平滑新能源波動(dòng)的混合儲(chǔ)能優(yōu)化配置

金鑫，王凱

(1.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司平原縣供電公司，山東 德州 253000)

減少碳排放已經(jīng)成為我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重要目標(biāo)，到2030年，我國(guó)將完成碳達(dá)峰，到2060年我國(guó)將完成碳中和[1-2]。在國(guó)家節(jié)能減排政策的支持下，越來(lái)越多的新能源發(fā)電涌入電力系統(tǒng)中，由于新能源發(fā)電存在的波動(dòng)性與不確定性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)復(fù)雜程度節(jié)節(jié)攀升[3-4]。

近些年，儲(chǔ)能系統(tǒng)成為解決新能源發(fā)電波動(dòng)性與不確定性的重要途徑[5-7]。儲(chǔ)能參與新能源并網(wǎng)主要應(yīng)用于電源側(cè)，利用儲(chǔ)能的快速響應(yīng)調(diào)節(jié)新能源發(fā)電的出力，以滿足并網(wǎng)要求。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用鋰離子電池和新能源發(fā)電功率共同輸出，從而降低新能源發(fā)電功率的波動(dòng)性。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用飛輪儲(chǔ)能平滑新能源出力的波動(dòng)性，通過(guò)模糊控制對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行限制。以上文獻(xiàn)均為單一儲(chǔ)能平滑新能源發(fā)電出力的波動(dòng)性，并未考慮新能源發(fā)電出力的頻率響應(yīng)特性。為使新能源發(fā)電出力平滑更加優(yōu)化，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于新能源發(fā)電出力的平滑。文獻(xiàn)[10]通過(guò)超級(jí)電容和電池儲(chǔ)能相結(jié)合，共同應(yīng)用于新能源發(fā)電出力的波動(dòng)平滑。文獻(xiàn)[11]通過(guò)飛輪儲(chǔ)能平滑新能源發(fā)電出力的高頻功率波動(dòng)和部分低頻功率，通過(guò)蓄電池平滑剩余部分的波動(dòng)，從而保持電壓平衡。文獻(xiàn)[12]通過(guò)蓄電池和超級(jí)電容器儲(chǔ)能平滑新能源發(fā)電出力的波動(dòng)性，考慮了新能源發(fā)電出力的雙評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[13]采用鋰電池和超級(jí)電容相結(jié)合的儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑新能源出力的波動(dòng)性，通過(guò)小波變換平滑新能源發(fā)電出力，發(fā)明了一種將儲(chǔ)能系統(tǒng)介質(zhì)頻率具體化的研究方法。文獻(xiàn)[14]利用傅里葉分解方法(Fourier decomposition method，F(xiàn)DM)平滑新能源發(fā)電因調(diào)度產(chǎn)生的不平衡功率，將不平衡功率的高頻部分和低頻部分分別配置給不同的儲(chǔ)能裝置，高頻部分使用超級(jí)電容器進(jìn)行平滑，低頻部分使用蓄電池儲(chǔ)能進(jìn)行平滑。文獻(xiàn)[15]利用新能源發(fā)電制氫與超級(jí)電容器相結(jié)合的混合儲(chǔ)能形式調(diào)節(jié)新能源發(fā)電機(jī)組出力，調(diào)節(jié)后的新能源發(fā)電機(jī)組出力平緩，有效減少了新能源波動(dòng)，達(dá)到并網(wǎng)要求。以上文獻(xiàn)均為儲(chǔ)能的基礎(chǔ)配置，并未考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，需要進(jìn)一步研究。

本文在已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，考慮混合儲(chǔ)能平滑新能源發(fā)電出力的波動(dòng)性，基于滑動(dòng)平均法平滑新能源發(fā)電原始出力，將平滑后出力曲線與原始出力曲線之差作為儲(chǔ)能參考功率，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)將儲(chǔ)能參考功率分解為高頻部分和低頻部分，高頻部分通過(guò)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)行平滑，低頻部分通過(guò)鋰離子電池儲(chǔ)能進(jìn)行平滑，求得混合儲(chǔ)能所需容量和功率。最后，通過(guò)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)凈收益模型求得系統(tǒng)凈收益，驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。以風(fēng)電歷史數(shù)據(jù)為新能源發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證所提方法的有效性，并計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)所需成本。

