CN103489043B - 一种风电装机与储能电池容量比例的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电装机与储能电池容量比例的优化方法，使用的软件进行系统模拟，运用统计学相对差分法对各种独立的成本曲线进行变化趋势研究，以成本最优化为目的，建立计算公式，计算不同风机容量下不同风储比例下的相对变化率R值，选取增加突跃的点作为优化风储比例，大大提高能源的利用率，方法简单易行，无需复杂的建模，为风电容量与储能容量经济性优化配置比例提供了一种方法。

Description

一种风电装机与储能电池容量比例的优化方法

技术领域

本发明涉及一种能源优化技术，特别涉及一种并网风电场中风电装机与储能电池容量比例的优化方法。

背景技术

我国风力发电正在快速发展。到2012年底，全国风力发电量达1008亿kWh，比2011年增长四成，风电约占全国总上网电量的2.0％。与化石燃料发电相比，风力发电具有间歇性、随机性、反调峰性及波动大的特点，大规模风电并网将对电网平稳运行造成冲击，而大容量储能技术可以解决间歇性的风电并网问题。目前电池储能的成本还较高，如张北国家风光储输综合示范项目中，蓄电池成本就占风光储输综合示范项目造价的20％～30％。尽管储能系统对风电等可再生能源并网有积极的作用，但一个现实问题是储能的配置增加了已经比较昂贵的风力发电成本，使得风储系统在市场环境下更不经济。但是如果根据储能需求合理地配置储能容量，则相应的储能成本也可以大幅降低。

储能电池中，钠硫电池在国外是发展相对成熟的储能电池，实际比能量可达150W·h/kg以上，是铅酸电池的4-5倍；可连续充放电近4000次；响应时间短；寿命可达10-15年。钠硫电池在2002年已在日本进入商业化实施阶段，2007年日本年产钠硫电池量已超过100MW，已建成运行世界上最大规模(34MW/244.8MWh)的钠硫电池储能装置，并在美国等国也建立了钠硫电池储能装置，是应用潜力最大的储能电池之一。

鉴于目前钠硫电池的成本还比较高，因此有必要建立以成本最优化为目的的计算方法，研究如何优化风电装机与储能容量的合理比例。

发明内容

本发明是针对现在风能和电池储能成本都高的问题，提出一种风电装机与储能电池容量比例的优化方法，以成本最优化为目的，建立计算公式，找出合理的风电装机与储能容量比例设置方法，大大提高能源的利用率。

本发明的技术方案为：一种风电装机与储能电池容量比例的优化方法，具体包括如下步骤：

1)并网风电场能源系统的配置设置：

设定本地区用电量一定，设定风电在能源系统中的不同渗透率，将本地区年度用电负荷曲线、年度电池储能系统用电负荷曲线，年度风电发电负荷曲线、年度火力发电负荷曲线输入EnergyPLAN软件，EnergyPLAN软件模拟计算出不同风电渗透率下的火电、风电装机容量；

2)年均总成本计算：

并网风电场能源系统年均总成本由年均投资成本、固定运行成本和总可变成本构成，其中按以下公式计算的年均投资成本：

C_total＝(C_pp×P_pp)/y_pp+(C_wind×P_wind)/y_wind+(C_storage×P_storage)/y_storage

其中C_total为并网风电场能源系统的年均投资成本，单位百万元；C_pp、C_wind、C_storage分别为火电厂、风电场、电池储能系统的投资成本，单位百万元/MW；P_pp、P_wind、P_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的装机容量，单位MW；y_pp、y_wind、y_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的通常使用年限，单位年；

3)风电装机与储能容量比例优化：

首先用下列公式计算不同风机容量下不同风储比例下的相对变化率R值，

Δf_(n)＝f_(n+1)-f_(n)

D＝f_max-f_min

R＝(Δf_(n)/D)*100％

式中，f_max和f_min分别为各情景中年均投资成本曲线最大值与最小值；D为不同情景中年均投资成本曲线最大值与最小值之差；f_(n)为固定风机容量情况时各风储比例对应的年度投资成本，f_(n+1)为风储比更高一级对应的年度投资成本；Δf_(n)为各年度投资成本增长变化量；

