考慮風(fēng)電出力隨機(jī)特性的氫儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

黃 濤, 許志鵬, 葛 樂(lè)

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 江蘇 南京 211100;2.南京工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

0 引 言

隨著社會(huì)對(duì)能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候異常等問(wèn)題的日益重視,減少化石能源燃燒,加快開(kāi)發(fā)和利用可再生能源已成為世界各國(guó)的普遍共識(shí)。根據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2017年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到3 057億kWh,同比增長(zhǎng)26.3%,棄風(fēng)率為12%。因此,增加可再生能源的滲透率[1-2]對(duì)電力生產(chǎn)和消費(fèi)之間的平衡提出了新的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),近些年提出了靈活調(diào)節(jié)服務(wù)[3]、需求響應(yīng)(Demand Response,DR)與風(fēng)能的協(xié)調(diào)[4-5]、能源存儲(chǔ)系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行[6]等方法來(lái)解決清潔能源消納問(wèn)題。DR規(guī)劃在電力系統(tǒng)[7]和電力市場(chǎng)[8]可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)執(zhí)行DR程序,用戶在負(fù)荷高峰或短缺風(fēng)電時(shí)減少用電量,并在負(fù)荷低谷或風(fēng)電溢出時(shí)增加用電量。因此,DR可以影響電價(jià),減少高峰負(fù)荷,減少棄風(fēng),并節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本[9-10]。DR主要分為激勵(lì)型需求響應(yīng)(Incentive-based Demand Response,IDR)和價(jià)格型需求響應(yīng)(Price-based Demand Response,PDR)兩大類。IDR是指DR實(shí)施者根據(jù)電網(wǎng)供需狀況制定相應(yīng)政策,用戶在系統(tǒng)需要或電力緊張時(shí)減少用電需求,并獲得直接補(bǔ)償或在其他時(shí)段獲得優(yōu)惠電價(jià)的響應(yīng)方式;PDR是指用戶收到價(jià)格信號(hào)后,相應(yīng)調(diào)整其用電需求,從而達(dá)到改變負(fù)荷曲線的目的。文獻(xiàn)[4]研究了DR與風(fēng)能協(xié)調(diào)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄風(fēng)率的影響。文獻(xiàn)[11]提出了基于DR和風(fēng)、光發(fā)電機(jī)組與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Cooling,Heating and Power,CCHP)系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)化調(diào)度方法,有效降低了系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于偏差預(yù)控的負(fù)荷調(diào)度模式,構(gòu)建了多時(shí)間尺度滾動(dòng)調(diào)度計(jì)劃模型來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和DR在不同時(shí)間尺度上的協(xié)調(diào)優(yōu)化。文獻(xiàn)[13]在考慮綜合成本的前提下,兼顧風(fēng)電預(yù)測(cè)和PDR二者的不確定性以及系統(tǒng)安全約束,構(gòu)建了基于光熱電站和PDR參與風(fēng)電消納的調(diào)度模型。在接入大規(guī)模風(fēng)電的情況下,風(fēng)電出力的不確定性不可避免地對(duì)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響[14]。文獻(xiàn)[15]考慮了風(fēng)電不確定性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的影響,提出了基于風(fēng)電區(qū)間預(yù)測(cè)信息的隨機(jī)安全約束機(jī)組組合模型。文獻(xiàn)[16]針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題,提出了最小化風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)電成本模型。

本文旨在優(yōu)化含大規(guī)模風(fēng)電的氫儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)(Hydrogen Energy Storage System,HESS)的經(jīng)濟(jì)性并提高清潔能源消納。重點(diǎn)基于風(fēng)電不確定性、需求響應(yīng)和隨機(jī)安全約束機(jī)組組合(Stochastic Security-Constrained Unit Commitment,SSCUC)的氫儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行建模,構(gòu)建以運(yùn)營(yíng)成本最低和棄風(fēng)量最少為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度模型,并轉(zhuǎn)化為確定的方程進(jìn)行求解。

