陳 雪 曾紫光

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州510000）

0 引言

在化石資源短缺與環(huán)境污染的雙重約束下，采取合理的措施降低電力系統(tǒng)綜合能耗已成為重要的全球性課題。在這一背景下，國家相繼出臺了一系列鼓勵以風電為代表的清潔能源的發(fā)展政策。相關學者考慮局部地區(qū)效益均衡，建立了風電社會效益數(shù)學模型，保守估算了風電的社會效益［1－3］。但在風電、光伏等清潔能源迅猛發(fā)展的同時，其出力間歇性、反調峰特性等將影響到系統(tǒng)潮流指標，制約其在節(jié)能減排中作用的發(fā)揮，這就降低了風力發(fā)電的社會效益［4］。

為解決風電發(fā)展的瓶頸問題，發(fā)揮其在節(jié)能減排中的積極作用，儲能技術因其良好的電功率“吞”、“吐”特性，成為解決風電出力間歇性、反調峰特性等瓶頸問題最為直觀的一種方案，相應技術手段已取得一定成果：利用儲能系統(tǒng)提供快速無功支撐和平滑風電出力，從根本上改善系統(tǒng)功率平衡度。研究儲能系統(tǒng)能間接提高風電短期功率預報精度，優(yōu)化系統(tǒng)潮流，改善風電并網(wǎng)帶來的電壓偏差、電壓閃變等電能質量問題，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少風電并網(wǎng)對系統(tǒng)熱備用容量的需求，優(yōu)化風電經濟性。

但在一系列研究成果中，并未出現(xiàn)儲能系統(tǒng)量化提高風電節(jié)能減排社會效益層面的相關研究。因此，本文將在已有研究的基礎上，提出儲能系統(tǒng)提高風電社會效益的量化評價指標，建立風／儲聯(lián)合運行社會效益評價模型，通過優(yōu)化計算得到風／儲系統(tǒng)容量配置。

1 降低風電場社會效益的因素

風電出力的波動性以及電力系統(tǒng)要求功率實時平衡的特點，決定了風電難以獨立向用戶供電，只能依托大電網(wǎng)實現(xiàn)風電最大限度的利用。而現(xiàn)存電網(wǎng)的規(guī)模及堅韌度無法滿足間歇性風電的消納，是制約風電規(guī)模發(fā)展的根本因素，降低了風電在節(jié)能減排中所發(fā)揮的積極作用。具體可總結如下：（1）大規(guī)模風電并網(wǎng)后的風電功率波動常常與負荷波動趨勢相反，即在負荷高峰時段無風可發(fā)，而在負荷低谷時段來大風需要滿發(fā)，這就加大了電網(wǎng)等效峰谷差，惡化了系統(tǒng)負荷特性，對系統(tǒng)旋轉備用容量提出了很高的要求。（2）風力發(fā)電的不可預測性決定了需增加系統(tǒng)備用電源，這類電廠需隨時保持運轉但并不發(fā)電，在產生碳排放的同時，也造成了資源浪費。（3）造成系統(tǒng)頻率突變和聯(lián)絡線功率偏差較大，使系統(tǒng)頻率特性惡化，對系統(tǒng)的快速調頻提出了很高的要求。（4）風電場作為電源接入電網(wǎng)，將改變系統(tǒng)原有潮流，可能惡化潮流指標，增大系統(tǒng)網(wǎng)損。

風電并網(wǎng)引起的潮流問題及對系統(tǒng)調峰調頻的需求都將不同程度地增大系統(tǒng)能耗與碳排放，降低風力發(fā)電在節(jié)能減排中的積極作用。而在節(jié)能減排相關措施中，儲能技術因其實現(xiàn)同樣的減排效果成本最低，成為目前最經濟有效的技術手段之一。

2 儲能系統(tǒng)提高風電場社會效益的量化評價

與發(fā)電系統(tǒng)不同，儲能系統(tǒng)發(fā)揮的社會效益所帶來的經濟效益很難以一種標準來量化評價，應根據(jù)其發(fā)揮的作用來進行綜合評價。其與風力發(fā)電相結合，發(fā)揮的風電節(jié)能減排積極作用可用如下指標進行評價：（1）儲能系統(tǒng)平滑風電出力，減少相同調頻效果下熱電系統(tǒng)容量的節(jié)能減排量化計算。（2）儲能系統(tǒng)改善風電反調峰特性，減少相同調峰效果下熱電系統(tǒng)容量的節(jié)能減排量化計算。（3）儲能系統(tǒng)改善風電并網(wǎng)潮流指標，減少網(wǎng)損的節(jié)能減排量化計算。

