CN105337294A - 协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法，其特点是：包括风电场为电力系统提供一次调频备用的比例弃风法、风电场有效备用容量的确定、风电场为电力系统提供一次调频备用时弃风利用率的评价指标、协调风电场参与电力系统一次调频储能系统的控制策略A、协调风电场参与电力系统一次调频储能系统的控制策略B和储能系统额定功率容量和额定能量容量的确定等内容：能够在提供相同的一次调频备用的前提下，减少弃风电量带来的风电场的经济损失，实现储能系统额定功率及能量容量的最优配置，做到效益最大化。具有方法科学合理，效果佳，适用性强等优点。

Description

协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法

技术领域

本发明涉及一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法。

背景技术

近年来，在全球范围内煤炭、石油等传统化石能源正日趋枯竭，气候变暖、环境污染等问题日趋严重。在此背景下以风能和太阳能为代表的可再生一次能源越来越受到人类的重视，并得到了快速的发展，其中风力发电技术发展最为迅速。

但是风电渗透率的不断增高，给传统电力系统的安全稳定运行带来了很多前所未有的挑战。当前主流风力发电机组变速风力发电机组，与传统火电机组不同，变速风力发电机组转速与电力系统频率解耦，不具备惯性响应及辅助调频能力，大规模风电接入替代了部分传统电源，减小了整个电力系统的惯性，削弱了电力系统的频率调节能力，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。考虑到风电机组参与电力系统的惯性响应对电力系统频率稳定重要性，风电场采用进行一部分弃风来为电力系统提供一次调频备用的措施，但是风电场进行弃风减少了风电场的上网电量，造成了客观的经济损失。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，效果佳，适用性强的协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法，该方法能够在提供相同的一次调频备用的前提下，减少弃风电量带来的风电场的经济损失，实现储能系统额定功率及能量容量的最优配置，做到效益最大化。

实现本发明的目的采用的技术方案是，一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法，其特征在于：它包括以下内容：

1)风电场为电力系统提供一次调频备用的比例弃风法

风电场为电力系统提供一次调频备用的比例弃风法就是基于风电场最大有功出力，按照一定的比例进行弃风，弃风容量为式(1)

P_curt(t)＝(1-α)P_avali(t)(1)

式中P_curt(t)为弃风容量；α为弃风比例系数，α∈(0,1)，α的具体取值取决与电力系统调度部分对风电场下达的备用容量要求；P_avali(t)为瞬时最大可发电功率；

2)风电场有效备用容量的确定

因由于风电功率具波动性，风电功率在调度周期T内也会随着风速的变化而不断变化，由步骤1)可知，当弃风比例系数α为某一固定值、风电最大可发电功率发生变化时，所产生的弃风容量也随之变化，为保证风电场能够在调度周期T内提供恒定的一次备用容量，需要参考T时间内的最小弃风容量，即有效备用容量，则有效备用容量R_{avail_T}为：

R_avail-T＝min(P_curtailed[t₀,t₀+T])(2)

式中P_curtailed为弃风容量；

3)风电场为电力系统提供一次调频备用时弃风利用率的评价指标

由步骤2可知，采用比例弃风法得到的弃风电量的一部分并不能为电力系统提供一次调频备用，所以定义这部分弃风电量为无用弃风电量E_{cur_unused}，这部分风能无论对于电力系统还是对于风电场都是一种能量的浪费，为了定量分析比例弃风法的能量浪费情况，定义了弃风利用率η这一评价指标：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{E_{cur\_unused}}{E_{curtailed}})\×100\%---\left(3\right)$

式中E_curtailed代表总弃风电量，由弃风利用率的含义可知，对于比例弃风法弃风利用率越高说明风能浪费越少，一次备用的效率越高；

4)协调风电场参与电力系统一次调频储能系统的控制策略A

应用比例弃风法，在满足一次调频备用持续输出15min的条件下，选择一个指令周期T内最大弃风容量为有效备用容量R_avail-T，即：

R_avail-T＝max(P_curtailed[t₀,t₀+T])(4)

式中P_curtailed为比例弃风法所产生的弃风容量；

当风电场结合储能系统参与电力系统一次调频时，储能系统的放电功率P_ESS-dis＝R_avail-T-P_curtailed；由实际电力系统的运行原理可知，电力系统的一次调频备用只有在电力系统发生较大功率或者频率波动时才被释放出来，所以在电力系统需要风电场提供一次调频备用但是没有发生较大功率波动的调度周期内，风电场不需要释放一次调频备用，此时储能系统的放电功率P_ESS-dis＝0；

