風光水火儲系統(tǒng)的多能容量優(yōu)化配置分析

肖 建

（湖南郴電國際發(fā)展股份有限公司）

0 引言

近些年國家針對能源發(fā)展提出了全新的戰(zhàn)略，加快了風能、太陽能、水能等新能源的建設規(guī)模，使其和火電等形成有效互補，最終形成風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等多種能源的綜合性系統(tǒng)，最大程度發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢，在提升火電機組調峰性能的同時獲取良好經(jīng)濟效益，形成更加完善的市場機制，形成風光水火儲系統(tǒng)工程。從目前情況來看，風光水火儲多能系統(tǒng)能夠最大程度激發(fā)不同能源的優(yōu)勢，能夠形成相互之間的互補，對于有效解決傳統(tǒng)棄風棄光棄水問題、增強新能源比重、優(yōu)化能源結構具有重要作用，但是多能互補工程在實際應用時還會受到某些問題的影響，對于大規(guī)模應用造成一定限制，要不斷增強多能容量優(yōu)化配置，從而進一步推動多能系統(tǒng)的發(fā)展。

1 風光水火儲系統(tǒng)的多能互補方面存在的問題分析

雖然多能互補系統(tǒng)經(jīng)過了一定時間的發(fā)展，但是從目前來看還處于初級階段，很難在短期內展現(xiàn)出更大的價值。正是因為該系統(tǒng)處在初期發(fā)展時期，所以系統(tǒng)工程在很多方面存在不足，包括：設計標準、驗收標準、技術規(guī)范、價格標準、運營維護標準、盈利模式等，不利于其有效應用。除此之外，不同能源之間采取何種占比還缺少足夠成熟的案例，不可避免地要在探索中發(fā)展，一定程度上限制了其發(fā)展速度。風光水火儲系統(tǒng)的多能互補方面存在如下幾方面問題：

第一，近些年來各種新能源受到當?shù)叵{能力的影響，就算是通過多能互補方式也很難短期內解決此問題，從而影響其進一步推廣。

第二，不同系統(tǒng)所發(fā)出的電價缺少統(tǒng)一標準，每一家運營機構都是采取自身制定的電價標準，相互之間進行惡性競爭，對于各自的收益都造成影響，很難形成較好的示范效果。

第三，風光水火儲多能互補在技術方面還不成熟。多能互補系統(tǒng)在某些技術方面（例如儲能、發(fā)電、調峰等）還存在明顯缺陷，在具體應用方面還缺少有效的驗證方式，無法確?？煽啃浴?/p>

第四，各系統(tǒng)所發(fā)電量很難進行有效并網(wǎng)。各新能源之間所發(fā)電力輸出功率、穩(wěn)定性等方面都存在較大差異，目前電網(wǎng)模式很難滿足其進一步發(fā)展［2］。除此之外，新能源在進行發(fā)電過程中還存在間歇性、不穩(wěn)定性等問題，目前電網(wǎng)系統(tǒng)對其并不歡迎。

第五，不同能源部門之間存在利益方面的矛盾。電網(wǎng)總體電量需求相對固定，所以若是火電等發(fā)電量大必然會限制新能源的發(fā)電量，反之也是如此，這就一定程度上影響到多能互補系統(tǒng)的發(fā)展。

2 風光水火儲系統(tǒng)的多能容量優(yōu)化配置

近些年各種可再生能源發(fā)電技術受到了各方關注，技術水平快速發(fā)展，但是可再生能源并網(wǎng)并不順利，儲能系統(tǒng)容量進行優(yōu)化配置就顯得非常關鍵，是提升電力系統(tǒng)調峰性能、增強可再生能源消納性能的基本條件［3］。由于現(xiàn)階段我國電力系統(tǒng)還是以火電為主，所以本文在風光水電儲聯(lián)合系統(tǒng)中要以火電機組深度調峰性能為基礎，充分利用儲能裝置削峰填谷性能來增強整個系統(tǒng)靈活性，從而促使可再生能源的消納。

2.1 優(yōu)化模型的建立

第一，凈負荷波動最小。整個系統(tǒng)中將風光水儲聯(lián)合出力減掉之后火電機組具體承載的負荷稱之為凈負荷，為了最大程度應用儲能系統(tǒng)來補償風光等能源出力波動性，要盡可能減小火電機組所承載的凈負荷波動性，防止火電機組多次頻繁調整出力。凈負荷波動最小目標函數(shù)表示為：

式中，Pglt為t時間的凈負荷值；Pglt，av為一個調度周期范圍內凈負荷平均值。

第二，儲能系統(tǒng)運行收益以及成本模型。

1）儲能系統(tǒng)運行收益模型。儲能系統(tǒng)在實際運行中的電量、環(huán)境收益是最為關鍵的因素，也是對運行經(jīng)濟性影響最大的因素?？梢詫⒋朔矫娴氖找娼⑷缦履Ｐ停?/p>

式中，Pp為電網(wǎng)電價；ηc、ηd分別為儲能系統(tǒng)充放電效率；分別為儲能系統(tǒng)的充、放電效率；M為上級電網(wǎng)產(chǎn)生污染物類型總數(shù)；Pp，k為污染物單位排放費用；R為上級電網(wǎng)生產(chǎn)單位電能排放的污染物密度。