1 HESS

HESS結(jié)構(gòu)如圖1所示。在HESS中,由可再生能源產(chǎn)生的過(guò)剩功率通過(guò)可逆固體氧化物燃料電池(Reversible Solid Oxide Fuel Cell,RSOFC)[17]中的固體氧化物電解池(Solid Oxide Electrolytic Cell,SOEC)電解轉(zhuǎn)化為氫(Power to Hydrogen,P2H),并存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫罐中。然后,在用電高峰或風(fēng)力發(fā)電短缺時(shí),將儲(chǔ)氫罐中氫氣通過(guò)RSOFC中的固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)轉(zhuǎn)換為電力(Hydrogen to Power,H2P)。HESS相對(duì)于其他儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要特征是存儲(chǔ)的氫可用于氫依賴性工業(yè)或注入天然氣網(wǎng)絡(luò)以供消費(fèi)者使用。

目前,電解制氫技術(shù)較為成熟,主要可以分為以下3種技術(shù):①堿性電解槽制氫,但制氫效率低、能耗大,且存在滲堿的環(huán)境污染問(wèn)題;②質(zhì)子交換膜制氫,電極多用貴重金屬鉑,成本高,難以大規(guī)模應(yīng)用;③可逆固體氧化物燃料電池制氫,效率高,電解效率可達(dá)90%以上。2017年9月8日河北沽源縣境內(nèi)建設(shè)的全球最大、國(guó)內(nèi)首個(gè)風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目全部并網(wǎng)發(fā)電[18]。

本文主要圍繞可逆固體氧化物燃料電池和DR對(duì)HESS調(diào)度和風(fēng)電消納的影響進(jìn)行研究。

2 HESS模型建立

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本最低為目標(biāo),構(gòu)建HESS模型:

(1)

式中:NS——場(chǎng)景總數(shù);

πs——場(chǎng)景s的概率;

Fd——實(shí)行DR的成本;

Fi——火電機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用;

DR成本為

(2)

式中:NT——調(diào)度時(shí)段;

ND——負(fù)載個(gè)數(shù);

Bd,t——第d個(gè)負(fù)載t時(shí)段實(shí)行DR的補(bǔ)償電價(jià);

火電機(jī)組成本為

(3)

式中:NU——火電機(jī)組個(gè)數(shù);

ai、bi、ci——火電機(jī)組的發(fā)電費(fèi)用系數(shù)。

HESS成本為

(4)

式中:NH——RSOFC組數(shù)目;

2.2 電力系統(tǒng)約束

(1)機(jī)組出力約束:

(5)

Pi,t,s——s場(chǎng)景下第i組火電機(jī)組在t時(shí)段的出力;

Ii,t,s——s場(chǎng)景下第i組火電機(jī)組在t時(shí)段運(yùn)行情況,分別用1和0表示運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)。

(2) 機(jī)組爬坡約束:

(6)

(3)系統(tǒng)安全的旋轉(zhuǎn)備用約束:

(7)

Rt,up、Rt,dn——系統(tǒng)安全的正旋轉(zhuǎn)和負(fù)旋轉(zhuǎn)備用。

(4) 風(fēng)電約束:

(8)

式中:Pw,t,s——s場(chǎng)景下t時(shí)段風(fēng)電出力實(shí)際值;

風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)誤差可以通過(guò)正態(tài)分布函數(shù)來(lái)表示為

(9)

式中:fPDF(ε)——用正態(tài)分布概率分布函數(shù)表示的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)誤差。

(5) DR模型。DR模型將負(fù)載分為基本負(fù)荷(Base Load,BL)和電價(jià)型負(fù)荷(Price-Based Load,PBL)。BL對(duì)價(jià)格變化不敏感,并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè);而PBL根據(jù)電價(jià)變化調(diào)整其運(yùn)行狀態(tài)。

(10)

(11)

(12)

(13)

(6) 功率平衡約束。每個(gè)總線的功率平衡方程可表示為

(14)

式中:NUb——火電機(jī)組在總線b處的數(shù)量;

