CN102593853A - 提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法，其特点是：通过建立储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系式、以向下调峰容量为约束的电网可接纳风电容量的计算、储能系统用于提高风电接纳容量的计算和储能系统总收益最大的储能容量优化配置，解决了大规模风电受电网电源结构及调峰能力约束而接入受限的问题，能够充分考虑储能成本及多接纳风电收益对储能系统配置容量的影响，使储能系统容量得到合理的优化，进而实现总收益最大化。

Description

提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，是一种提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法。

背景技术

随着全球范围的环境问题日益严峻，世界各国越来越重视可再生能源的开发利用。大力开发利用风能是实现能源可持续发展和改善环境质量的有效途径。风电机组输出功率取决于自然风速，其随机性、间歇性和不可控性的特性决定了风电并网时需要由常规电源应对其功率波动，以保证对负荷安全可靠地供电，即对风电“调峰”。然而目前国内风电富集地区的电源结构大都以煤电为主，供热机组占很高比例，没有或只有很少抽水蓄能电站，因此，当风电容量占电网发电容量一定比例时，风电功率的波动将增加电网调峰负担，尤其在冬季供热机组因承担供热任务使其调峰能力下降的情况下，这种负担更加明显，严重影响电网中其他机组运行的安全性和经济性。

利用大规模储能实现负荷的时空平抑，可减少电网等效负荷峰谷差，节约系统向下调峰容量，使既有电网有能力接纳更多容量的风电。由于储能系统价格较昂贵，因此有必要研究综合考虑储能成本、多接纳风电收益等因素的储能容量优化配置方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，对于所给定的电网负荷波动水平特性，提出一种提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法，该方法综合考虑了储能成本、多接纳风电收益等因素，以储能系统总收益最大为目标，来确定储能系统最优配置容量。

解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系

以高峰负荷、低谷负荷的持续时间很短为根据，在电网中配置的储能系统能够在低谷负荷时存储电能、高峰负荷时释放电能，实现负荷的时空平抑，等效减少负荷峰谷差，使得确定机组组合的发电机组腾出更多的向下调节容量；

当储能系统容量为E时，负荷峰谷差的计算如下：

ΔP＝P_ref.max-P_ref.min    (1)

$E=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}(P\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}.\max })\mathrm{dt}=\underset{t_2}{\overset{24}{\∫}}(P_{\mathrm{ref}.\min }-P\left(t\right))\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中：E为储能配置容量；P_ref.max、P_ref.min为经储能平抑后的最大、最小负荷功率；ΔP为经储能平抑后等效负荷峰谷差；P(t)为日负荷持续出力函数；t₁＝{t∈R|P(t)＝P_ref.max}；t₂＝{t∈R|P(t)＝P_ref.min}；

综合(1)、(2)式，储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系如下式所示：

ΔP＝f₁(E，P(t))          (3)

2)以向下调峰容量为约束的电网可接纳风电容量的计算

在给定机组组合情况下，低谷负荷时电网向下备用容量可定义为电网最大可接纳的风电容量，其计算公式为：

P_wind＝(P_min-P_G∑min)/(1-δ_w)    (4)

式中：P_wind为电网低谷负荷最大可接纳风电的电力；P_min为电网低谷负荷；δ_w为风电场厂用电率；

P_G∑min为所有开机机组注入电网最小功率之和，其计算公式为：

P_G∑min＝(P_fmin1+P_fmin2+L+P_fminN)×(1-δ_los)    (5)

其中：P_fmin1、P_fmin2、…、P_fminN为单台火电机组常规最小出力，δ_los为火电厂厂用电率与输电网损率之和；

3)储能系统用于提高风电接纳容量的计算

储能系统用于提高风电接纳能力的计算如下式所示：

ΔP_wind＝(P_ref.min-P_min)/(1-δ_w)    (6)

式中：ΔP_wind为可多接纳的风电功率；

综合(2)、(6)式，可得储能系统容量与提高风电接纳容量的关系如下式所示：

ΔP_wind＝f₂(E，P(t))                (7)

4)储能系统总收益最大的储能容量优化配置

利用储能系统将使得既有火电调峰机组能有腾出更多的向下调峰容量，从而使既有电网能够接纳更多容量风电，多接纳风电收益及储能成本，以储能系统总收益最大为目标，构建一种储能容量优化目标函数：

S＝max{R-E×Q}       (8)

式中：S为储能系统的最大收益；E为储能系统配置容量，MW·h；Q为储能系统容量价格，元/MW·h；

R为多接纳风电的收益，由两部分组成：一是风电替代火电带来的节煤效益，二是风电替代火电带来的环境效益，其计算公式如下：

$R=(C_W+C_f)\×{\∫}_0^T\mathrm{\Δ}{P}_w\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