2）儲能系統(tǒng)運行成本模型。按照下式建立儲能系統(tǒng)運行成本模型：

式中，Csc為儲能系統(tǒng)充放電功率成本系數(shù)；、分別為儲能系統(tǒng)充、放電功率。

儲能系統(tǒng)運行收益最大目標函數(shù)可以表示為：

第三，火電機組運行成本模型?；痣姍C組運行成本可以分成“煤耗成本和啟停成本”、“深度調峰機組損耗成本”、“深度調峰機組穩(wěn)燃投油成本”。

1）火電機組煤耗以及啟停成本：

式中，f2為火電機組常規(guī)調峰運行成本；fmh、fqt分別為火電機組煤耗成本以及啟停成本；ai、bi、ci分別為火電機組耗量系數(shù)；Pi，t表示火電機組出力情況。

2）深度調峰機組損耗成本。一旦機組處于深度調峰狀態(tài)，其運行時就會和設計參數(shù)具有較大的偏離，發(fā)電效率會有較大降低，這樣就會形成機組損耗成本。此成本可以按照如下公式計算：

式中，β為火電機組運行影響系數(shù)；Su，i為第i臺火電機組購置成本；Nf（P）為轉子致裂循環(huán)周次。

第四，風光水等可再生能源消納性能。此方面的能力主要包括調度時間范圍內的棄風電量、棄水電量、棄光電量等部分，這些量越大表明可再生能源消納性能越弱。

2.2 聯(lián)合系統(tǒng)分層調度措施和求解方法

多能源進行協(xié)調調度是非常復雜的內容，屬于非常復雜的非線性規(guī)劃問題，所以為了對其進行簡化，要最大程度通過儲能系統(tǒng)削峰填谷性能以及火電機組深度調峰性能來進行。在實際應用時要建立在分解協(xié)調的基礎上，利用上下層問題協(xié)調以及下層問題交替迭代進行求解，以此為基礎設定儲能系統(tǒng)充放電功率以及優(yōu)化調峰策略［4］。其中上層調度模型通過儲能性能隨著風、光以及相應負荷進行變動，將儲能系統(tǒng)運行最大收益、最小凈負荷波動作為基本目標來對風光水儲能系統(tǒng)實施優(yōu)化，從而降低火電機組對所剩負荷削峰填谷壓力，也就是說利用對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化來實現(xiàn)風光水儲互補系統(tǒng)出力跟蹤負荷曲線的效果最優(yōu)。而下層模型主要是建立在上層模型所傳等效負荷曲線的基礎上，將最小的火電機組運行成本、最小的能源棄量作為優(yōu)化目標，同時參考能源棄量處罰成本以及調峰成本、相應火電單元運行情況來最終明確最優(yōu)經(jīng)濟性調度模式，之后通過交替迭代的求解方式對系統(tǒng)調峰的主動性進行校驗，符合調峰主動性約束之后完成迭代，從而明確最終參與到深度調峰的火電機組，進而得到最終的調度策略。

3 算例分析

（1）基本的數(shù)據(jù)以及參數(shù)

某儲能系統(tǒng)共包括火電機組（5臺）、水電機組（100MW）、風電場（300MW）、光伏電站（50MW）等部分，系統(tǒng)采取的是模塊化組裝模式的磷酸鐵鋰電池，具體參數(shù)如表1所示。

表1 儲能系統(tǒng)參數(shù)

（2）系統(tǒng)優(yōu)化調度結果

為了能夠確定上述模型的有效性，本文分別針對不同調度場景實施分析判定，具體場景分別為：①風、光、水聯(lián)合運行，火電機組進行常規(guī)性調峰，不考慮儲能情況；②風、光、水、儲聯(lián)合運行，火電機組進行常規(guī)性調峰；③風、光、水、儲聯(lián)合運行，火電機組進行深度調峰；④風、光、水聯(lián)合運行，火電機組進行深度調峰，不考慮儲能情況。

不同場景下對系統(tǒng)進行優(yōu)化的情況如表2所示。

表2 不同調度模式情況下系統(tǒng)優(yōu)化結果

第一，從上表中能夠得知，在充分考量儲能系統(tǒng)接入以及火電機組深度調峰運行的情況下，火電機組在實施深度調峰過程中，雖然一定程度上增大了機組損耗，但是因為風電具有非常好的節(jié)能成果，總體上系統(tǒng)成本相對場景①也有所降低（約26萬元，下降6.5%）。同時在系統(tǒng)成本下降的基礎上棄風率也有所下降（降低84.2%），所以通過深度調峰能夠有效推動風電發(fā)展。另外，站在調峰效果角度來看，儲能系統(tǒng)的介入不但可以優(yōu)化負荷峰谷差，同時也能夠降低系統(tǒng)棄風量，可以獲得更好的綜合效益［5］。

第二，從上表中能夠得知，對火電機組實施深度調峰之后，相對于場景①，該系統(tǒng)的總體運營成本下降了5.7%（約23萬元）。另外，站在系統(tǒng)調峰效果的角度來看，通過深度調峰能夠進一步提升整個系統(tǒng)的靈活性，在確保系統(tǒng)運營成本最低的基礎上能夠進一步減少系統(tǒng)啟停成本，經(jīng)分析可知相對場景①棄風率降低約6%左右。

4 結束語

隨著近些年我國各種新能源技術的快速發(fā)展，風光水火儲多能互補系統(tǒng)也有了較大發(fā)展，其可以充分發(fā)揮各能源優(yōu)勢來和傳統(tǒng)火電進行互補，能夠提升綜合性效益。但是由于不同能源之間存在一定差異，其多能容量之間存在一定問題。本文針對此問題進行了詳盡分析，在此基礎上提出了風光水火儲系統(tǒng)的多能容量優(yōu)化配置方式，能夠確保各新能源系統(tǒng)的進一步深入融合發(fā)展，對有效推動現(xiàn)代能源發(fā)展具有重要意義。