Nwb——風(fēng)電機(jī)組在總線b處的數(shù)量;

NDb——需求響應(yīng)負(fù)載的數(shù)量;

NHb——可逆燃料電池在總線b處的數(shù)量;

PL,t,s——電力系統(tǒng)線路L在s場(chǎng)景下t時(shí)段功率潮流。

從總線b到總線b′的功率傳輸約束表示為

(15)

式中:δb,t,s——總線路b在場(chǎng)景s下t時(shí)段的電壓相角;

XL——總線L的阻抗。

(7) 功率傳輸約束:

(16)

2.3 HESS模型

(1) RSOFC約束:

(17)

(2) 儲(chǔ)氣設(shè)備約束:

(18)

(19)

0≤Mh,t,s≤Mh,max

(20)

式中:Eh,t,s——儲(chǔ)氣設(shè)備在s場(chǎng)景下t時(shí)段儲(chǔ)氣量;

Mh,t,s——轉(zhuǎn)化為一些其他類型能量的氫氣量;

2.4 求解方法

建立的數(shù)學(xué)模型屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型。求解平臺(tái)為MATLAB R2016a,利用工具箱調(diào)用高效成熟的Cplex商業(yè)求解器進(jìn)行求解。

3 算例分析

3.1 6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

為了評(píng)估所提出的模型,采用一種改進(jìn)的6節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。改進(jìn)的6節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)包括7條支路、3臺(tái)火電機(jī)組、3個(gè)用電負(fù)荷、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)電廠。

研究不同方案對(duì)棄風(fēng)量和運(yùn)營(yíng)成本的影響:方案1解決SSCUC系統(tǒng)中火電的不確定性;方案2解決SSCUC系統(tǒng)中風(fēng)電的隨機(jī)性;方案3在SSCUC系統(tǒng)中整合HESS;方案4在SSCUC系統(tǒng)中整合DR;方案5在SSCUC系統(tǒng)中同時(shí)整合HESS和DR。

方案1:風(fēng)力發(fā)電廠位于節(jié)點(diǎn)4上。火電機(jī)組G1、G2、G3出力如圖3所示。其中,G1是3臺(tái)機(jī)組中效率最高,需要保持常開(kāi)來(lái)滿足實(shí)時(shí)功率平衡和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。G2(效率最低)和G3分別保證2 h和12 h的開(kāi)機(jī)時(shí)間。這種情況下,棄風(fēng)量和運(yùn)營(yíng)成本分別為142.58 MWh和517 434.19元。

方案2:設(shè)風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)誤差遵循正態(tài)分布,預(yù)測(cè)值為均值,標(biāo)準(zhǔn)差為5%。采用蒙特卡洛模擬風(fēng)力發(fā)電的不確定性,隨機(jī)生成100個(gè)場(chǎng)景,再通過(guò)K均值聚類法將100個(gè)場(chǎng)景縮減為5個(gè)場(chǎng)景。在不同場(chǎng)景中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量如表1所示。場(chǎng)景4和場(chǎng)景5與前3個(gè)場(chǎng)景相比增加預(yù)測(cè)的風(fēng)電出力,結(jié)果運(yùn)營(yíng)成本降低,棄風(fēng)量增加。這種情況下,預(yù)期的運(yùn)營(yíng)成本為517 627.6元,棄風(fēng)量為128.35 MWh。

方案3:設(shè)HESS最大儲(chǔ)氫容量為180 MWh,最小儲(chǔ)氫容量為40 MWh。儲(chǔ)氫罐的初始值為最大值的40%,并且儲(chǔ)存的氫氣只能通過(guò)RSOFC轉(zhuǎn)換為電能。場(chǎng)景4下方案2和方案3中G2、G3的出力如圖4所示。