1 混合儲(chǔ)能平滑新能源波動(dòng)優(yōu)化配置模型

本文通過(guò)滑動(dòng)平均法確定新能源發(fā)電出力的平滑基準(zhǔn)，平滑基準(zhǔn)需要滿足國(guó)家對(duì)新能源發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)指標(biāo)(通常為單位時(shí)段的波動(dòng)率)要求，而后將新能源發(fā)電出力的實(shí)際數(shù)據(jù)與所確定的新能源發(fā)電出力的平滑基準(zhǔn)做差，求得儲(chǔ)能參考功率，進(jìn)而求取儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量[16]。

1.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配

本文采用EMD對(duì)儲(chǔ)能參考功率進(jìn)行分解，通過(guò)分析瞬時(shí)頻率-時(shí)間曲線中相鄰本征模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)的模態(tài)混疊量進(jìn)行高頻和低頻部分的劃分[17]。分配后的結(jié)果為：

(1)

(2)

式中：Pg為高頻部分儲(chǔ)能功率；Pd為低頻部分儲(chǔ)能功率；FIMi為第i個(gè)IMF；j為從1到n的正整數(shù)，n為全部IMF的數(shù)量。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率

由于充放電損耗的存在，其功率可以表示為：

PE(t)=PHESS(t)/ηd,PHESS(t)≥0, 放電；

(3)

PE(t)=PHESS(t)·ηc,PHESS(t)<0, 充電.

(4)

式中：PHESS(t)為t時(shí)段電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能功率；PE(t)為t時(shí)段系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能功率；ηd為儲(chǔ)能放電效率；ηc為儲(chǔ)能充電效率。

1.3 儲(chǔ)能周期電量平衡

在一定時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能的初始能量需要維持在一個(gè)固定值，即此段時(shí)間儲(chǔ)能充放電量之和為0，也就是功率之和為0，可以表示為：

(5)

P′E(t)=PE(t)-ΔP，

(6)

式中：ΔP為儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)量；P′E(t)為t時(shí)段修正的儲(chǔ)能出力；N為仿真時(shí)間內(nèi)的時(shí)段數(shù)。則儲(chǔ)能額定功率

PEN=maxP′E(t).

(7)

1.4 充放電量計(jì)算

通過(guò)修正后的儲(chǔ)能出力求得儲(chǔ)能能量變化曲線，其表達(dá)式為

(8)

式中：E(t)為儲(chǔ)能各時(shí)段電量；Ts為每一功率持續(xù)時(shí)間。

1.5 額定容量計(jì)算

儲(chǔ)能的剩余電量情況可以用荷電狀態(tài)計(jì)算，即

(9)

式中：C為各時(shí)段荷電狀態(tài)；C0為儲(chǔ)能初始荷電狀態(tài)；EN為儲(chǔ)能額定容量。充電時(shí)E(t)為正，儲(chǔ)能電量上升，荷電狀態(tài)相應(yīng)變大；放電過(guò)程相反。

定義Cmax、Cmin分別為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)變化的上下限，則

(10)

(11)

能夠同時(shí)使以上兩式成立的最小值即為EN：

(12)

(13)

聯(lián)立可知

(14)

1.6 初始狀態(tài)確定

聯(lián)立式(11)、(12)可計(jì)算初始荷電狀態(tài)

(15)

1.7 儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命

(16)

Neq=NDDk.

(17)

式中：Neq為100%充放電深度下的儲(chǔ)能充放電次數(shù)；ND為充放電深度D下的儲(chǔ)能充放電次數(shù)。

飛輪儲(chǔ)能循環(huán)壽命只與儲(chǔ)能充放電次數(shù)相關(guān)，由此能夠得出飛輪儲(chǔ)能循環(huán)壽命計(jì)算公式為

(18)

式中：Nf為飛輪儲(chǔ)能實(shí)際使用天數(shù)；Nmax為飛輪儲(chǔ)能最大充放電次數(shù)；Nre為飛輪儲(chǔ)能每日充放電次數(shù)。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)凈收益模型

2.1 儲(chǔ)能成本

本文成本模型基于費(fèi)用現(xiàn)值法，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的預(yù)期壽命設(shè)為Yr年，基準(zhǔn)折現(xiàn)率I，成本系數(shù)A=(1+I)-Yr。

初始儲(chǔ)能系統(tǒng)成本

W1=A(WpsPEN+WesEN).

