王凱, 李喜蘭, 劉振偉 , 鄭海林
(1.福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司,福建 福州 350000;2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)
要實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo),風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)比重必將進(jìn)一步提升。然而,風(fēng)電出力的間歇特性大大制約了風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展[1]。為風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能可以提高風(fēng)電消納率以及風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性[2-3]。
目前已有一些文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電配置儲(chǔ)能的容量?jī)?yōu)化進(jìn)行相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[4]從風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差縮減、預(yù)測(cè)結(jié)果的合格率以及投運(yùn)成本來(lái)考慮風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能配置容量。文獻(xiàn)[5]通過(guò)儲(chǔ)能的回收年份與預(yù)測(cè)誤差控制范圍來(lái)確定風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能的最優(yōu)容量。文獻(xiàn)[6]從減少風(fēng)電場(chǎng)的缺電懲罰成本和棄風(fēng)懲罰成本帶來(lái)的收益來(lái)優(yōu)化儲(chǔ)能容量配置。文獻(xiàn)[7]提出配置合適比例容量的儲(chǔ)能用于平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。同時(shí),儲(chǔ)能作為良好的調(diào)峰和調(diào)頻資源[8-9],文獻(xiàn)[10]提出了風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)可以通過(guò)提供輔助服務(wù)來(lái)回收成本。
現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于風(fēng)電配置儲(chǔ)能往往僅考慮單一風(fēng)電場(chǎng)的配置儲(chǔ)能情況,容易出現(xiàn)儲(chǔ)能資源浪費(fèi)。此外,隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的增大,電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接納度給未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展會(huì)帶來(lái)一定的影響。
本文分析對(duì)比了各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能的效益與風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的效益,提出了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的接納度指標(biāo),綜合考慮了風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能所減少偏差考核的經(jīng)濟(jì)效益、參與輔助服務(wù)市場(chǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和儲(chǔ)能設(shè)施的投建以及運(yùn)行維護(hù)成本。
假設(shè)風(fēng)電集群中有三個(gè)風(fēng)電場(chǎng),參數(shù)如表1所示。
表1 各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)
考慮完全消除風(fēng)電的預(yù)測(cè)偏差所需要的儲(chǔ)能容量,各個(gè)時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電集群偏差量如圖1所示。
圖1 各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電集群風(fēng)電預(yù)測(cè)偏差量
在各個(gè)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能的場(chǎng)景下,各風(fēng)電場(chǎng)所需儲(chǔ)能容量分別為124.24 MWh、173.47 MWh和134.51 MWh。在風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的場(chǎng)景下,所需要的儲(chǔ)能容量為405.94 MWh,減小了23.28 MWh的儲(chǔ)能配置,減少比例為5.73%,提高了風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。
當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的出力偏差電量超范圍時(shí),按照偏差范圍分段計(jì)算偏差考核電量。
Rbias=∑Pbias×p1
(1)
(2)
式中:Rbias為減少偏差考核收益;Pbias為偏差考核電量;P為風(fēng)電出力超發(fā)電量或欠發(fā)電量;Swind為風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量;p1為機(jī)組批復(fù)的上網(wǎng)電價(jià)。
風(fēng)電功率的波動(dòng)過(guò)大會(huì)降低電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接納程度,不利于風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。
(3)
(4)
式中:Faccept為電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接納度;K為總的采樣區(qū)間數(shù);Sk為第k次采樣區(qū)間風(fēng)電波動(dòng)指標(biāo);Pw(k-1)、Pw(k)分別為k-1與k時(shí)刻風(fēng)電出力;Pes(k-1)、Pes(k)分別為k-1與k時(shí)刻儲(chǔ)能動(dòng)作;p為風(fēng)電場(chǎng)每小時(shí)最大有功出力變化限值。