因此，根據(jù)具體風電與區(qū)域電網(wǎng)匹配特性，選擇上述一種或幾種指標量化計算，可以對儲能系統(tǒng)與風電結合所發(fā)揮的社會效益作量化評價。

3 風／儲系統(tǒng)聯(lián)合運行社會效益評價模型

3.1 風／儲系統(tǒng)聯(lián)合運行目標函數(shù)

以系統(tǒng)節(jié)能減排效益最大化為目標函數(shù)，建立風／儲系統(tǒng)聯(lián)合運行優(yōu)化模型。節(jié)能減排效益可由系統(tǒng)總煤耗量和污染物排放量表征，通過煤炭價格、污染物排放成本折算至同一度量單位，則目標函數(shù)可表示為：

式中，Ctotal為系統(tǒng)減少的能耗與污染物排放總成本；C1.total、C2.total分別為熱電系統(tǒng)出力的能耗與污染物排放及系統(tǒng)因網(wǎng)損所帶來的能耗成本和污染物排放成本；Ccoal、Ceniv分別為能耗總成本及污染物排放總成本；f（p）、m（p）分別為系統(tǒng)機組p出力時的發(fā)電能耗及發(fā)電污染物排放量；Vcoal、Veniv分別為單位能耗成本和單位污染物環(huán)境成本。

本文中標準煤單價取0.4元／kg，污染物排放環(huán)境成本取6元／kg。f（p）、m（p）可通過煤耗率系數(shù)、污染物排放系數(shù)量化，如式（2）所示：

3.2 風／儲系統(tǒng)聯(lián)合運行約束條件

3.2.1 技術約束

在不考慮經濟約束的條件下，考慮系統(tǒng)功率平衡約束、出力上下限約束以及節(jié)點電壓上下限約束，具體如式（3）所示：

式中，PGi、PC、PDi、P損分別為火電機組／儲能系統(tǒng)出力與負荷功率、有功網(wǎng)損；Vi為節(jié)點電壓值。

3.2.2 經濟約束

經濟約束指儲能系統(tǒng)的固定費用與運行維護各項費用應小于等于儲能系統(tǒng)提高風電節(jié)能減排社會效益所帶來的經濟效益量化計算值。滿足經濟約束時，系統(tǒng)的建設才有實際意義，如式（4）所示：

式中，ΔCtotal為儲能系統(tǒng)提高的風力發(fā)電節(jié)能減排社會效益量化的經濟效益值；m1、m2分別為儲能系統(tǒng)的固定成本與可變成本；、、、分別為儲能系統(tǒng)加入前后系統(tǒng)總能耗成本與污染物排放成本。

3.2.3 計算流程

本文采用的遺傳算法較一般優(yōu)化算法容易獲得全局最優(yōu)解，能很好地解決非線性、規(guī)模大的優(yōu)化模型問題，其一般步驟如下：（1）輸入系統(tǒng)火電機組年基礎調度規(guī)劃信息；（2）設定種群規(guī)模和最大進化代數(shù)，以儲能系統(tǒng)容量為優(yōu)化控制變量，產生初始種群；（3）根據(jù)不同個體代表的儲能系統(tǒng)容量，產生相應的代替火電機組規(guī)劃方案，依據(jù)適應度函數(shù)計算每個個體的適應度；（4）判斷是否滿足優(yōu)化準則，若滿足則輸出結果，若不滿足則進行下一步；（5）經個體適應度比較排序，選擇再生個體；（6）按照自適應交叉率執(zhí)行交叉運算，產生種群轉步驟（3）。

4 算例仿真

在僅考慮該地區(qū)風力資源條件約束的情況下，系統(tǒng)內最大裝機容量為500 MW，風電場風速一般服從威布爾分布，但當研究時段較短時，風電場風速可認為服從正態(tài)分布。本文選取單位兆瓦風電裝機的典型日，根據(jù)較短時間內服從正態(tài)分布進行隨機模擬，其出力曲線如圖1所示。

