陳 雪 曾紫光
(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作廣東中心,廣東 廣州510000)
在化石資源短缺與環(huán)境污染的雙重約束下,采取合理的措施降低電力系統(tǒng)綜合能耗已成為重要的全球性課題。在這一背景下,國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)以風(fēng)電為代表的清潔能源的發(fā)展政策。相關(guān)學(xué)者考慮局部地區(qū)效益均衡,建立了風(fēng)電社會(huì)效益數(shù)學(xué)模型,保守估算了風(fēng)電的社會(huì)效益[1-3]。但在風(fēng)電、光伏等清潔能源迅猛發(fā)展的同時(shí),其出力間歇性、反調(diào)峰特性等將影響到系統(tǒng)潮流指標(biāo),制約其在節(jié)能減排中作用的發(fā)揮,這就降低了風(fēng)力發(fā)電的社會(huì)效益[4]。
為解決風(fēng)電發(fā)展的瓶頸問(wèn)題,發(fā)揮其在節(jié)能減排中的積極作用,儲(chǔ)能技術(shù)因其良好的電功率“吞”、“吐”特性,成為解決風(fēng)電出力間歇性、反調(diào)峰特性等瓶頸問(wèn)題最為直觀的一種方案,相應(yīng)技術(shù)手段已取得一定成果:利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提供快速無(wú)功支撐和平滑風(fēng)電出力,從根本上改善系統(tǒng)功率平衡度。研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)能間接提高風(fēng)電短期功率預(yù)報(bào)精度,優(yōu)化系統(tǒng)潮流,改善風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的電壓偏差、電壓閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,減少風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)熱備用容量的需求,優(yōu)化風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。
但在一系列研究成果中,并未出現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)量化提高風(fēng)電節(jié)能減排社會(huì)效益層面的相關(guān)研究。因此,本文將在已有研究的基礎(chǔ)上,提出儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電社會(huì)效益的量化評(píng)價(jià)指標(biāo),建立風(fēng)/儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行社會(huì)效益評(píng)價(jià)模型,通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到風(fēng)/儲(chǔ)系統(tǒng)容量配置。
風(fēng)電出力的波動(dòng)性以及電力系統(tǒng)要求功率實(shí)時(shí)平衡的特點(diǎn),決定了風(fēng)電難以獨(dú)立向用戶(hù)供電,只能依托大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電最大限度的利用。而現(xiàn)存電網(wǎng)的規(guī)模及堅(jiān)韌度無(wú)法滿(mǎn)足間歇性風(fēng)電的消納,是制約風(fēng)電規(guī)模發(fā)展的根本因素,降低了風(fēng)電在節(jié)能減排中所發(fā)揮的積極作用。具體可總結(jié)如下:(1)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的風(fēng)電功率波動(dòng)常常與負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)相反,即在負(fù)荷高峰時(shí)段無(wú)風(fēng)可發(fā),而在負(fù)荷低谷時(shí)段來(lái)大風(fēng)需要滿(mǎn)發(fā),這就加大了電網(wǎng)等效峰谷差,惡化了系統(tǒng)負(fù)荷特性,對(duì)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量提出了很高的要求。(2)風(fēng)力發(fā)電的不可預(yù)測(cè)性決定了需增加系統(tǒng)備用電源,這類(lèi)電廠需隨時(shí)保持運(yùn)轉(zhuǎn)但并不發(fā)電,在產(chǎn)生碳排放的同時(shí),也造成了資源浪費(fèi)。(3)造成系統(tǒng)頻率突變和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率偏差較大,使系統(tǒng)頻率特性惡化,對(duì)系統(tǒng)的快速調(diào)頻提出了很高的要求。(4)風(fēng)電場(chǎng)作為電源接入電網(wǎng),將改變系統(tǒng)原有潮流,可能惡化潮流指標(biāo),增大系統(tǒng)網(wǎng)損。
風(fēng)電并網(wǎng)引起的潮流問(wèn)題及對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的需求都將不同程度地增大系統(tǒng)能耗與碳排放,降低風(fēng)力發(fā)電在節(jié)能減排中的積極作用。而在節(jié)能減排相關(guān)措施中,儲(chǔ)能技術(shù)因其實(shí)現(xiàn)同樣的減排效果成本最低,成為目前最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段之一。
