國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 王建高

1 大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能研究背景

1.1 研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油等不可再生資源的儲(chǔ)備量逐漸減少，且這些傳統(tǒng)能源使用過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，因此，綠色清潔環(huán)保的新能源在能源市場(chǎng)的占比也越來(lái)越大。在數(shù)目琳瑯滿(mǎn)目的新能源市場(chǎng)中，風(fēng)能、太陽(yáng)能作為一種取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的清潔資源，一直受到來(lái)自電力單位的關(guān)注，風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)也逐漸壯大起來(lái)。

大規(guī)模新能源接入配電網(wǎng)會(huì)嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，如在炎熱的夏季，太陽(yáng)光輻射強(qiáng)因而光伏的發(fā)電出力較高，但風(fēng)力強(qiáng)度較弱因而風(fēng)電機(jī)組的出力小[1]。相反，在嚴(yán)寒的冬季，太陽(yáng)輻射弱因而光伏的發(fā)電出力較小，風(fēng)力強(qiáng)度較大因而風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電出力大。單從每日來(lái)看，白天日照強(qiáng)、風(fēng)力較小，故光伏發(fā)電比風(fēng)機(jī)的發(fā)電出力多；而在夜間沒(méi)有日照、風(fēng)力較大，所以夜間更適宜風(fēng)力發(fā)電或供電調(diào)節(jié)。引入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可以盡可能地降低風(fēng)光綜合發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性，適應(yīng)供電系統(tǒng)對(duì)靈活性的要求，能夠有效緩解環(huán)境污染等歷史難題，減少風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電單獨(dú)輸出并入電網(wǎng)而造成的不穩(wěn)定性，促進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)分類(lèi)

1.2.1 電解水制氫（H）儲(chǔ)能技術(shù)

氫能不僅能量高，且對(duì)環(huán)境友好，使用維護(hù)成本也不高，因此，經(jīng)常被當(dāng)作2次能源進(jìn)行存放，在推動(dòng)未來(lái)能源發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。氫能取材方便，能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行取材。比如電解水制氫，就是把最常見(jiàn)的水作為原材料，利用外接通電回路借助外力將水分解獲得氫氣，其生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境無(wú)污染、零傷害。

1.2.2 熱儲(chǔ)能儲(chǔ)能技術(shù)

熱儲(chǔ)能儲(chǔ)能技術(shù)即借助加熱抑或通過(guò)冷卻存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)將能量以熱能形式進(jìn)行存儲(chǔ)的技術(shù)，與別的技術(shù)相比，該儲(chǔ)能系統(tǒng)易于維護(hù)、花費(fèi)資金較小。其中常見(jiàn)的有顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)能等。前者操作簡(jiǎn)單，是目前市場(chǎng)上較為推廣并大力支持的儲(chǔ)熱方式之一，其采用固態(tài)相變材料、液態(tài)顯熱材料當(dāng)作儲(chǔ)熱媒介，借助改變介質(zhì)溫度來(lái)促成儲(chǔ)熱。擁有傳熱性能高、傳熱比熱容大等特點(diǎn)，廣泛用于光伏發(fā)電、冬季供暖、余熱回收等領(lǐng)域。后者相變儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能密度比較大，體積緊湊，溫度與能量便于精確控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠通過(guò)它進(jìn)行儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)電力資源的有效調(diào)配，也可用于可再生能源，建筑行業(yè)節(jié)能，廢熱回收等領(lǐng)域。

1.2.3 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)儲(chǔ)能是當(dāng)前大力推廣且應(yīng)用最多、發(fā)展遠(yuǎn)景最佳的電池，與其他儲(chǔ)能技術(shù)比較，該技術(shù)工作時(shí)不受外界自然環(huán)境的影響、安裝也不受地理因素限制、儲(chǔ)能方便靈活、吸收和釋放能量效率高、能量密度強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。然而當(dāng)充放電次數(shù)加大時(shí)，其使用壽命會(huì)慢慢降低，這也在一定程度上影響了電化學(xué)儲(chǔ)能電池的長(zhǎng)期使用。但隨著技術(shù)發(fā)展，電化學(xué)儲(chǔ)能成本投入的逐漸減小，已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于新型電力網(wǎng)絡(luò)。

