CN103078338A - 提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对因电网调峰困难造成风电接入受限问题，建立了应用于风电场侧储能系统效益评估体系，提出了一种提高风电场风能利用水平的储能系统配置方法,其特点是，包括风电场弃风电量的计算、利用储能系统减小风电场弃风电量的作用机理、储能系统效益计算和储能系统总收益最大的储能容量优化配置等内容。该方法综合考虑风电出力波动特性、电网对风电的接入能力、储能系统投资成本和经济效益等因素，以储能系统综合效益最大化为目标,为提高电网对风电场出力的接纳能力提供了有效的手段。

Description

提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，是一种提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法。

背景技术

我国风能资源丰富，大力发展风电是增加我国能源供应、调整能源结构、实现能源可持续发展和保护环境的有效途径。然而，风电间歇性、波动性、容量可信度低、中远期预测精度差等特点导致其难以作为一种稳定电源参与系统的调度计划，需由其他电源提供备用和调峰服务，以满足风电并网消纳的需要。对于以火电为主电网，受调峰能力约束，过多的接纳风电将有可能迫使常规火电机组进入非常规运行模式，甚至通过启、停火电机组以满足系统的调峰需求，严重影响了电网的安全经济进行。我国风电多集中接入东北、华北、西北及内蒙电网就地消纳，随着近5年来风电连续爆炸式发展，其装机容量占电网最小负荷的比例逐渐提高，对区域电网调峰和安全运行带来巨大挑战，风电并网特别是“弃风限电”问题一度成为各方关注的焦点。

利用电池储能系统可以实现能量的时空平移，利用电池储能系统动态吸收并适时释放风电，可有效弥补风电固有的波动，使风电这种间歇性、波动性很强的可再生能源变得“可控、可调”，是减小弃风量，提高风电接入能力的有效途径。然而现电池储能系统价格较为昂贵，因此有必要综合考虑储能系统经济效益，投资成本，建立了以综合效益最大化为目标、给定电网接纳能力时的储能系统配置方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法，该方法综合考虑储能系统的经济效益、投资成本因素，以储能系统寿命期限内效益最大化为目标，以此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：一种提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法，它包括以下步骤：

1）风电场弃风电量的计算

风电功率取决于自然风速，将未经限制的风机功率定义为风电机组可发功率，根据风电机组测风数据和风速-最优功率特性曲线，求得风电机组可发功率；现普及于风电场的双馈异步风电机组输出功率与风速的关系用分段函数表示：

            (1)

式中：P _w.i(t)分别为风机i在t时刻的可发功率，MW，P _r.i 为风电机组i的额定功率，MW；v _i (t)为t时刻流经该风力机叶面风速，m/s；v _in.i 、v _r.i 、v _o.i 分别为风机i的切入风速、额定风速、切出风速,m/s；a=P _r.i v _in.i ³/(v _i (t)³-v _r.i ³)；b=P _r.i /(v _r.i ³-v _i (t)³)；

风电场可发功率为风电场所有风电机组可发功率之和：

                         (2)

式中，n为风电场中风电机组的台数；

将风电场弃风功率定义为风电场可发功率与风电场实际并网功率之差，风电场弃风功率对时间积分即为风电场弃风电量；

2）利用储能系统减小风电场弃风电量的作用机理

在电网接纳风电功率的能力不足时，利用储能系统存储弃风电量，在电网接纳风电功率的能力充裕时释放存储电量；假定储能系统的额定功率为P _er，额定容量为C _er，寿命期限内提高的风电接纳电量如下式所示：

          (3)

式中：E为储能系统寿命期限内提高的风电接纳电量，MWh；P _c为储能系统充电功率，MW；P _d为储能系统放电功率，MW；η为储能系统能量转换效率；△t为风电功率的采样时间间隔；N为储能系统运行寿命内最大采样点数，其值等于储能系统运行寿命除以采样时间间隔；P _ref(n)为风电场并网功率上限，MW；sign为符号函数；

3）储能系统效益计算

将储能系统的效益分为电量效益、环境效益及调峰效益；

电量效益

将利用储能系统使电网多接纳风电电量所获得的收益定义为储能系统的电量效益；其计算方法如下式所示：

                (4)

