新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法

摘 要：目前，新能源接入下的電力系統(tǒng)存在發(fā)電不穩(wěn)定問題，為提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文提出新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法。首先，設(shè)計(jì)新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以其抑制風(fēng)電發(fā)電的波動(dòng)，提高電能質(zhì)量。其次，構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳容量平衡分配。最后，對(duì)該方法進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法與設(shè)定的試驗(yàn)分配儲(chǔ)能容量趨于一致，因此本文方法能夠均衡分配電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。

關(guān)鍵詞：新能源；電力系統(tǒng)；容量；均衡分配

中圖分類號(hào)：TM 72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著新能源的大規(guī)模接入，電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制面臨很多挑戰(zhàn)。其中，作為調(diào)節(jié)新能源電力輸出波動(dòng)的重要手段，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配問題尤為關(guān)鍵。但是新能源的間歇性和不穩(wěn)定性給電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量均衡分配帶來了一定困難。電力儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種將不易儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等形式儲(chǔ)存起來，以便需要時(shí)使用的系統(tǒng)，通常由電力儲(chǔ)能電池、電力電子轉(zhuǎn)換裝置、控制系統(tǒng)和輔助電源等組成。電力儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用，可以提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和用電效率，平滑電力負(fù)荷，提供電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能等。此外，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以作為可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，提高新能源發(fā)電的電能質(zhì)量和消納水平。因此，研究新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法具有重要的理論和實(shí)踐意義[1]。

1 新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)、外對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，并已將新能源接入電力系統(tǒng)，以其抑制風(fēng)電發(fā)電波動(dòng)，提高電能質(zhì)量，達(dá)到削峰填谷的目的。對(duì)具有高滲透率的獨(dú)立電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行合理分配并保證其正常運(yùn)營，是制約我國風(fēng)電消納發(fā)展的重要因素。研究以電力為主、新能源接入電網(wǎng)中存儲(chǔ)容量的均衡分配問題，對(duì)電力市場的競價(jià)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義[2]。

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)分散安裝占地規(guī)劃困難、協(xié)調(diào)控制復(fù)雜其安裝成本較高，本文研究的新能源電力儲(chǔ)能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采取了集中安裝的方式，包括發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)。集中安裝的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅可以減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的占地面積，還可以簡化協(xié)調(diào)控制，降低安裝和維護(hù)成本。此外，集中安裝的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以更方便地進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，提高整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

在一個(gè)新能源接入的電網(wǎng)中，為了更好地利用資源和提高效率，發(fā)電機(jī)組被集中布設(shè)在一個(gè)區(qū)域。這種集中布局不僅便于管理和維護(hù)，還能提高能源利用率。在該布局中，多個(gè)風(fēng)機(jī)被整合在一起，通過升壓變壓器與輸電線相連。升壓變壓器的作用是將風(fēng)電產(chǎn)生的較低電壓升至適合長距離傳輸?shù)母叨龋詼p少傳輸過程中的能量損失。高壓輸電線再將電能傳輸?shù)接脩舳?，該過程稱為“高壓輸電”。這種輸電方式能夠大幅減少線路損耗，提高輸電效率。到達(dá)用戶端后，電能經(jīng)過降壓變，將高壓電降至適合家庭或工業(yè)使用的電壓。這樣，電能就可以安全、穩(wěn)定地供應(yīng)給用戶。

此外，為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，儲(chǔ)能系統(tǒng)被設(shè)置在用戶側(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用是儲(chǔ)存多余的電能，并在電力需求高峰或線路故障時(shí)釋放這些儲(chǔ)存的電能。該設(shè)置方式可有效避免由線路故障等原因造成的電源完全關(guān)閉問題。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以在用電高峰期提供額外的電力支持，緩解電力供應(yīng)壓力，即儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平抑可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電或其他新能源發(fā)電形式的產(chǎn)出不穩(wěn)定時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以迅速響應(yīng)，補(bǔ)充或替代發(fā)電不足的部分，保證電力供應(yīng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.2 構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化模型

根據(jù)國家規(guī)定可知，根據(jù)接入的新能源與電網(wǎng)的電壓等級(jí)不同，發(fā)電站被劃分為大、中、小3個(gè)類型，分別對(duì)應(yīng)66kV、10kV、380V這3個(gè)電壓等級(jí)。為保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率變化的限制主要為1min與10min共2個(gè)尺度，其有功功率的最大限制見表1[4]。