5)协调风电场参与电力系统一次调频储能系统的控制策略B

应用比例弃风法，在满足一次调频备用持续输出15min的条件下，选择一个指令周期T内弃风容量的平均值作为有效备用容量R_avail-T，即：

$R_{avail-T}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{curtailed}\left(i\right)/n---\left(5\right)$

式中n为一个调度指令周期T内风电数据的点数，P_curtailed(i)表示第i个时刻对应的弃风容量；当风电场结合储能系统参与电力系统一次调频时，储能系统的放电功率为P_ESS-dis＝R_avail-T-P_curtailed(R_avail-T≥P_curtailed)；储能系统的充电功率为P_ESS-char＝P_curtailed-R_availT-(R_availT＜P_-curtailed)；

6)储能系统额定功率容量和额定能量容量的确定

结合高风电渗透率电力系统的一次调频需求场景，确定一年时间a内的需要储能系统辅助风电场提供一次调频的调度时段，步骤4)和步骤5)提出的两种储能控制策略，确定时长a内的两种控制策略的充放电功率；对分析时长a内的充放电功率进行统计学分析，考虑储能系统的经济性，确定两种控制策略下的额定功率P^A _rate及P^B _rate；结合所确定的P^A _tate及P^B _rate及储能系统辅助风电场参与电力系统一次调频的场景，确定两种控制策略下的对应的额定能量容量E^A _rate及E^B _rate；

考虑安装锂电池储能系统辅助风电场参与电力系统一次调频的综合效益最终从两种控制策略中选择较优者对应的储能的容量配置作为本文的储能容量配置结果，安装储能系统前后风电场的经济效益增加量F^x为：

$\begin{array}{cc}{F}^x=f_1^x-f_c^x-f_m^x& (x=A/x=B)\end{array}---\left(6\right)$

式中，f^x _l为A或B策略下为因安装储能所减少的风电场弃风电量所产生的经济效益，f^x _c和f^x _m分别为A或B策略下储能系统的投资成本和运行维护成本，储能系统减少弃风电量的经济效益为：

$f_1^x=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{curt-reduced}^x\left(i\right)\·C_w---\left(7\right)$

式中，n为需要风电场提供一次调频备用的调度周期的个数，E^x _curt-reduced为A或B策略下第i个调度周期弃风电量减少量，C_w为风电上网电价；

储能系统投资成本f^x _c为：

$f_c^x=C_p{P}_{rate}^x+C_e{E}_{rate}^x---\left(8\right)$

式中，C_p为储能系统单位充/放功率的投资成本，C_e为储能系统单位容量的投资成本，P^x _rate和E^x _rate分别为A或B策略下储能系统的额定功率及容量；

储能系统运行维护成本为； $f_m^x=\underset{t=1}{\overset{k}{\Σ}}{C}_m{P}_{rate}^x,---\left(9\right)$

C_m为储能系统单位充/放功率的年运行维护成本，k为储能系统的寿命；

对安装储能系统前后采用A控制策略和B控制策略的风电场经济效益增加量F^A和F^B进行比较，选择效益较好者作为储能系统的控制策略，并将对应的储能系统的额定功率及能量容量最为储能系统的最优配置。

本发明的一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法，能够在提供相同的一次调频备用的前提下，减少弃风电量带来的风电场的经济损失，实现储能系统额定功率及能量容量的最优配置，做到效益最大化。具有方法科学合理，效果佳，适用性强等优点。

附图说明

图1为比例弃风法原理图；

图2为有效备用容量示意图；

图3为策略A中储能系统充放电功率示意图；

图4为策略A的储能功率累计概率分布示意图；

图5为策略A的储能能量容量累计概率分布示意图；

图6为策略B中储能系统的充放电功率示意图；

图7为策略B的储能功率累计概率分布示意图；

图8为策略B的储能能量容量累计概率分布示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法作进一步说明。

本实例结合某电力系统的真实负荷及风电功率数据，风电场通过比例弃风法为电力系统提供一次调频备用，提出两种协调风电场参与电力系统一次调频储能系统控制方法，根据电力系统需要风电场提供一次调频备用的场景，确定两种控制策略对应的储能系统的额定功率容量及能量容量，通过配置储能系统后风电场经济效益增长量的对比择优确定储能系统的配置。

实施例计算条件说明如下：

(1)系统年最大负荷2155.9MW，最大单机容量200MW，风电装机容量为700MW，风电及负荷数据为1min时间间隔；

(2)系统发生200MW(系统最大单机容量)的功率脱落，系统频率低频减载限值为49.3Hz；

(3)风电上网电价C_w＝0.6万元/MWh，锂电池储能系统单位充/放功率的投资成本为C_p＝273.9万元/MW，锂电池储能系统单位容量的投资成本C_e＝134.4万元/MWh，锂电池储能系统单位充/放功率的年运行维护成本C_m＝6.4万元/MW.a，锂电池寿命T＝10a；