然后，采用相对差分进行比较相对变化率R值，选取增加突跃的点作为优化风储比例，在此比例下改变装机容量不会带来大幅的成本攀升。

本发明的有益效果在于：本发明风电装机与储能电池容量比例的优化方法，使用的软件进行系统模拟，运用统计学相对差分法对各种独立的成本曲线进行变化趋势研究，方法简单易行，无需复杂的建模，为风电容量与储能容量经济性优化配置比例提供了一种方法。

附图说明

图1为上海市某配电线路一个季度的用电负荷曲线图；

图2为某风电场一个季度的发电负荷曲线图；

图3为某火电厂一个季度的发电负荷曲线图；

图4为风储容量比对不同能源系统的年度投资成本的影响对比图；

图5为加入NaS电池储能和与参考能源系统在不同情景中的年度总成本对比图。

具体实施方式

并网风电场中风电装机与储能电池容量的优化方法，步骤如下：

1、并网风电场能源系统的配置设置：

设定某地区用电量一定，电源结构为火电和风电的能源体系中，设定风电在能源系统中的渗透率、风电装机与储能系统的容量配比。采用丹麦奥尔堡大学研发的EnergyPLAN软件模拟计算完成设定发电量所需的火电厂、风电场的装机容量。

EnergyPLAN软件的输入数据包括年度用电负荷曲线，年度电池储能系统用电负荷曲线，年度风电发电负荷曲线，年度火力发电负荷曲线，这些负荷曲线每间隔1h取一个点，一年共有366×24＝8784个数据点，可由可靠性较高的电力公司、电厂数据收集；

2、年均总成本计算：

风电场能源系统包括火电厂、风电场、电池储能系统三个部分，年均总成本由年均投资成本、固定运行成本和总可变成本构成，其中年均投资成本为公式(1)计算所得；运行维护成本则设定为年度投资成本的固定比例；总可变成本包括总燃料成本、各发电、储能单元的运行和管理成本、年度电力交换成本(与CEEP是否与其他能源系统交换有关)、总CO₂排放成本。通过在EnergyPLAN软件中输入燃料成本、CO₂排放成本进行计算。

年均投资成本计算如以下公式所示：

C_total＝(C_pp×P_pp)/y_pp+(C_wind×P_wind)/y_wind+(C_storage×P_storage)/y_storage(1)

式中，C_total为并网风电场能源系统的年均投资成本，单位百万元；C_pp、C_wind、C_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的投资成本，单位百万元/MW；P_pp、P_wind、P_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的装机容量，单位MW；y_pp、y_wind、y_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的通常使用年限，单位年；

3、风电装机与储能容量比例优化：

分别分析不同场景时年均投资成本和年均总成本的结果。由于不同风机容量样本年均投资成本随着风储优化比例变化增幅不同，为了消除样本间的差异，采用相对差分进行比较各曲线的相对变化率R值，选取增加突跃的点作为优化风储比例，在此比例下成本不会有较大攀升。计算公式如下：

Δf_(n)＝f_(n+1)-f_(n)(2)

D＝f_max-f_min(3)

R＝(Δf_(n)/D)*100％(4)

式中，f_max和f_min分别为各情景中年均投资成本曲线最大值与最小值；D为不同情景中年均投资成本曲线最大值与最小值之差；f_(n)为固定风机容量情况时各风储比例对应的年度投资成本，如以505MW风力装机配置储能的曲线为例，f₍₁₎为风储比5:1时的年度投资成本，f₍₂₎为风储比4.5:1时的年度投资成本；Δf_(n)为各年度投资成本增长变化量；R为相对变化率。

