲能全壽命周期的綜合收益;R為電網(wǎng)輸電工程收益;Cs為輸電工程成本;Cc為儲能系統(tǒng)投資成本;B為利用儲能系統(tǒng)減少阻塞棄風(fēng)所獲得的收益,定義為儲能系統(tǒng)收益;Be為儲能配置的容量;Ce為儲能配置的功率。滿足式(2)的Be和Ce即為綜合收益最優(yōu)的儲能容量和功率。電網(wǎng)的輸電工程收益R正比于儲能提高的風(fēng)電量和風(fēng)電基地原發(fā)電總量之和,其計算公式為式中,Kr為輸電企業(yè)外送單位風(fēng)電電量的價格;Gw為輸電工程每年送出的風(fēng)力發(fā)電電量;GL為ESS提高的風(fēng)電輸電電量,計算公式為式中,Pw(t)為風(fēng)電基地實際功率曲線;fp(t)為可送出風(fēng)電功率曲線。儲能系統(tǒng)收益B(Be,Ce)正比于儲能壽命期限內(nèi)提高的風(fēng)電接納電量,其計算公式為式中,KL為電網(wǎng)因輸電容量不足造成棄風(fēng)損失的補償單價,其求法為式中,Tc為儲能壽命周期;Pd為儲能放電功率,MW;Pc為儲能充電功率,MW;η為儲能能量轉(zhuǎn)換效率;sign為符號函數(shù)。輸電工程建設(shè)投資成本Cs(按靜態(tài)回收考慮)的計算公式為式中,L為輸電距離;Ks為單位容量、單位長度下的輸電工程造價;Ts為輸電工程投資靜態(tài)回收期。儲能系統(tǒng)投資成本Cc的計算公式為式中,C1為儲能系統(tǒng)容量價格;C2為儲能系統(tǒng)功率價格。由圖2可知,在已知風(fēng)電場持續(xù)出力特性和風(fēng)電外送輸電容量水平的前提下,若確定了儲能系統(tǒng)配置的容量,則可計算出可以送出的風(fēng)電量和其相應(yīng)的風(fēng)電棄風(fēng)損失電量。由此可知,提高Be和Ce可更好地減少棄風(fēng)的損失,但需增加儲能系統(tǒng)的投資;降低Be和Ce可減小儲能系統(tǒng)投資成本,但不能保證發(fā)出的風(fēng)電電量完全送出,此時由于棄風(fēng)損失增加,因此存在一個Be和Ce使得風(fēng)電外送的儲能和輸電工程整體收益最大。3計算與分析3.1工程單位及用電系統(tǒng)水質(zhì)以某省某大型風(fēng)電基地外送輸電工程容量優(yōu)化為例,此省渦風(fēng)情況比較嚴重,風(fēng)電外送比較大,輸電容量不足而導(dǎo)致棄風(fēng)情況嚴重,在儲能壽命期限內(nèi),輸電線路容量不變,此算例分析并未考慮資金的時間價值,給定算例條件如下。(1)輸送電企業(yè)單位風(fēng)電量的外送價格Kr=0.06元/(kW·h)。(2)輸電工程單位綜合造價Ks=100萬元/(MW/100km)。(3)輸電通道容量Pline=750MW,輸電線路長度L=200km。(4)輸電投資靜態(tài)回收期Ts=20a。(5)電網(wǎng)因輸電容量不足而阻塞棄風(fēng)損失補償單價KL=0.6元/(kW·h)。(6)儲能系統(tǒng)采用容量、功率可獨立配置的釩液流電池儲能系統(tǒng),其使用壽命為10a,循環(huán)使用次數(shù)大于12000次,系統(tǒng)能量效率η為90%,容量價格C1為900元/(kW·h),功率價格C2為3600元/kW,目前價格比此價格要高一些;其運行對環(huán)境污染較小,暫不計處理污染的費用。