(4)储能系统协调风电场为电力系统提供一次调频备用满足电力系统要求的概率为99％。

在上述计算条件下，应用本发明涉及一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法的相关原理及计算结果说明如下：

1.风电场提供一次调频备用的比例弃风法

根据式(1)计算得到不同风速下风电场采用比例弃风法为电力系统提供一次调频备用时产生的弃风容量P_curt(t)，其原理如图1所示。

P_curt(t)＝(1-α)P_avali(t)(1)

2.风电场有效备用容量的确定

根据式(2)，可得不同调度周期内风电场提供的有效备用容量，其原理如图2所示。

R_avail-T＝min(P_curtailed[t₀,t₀+T])(2)

3.风电场提供一次调频备用方法的评价指标

根据上述数据及前提条件，当弃风比例系数α＝0.2时，根据式(1)及式(3)计算得到弃风利用率η＝91.45％。

$\mathrm{\η}=(1-\frac{E_{cur\_unused}}{E_{curtailed}})\×100\%---\left(3\right)$

4.储能系统的控制策略A确定的储能功率容量及能量容量

基于给定的风电数据及低频减载频率，根据式(4)，及图3所示原理，确定了采用控制策略A所对应的储能系统的不同时刻的放电功率，一次调频备用满足电力系统要求的概率为99％前提下采用概率统计分析结果分别见图4及图5，即储能系统的额定功率容量为2.4MW，额定能量容量为1.25MWh。

R_avail-T＝maxin(P_curtailed[t₀,t₀+T])(4)

5.储能系统的控制策略B确定的储能功率容量及能量容量

基于给定的风电数据及低频减载频率，根据式(5)，及图6所示原理，确定了采用控制策略B所对应的储能系统的不同时刻的放电功率，一次调频备用满足电力系统要求的概率为99％前提下采用概率统计分析结果分别见图7及图8，即储能系统的额定功率容量为3.5MW，额定能量容量为0.37MWh。

$R_{avail-T}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{curtailed}\left(i\right)/n---\left(5\right)$

6.储能系统额定功率容量和额定能量容量的确定

通过前述计算可知策略A对应的额定功率P^A _rate＝2.4MW，额定能量容量E^A _rate＝1.25MWH，策略B对应的额定功率P^B _rate＝3.5MW，额定能量容量E^B _rate＝0.37MWH；

结合给定前提条件及前述计算结果，通过式(6)-式(9)确定对安装储能系统前后采用A控制策略和B控制策略的风电场经济效益增加量F^A＝444.53万元，F^B＝298.98万元，因F^A>F^B即采用策略A时具有更好的经济效益，所以协调风电场为电力系统提供一次调频备用的储能系统的配置为：额定功率P_rate＝5.8MW，额定能量容量E_rate＝1.74MWh。

$\begin{array}{cc}{F}^x=f_1^x-f_c^x-f_m^x& (x=A/x=B)\end{array}---\left(6\right)$

$f_1^x=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{curt-reduced}^x\left(i\right)\·C_w---\left(7\right)$

$f_c^x=C_p{P}_{rate}^x+C_e{E}_{rate}^x---\left(8\right)$

$f_m^x=\underset{t=1}{\overset{k}{\Σ}}{C}_m{P}_{rate}^x---\left(9\right)$

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)

1.一种协调风电场参与电力系统一次调频的储能配置方法，其特征在于：它包括以下内容：

1)风电场为电力系统提供一次调频备用的比例弃风法

风电场为电力系统提供一次调频备用的比例弃风法就是基于风电场最大有功出力，按照一定的比例进行弃风，弃风容量为式(1)

P_curt(t)＝(1-α)P_avali(t)(1)

式中P_curt(t)为弃风容量；α为弃风比例系数，α∈(0,1)，α的具体取值取决与电力系统调度部分对风电场下达的备用容量要求；P_avali(t)为瞬时最大可发电功率；

2)风电场有效备用容量的确定

因由于风电功率具波动性，风电功率在调度周期T内也会随着风速的变化而不断变化，由步骤1)可知，当弃风比例系数α为某一固定值、风电最大可发电功率发生变化时，所产生的弃风容量也随之变化，为保证风电场能够在调度周期T内提供恒定的一次备用容量，需要参考T时间内的最小弃风容量，即有效备用容量，则有效备用容量R_{avail_T}为：

R_avail-T＝min(P_curtailed[t₀,t₀+T])(2)

