張 鋒李思儒孫誼媊郭小龍?jiān)F江劉 勇

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司,新疆烏魯木齊830002;2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,遼寧 大連116024;3.安徽正廣電電力技術(shù)有限公司,安徽 合肥230088)

0 引言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,清潔能源以其資源豐富、污染小等優(yōu)點(diǎn)逐漸在能源格局中扮演重要角色,大力開(kāi)發(fā)清潔能源成為電力行業(yè)工作的重心。大規(guī)模光伏電站在源端并網(wǎng)是開(kāi)發(fā)和利用清潔能源的重要途徑。然而太陽(yáng)能具有隨機(jī)性、間歇性以及波動(dòng)性等特點(diǎn),光伏電站大規(guī)模并網(wǎng)必將對(duì)電網(wǎng)造成沖擊,將儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于新能源發(fā)電側(cè)平抑光伏波動(dòng)是一種可選擇策略[1-3]。充分利用儲(chǔ)能元件平抑功率波動(dòng)以及能量存儲(chǔ)特性,可使光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的輸出相對(duì)平穩(wěn),降低光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在高源荷比局域電網(wǎng)中合理配置儲(chǔ)能容量,既能夠降低系統(tǒng)成本,又能夠提高當(dāng)?shù)毓╇娍煽啃浴?/p>

目前國(guó)內(nèi)已有一些針對(duì)光伏電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的研究,主要分為經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性兩大類。根據(jù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)配置儲(chǔ)能容量一般考慮電站壽命期內(nèi)的收益及各成本項(xiàng)[4-6]、光儲(chǔ)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行成本[7]。文獻(xiàn)[8-10]將投資成本、懲罰和污染費(fèi)用以及發(fā)電補(bǔ)貼總和最小作為目標(biāo)函數(shù)。另有文獻(xiàn)將供電可靠性、棄電損失等折算為經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,文獻(xiàn)[11]以棄電能量損失及儲(chǔ)能電池成本之和最小為目標(biāo)配置光伏電站儲(chǔ)能;文獻(xiàn)[12]以電網(wǎng)改造成本、限電損失、儲(chǔ)能投資成本等總成本最低為目標(biāo)配置儲(chǔ)能。

根據(jù)技術(shù)特性配置儲(chǔ)能通常從平滑光伏功率波動(dòng)[1,13-14]、提升供電可靠性[2-3]等方面入手。部分文獻(xiàn)將技術(shù)指標(biāo)作為目標(biāo)或約束進(jìn)行容量配置,文獻(xiàn)[2-3,15]將供電可靠性、新能源特性、入網(wǎng)功率波動(dòng)有功功率偏差率、峰谷斜率差等評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)入容量配置模型。上述文獻(xiàn)未考慮光伏發(fā)電正常工作狀態(tài)的周期出力特性,缺乏對(duì)光伏的針對(duì)性。

文獻(xiàn)[16]對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)劃分為全額運(yùn)行狀態(tài)、資源限制減額運(yùn)行狀態(tài)以及夜間停運(yùn)狀態(tài),同時(shí)建立了相應(yīng)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系,通過(guò)各種指標(biāo)從時(shí)間、出力、系統(tǒng)3個(gè)層面對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)綜合評(píng)價(jià)。然而該文獻(xiàn)提出的指標(biāo)體系僅從源端光伏運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行考量,并未計(jì)及負(fù)荷功率考慮此時(shí)的源荷匹配情況。

為此,本文定義基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣義負(fù)荷及凈廣義負(fù)荷的概念,得出光伏穿透功率,在此基礎(chǔ)上重新劃分光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)不同運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn),提出光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。以三種指標(biāo)之和最小、儲(chǔ)能投資成本最低為目標(biāo)配置光伏電站儲(chǔ)能,采用新疆某地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析,驗(yàn)證所提方法。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照運(yùn)行狀態(tài)可分為全額運(yùn)行、減額運(yùn)行、夜間停運(yùn)三種運(yùn)行狀態(tài)[16]。

1)全額運(yùn)行狀態(tài)。

天氣晴朗的午間,太陽(yáng)輻射較強(qiáng)烈,系統(tǒng)的出力可以達(dá)到裝機(jī)容量的60%～90%。

2)減額運(yùn)行狀態(tài)。

受天氣等因素的影響,將太陽(yáng)輻射較低、出力水平低于60%裝機(jī)容量的系統(tǒng)狀態(tài)都?xì)w為資源限制減額運(yùn)行狀態(tài)。