(7)考慮輸電通道的實際利用效率和受端系統(tǒng)的負荷特性,擬訂協(xié)議送電曲線為:受端系統(tǒng)負荷低谷時段(3:00~5:00)β(t)為0.5,在此段時間通常是風(fēng)力發(fā)電高發(fā)時段,導(dǎo)致部分風(fēng)電量不能及時送出;高峰負荷時段(17:00~18:00)β(t)為1,此時卻是風(fēng)力發(fā)電的低發(fā)時段,負荷端卻急需電量,腰荷時段的β(t)為0.83。3.2輸電受限情況根據(jù)式(7),能夠計算出配置不同儲能對輸電線路限電的改善效果,隨著儲能系統(tǒng)配置逐漸增加,其減小的限電量隨之增加;伴隨儲能系統(tǒng)配置的不斷增加,到達一定程度時,此風(fēng)電場群的輸電受限情況能夠全部得到改善,但過多的配置并不能保證取得最佳收益。由式(2)計算得:基于輸電受限程度,首年儲能最優(yōu)配置功率為46MW、首年最優(yōu)配置容量為428MW·h時,可提高因輸電年受限限電量106GW·h(圖3),占年總限電量的8.4%;其年綜合最大效益達到1.7089億元。3.2.1儲能配置限制隨著每年風(fēng)機裝機容量的不斷增大,在給定輸電線路容量情況下,未來10年其所配置的儲能系統(tǒng)功率和容量也必然發(fā)生變化,由圖4可知,當(dāng)儲能系統(tǒng)功率及容量配置較小時,隨著配置功率和容量相應(yīng)增加,綜合效益增大;當(dāng)儲能配置功率及容量超過某值時,其綜合效益將隨其配置增加而減小。由式(2)計算可得:在此輸電線路受限情況下,儲能最優(yōu)配置功率為39MW、最優(yōu)配置容量為286MW·h時,可提高因輸電總受限限電量783.6GW·h;其綜合最大效益達到18.403億元。儲能投資收益率為10.38%,輸電投資收益率為23.26%,雖然儲能的投資收益率小于輸電的收益率,但其可能帶來的收益也是可觀的。由圖5可知,隨著年限的推移,儲能系統(tǒng)帶來的收益呈先增加,到第四年后開始減少的趨勢。由此可知其原因為隨著風(fēng)機裝機容量的增加,儲能配置需求不斷增加,但當(dāng)風(fēng)機裝機容量到達一定程度,大部分可發(fā)功率大于協(xié)議送電功率時,可輸電空間減少,儲能配置需求減少,這不僅導(dǎo)致整體經(jīng)濟性降低,而且導(dǎo)致了部分儲能配置閑置的情況,降低儲能效率。由此可知,可在后幾年相應(yīng)擴建線路,使儲能起到延緩線路建設(shè)的作用。3.2.2儲能系統(tǒng)價格對經(jīng)濟效益的影響此處分析了儲能系統(tǒng)價格對最優(yōu)配置及綜合最大效益的影響,由圖6和表1可知,在當(dāng)前儲能系統(tǒng)價格下,以首年為例,其綜合最大效益并不顯著,但隨著儲能系統(tǒng)價格的逐步下降,其最優(yōu)配置及綜合最大效益隨之增加,經(jīng)濟效益愈發(fā)顯著,由此可知儲能系統(tǒng)價格昂貴是影響其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。4基于儲能系統(tǒng)的輸電線路效益評估模型提出了利用儲能系統(tǒng)容量的配置提高輸電外送能力的方案,通過實際算例分析得到主要結(jié)論如下。(1)分析了影響輸電容量大小的因素有負荷波動、線路參數(shù)和系統(tǒng)備用容量以及系統(tǒng)機組常規(guī)機組出力,并給出了風(fēng)電場協(xié)議送電功率的確定公式。(2)提出了利用儲能系統(tǒng)提高風(fēng)電外送能力的優(yōu)化方法和建立基于儲能的輸電線路效益評估模型,綜合考慮了風(fēng)電的輸送需求、輸電工程成本、輸電運行效益、儲能投資成本以及可能的阻塞棄風(fēng)損失等因素。(3)對于給定算例條件下某省風(fēng)電基地輸