與發(fā)電系統(tǒng)不同,儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮的社會(huì)效益所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益很難以一種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)量化評(píng)價(jià),應(yīng)根據(jù)其發(fā)揮的作用來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合,發(fā)揮的風(fēng)電節(jié)能減排積極作用可用如下指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià):(1)儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電出力,減少相同調(diào)頻效果下熱電系統(tǒng)容量的節(jié)能減排量化計(jì)算。(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)改善風(fēng)電反調(diào)峰特性,減少相同調(diào)峰效果下熱電系統(tǒng)容量的節(jié)能減排量化計(jì)算。(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)改善風(fēng)電并網(wǎng)潮流指標(biāo),減少網(wǎng)損的節(jié)能減排量化計(jì)算。
因此,根據(jù)具體風(fēng)電與區(qū)域電網(wǎng)匹配特性,選擇上述一種或幾種指標(biāo)量化計(jì)算,可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電結(jié)合所發(fā)揮的社會(huì)效益作量化評(píng)價(jià)。
以系統(tǒng)節(jié)能減排效益最大化為目標(biāo)函數(shù),建立風(fēng)/儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型。節(jié)能減排效益可由系統(tǒng)總煤耗量和污染物排放量表征,通過(guò)煤炭?jī)r(jià)格、污染物排放成本折算至同一度量單位,則目標(biāo)函數(shù)可表示為:
式中,Ctotal為系統(tǒng)減少的能耗與污染物排放總成本;C1.total、C2.total分別為熱電系統(tǒng)出力的能耗與污染物排放及系統(tǒng)因網(wǎng)損所帶來(lái)的能耗成本和污染物排放成本;Ccoal、Ceniv分別為能耗總成本及污染物排放總成本;f(p)、m(p)分別為系統(tǒng)機(jī)組p出力時(shí)的發(fā)電能耗及發(fā)電污染物排放量;Vcoal、Veniv分別為單位能耗成本和單位污染物環(huán)境成本。
本文中標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)取0.4元/kg,污染物排放環(huán)境成本取6元/kg。f(p)、m(p)可通過(guò)煤耗率系數(shù)、污染物排放系數(shù)量化,如式(2)所示:
3.2.1 技術(shù)約束
在不考慮經(jīng)濟(jì)約束的條件下,考慮系統(tǒng)功率平衡約束、出力上下限約束以及節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束,具體如式(3)所示:
式中,PGi、PC、PDi、P損分別為火電機(jī)組/儲(chǔ)能系統(tǒng)出力與負(fù)荷功率、有功網(wǎng)損;Vi為節(jié)點(diǎn)電壓值。
3.2.2 經(jīng)濟(jì)約束
經(jīng)濟(jì)約束指儲(chǔ)能系統(tǒng)的固定費(fèi)用與運(yùn)行維護(hù)各項(xiàng)費(fèi)用應(yīng)小于等于儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電節(jié)能減排社會(huì)效益所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益量化計(jì)算值。滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)約束時(shí),系統(tǒng)的建設(shè)才有實(shí)際意義,如式(4)所示:
式中,ΔCtotal為儲(chǔ)能系統(tǒng)提高的風(fēng)力發(fā)電節(jié)能減排社會(huì)效益量化的經(jīng)濟(jì)效益值;m1、m2分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的固定成本與可變成本;、、、分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)加入前后系統(tǒng)總能耗成本與污染物排放成本。
3.2.3 計(jì)算流程
本文采用的遺傳算法較一般優(yōu)化算法容易獲得全局最優(yōu)解,能很好地解決非線(xiàn)性、規(guī)模大的優(yōu)化模型問(wèn)題,其一般步驟如下:(1)輸入系統(tǒng)火電機(jī)組年基礎(chǔ)調(diào)度規(guī)劃信息;(2)設(shè)定種群規(guī)模和最大進(jìn)化代數(shù),以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)容量為優(yōu)化控制變量,產(chǎn)生初始種群;(3)根據(jù)不同個(gè)體代表的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量,產(chǎn)生相應(yīng)的代替火電機(jī)組規(guī)劃方案,依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度;(4)判斷是否滿(mǎn)足優(yōu)化準(zhǔn)則,若滿(mǎn)足則輸出結(jié)果,若不滿(mǎn)足則進(jìn)行下一步;(5)經(jīng)個(gè)體適應(yīng)度比較排序,選擇再生個(gè)體;(6)按照自適應(yīng)交叉率執(zhí)行交叉運(yùn)算,產(chǎn)生種群轉(zhuǎn)步驟(3)。