3)夜間停運(yùn)狀態(tài)。

夜間停運(yùn)是系統(tǒng)由于晚間無(wú)輻射或輻射過(guò)低而處于停運(yùn)的狀態(tài)。

三種運(yùn)行狀態(tài)示意如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operating state of photovoltaic power generation system

本文按照光伏發(fā)電系統(tǒng)全額運(yùn)行、減額運(yùn)行、夜間停運(yùn)的劃分思路,在考慮負(fù)荷功率的情況下,引入光伏穿透功率的概念重新定義三種運(yùn)行狀態(tài),示意圖如圖2所示。

圖2 以光伏穿透功率劃分的運(yùn)行狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of operating state divided by photovoltaic penetration power

此處為便于描述,提出基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣義負(fù)荷PL(t)及凈廣義負(fù)荷PLPV(t)的概念,廣義負(fù)荷為該區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)電源機(jī)組出力與負(fù)荷功率之差,凈廣義負(fù)荷為該區(qū)域內(nèi)光伏機(jī)組出力與廣義負(fù)荷之差,其定義為

式中：PPV(t)為t時(shí)刻光伏系統(tǒng)輸出功率;Pload(t)為t時(shí)刻的有功負(fù)荷;Pf(t)為t時(shí)刻的常規(guī)機(jī)組出力。

據(jù)此,光伏穿透功率δ定義為每一時(shí)刻的光伏有功出力與廣義負(fù)荷有功之比,即

式中PL(t)為t時(shí)刻的有功負(fù)荷[17]。

1)δ≥1運(yùn)行狀態(tài)。

光伏系統(tǒng)穿透功率大于等于1的運(yùn)行狀態(tài)通常出現(xiàn)在天氣晴朗的中午時(shí)分,此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)出力大于負(fù)荷功率。

2)0＜δ＜1運(yùn)行狀態(tài)。

光伏出力低于負(fù)荷功率但不停運(yùn)的情況通常出現(xiàn)在多云或陰雨天氣,或是天氣晴朗的上午、下午時(shí)分。

3)δ=0運(yùn)行狀態(tài)。

晚間無(wú)輻射或輻射過(guò)低導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)出力為0的停運(yùn)狀態(tài)。

2 基于光伏不同發(fā)電狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文根據(jù)三種不同運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn),提出基于光伏不同發(fā)電狀態(tài)下的光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1)δ≥1運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)。

光伏系統(tǒng)處于該運(yùn)行狀態(tài)時(shí),光伏出力遠(yuǎn)大于廣義負(fù)荷功率。此時(shí)應(yīng)盡量使光儲(chǔ)聯(lián)合出力接近廣義負(fù)荷,減少棄光,故采用有功偏差率SFR衡量全額運(yùn)行狀態(tài)時(shí)光儲(chǔ)總輸出有功功率相對(duì)于廣義負(fù)荷的偏離程度,其定義為

式中：TFR為全額運(yùn)行的累積時(shí)間;T為采樣周期;P(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)出力,P(t)＞0為放電,P(t)＜0為充電。

顯然,SFR越小,光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在全額運(yùn)行狀態(tài)有功偏差率越低,光儲(chǔ)聯(lián)合出力曲線越接近廣義負(fù)荷曲線,棄光率越低,據(jù)此可以認(rèn)為光儲(chǔ)系統(tǒng)出力特性越好。

2)0＜δ＜1運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)。

減額運(yùn)行狀態(tài)比較突出的特點(diǎn)是光伏出力增減速度過(guò)快,而儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)能夠較好地平抑這部分功率波動(dòng)。本文采用光儲(chǔ)聯(lián)合出力曲線斜率差SRP,即光儲(chǔ)聯(lián)合輸出曲線的斜率差值之和,衡量輸出功率上升或下降的速度。

式中：TRP為減額運(yùn)行的累積運(yùn)行時(shí)間,即減額運(yùn)行時(shí)間;[PPV(t+1)+P(t+1)]為t+1時(shí)刻的光儲(chǔ)聯(lián)合出力,Δt為步長(zhǎng)。