場(chǎng)景4下方案2和方案3中風(fēng)電出力如圖5所示。

表1 在不同場(chǎng)景中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量

HESS在場(chǎng)景4下SOEC狀態(tài)和SOFC狀態(tài)的功率如圖6所示。

HEES系統(tǒng)在第2、3、4、7小時(shí)存儲(chǔ)多余的風(fēng)力,增加了風(fēng)電出力。此外,在第13、14、15和21小時(shí),HESS在SOFC工作狀態(tài)下工作,向網(wǎng)絡(luò)輸送電力,此時(shí)單火電機(jī)組G2和G3的出力減少。在這種情況下,運(yùn)營(yíng)成本為503 063.68元,棄風(fēng)量為39.953 MWh,低于方案2。

方案4:在系統(tǒng)中整合DR。DR參與因數(shù)(定義為可用DR與預(yù)期負(fù)載的比率)固定為0.03,邊際收益為315元/MWh。此時(shí),總運(yùn)營(yíng)成本為493 030.86元,低于方案2和方案3;而棄風(fēng)量為103.31 MWh,與方案3相比較高。為了充分評(píng)估每小時(shí)DR對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄風(fēng)量的影響,認(rèn)為DR參與因數(shù)為1%～4%。不同參與因數(shù)下運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量如表2所示。通過(guò)增加DR參與因數(shù),降低日常運(yùn)行成本和棄風(fēng)量。

表2 不同參與因數(shù)下的運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量

方案5:在這種情況下,同時(shí)考慮DR和HESS。DR參與因數(shù)固定為0.03,HESS的規(guī)格與方案3相同。不同方案中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量如表3所示。方案5棄風(fēng)量為27.997 MWh,運(yùn)營(yíng)成本為484 003.94元,與之前的情況相比,顯著減少。

表3 不同方案中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量

3.2 24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

為研究HESS和DR對(duì)棄風(fēng)量和運(yùn)行成本的影響,主要考慮4種方案:方案1解決SSCUC系統(tǒng)中風(fēng)電的隨機(jī)性;方案2系統(tǒng)中只考慮DR;方案3系統(tǒng)中只考慮HESS;方案4系統(tǒng)中同時(shí)加入HESS和DR。

方案1中風(fēng)電場(chǎng)位于節(jié)點(diǎn)6,解決風(fēng)電的隨機(jī)性。在不考慮風(fēng)電不確定性的情況下,每天運(yùn)行成本為4 302 052.51元。在不同場(chǎng)景中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量如表4所示。與場(chǎng)景1相比,場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的運(yùn)營(yíng)成本有所增加,而棄風(fēng)量的降低是由于減少預(yù)測(cè)的風(fēng)力發(fā)電量。

方案1最終預(yù)測(cè)運(yùn)行成本和棄風(fēng)量分別為4 302 403.35元和167.67 MWh。方案2只考慮DR,運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量降至4 124 727.04元和137.75 MWh。方案3只考慮HESS,運(yùn)營(yíng)成本為4 296 564.16元,棄風(fēng)量為20.66 MWh,低于方案1和方案2。方案4的結(jié)果與方案1、方案2和方案3的結(jié)果相比,同時(shí)考慮DR和HESS的電力系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。不同方案中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量如表5所示。

表4 在不同場(chǎng)景中的運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量

表5 不同方案中運(yùn)營(yíng)成本和棄風(fēng)量

4 結(jié) 語(yǔ)

本文綜合考慮了風(fēng)電的不確定性和HESS,建立了運(yùn)營(yíng)成本最低的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)日前隨機(jī)安全調(diào)度優(yōu)化模型,并將所提出的模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題。HESS中RSOFC將風(fēng)能和氫能相互轉(zhuǎn)換,使用儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存氫。此外,DR被認(rèn)為是一種基于價(jià)格的需求響應(yīng)機(jī)制,將負(fù)荷從高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段?？紤]DR和HESS的影響,對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化,研究了綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)電消納和運(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題。算例結(jié)果表明,與單獨(dú)考慮DR或HESS的情況相比,同時(shí)考慮DR和HESS對(duì)風(fēng)電消納和日常運(yùn)營(yíng)成本降低具有積極影響。