(19)

式中：Wps為單位儲(chǔ)能功率成本；Wes為單位儲(chǔ)能容量成本。

運(yùn)行維護(hù)成本

W2=A(WompPEN+WomeEN).

(20)

式中：Womp為單位儲(chǔ)能功率運(yùn)行維護(hù)成本；Wome為單位儲(chǔ)能容量運(yùn)行維護(hù)成本。

設(shè)備回收殘值

W3=αA(W1+W2)，

(21)

式中α為回收利益系數(shù)，本文取α=5%。

總成本

WLCC=W1+W2-W3.

(22)

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)收益

減少新能源發(fā)電備用容量所獲得的收益

(23)

Pd=∑G.

(24)

(25)

式(23)—(25)中：Pd為新能源電場(chǎng)每日旋轉(zhuǎn)備用減少量；βd為新能源電場(chǎng)每日預(yù)測(cè)置信度；PX(t)為新能源發(fā)電在t時(shí)段的出力；Sr為新能源電場(chǎng)單位備用容量的費(fèi)用。

減少新能源并網(wǎng)通道建設(shè)所獲得的收益

S2=Scmax{0 , maxPX(t)-

max(PX(t)-PHESS(t))},

(26)

式中Sc為單位功率通道建設(shè)費(fèi)用。

綜合可得儲(chǔ)能系統(tǒng)收益

S=S1+S2，

(27)

進(jìn)而可得整個(gè)系統(tǒng)凈收益

Z=S-WLCC.

(28)

3 算例分析

根據(jù)所提模型進(jìn)行儲(chǔ)能配置，新能源出力數(shù)據(jù)采用2018年中國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際歷史數(shù)據(jù)，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量50 MW。選取其中典型日出力曲線(圖1)進(jìn)行波動(dòng)平滑。該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電出力具有明顯的峰谷特性，和典型日負(fù)荷對(duì)比還具有反調(diào)峰特性。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)典型日出力曲線

對(duì)風(fēng)電出力的平滑從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析：出力平滑——對(duì)比平滑前后風(fēng)電出力的相關(guān)參數(shù)；

儲(chǔ)能配置——求取混合儲(chǔ)能的功率和容量；儲(chǔ)能成本——求取混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。

a)出力平滑。本文通過(guò)滑動(dòng)平均法對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行平滑，平滑后的出力波動(dòng)明顯減小，風(fēng)電的原始出力和平滑后的對(duì)比如圖2所示，風(fēng)電平滑前后的波動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 儲(chǔ)能加入前后風(fēng)電出力對(duì)比

表1 風(fēng)電出力波動(dòng)數(shù)據(jù)

從表1可以看出平滑后的風(fēng)電出力各個(gè)波動(dòng)數(shù)據(jù)都優(yōu)于平滑前，3項(xiàng)指標(biāo)明顯下降，其中最大波動(dòng)率下降47%，功率標(biāo)準(zhǔn)差也下降了3.5%。平滑后的風(fēng)電出力更有利于電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

b)儲(chǔ)能配置。通過(guò)滑動(dòng)平均法確定新能源發(fā)電出力的基準(zhǔn)，將其與新能源發(fā)電實(shí)際出力做差，求得PHESS的變化數(shù)據(jù)，對(duì)儲(chǔ)能參考功率進(jìn)行EMD，分解后的各部分IMF分量(IMF1—IMF5)如圖3所示?？梢钥闯觯焊哳l部分的IMF分量波動(dòng)更加劇烈，適用于功率型儲(chǔ)能；低頻部分的IMF分量波動(dòng)緩慢，適用于能量型儲(chǔ)能。根據(jù)相鄰曲線混疊最少原則，通過(guò)各IMF的瞬時(shí)頻率-時(shí)間曲線可以將儲(chǔ)能參考功率分為高頻部分和低頻部分。根據(jù)式(1)、(2)即可求得儲(chǔ)能高頻部分的出力和儲(chǔ)能參考功率低頻部分的出力，高頻部分和低頻部分儲(chǔ)能功率如圖4所示。