顯然,SRP越小,光儲(chǔ)聯(lián)合輸出相對(duì)于凈負(fù)荷的變化率越小,儲(chǔ)能平抑輸出波動(dòng)效果越好。

3)δ=0運(yùn)行狀態(tài)。

停運(yùn)狀態(tài)下要求光儲(chǔ)聯(lián)合出力基本維持穩(wěn)定,本文采用凈廣義負(fù)荷相對(duì)于廣義負(fù)荷均值的波動(dòng)率,其定義為：

式中：TST為夜間停運(yùn)狀態(tài)累積時(shí)間;PA_SL為停運(yùn)狀態(tài)下光儲(chǔ)聯(lián)合出力均值。

顯然,SST越小,光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電功率相對(duì)于負(fù)荷功率的波動(dòng)率越小,光儲(chǔ)聯(lián)合輸出越穩(wěn)定。

3 儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文光儲(chǔ)電站容量配置優(yōu)化模型以總投資成本最低、基于光伏不同發(fā)電狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)最低為目標(biāo),考慮的儲(chǔ)能電站總投資成本模型[18]主要包括初始投資成本CSYS、運(yùn)維成本CFOM以及電池更換成本CREP。

1)初始投資成本。

電池儲(chǔ)能電站的年均安裝成本為

式中：Cp、Ce分別為儲(chǔ)能功率成本系數(shù)、容量成本系數(shù);i為貼現(xiàn)率;N為項(xiàng)目周期;P為儲(chǔ)能額定功率;E為儲(chǔ)能額定容量。

2)系統(tǒng)運(yùn)維成本。

式中Cbre為儲(chǔ)能容量運(yùn)維成本系數(shù)。

3)電池更換成本。

由于通常情況下,電池儲(chǔ)能壽命遠(yuǎn)小于實(shí)際項(xiàng)目周期,所以電池需進(jìn)行更換。通常,電池儲(chǔ)能電站輔助設(shè)施可使用20年,而電池本體無(wú)法滿足20年的使用需求,因此電池儲(chǔ)能的更換成本來(lái)源于電池本體。在項(xiàng)目周期內(nèi),電池儲(chǔ)能每次的更換成本可表示為

式中：α為電池儲(chǔ)能安裝成本的年均下降比例;k為電池本體更換次數(shù)(次),k=N/n-1,n為電池儲(chǔ)能壽命周期。當(dāng)(N/n-1)為非整數(shù)時(shí),k進(jìn)1取整;Cbat為電池成本;η為蓄電池放電效率;tD為電池儲(chǔ)能的額定放電時(shí)間。

故電池儲(chǔ)能的年均更換成本為

式中β為蓄電池的更換次數(shù)。

3.2 約束條件

1)周期內(nèi)始末狀態(tài)蓄電池的能量約束。

式中：E(0)為儲(chǔ)能系統(tǒng)初始電量;E(T)為儲(chǔ)能系統(tǒng)最終電量。

2)蓄電池儲(chǔ)能功率約束。

式中：Pmin和Pmax分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的最小值和最大值。

3)蓄電池儲(chǔ)能容量約束。

式中：E為配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量;Emin、Emax分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量上下限。

4)儲(chǔ)能電站蓄電池SOC約束。

式中：Soc.min為蓄電池剩余容量最小值;Soc.max為蓄電池剩余容量最大值。通常蓄電池Soc.min為0.1～0.2,Soc.max為0.8～0.9。同時(shí)為了保證開(kāi)始就能夠充放電,通?？扇∈Ｓ嚯娏砍踔礢OC(0)為0.5～0.6。

4 算例與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)及容量配置模型的合理性,以新疆某地區(qū)為參考區(qū)域?qū)?chǔ)能容量進(jìn)行最優(yōu)配置。

該地區(qū)光伏電站總裝機(jī)容量為590 MW,常規(guī)電源總裝機(jī)636 MW,本文按照電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線及光伏出力曲線,選擇負(fù)荷平均功率為307 MW、峰值功率為372 MW,光伏出力峰值為368 MW、出力時(shí)間為9.75 h的典型日作為本區(qū)域參考,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得到圖3。儲(chǔ)能電池參數(shù)設(shè)置如表1所示[18]。

圖3 廣義負(fù)荷及光伏出力曲線Fig.3 Generalized load and photovoltaic output curve

表1 電池儲(chǔ)能成本參數(shù)設(shè)置Tabl e1 Battery energy storage cost parameter setting