式中P_curtailed为弃风容量；

3)风电场为电力系统提供一次调频备用时弃风利用率的评价指标

由步骤2可知，采用比例弃风法得到的弃风电量的一部分并不能为电力系统提供一次调频备用，所以定义这部分弃风电量为无用弃风电量E_{cur_unused}，这部分风能无论对于电力系统还是对于风电场都是一种能量的浪费，为了定量分析比例弃风法的能量浪费情况，定义了弃风利用率η这一评价指标：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{E_{cur\_unused}}{E_{curiailed}})\×100\%---\left(3\right)$

式中E_curtailed代表总弃风电量，由弃风利用率的含义可知，对于比例弃风法弃风利用率越高说明风能浪费越少，一次备用的效率越高；

4)协调风电场参与电力系统一次调频储能系统的控制策略A

应用比例弃风法，在满足一次调频备用持续输出15min的条件下，选择一个指令周期T内最大弃风容量为有效备用容量R_avail-T，即：

R_avail-T＝max(P_curtailed[t₀,t₀+T])(4)

式中P_curtailed为比例弃风法所产生的弃风容量；

当风电场结合储能系统参与电力系统一次调频时，储能系统的放电功率P_ESS-dis＝R_avail-T-P_curtailed；由实际电力系统的运行原理可知，电力系统的一次调频备用只有在电力系统发生较大功率或者频率波动时才被释放出来，所以在电力系统需要风电场提供一次调频备用但是没有发生较大功率波动的调度周期内，风电场不需要释放一次调频备用，此时储能系统的放电功率P_ESS-dis＝0；

5)协调风电场参与电力系统一次调频储能系统的控制策略B

应用比例弃风法，在满足一次调频备用持续输出15min的条件下，选择一个指令周期T内弃风容量的平均值作为有效备用容量R_avail-T，即：

$R_{avail-T}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{curtailed}\left(i\right)/n---\left(5\right)$

式中n为一个调度指令周期T内风电数据的点数，P_curtailed(i)表示第i个时刻对应的弃风容量；当风电场结合储能系统参与电力系统一次调频时，储能系统的放电功率为P_ESS-dis＝R_avail-T-P_curtailed(R_avail-T≥P_curtailed)；储能系统的充电功率为P_ESS-char＝P_curtailed-R_avail-T(R_avail-T＜P_curtailed)；

6)储能系统额定功率容量和额定能量容量的确定

结合高风电渗透率电力系统的一次调频需求场景，确定一年时间a内的需要储能系统辅助风电场提供一次调频的调度时段，步骤4)和步骤5)提出的两种储能控制策略，确定时长a内的两种控制策略的充放电功率；对分析时长a内的充放电功率进行统计学分析，考虑储能系统的经济性，确定两种控制策略下的额定功率P^A _rate及P^B _rate；结合所确定的P^A _rate及P^B _rate及储能系统辅助风电场参与电力系统一次调频的场景，确定两种控制策略下的对应的额定能量容量E^A _rate及E^B _rate；

考虑安装锂电池储能系统辅助风电场参与电力系统一次调频的综合效益最终从两种控制策略中选择较优者对应的储能的容量配置作为本文的储能容量配置结果，安装储能系统前后风电场的经济效益增加量F^x为：

$F^x=f_1^x-f_c^x-f_m^x,(x=A/x=B)---\left(6\right)$

式中，f₁ ^x为A或B策略下为因安装储能所减少的风电场弃风电量所产生的经济效益，f_c ^x和f_m ^x分别为A或B策略下储能系统的投资成本和运行维护成本，储能系统减少弃风电量的经济效益为：

$f_1^x=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{curt-reduced}^x\left(i\right)\·C_w---\left(7\right)$

式中，n为需要风电场提供一次调频备用的调度周期的个数，E^x _curt-reduced为A或B策略下第i个调度周期弃风电量减少量，C_w为风电上网电价；

储能系统投资成本f_c ^x为：

$f_c^x=C_p{P}_{rate}^x+C_e{E}_{rate}^x---\left(8\right)$

式中，C_p为储能系统单位充/放功率的投资成本，C_e为储能系统单位容量的投资成本，P^x _rate和E^x _rate分别为A或B策略下储能系统的额定功率及容量；

储能系统运行维护成本为； $f_m^x=\underset{t=1}{\overset{k}{\Σ}}{C}_m{P}_{rate}^x,---\left(9\right)$

C_m为储能系统单位充/放功率的年运行维护成本，k为储能系统的寿命；

对安装储能系统前后采用A控制策略和B控制策略的风电场经济效益增加量F^A和F^B进行比较，选择效益较好者作为储能系统的控制策略，并将对应的储能系统的额定功率及能量容量最为储能系统的最优配置。