圖1 單位容量風電機組典型日出力曲線

按照風電場輸出波動的限值，系統(tǒng)熱電因參與風電調峰調頻而產生的能耗與污染物排放總成本如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)能耗與污染物排放總成本曲線

系統(tǒng)能耗與污染物排放總成本隨著風電場容量增加而增大，風電場容量達到250 MW時，系統(tǒng)能耗成本上升趨勢逐漸減緩，最終進入平臺期，這是因為隨著風電容量逼近系統(tǒng)的最大接納能力，會導致一部分風電脫網(wǎng)。系統(tǒng)因總有功網(wǎng)損而產生的能耗成本如圖3所示。

圖3 網(wǎng)損折算的能耗成本曲線

風電在一定范圍內隨著容量的增長對系統(tǒng)有功網(wǎng)損有一定貢獻，增長到300 MW時，網(wǎng)損增大，其能耗成本隨之增加。

系統(tǒng)接納風電能力受系統(tǒng)調峰容量的制約，儲能系統(tǒng)的接入一方面可替代常規(guī)熱電機組參與調頻調峰，另一方面由于減少了熱電系統(tǒng)的出力以及優(yōu)化系統(tǒng)潮流減少有功網(wǎng)損從而減少了系統(tǒng)能耗，也實現(xiàn)了節(jié)能減排效益?，F(xiàn)對風電與儲能系統(tǒng)的匹配容量進行優(yōu)化計算。

4.1 不考慮經濟約束時

由圖4分析可得，當儲能系統(tǒng)容量定為［30 MW，40 MW］時，系統(tǒng)接納風電能力幅度增加，原因在于上述區(qū)間的儲能系統(tǒng)對常規(guī)機組發(fā)生了替代效應。相應的總能耗與污染物排放成本曲線如圖5所示。

圖4 非經濟約束下的風電匹配容量優(yōu)化

總成本在儲能容量為［30 MW，40 MW］時顯著降低，表明因儲能系統(tǒng)的作用，常規(guī)機組逐漸向最優(yōu)運行點運行；隨之是一定的平臺期，表明常規(guī)機組保持在最優(yōu)運行點運行；當儲能容量為［70 MW、80 MW］時，一部分機組偏離最優(yōu)運行點，系統(tǒng)成本又大幅度上升。

圖5 總能耗與排放成本優(yōu)化

4.2 考慮經濟約束時

在考慮經濟約束時，如圖6所示，系統(tǒng)接納風電能力曲線沒有變化，而匹配容量優(yōu)化只有在［30 MW，40 MW］、［70 MW，80 MW］時有解；在其他區(qū)間，儲能系統(tǒng)一方面替代效應不明顯，另一方面風電接納能力提高也不明顯，使得儲能系統(tǒng)的經濟效益為負，因此無解。

圖6 經濟約束下的風電匹配容量優(yōu)化

綜上所述，儲能系統(tǒng)在考慮經濟約束和不考慮經濟約束時的優(yōu)化結果一致，即風電?。?70 MW，300 MW］和［310 MW，330 MW］之間的值，而儲能系統(tǒng)取值則在［30 MW，40 MW］和［70 MW，80 MW］之間為最佳。

5 結語

本文以儲能系統(tǒng)為研究對象：（1）提出了儲能系統(tǒng)提高社會效益的評價指標；（2）建立了以節(jié)能減排社會效益為目標函數(shù)的風／儲聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化模型；（3）采用嵌套式遺傳算法對儲能系統(tǒng)提高的風電社會效益作了量化計算。

［1］張曉花，趙晉泉，陳星鶯.節(jié)能減排下含風電場多目標機組組合建模及優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（17）：33～39

［2］蔣澤甫，謝開貴.基于時序負荷的獨立電網(wǎng)風／柴／儲電源系統(tǒng)容量優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（20）：119～124

［3］沈又幸，劉琳，曾鳴.風電社會效益的評價模型及其應用研究［J］.華東電力，2009，37（5）：52～55

［4］雷亞洲.與風電并網(wǎng)相關的研究課題［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（8）：84～89