接入新能源的功率波動(dòng)率限制應(yīng)在最大限制數(shù)α1imit內(nèi)，波動(dòng)率的計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：pnet（t-1）、pnet（t）代表在t-1時(shí)刻、t時(shí)刻的儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率；α表示t時(shí)刻的波動(dòng)率。

根據(jù)該波動(dòng)率結(jié)果可以得出電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率的平衡約束函數(shù)。有功功率平衡約束指的是電力系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)在滿足負(fù)荷的功率需求后，剩余功率應(yīng)等于與電網(wǎng)的交互功率，如公式（2）所示。

（2）

式中：L表示電網(wǎng)中含有L個(gè)發(fā)電機(jī)；Pε代表發(fā)電機(jī)的的實(shí)時(shí)功率；m代表儲(chǔ)能系統(tǒng)中含有m個(gè)儲(chǔ)能元件；p?代表儲(chǔ)能元件j的額定功率；pload表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行損耗成本[5]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量約束主要用作額定容量的循環(huán)判據(jù)，其約束函數(shù)如公式（3）所示。

（3）

式中：b代表儲(chǔ)能元件j的容量變化范圍；eγj表示儲(chǔ)能元件j的額定容量。

以滿足以上約束要求的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化模型如公式（4）所示。

（4）

式中：T代表采樣時(shí)間間隔；EN代表儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量，kW·h；S[t1]代表發(fā)電站當(dāng)t1時(shí)刻的負(fù)荷狀態(tài)；S0代表初始荷電狀態(tài)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化模型考慮了經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和環(huán)境因素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳容量平衡分配[6]。

1.3 均衡分配電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量

電網(wǎng)的可調(diào)度性置信率水平是電力儲(chǔ)能系統(tǒng)出力達(dá)到調(diào)度目標(biāo)的概率值[7]，如公式（5）所示。

（5）

式中：gi代表i時(shí)刻電力儲(chǔ)能系統(tǒng)處理是否達(dá)成調(diào)度目標(biāo)；ED代表電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率；w1代表電力儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電狀態(tài)的下限數(shù)值；zi代表i時(shí)刻的電網(wǎng)實(shí)際出力和調(diào)度目標(biāo)間的功率差值；wi代表i時(shí)刻的電網(wǎng)實(shí)際出力與調(diào)度目標(biāo)間的容量差值；wh代表電力儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電狀態(tài)的上限數(shù)值。

因此，基于電網(wǎng)實(shí)際出力與調(diào)度目標(biāo)可以得出全年電網(wǎng)出力可調(diào)度概率的計(jì)算公式，如公式（6）所示。

（6）

式中：V代表全年電網(wǎng)出力的采樣間隔；β代表儲(chǔ)能系統(tǒng)可調(diào)度性的置信度的水平。

電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的均衡分配涉及功率和容量值的確定，這些值被用作評(píng)估儲(chǔ)能分配經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。因?yàn)樵诿總€(gè)平衡分配調(diào)節(jié)周期內(nèi)，電力儲(chǔ)能裝置的充、放電能力都受額定功率的影響，所以電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率必須先于容量設(shè)定。功率可調(diào)節(jié)性是指儲(chǔ)能系統(tǒng)可以填補(bǔ)風(fēng)電場實(shí)際輸出功率和調(diào)節(jié)目標(biāo)間輸出功率差距的可能性。為了避免大量的迭代操作，在輸出功率差額概率密度函數(shù)不明的情況下，可通過非參數(shù)估計(jì)方式來擬合由功率差額計(jì)算得出的概率密度函數(shù)。本文使用非參數(shù)核密度的估計(jì)方法，如公式（7）所示。

（7）

式中：K代表核函數(shù)，積分?jǐn)?shù)值為1；V代表電網(wǎng)功率采樣數(shù)；u代表帶寬；x代表功率的差額。

雖然電力儲(chǔ)能系統(tǒng)功率取下限值時(shí)能夠滿足功率可調(diào)度性的要求，但是為了得到滿足目標(biāo)函數(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)分配結(jié)果，需要對(duì)該功率下的儲(chǔ)能容量值進(jìn)行調(diào)整。因此，還需要在確定電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率與容量限制的條件下，以儲(chǔ)能系統(tǒng)投入費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)具有經(jīng)濟(jì)意義的儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行均衡分配[8]。