其中：C_w为风电上网价格，元/MW·h；C_f为火电机组生产单位电能的环境成本，元/MW·h；ΔP_w(t)为t时刻多接纳的风电功率；T为储能系统的运行周期；

(8)式目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置容量E。

本发明提高风电接纳能力的储能系统容量配置方法，通过建立表示风电并网能力及储能用于提高风电并网能力的数学方法，构建综合考虑储能成本、多接纳风电收益等因素的函数，以储能系统总收益最大为目标，优化储能系统的配置容量，其有益效果体现在：能够充分考虑储能成本及多接纳风电收益对储能系统配置容量的影响，使储能系统容量得到合理的优化，进而实现总收益最大化。

附图说明

图1典型日负荷曲线示意图；

图2本发明方法计算原理分析示意图；

图3储能系统配置容量与经储能系统平抑后等效负荷峰谷差关系图；

图4储能系统配置容量与其使系统提高的风电接纳容量关系图；

图5储能系统配置容量与其总收益关系图；

图6负荷一年低谷时段风电持续出力曲线图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的提高风电接纳能力的储能系统容量配置方法作进一步说明。

本实例将以某省电网为例分析考虑电池储能系统成本、多接纳风电收益的储能系统容量配置。假设该电网每日负荷曲线如图1所示，其高峰负荷为18500MW，低谷负荷为15000MW，峰谷差为3500MW，低谷负荷时间为3点30分到4点06分；以满足最大、最小负荷为原则安排火电机组的开机方式如表1所示，其额定出力为20150MW，常规最小出力14870MW；风电数据采用该省相应年总风电预测数据；大规模锂电池储能系统的容量范围为0.25～25MW·h，功率响应为1～100MW，续航时间为0.25～1h，其价格为4320～6200美元/kW·h，本文选择5000美元/kW·h的价格，按照费率为7的原则换算成锂电池的价格为Q＝3500万(人民币)/MW·h，运行周期T＝10年，因锂电池的充放电效率均高于90％，故忽略其充放电损失。

实施例计算条件说明如下：

1)火电厂厂用电率与输电网损率之和δ_los＝0％

2)风电场厂用电率δ_w＝0％

4)风电上网价格C_W＝600元/MW·h

5)火电机组生产单位电能的环境成本C_f＝230元/MW·h

表1火电机组开机方式

在上述计算条件下，应用本发明方法对实施例提高风电接纳能力的储能系统容量优化的结果如下：

1.储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系

在给定计算条件下，本实施例储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系的具体形式由以下公式给出：

当储能系统容量为E时，负荷峰谷差的计算如下：

ΔP＝P_ref.max-P_ref.min    (1)

$E=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}(P\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}.\max })\mathrm{dt}=\underset{t_2}{\overset{24}{\∫}}(P_{\mathrm{ref}.\min }-P\left(t\right))\mathrm{dt}---\left(2\right)$

附图3储能系统容量与经储能系统平抑后等效负荷峰谷差关系图，由图可知：随储能系统容量的增加，负荷峰谷差逐渐减小，但其减小的趋势逐渐变缓。

2.以向下调峰容量为约束的电网可接纳风电容量的计算

在给定计算条件下，本实施例以向下调峰容量为约束的电网可接纳风电容量的计算的具体形式由以下公式给出：

P_wind＝(P_min-P_G∑min)/(1-δ_w)    (4)

其中，P_min＝15000MW；δ_w＝0％；

P_G∑min＝14870*(1-0％)＝14870MW

P_wind＝(15000MW-14870MW)/(1-0％)＝130MW

3.储能系统用于提高风电接纳容量的计算

在给定计算条件下，储能系统用于提高风电接纳容量的计算方法的具体形式由以下公式给出：

ΔP_wind＝(P_ref.min-P_min)/(1-δ_w) (6)

式中：ΔP_wind为可多接纳的风电功率；

附图4在给定计算条件下储能系统配置容量与其使系统提高的风电接纳容量关系图，由图可知：随储能系统容量的增加，系统可多接纳的风电容量逐渐增加，但增加的趋势逐渐变缓。

4.考虑储能系统总收益最大的储能容量优化配置

在给定计算条件下，本实施例考虑储能系统总收益最大的储能容量优化配置目标函数的具体形式由以下公式表示：

S＝max{R-E×Q}    (8)

其中： $R=(C_W+C_f)\×{\∫}_0^T\mathrm{\Δ}{P}_w\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

为简化计算，对本算例进行合理假定：储能运行周期内，每日的负荷曲线如附图1所示，负荷低谷时段为3点30分至4点06分，I、II区域为负荷低谷和负荷高峰局部放大图，统计并累计一年中每天低谷时段的风电预测数据，如图6所示，则风电每年多接纳的电量为ΔP_wind*t，其中t为风电出力大于等于P_wind+ΔP_wind的持续小时数。