在僅考慮該地區(qū)風(fēng)力資源條件約束的情況下,系統(tǒng)內(nèi)最大裝機(jī)容量為500 MW,風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速一般服從威布爾分布,但當(dāng)研究時(shí)段較短時(shí),風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速可認(rèn)為服從正態(tài)分布。本文選取單位兆瓦風(fēng)電裝機(jī)的典型日,根據(jù)較短時(shí)間內(nèi)服從正態(tài)分布進(jìn)行隨機(jī)模擬,其出力曲線(xiàn)如圖1所示。
圖1 單位容量風(fēng)電機(jī)組典型日出力曲線(xiàn)
按照風(fēng)電場(chǎng)輸出波動(dòng)的限值,系統(tǒng)熱電因參與風(fēng)電調(diào)峰調(diào)頻而產(chǎn)生的能耗與污染物排放總成本如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)能耗與污染物排放總成本曲線(xiàn)
系統(tǒng)能耗與污染物排放總成本隨著風(fēng)電場(chǎng)容量增加而增大,風(fēng)電場(chǎng)容量達(dá)到250 MW時(shí),系統(tǒng)能耗成本上升趨勢(shì)逐漸減緩,最終進(jìn)入平臺(tái)期,這是因?yàn)殡S著風(fēng)電容量逼近系統(tǒng)的最大接納能力,會(huì)導(dǎo)致一部分風(fēng)電脫網(wǎng)。系統(tǒng)因總有功網(wǎng)損而產(chǎn)生的能耗成本如圖3所示。
圖3 網(wǎng)損折算的能耗成本曲線(xiàn)
風(fēng)電在一定范圍內(nèi)隨著容量的增長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)有功網(wǎng)損有一定貢獻(xiàn),增長(zhǎng)到300 MW時(shí),網(wǎng)損增大,其能耗成本隨之增加。
系統(tǒng)接納風(fēng)電能力受系統(tǒng)調(diào)峰容量的制約,儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入一方面可替代常規(guī)熱電機(jī)組參與調(diào)頻調(diào)峰,另一方面由于減少了熱電系統(tǒng)的出力以及優(yōu)化系統(tǒng)潮流減少有功網(wǎng)損從而減少了系統(tǒng)能耗,也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排效益?,F(xiàn)對(duì)風(fēng)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的匹配容量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
由圖4分析可得,當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量定為[30 MW,40 MW]時(shí),系統(tǒng)接納風(fēng)電能力幅度增加,原因在于上述區(qū)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)常規(guī)機(jī)組發(fā)生了替代效應(yīng)。相應(yīng)的總能耗與污染物排放成本曲線(xiàn)如圖5所示。
圖4 非經(jīng)濟(jì)約束下的風(fēng)電匹配容量?jī)?yōu)化
總成本在儲(chǔ)能容量為[30 MW,40 MW]時(shí)顯著降低,表明因儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用,常規(guī)機(jī)組逐漸向最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行;隨之是一定的平臺(tái)期,表明常規(guī)機(jī)組保持在最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行;當(dāng)儲(chǔ)能容量為[70 MW、80 MW]時(shí),一部分機(jī)組偏離最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn),系統(tǒng)成本又大幅度上升。
圖5 總能耗與排放成本優(yōu)化
在考慮經(jīng)濟(jì)約束時(shí),如圖6所示,系統(tǒng)接納風(fēng)電能力曲線(xiàn)沒(méi)有變化,而匹配容量?jī)?yōu)化只有在[30 MW,40 MW]、[70 MW,80 MW]時(shí)有解;在其他區(qū)間,儲(chǔ)能系統(tǒng)一方面替代效應(yīng)不明顯,另一方面風(fēng)電接納能力提高也不明顯,使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益為負(fù),因此無(wú)解。
圖6 經(jīng)濟(jì)約束下的風(fēng)電匹配容量?jī)?yōu)化
綜上所述,儲(chǔ)能系統(tǒng)在考慮經(jīng)濟(jì)約束和不考慮經(jīng)濟(jì)約束時(shí)的優(yōu)化結(jié)果一致,即風(fēng)電?。?70 MW,300 MW]和[310 MW,330 MW]之間的值,而儲(chǔ)能系統(tǒng)取值則在[30 MW,40 MW]和[70 MW,80 MW]之間為最佳。
本文以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象:(1)提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)提高社會(huì)效益的評(píng)價(jià)指標(biāo);(2)建立了以節(jié)能減排社會(huì)效益為目標(biāo)函數(shù)的風(fēng)/儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化模型;(3)采用嵌套式遺傳算法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高的風(fēng)電社會(huì)效益作了量化計(jì)算。
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