參與調(diào)峰的市場(chǎng)主體采用分區(qū)間報(bào)價(jià)補(bǔ)償[11],對(duì)參與調(diào)頻的市場(chǎng)主體,根據(jù)調(diào)頻里程進(jìn)行補(bǔ)償[12]。
(5)
(6)
式中:Rps為調(diào)峰帶來(lái)的收益;Rfm為調(diào)頻帶來(lái)的收益;N為時(shí)間段內(nèi)計(jì)費(fèi)周期的個(gè)數(shù);p2為有償調(diào)峰申報(bào)價(jià)格;Pw(t)為風(fēng)電場(chǎng)第t個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的實(shí)際出力;Pwe(t)為風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)峰時(shí)第t個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的出力;LFM(t)為第t個(gè)計(jì)費(fèi)周期內(nèi)的調(diào)頻里程;Pclear(t)為調(diào)頻里程補(bǔ)償價(jià)格。
環(huán)保收益為體現(xiàn)在燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組產(chǎn)生的污染治理成本。
(7)
式中:REP為風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境效益;Cpoll為常規(guī)機(jī)組燃煤發(fā)電單位電量所產(chǎn)生的污染物治理費(fèi)用,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文簡(jiǎn)化為0.11 元/kWh;Pw(t)為t時(shí)刻風(fēng)電配置儲(chǔ)能后增加的出力;T為計(jì)算周期。
由于電池容量衰減,在項(xiàng)目周期內(nèi)更換帶來(lái)電池更換成本。儲(chǔ)能成本模型采用全壽命周期進(jìn)行分析。
(8)
(9)
(10)
(11)
式中:Creplace為儲(chǔ)能電池更換成本;α為電池成本年下降比例;KR為電池的更換次數(shù);Ces為電池的單位成本;N為電池儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)周期;L為儲(chǔ)能電池更換周期;CLCCNPV為儲(chǔ)能電站全壽命周期凈現(xiàn)值;CLCCNAV為儲(chǔ)能電站全壽命周期凈年值;CCI為儲(chǔ)能電站的投資成本;CCM.j為第j年的檢修成本;i為貼現(xiàn)率;CCD為期末退役成本。
(12)
式中:Celc為儲(chǔ)能運(yùn)行損耗成本;Pes(t)為儲(chǔ)能t時(shí)刻的充電量;η為儲(chǔ)能的循環(huán)效率;p2為電池儲(chǔ)能循環(huán)損耗成本。
用于減小偏差考核部分的儲(chǔ)能容量,以配置儲(chǔ)能后單位投資的收益最大、電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電接納度的提高程度為目標(biāo)函數(shù)。參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的儲(chǔ)能容量則把配置儲(chǔ)能后的凈收益最大化作為目標(biāo)函數(shù),通過(guò)粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)求解。
max[(Rbias+REP)/CLCCNAV+Faccept.ws-Faccept.w]
(13)
(14)
max[(Rps+Rfm)-CLCCNAV-Celc]
(15)
(16)
式中:Faccept.w為配置儲(chǔ)能前風(fēng)電集群的接納度;Faccept.ws為配置儲(chǔ)能后風(fēng)電集群的接納度;Sbias為用于調(diào)整偏差考核的儲(chǔ)能容量;Sps為參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的儲(chǔ)能容量;max(windbias)為風(fēng)電的最大偏差量。
算法流程如圖2所示。
圖2 粒子群算法流程
(1) 輸入算例參數(shù)和粒子群初始參數(shù)。
(2) 計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值,與個(gè)體極值對(duì)比,保留最優(yōu)值并繼續(xù)下一次迭代。
(3) 用每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值和全局極值對(duì)比,并更新粒子的速度和位置。
(4) 如果滿足結(jié)束條件,終止程序并輸出結(jié)果,否則返回步驟(2)繼續(xù)執(zhí)行程序。
本文基于某地區(qū)風(fēng)電集群數(shù)據(jù)作為計(jì)劃出力曲線,假定所有預(yù)測(cè)偏差符合正態(tài)分布,風(fēng)電機(jī)組以及儲(chǔ)能電站的參數(shù)如表2所示。
表2 算例參數(shù)
(1) 針對(duì)風(fēng)電集群不同的預(yù)測(cè)偏差進(jìn)行了分類(lèi),不同預(yù)測(cè)精度下的最優(yōu)儲(chǔ)能配置容量以及配置前后的接納度與投資需求如表3所示。
表3 用于減少偏差考核的儲(chǔ)能配置容量與效益
(2) 采用粒子群算法對(duì)風(fēng)電集群所配置的儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的收斂曲線如圖3所示。當(dāng)收斂到最優(yōu)值時(shí),儲(chǔ)能的配置容量、投資凈年值、年凈收益以及回收年限如表4所示。
表4 參與輔助服務(wù)市場(chǎng)儲(chǔ)能配置容量與效益
圖3 粒子群算法收斂曲線
本文研究了以風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能相較于分散配置儲(chǔ)能可以減少5.73%的儲(chǔ)能配置容量。當(dāng)預(yù)測(cè)精度為15%時(shí),風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能最優(yōu)配置比例為11.58%,回收年限為13.79年;當(dāng)預(yù)測(cè)精度為20%時(shí),風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能最優(yōu)配置比例為11.84%,回收年限為13.95年。
本文對(duì)比得出了以風(fēng)電集群配置儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì),提出了風(fēng)電場(chǎng)的接納度這一指標(biāo),綜合考慮了風(fēng)電配置儲(chǔ)能的成本、效益以及并網(wǎng)后的發(fā)展,能夠更加貼近實(shí)際生活,為風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能提供參考借鑒。