圖3 各IMF分量波動(dòng)曲線

圖4 混合儲(chǔ)能高頻部分和低頻部分功率曲線

本文儲(chǔ)能配置選取的能量型儲(chǔ)能為鋰離子電池儲(chǔ)能，功率型儲(chǔ)能為飛輪儲(chǔ)能。根據(jù)式(3)—(7)可以求得混合儲(chǔ)能的相應(yīng)功率，根據(jù)式(8)—(14)可以求得儲(chǔ)能相應(yīng)部分的容量，儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)由式(15)求得，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率與容量配置具體結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯轰囯x子儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能容量更大，但功率較小，系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)也相對(duì)較高；飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能容量較小，但功率較大，初始荷電狀態(tài)較低。其原因是：儲(chǔ)能參考功率的高頻部分波動(dòng)范圍更廣，且充放電更頻繁，使得儲(chǔ)能容量長(zhǎng)期保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平；儲(chǔ)能參考功率的低頻部分波動(dòng)范圍小，但充放電過(guò)程少，儲(chǔ)能長(zhǎng)期處于放電狀態(tài)，需要持續(xù)輸出。

表2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率與容量配置結(jié)果

c)成本求取。鋰離子儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能的相關(guān)技術(shù)參數(shù)參考文獻(xiàn)[18]。鋰離子儲(chǔ)能電池100%充放電狀態(tài)下的循環(huán)次數(shù)為6 000次，飛輪儲(chǔ)能最大充放電次數(shù)為500 000次。根據(jù)式(16)—(18)計(jì)算可得鋰離子儲(chǔ)能電池運(yùn)行年限為7.10年，飛輪儲(chǔ)能運(yùn)行年限為30.44年，所以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期為7.10年。根據(jù)式(19)—(22)可以求得鋰離子儲(chǔ)能成本為4 312.01萬(wàn)元，飛輪儲(chǔ)能成本為6 819.98萬(wàn)元，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本為11 131.99萬(wàn)元。

通過(guò)歷史數(shù)據(jù)模擬可得儲(chǔ)能系統(tǒng)年收益為3 558.52萬(wàn)元，預(yù)計(jì)3.12年收回成本，儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期為7.1年，凈收益為14 133.01萬(wàn)元。

4 結(jié)論

本文針對(duì)新能源發(fā)電出力的波動(dòng)性提出了混合儲(chǔ)能的平滑方法，將滑動(dòng)平均法和EMD相結(jié)合，構(gòu)建儲(chǔ)能成本模型，并采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。主要得出以下結(jié)論：

a)用滑動(dòng)平均法平滑新能源出力更加簡(jiǎn)單方便，平滑后的出力曲線更為流暢。

b)通過(guò)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)減小系統(tǒng)備用容量以及減少新能源并網(wǎng)通道，使電網(wǎng)運(yùn)行效益最大化。

c)通過(guò)EMD確定混合儲(chǔ)能高頻分量和低頻分量，高頻部分波動(dòng)劇烈，低頻部分波動(dòng)平緩。

在新能源廣泛接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀下，由新能源發(fā)電出力的波動(dòng)性造成的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越多，為電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展增添了難度。本文在新能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下對(duì)電力系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究，在已有科研成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索新能源接入電力系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題，但還存在許多的不確定因素有待展開(kāi)更深入的研究，具體有以下幾點(diǎn)：①新能源發(fā)電波動(dòng)平滑過(guò)程中具有出力不確定性；②混合儲(chǔ)能平滑新能源波動(dòng)方面，未考慮儲(chǔ)能的壽命損耗；③新能源發(fā)電并網(wǎng)時(shí)，只研究了系統(tǒng)層面的可靠性變化，并未討論節(jié)點(diǎn)層面的可靠性變化。