2 大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能配置模型

本文搭建了雙層規(guī)劃儲(chǔ)能系統(tǒng)配置模型[3]，外層優(yōu)化模型的關(guān)鍵變量為儲(chǔ)能所需配置的功率及容量限制，目標(biāo)函數(shù)為minCA，關(guān)注儲(chǔ)能的投資成本及風(fēng)光出力聯(lián)絡(luò)線的波動(dòng)；內(nèi)層優(yōu)化模型的關(guān)鍵變量為儲(chǔ)能設(shè)備在運(yùn)行中的充電與放電的動(dòng)態(tài)功率、SOC 約束等，目標(biāo)函數(shù)為minf，關(guān)注系統(tǒng)風(fēng)光出力動(dòng)態(tài)功率聯(lián)絡(luò)線波動(dòng)最低值。雙層優(yōu)化模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙層優(yōu)化模型架構(gòu)

3 大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能配置流程

因?yàn)椴捎秒p層優(yōu)化模型計(jì)算獲得全局最優(yōu)解難度較高，所以，選擇數(shù)值計(jì)算方法，將設(shè)定次數(shù)的步驟進(jìn)行反復(fù)迭代，當(dāng)符合既定的數(shù)值收斂條件時(shí)，便可認(rèn)定為最優(yōu)解。儲(chǔ)能配置流程算法如圖2所示[4]，其中，指各個(gè)季節(jié)風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置、指各個(gè)季節(jié)風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率配置。

圖2 雙層控制的儲(chǔ)能配置流程

4 案例分析

4.1 案例數(shù)據(jù)

某發(fā)電系統(tǒng)原配置火力發(fā)電機(jī)組十臺(tái)、輸電線路三十八條，機(jī)組的安裝點(diǎn)位和參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1，在安裝節(jié)點(diǎn)1、2、7、16、21、23位置各接入700MW光伏電站及700MW 風(fēng)電場(chǎng)，令新能源裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的50%，達(dá)到高占比大規(guī)模的狀態(tài)。

表1 機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)

由于用電高峰的存在，該區(qū)域電費(fèi)也不一致，

具體情況詳見(jiàn)表2。

表2 分時(shí)段電費(fèi)明細(xì)

儲(chǔ)能設(shè)置參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

以某天典型的風(fēng)光發(fā)電出力及用電負(fù)荷需求為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖3、圖4所示。

圖3 某天典型風(fēng)光出力

圖4 某天系統(tǒng)典型各時(shí)刻負(fù)荷需求

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

設(shè)安裝儲(chǔ)能的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為五個(gè)，分別位于節(jié)點(diǎn)3、5、10、16、17處，配置方案詳見(jiàn)表4，儲(chǔ)能系統(tǒng)年效益較大，為108000萬(wàn)元，且總投資成本較小，換算到每年為89901萬(wàn)元。其中，儲(chǔ)能的最初投入為500000萬(wàn)元，運(yùn)營(yíng)中使用維護(hù)投入為10000萬(wàn)元，配套設(shè)施的換新投入為174000萬(wàn)元[5]。在設(shè)備使用壽命十五年內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)發(fā)揮自身設(shè)備價(jià)值、提供能量?jī)?chǔ)存服務(wù)獲取利潤(rùn)為927001萬(wàn)元，通過(guò)提供其他輔助性電力服務(wù)獲取707000萬(wàn)元，儲(chǔ)能 系統(tǒng)可獲取的總收益約為1630000萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電技術(shù)作為新能源市場(chǎng)上的新秀，因其靈活利用風(fēng)能、太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，解決大規(guī)模新能源并入配電網(wǎng)時(shí)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能配置問(wèn)題、提升系統(tǒng)整體運(yùn)行質(zhì)量是當(dāng)前電力行業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文在簡(jiǎn)要介紹了大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能研究背景的前提下，探討了大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能配置模型及配置流程，最后對(duì)新能源裝機(jī)容量占比50%的高比例新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能案例進(jìn)行了分析，最大程度地保證了電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了工作效率與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。為以后大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能研究提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。