式中：B _q储能系统电量效益，元；P _q风电上网电价，元/MWh；

环境效益

将储能系统通过使电网多接纳风电进而减少火电机组为生产等值电量产生的污染物排放量，主要为CO₂、SO₂及氮氧化物所带来的“节能减排”效益，定义为储能系统的环境效益，其计算方法如下式所示：

       (5)

式中：B _e为储能系统环境效益，元；P _CO2、P _SO2、P _NO分别为电网处理向外界排放的CO₂、SO₂、氮氧化物产生的投资，元/kg；e _CO2、e _SO2、e_NO分别为火电机组生产单位电能的CO₂、SO₂、氮氧化物排放量，kg/MWh；

调峰效益

将储能系统在电网调峰困难时段存储受限风电，避免电网消纳此风电而造成火电机组进入深度调峰或启停调峰时，从电网所获得补偿定义为储能系统调峰效益，其计算方法如下式所示：

             (6)

式中：B _p储能系统调峰效益，元；P _p电网对提供非常规调峰服务机组的调峰电量补偿，元/MWh；

4）储能系统总收益最大的储能容量优化配置

综合考虑储能系统的经济效益、投资成本，以储能系统寿命期限内效益最大化为目标，构建了一种风电场储能系统最优配置方法，其目标函数如下式所示：

             (7)

式中：f为储能系统综合效益，元；c _p为储能系统功率价格，元/MW；c _c为储能系统容量价格，元/MWh；

（7）式目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置。

本发明为提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法，其有益效果体现在：能够充分考虑风电场出力波动特性、受限程度、储能系统投资成本及经济效益等因素对储能系统最优配置的影响，确定了储能系统的最优容量，同时实现了储能系统的总收益最大化，为风电场减少弃风电量提供了有效手段；

附图说明

图1 风电功率典型日曲线和受限曲线图；

图2 储能系统配置与其减少风电场弃风电量对应图；

图3 储能系统配置与其综合效益对应图；

图4 配置储能系统前后风电场年限电量累计图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明提高风电利用水平的储能系统容量配置方法作进一步说明。

本实例针对某装机容量49.3MW并网受限风电场，所用数据为该风电场实测风速数据,图1为风电功率典型日曲线和受限曲线图。考虑储能系统经济效益和投资成本，分析以使储能系统综合效益最大化的储能系统最优配置；

实施例计算条件说明如下：

(1)调峰电量补助P _p=200元/MWh；

(2)风电场由58台额定功率为850kW的双馈感应风力发电机组组成，其切入风速v _i、额定风速v _r、切出风速v _o分别为3m/s、11.3m/s、20m/s；

(3)风电上网电价=600元/MWh；

(4)储能系统采用功率、容量可独立配置的钒液流电池储能系统，其使用寿命T为10年，循环使用次数大于12000次，能量转换效率η=90%，功率价格C _p=3600元/kW，容量价格C _c=900元/kWh，运行对环境无污染。

(5)涉及储能系统环境效益参数如表1所示。

表1 储能系统环境效益计算参数

eco2(kg/MWh)	850	P co2 (元/kg)	0.2
				eso2(kg/MWh)	7	Pso2(元/kg)	6
eno(kg/MWh)	3	Pno(元/kg)	6

在上述计算条件下，应用本发明方法对实施例提高风电利用水平的储能系统容量优化的结果如下：

1. 风电场弃风电量的计算

在给定计算条件下，本实施例风电场年可发电量和最大年利用小时数的具体形式由以下公式1～2给出：风电场年可发电量为121.69GWh；最大年利用小时数为2468.4小时；给定电网接纳能力下，风电场实际年发电量为69.72GWh，实际年利用小时数为1414.2小时；年弃风电量为51.97GWh；

2. 储能系统作用机理及其减小的风电场弃风电量的计算

根据公式3，可计算出不同配置储能系统对风电场弃风电量的改善程度；

附图2为储能系统配置与其减少风电场弃风电量对应图，随着储能系统配置功率及容量的增加，其可减小的风电场弃风电量随之增加；当储能系统配置功率达到38MW、配置容量达到1342MWh时，每年可减小风电场弃风电量51.97GWh，即可全部接纳该风电场所发电量，继续增加储能系统配置将导致储能系统功率及容量的部分闲置；