下面结合附图并通过实例对本项发明提供成本最优化为目的的风电装机与储能容量比例计算公式作进一步说明。

本实例假设该地区一年的用电量为3.5TWh。选取上海地区供电可靠的某地区配电站一条配电线路一季度的用电负荷率曲线，如图1所示；风电场、火电厂的实时发电负荷曲线图如图2、3所示(为了显示得比较清楚，图中只给出了一个季度的数据，实际计算时输入的是年度实时发电负荷曲线)。

(1)并网风电场能源系统的配置设置：

在用电量一定的情况下，逐步提高风电发电量占总发电量的比例，将风电渗透率由0增至30％、50％、70％、90％、100％。将用电量、用电负荷曲线、风电和火电发电负荷曲线输入EnergyPLAN软件，计算不同风电渗透率的场景下火电、风电的装机容量和发电量，如表1所示不同风电渗透率的场景下火电、风电装机容量和发电量。

表1

(2)年均总投资成本计算：

在EnergyPLAN软件中输入相关的经济参数。表2为火力发电、风电不同发电方式的技术经济参数。表3为钠硫电池储能系统的技术经济参数。风机与储能的容量比例分别设置为5:1、4.5:1、4:1、3.5:1、3:1、2.5:1、2:1、1.5:1、1:1。

表2

发电方式	发电设备寿命/年	功率成本/(M￥/MW)	维护成本/％
				火电	30	4.5	2
风电	30	5.6	2

表3

年均投资成本和年均总成本的计算结果如图4、图5所示。由于加入储能后年均投资成本随着风储比的增大而陡然升高，在各情景中风储比为1:1时的年均投资成本近乎风储比为5:1时的3-4倍，并且远超固定运行成本和总可变成本之和，从而成为影响年均总成本的变化决定性因素。

(3)风电装机与储能容量比例优化

使用公式(2)、(3)、(4)进行计算，得出个情境下年均投资成本和年均总成本对应的R值，如表4四种风机容量情景不同风储比例时年度投资成本对应的R值、表5四种风机容量情景不同风储比例时年度总投资成本对应的R值所示。

表4

表5

从结果看出，R值的增长变化在风储比为2:1时开始突跃，几乎翻倍，因此本实例中，2:1的风储比例为经济优化比，在此比例时风机和储能的装机容量的增大并不会带来大幅的成本攀升。

Claims (1)

1.一种风电装机与储能电池容量比例的优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)并网风电场能源系统的配置设置：

设定本地区用电量一定，设定风电在能源系统中的不同渗透率，将本地区年度用电负荷曲线、年度电池储能系统用电负荷曲线，年度风电发电负荷曲线、年度火力发电负荷曲线输入EnergyPLAN软件，EnergyPLAN软件模拟计算出不同风电渗透率下的火电、风电装机容量；

2)年均总成本计算：

并网风电场能源系统年均总成本由年均投资成本、固定运行成本和总可变成本构成，其中按以下公式计算的年均投资成本：

C_total＝(C_pp×P_pp)/y_pp+(C_wind×P_wind)/y_wind+(C_storage×P_storage)/y_storage

其中C_total为并网风电场能源系统的年均投资成本，单位百万元；C_pp、C_wind、C_storage分别为火电厂、风电场、电池储能系统的投资成本，单位百万元/MW；P_pp、P_wind、P_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的装机容量，单位MW；y_pp、y_wind、y_storage分别为传统火电厂、风电场、电池储能系统的通常使用年限，单位年；

3)风电装机与储能容量比例优化：

首先用下列公式计算不同风机容量下不同风储比例下的相对变化率R值，

Δf_(n)＝f_(n+1)-f_(n)

D＝f_max-f_min

R＝(Δf_(n)/D)*100％

式中，f_max和f_min分别为各情景中年均投资成本曲线最大值与最小值；D为不同情景中年均投资成本曲线最大值与最小值之差；f_(n)为固定风机容量情况时各风储比例对应的年度投资成本，f_(n+1)为风储比更高一级对应的年度投资成本；Δf_(n)为各年度投资成本增长变化量；

然后，采用相对差分进行比较相对变化率R值，选取增加突跃的点作为优化风储比例，在此比例下改变装机容量不会带来大幅的成本攀升。