為了更科學(xué)地評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的分配效果，本文綜合考慮蓄電池充電次數(shù)、充電深度等參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命的影響，以儲(chǔ)能系統(tǒng)等年的計(jì)算公式為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮蓄能充/放電次數(shù)、充/放電深度等參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行修正，如公式（8）所示。

（8）

式中：ηbess代表儲(chǔ)能額定功率分配數(shù)值；κbess代表儲(chǔ)能容量的分配值；Tlife代表儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命；μ代表電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的投資成本；代表儲(chǔ)能系統(tǒng)功率投資與容量投資費(fèi)用。

綜上所述，均衡分配電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量需要綜合考慮多種因素，包括電力系統(tǒng)的需求、電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的位置和規(guī)模、技術(shù)限制以及經(jīng)濟(jì)性等。通過合理規(guī)劃和分配來確保電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效運(yùn)行和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定供應(yīng)。

2 試驗(yàn)測試與分析

進(jìn)行測試前需要做一些準(zhǔn)備工作，以保證本次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文提出的新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法的可行性，進(jìn)行試驗(yàn)測試。在試驗(yàn)中，采用容量均衡分配方法將儲(chǔ)能系統(tǒng)的總?cè)萘糠峙浣o各站點(diǎn)，該方法基于站點(diǎn)負(fù)荷需求預(yù)測和各儲(chǔ)能系統(tǒng)的健康狀況和充電狀態(tài)。在每個(gè)調(diào)度周期中，中央控制器會(huì)根據(jù)這些信息計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)所需功率，并將總功率需求分配給各儲(chǔ)能系統(tǒng)。

此次試驗(yàn)使用10個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS），每個(gè)系統(tǒng)的額定容量為100kW·h。這些儲(chǔ)能系統(tǒng)被部署在5個(gè)不同的站點(diǎn)中，每個(gè)站點(diǎn)包括2個(gè)BESS。所有儲(chǔ)能系統(tǒng)都通過一個(gè)中央控制器進(jìn)行管理和調(diào)度。此次試驗(yàn)設(shè)定的儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)見表2。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)在不同儲(chǔ)能額定功率下，檢驗(yàn)與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能容量的分配是否相同，測試結(jié)果見表3。

由上述測試結(jié)果可以看出，本文方法與設(shè)定的試驗(yàn)分配儲(chǔ)能容量趨于一致，因此，本文的新能源接入下電力儲(chǔ)能系統(tǒng)容量均衡分配方法能夠均衡分配電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，同時(shí)采用容量均衡分配方法可有效地提高電力儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率，降低系統(tǒng)運(yùn)營成本，并提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該方法適用于新能源接入下的電力系統(tǒng)，有助于解決新能源發(fā)電的不穩(wěn)定問題，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

進(jìn)一步驗(yàn)證本文分配儲(chǔ)能容量方案下電力系統(tǒng)運(yùn)行成本的變化，結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，采用本文方法對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行均衡分配前，得到的系統(tǒng)年運(yùn)行綜合成本為22.34萬元，應(yīng)用本文方法對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行均衡分配后的年運(yùn)行成本為16.64萬元。由此可知，在本文方法均衡分配后的儲(chǔ)能容量下，電力系統(tǒng)的年運(yùn)行成本降低，證明本文提出的儲(chǔ)能容量均衡分配方案能夠輸出優(yōu)化的分配方案，可進(jìn)一步降低電力系統(tǒng)的年運(yùn)行成本。

3 結(jié)語

在新能源接入的背景下，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量均衡分配方法對(duì)保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。本文提出了一種基于優(yōu)化算法的容量均衡分配方法。該方法以最小化電力系統(tǒng)的總運(yùn)行成本為目標(biāo)，同時(shí)考慮電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)限制和運(yùn)行效率限制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，均衡分配電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。在未來的研究中，可以進(jìn)一步探索電力儲(chǔ)能系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)（如氫能、熱能等）的集成與優(yōu)化運(yùn)行，以更好地適應(yīng)新能源接入帶來的挑戰(zhàn)。此外，還可以考慮在容量均衡分配中引入市場機(jī)制和博弈理論，以實(shí)現(xiàn)更公平、高效的能源分配。綜上所述，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量均衡分配是新能源接入下電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要研究方向。本文提出的容量均衡分配方法為該研究領(lǐng)域提供了一種有效思路和方法，具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。

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