3. 储能系统效益计算

由公式4～6可计算储能系统寿命期限内取不同配置时所获得的综合效益，如图3及表2所示；

表2 储能系统配置及其效益对应表

附图3为储能系统配置与其综合效益对应图，当储能系统功率及容量配置较小时，综合效益随其配置功率、容量的增加而增大；当储能系统配置功率及容量超过某值时，其综合效益将随其配置功率、容量的增加而减小；

给定风电场风速波动特性及受限程度下，根据上述储能容量优化配置目标函数公式7，能够求得储能系统最优配置功率为8.8MW、最优配置容量为64MWh，此时减少风电场年弃风电量13.87GWh；储能系统投资成本为8929万元，其综合效益达到最大2646.8万元；

附图4为配置储能系统前后风电场年弃风电量累计图，此图为给定风电场配置功率为8.8MW、容量为64MWh后，所减少风电场年弃风电量累计图。

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)

1.一种提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法，其特征在于,它包括以下步骤：

1）风电场弃风电量的计算

风电功率取决于自然风速，将未经限制的风机功率定义为风电机组可发功率，根据风电机组测风数据和风速-最优功率特性曲线，求得风电机组可发功率；现普及于风电场的双馈异步风电机组输出功率与风速的关系用分段函数表示：

            (1)

式中：P _w.i(t)分别为风机i在t时刻的可发功率，MW，P _r.i 为风电机组i的额定功率，MW；v _i (t)为t时刻流经该风力机叶面风速，m/s；v _in.i 、v _r.i 、v _o.i 分别为风机i的切入风速、额定风速、切出风速,m/s；a=P _r.i v _in.i ³/(v _i (t)³-v _r.i ³)；b=P _r.i /(v _r.i ³-v _i (t)³)；

风电场可发功率为风电场所有风电机组可发功率之和：

                         (2)

式中，n为风电场中风电机组的台数；

将风电场弃风功率定义为风电场可发功率与风电场实际并网功率之差，风电场弃风功率对时间积分即为风电场弃风电量；

2）利用储能系统减小风电场弃风电量的作用机理

在电网接纳风电功率的能力不足时，利用储能系统存储弃风电量，在电网接纳风电功率的能力充裕时释放存储电量；假定储能系统的额定功率为P _er，额定容量为C _er，寿命期限内提高的风电接纳电量如下式所示：

          (3)

式中：E为储能系统寿命期限内提高的风电接纳电量，MWh；P _c为储能系统充电功率，MW；P _d为储能系统放电功率，MW；η为储能系统能量转换效率；△t为风电功率的采样时间间隔；N为储能系统运行寿命内最大采样点数，其值等于储能系统运行寿命除以采样时间间隔；P _ref(n)为风电场并网功率上限，MW；sign为符号函数；

3）储能系统效益计算

将储能系统的效益分为电量效益、环境效益及调峰效益；

电量效益

将利用储能系统使电网多接纳风电电量所获得的收益定义为储能系统的电量效益；其计算方法如下式所示：

                (4)

式中：B _q储能系统电量效益，元；P _q风电上网电价，元/MWh；

环境效益

将储能系统通过使电网多接纳风电进而减少火电机组为生产等值电量产生的污染物排放量，主要为CO₂、SO₂及氮氧化物所带来的“节能减排”效益，定义为储能系统的环境效益，其计算方法如下式所示：

       (5)

式中：B _e为储能系统环境效益，元；P _CO2、P _SO2、P _NO分别为电网处理向外界排放的CO₂、SO₂、氮氧化物产生的投资，元/kg；e _CO2、e _SO2、e_NO分别为火电机组生产单位电能的CO₂、SO₂、氮氧化物排放量，kg/MWh；

调峰效益

将储能系统在电网调峰困难时段存储受限风电，避免电网消纳此风电而造成火电机组进入深度调峰或启停调峰时，从电网所获得补偿定义为储能系统调峰效益，其计算方法如下式所示：

             (6)

式中：B _p储能系统调峰效益，元；P _p电网对提供非常规调峰服务机组的调峰电量补偿，元/MWh；

4）储能系统总收益最大的储能容量优化配置

综合考虑储能系统的经济效益、投资成本，以储能系统寿命期限内效益最大化为目标，构建了一种风电场储能系统最优配置方法，其目标函数如下式所示：

             (7)

式中：f为储能系统综合效益，元；c _p为储能系统功率价格，元/MW；c _c为储能系统容量价格，元/MWh；

（7）式目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置。

Images