则R＝(600+230)*ΔP_wind*t*n

以上各项计算结果功率单位为MW，容量单位为MW·h，价格单位为元；

附图1为典型日负荷曲线示意图，图中I区域表示系统的负荷低谷、II区域表示系统的负荷高峰，该图表明：其高峰负荷、低谷负荷的持续时间均非常短，当配置一定容量储能以平移上述峰、谷负荷时，可以有效减少负荷峰谷差，节约系统的调峰容量，提高系统可接纳风电容量。

附图2为本发明方法计算原理分析示意图，图中曲线为负荷持续曲线。储能系统在负荷高峰释放电能，在负荷低谷吸收电能，可等效减小负荷峰谷差，节约既有常规机组的调峰能力。

根绝上述提高风电接纳能力的储能系统容量配置方法的具体计算公式，能够求得本实施例中储能系统最优配置容量为0.109MW·h，提高的电网可接纳风电容量为4MW，在其寿命期限内，共使电网多接纳风电电量为7442.6MW·h，综合收益达到最大2.3606E6元。当配置的储能系统容量增加，系统多接纳风电功率的经济收益增速比储能系统容量的投资增速要小，且大规模电池储能系统造价昂贵，所以当储能系统配超过一定值时，综合收益却为负值，见附图5。

附图6负荷一年低谷时段风电持续出力曲线图，图中I区域为储能系统接入前电网一年低谷时段总接纳的风电电量，II区域为储能系统使电网在一年低谷时段多接纳的风电电量。

本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种提高风电接纳能力的储能系统容量优化配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系

以高峰负荷、低谷负荷的持续时间很短为根据，在电网中配置的储能系统能够在低谷负荷时存储电能、高峰负荷时释放电能，实现负荷的时空平抑，等效减少负荷峰谷差，使得确定机组组合的发电机组腾出更多的向下调节容量；

当储能系统容量为E时，负荷峰谷差的计算如下：

ΔP＝P_ref.max-P_ref.min    (1)

$E=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}(P\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}.\max })\mathrm{dt}=\underset{t_2}{\overset{24}{\∫}}(P_{\mathrm{ref}.\min }-P\left(t\right))\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中：E为储能配置容量；P_ref.max、P_ref.min为经储能平抑后的最大、最小负荷功率；ΔP为经储能平抑后等效负荷峰谷差；P(t)为日负荷持续出力函数；t₁＝{t∈R|P(t)＝P_ref.max}；t₂＝{t∈R|P(t)＝P_ref.min}；

综合(1)、(2)式，储能系统容量与等效负荷峰谷差之间的关系如下式所示：

ΔP＝f₁(E，P(t))    (3)

2)以向下调峰容量为约束的电网可接纳风电容量的计算

在给定机组组合情况下，低谷负荷时电网向下备用容量可定义为电网最大可接纳的风电容量，其计算公式为：

P_wind＝(P_min-P_G∑min)/(1-δ_w)    (4)

式中：P_wind为电网低谷负荷最大可接纳风电的电力；P_min为电网低谷负荷；δ_w为风电场厂用电率；

P_G∑min为所有开机机组注入电网最小功率之和，其计算公式为：

P_G∑min＝(P_fmin1+P_fmin2+L+P_fminN)×(1-δ_los)   (5)

其中：P_fmin1、P_fmin2、…、P_fminN为单台火电机组常规最小出力，δ_los为火电厂厂用电率与输电网损率之和；

3)储能系统用于提高风电接纳容量的计算

储能系统用于提高风电接纳能力的计算如下式所示：

ΔP_wind＝(P_ref.min-P_min)/(1-δ_w)    (6)

式中：ΔP_wind为可多接纳的风电功率；

综合(2)、(6)式，可得储能系统容量与提高风电接纳容量的关系如下式所示：

ΔP_wind＝f₂(E，P(t))    (7)

4)储能系统总收益最大的储能容量优化配置

利用储能系统将使得既有火电调峰机组能有腾出更多的向下调峰容量，从而使既有电网能够接纳更多容量风电，多接纳风电收益及储能成本，以储能系统总收益最大为目标，构建一种储能容量优化目标函数：

S＝max{R-E×Q}          (8)

式中：S为储能系统的最大收益；E为储能系统配置容量，MW·h；Q为储能系统容量价格，元/MW·h；

R为多接纳风电的收益，由两部分组成：一是风电替代火电带来的节煤效益，二是风电替代火电带来的环境效益，其计算公式如下：

$R=(C_W+C_f)\×{\∫}_0^T\mathrm{\Δ}{P}_w\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

其中：C_w为风电上网价格，元/MW·h；C_f为火电机组生产单位电能的环境成本，元/MW·h；ΔP_w(t)为t时刻多接纳的风电功率；T为储能系统的运行周期；

(8)式目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置容量E。

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