根據(jù)圖3可以得知,傳統(tǒng)機(jī)組在白天出力較小或停機(jī),為光伏預(yù)留一定出力空間。δ≥1運(yùn)行狀態(tài)時(shí)光伏出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出廣義負(fù)荷,造成嚴(yán)重的棄光現(xiàn)象;光伏在夜間停運(yùn)狀態(tài)時(shí)傳統(tǒng)機(jī)組出力較大,需要補(bǔ)償光伏停運(yùn)出力,傳統(tǒng)機(jī)組在夜間運(yùn)行時(shí),負(fù)荷與出力存在一定的差距導(dǎo)致廣義負(fù)荷曲線存在波動(dòng)。可以預(yù)見(jiàn),儲(chǔ)能并網(wǎng)能夠較好地解決以上問(wèn)題。

根據(jù)優(yōu)化算法得到的最優(yōu)儲(chǔ)能功率為106 MW、容量為564 MW·h,其投運(yùn)前后指標(biāo)對(duì)比如表2所示。從表2可看出,儲(chǔ)能投運(yùn)前后三種指標(biāo)得到相應(yīng)改善,其中SFR降低了23.4%,SRP降低了0.6%,SST降低了18.98%。圖4為光儲(chǔ)系統(tǒng)出力曲線圖,根據(jù)各指標(biāo)及圖4與圖3的對(duì)比可知,在δ≥1運(yùn)行狀態(tài)時(shí)光儲(chǔ)聯(lián)合出力明顯更加接近廣義負(fù)荷曲線,波動(dòng)性也與廣義負(fù)荷曲線基本吻合,說(shuō)明光儲(chǔ)聯(lián)合出力特性較好;0＜δ＜1運(yùn)行狀態(tài)光儲(chǔ)效果不明顯,可能是天氣原因本身光伏波動(dòng)處于充放電交界處,導(dǎo)致其指標(biāo)較大;在停運(yùn)狀態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)在一定程度上平抑了廣義負(fù)荷的波動(dòng),并且能維持至少30 MW的功率輸出。

在此基礎(chǔ)上選取不同的儲(chǔ)能功率值,探究?jī)?chǔ)能規(guī)模的變化對(duì)三種指標(biāo)的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可看出,隨著儲(chǔ)能規(guī)模的擴(kuò)大,投資費(fèi)用不斷攀升,3項(xiàng)指標(biāo)都變得更小,即光儲(chǔ)聯(lián)合出力特性越好。但隨著儲(chǔ)能規(guī)模的不斷擴(kuò)大,三項(xiàng)指標(biāo)的變化越來(lái)越小,儲(chǔ)能功率從150 MW到200 MW變化時(shí),SFR降低了7%,SRP降低了0.29%,SST降低了2.9%,總投資增加了33%,即16 759萬(wàn)元。可見(jiàn)儲(chǔ)能高投入換來(lái)的效果并不是很可觀。

表2 儲(chǔ)能投運(yùn)前后指標(biāo)對(duì)比Table 2 Comparison of indicators before and after energy storage

圖4 光儲(chǔ)系統(tǒng)出力曲線Fig.4 Optical storage system output curve

表3 儲(chǔ)能規(guī)模的變化對(duì)指標(biāo)的影響Table 3 Impact of changes in energy storage scale on indicators

5 結(jié)論

(1)針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng),本文定義基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣義負(fù)荷及凈廣義負(fù)荷的概念,以光伏穿透功率劃分光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),據(jù)此提出在不同運(yùn)行狀態(tài)下的光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該方法通過(guò)對(duì)光伏不同運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn)定義不同的指標(biāo),因此更具準(zhǔn)確性及合理性。

(2)對(duì)于某地區(qū)的光伏電站儲(chǔ)能容量配比,以三種指標(biāo)之和以及投資總成本最小為目標(biāo),能在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)兼顧技術(shù)性。算例驗(yàn)證了本方案的合理性。但因?yàn)楣夥鼤儐⒁雇５奶攸c(diǎn),僅對(duì)光伏電站配置儲(chǔ)能,夜間出力依然較小并不劃算?？紤]到風(fēng)光具有很好的出力互補(bǔ)特性,針對(duì)風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能可能效果更佳。