萬玉良， 劉 鑫， 吳曉丹， 顧大可， 王澤鏑

（1.國網內蒙古東部電力有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010000； 2.東北電力大學，吉林 吉林 132012； 3.沈陽工業(yè)大學， 遼寧 沈陽 110870）

0 前言

具有波動性與不確定性的風電大規(guī)模入網，會給電網調峰帶來巨大挑戰(zhàn)[1]～[3]。為應對高比例風電入網所導致的調峰難問題， 功率響應速率快、效率高的電池儲能系統(tǒng)已成為一種重要的調峰資源[4]，[5]。 但是，從電池儲能系統(tǒng)高建設成本、“三北地區(qū)”棄風和冬季供暖需求考慮，電池儲能系統(tǒng)建設規(guī)模仍受限制[6]。 因此，考慮電池儲能與電鍋爐協(xié)調運行的多源儲能系統(tǒng)優(yōu)化，是解決大規(guī)模風電并網后調峰問題的有效途徑。

針對大規(guī)模風電并網后的大量棄風及電網調峰困難的問題，為提高風光儲運行效率，文獻[7]通過電池組SOC 特性分析，提出了電池模塊化運行的優(yōu)化模型。 為抑制風電波動，提高電網穩(wěn)定性，文獻[8]提出考慮頻率響應的大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)并網控制策略。 為提高風電消納能力，考慮調峰、風電消納等多方面收益，文獻[9]提出一種電池儲能的容量優(yōu)化配置模型。 文獻[10]為平抑風電波動，考慮鋰電池與超級電容的優(yōu)勢互補，提出了考慮超級電容的鋰電池功率分配策略。

以上研究雖然在一定程度上解決了調峰問題，但未能深入考慮在風電不確性和調峰多場景下的多能源儲能優(yōu)化運行。 基于此，本文考慮了風電波動下的調峰多場景劃分，建立了風電與電熱多源協(xié)調儲能魯棒優(yōu)化模型。

1 電熱多能源儲能系統(tǒng)模型

本文考慮多源協(xié)調優(yōu)化運行，利用電池儲能與電鍋爐及儲熱裝置構建了電熱多源儲能系統(tǒng)（E-HMESS）， 配合風電協(xié)調運行進行調峰。E-HMESS 的拓撲結構如圖1 所示[11]。

圖1 E-HMESS 拓撲結構Fig.1 The topology of E-HMESS

1.1 電池模型

電池儲能系統(tǒng)通過電能的存儲與釋放進行削峰填谷，其容量與儲放功率關系如下：

式中：Ees（t）為 t 時刻電池容量；Pes（t），Peo（t）分別為t 時刻電池儲、放功率；ηes，ηeo分別為電池儲、放效率；Δt 為運行時段。

1.2 電鍋爐模型

電鍋爐可將風電轉為熱能進行供暖， 當存在大規(guī)模棄風電量時可以提供一定調峰容量，其電熱轉換模型為

式中：Peb-h（t），Peb-e（t）分別為電鍋爐制熱、耗電功率；ηeb為電熱轉換效率。

1.3 儲熱模型

電鍋爐實現(xiàn)電制熱后， 可利用儲熱罐存儲熱能，為電網提供更多的調峰容量，其儲熱模型為

式中：Hhs（t）為 t 時刻的儲熱容量；Phs（t），Pho（t）分別為 t 時刻儲熱的儲、放功率；ηhs，ηho分別為儲熱裝置的儲、放效率。

2 考慮風電波動的調峰多場景劃分下的魯棒運行模式

2.1 調峰多場景劃分

針對大規(guī)模風電的高不確定性特點，在風電與E-HMESS 協(xié)調運行前， 基于研究周期內的N條風電曲線， 根據E-HMESS 容量對調峰需求的影響劃分調峰場景。

（1）場景一

場景一為風電低出力時的調峰場景， 即系統(tǒng)中電負荷出現(xiàn)峰值且處于風電低出力， 須要E-HMES 協(xié)調運行供電。

①給出可信基準 α1， 選取風電曲線 Pw（K1），定義超過 α1的風電出力 Pwb-H的最小基準為Pwb-H（K1），Pw（K1）組成的集合為 PwΩ1，風電日均出力最大曲線為Pm1。

②考慮在場景一的情況下E-HMESS 的供電可信度。 E-HMESS 須具有一定電量備用，進而給出可信基準 β1。 從 PwΩ1中選出曲線保證Pwb-H（K1）不大于的概率超過 β1。構成的集合為中最大風電出力曲線為Pn1。

③確定可信基準為α1的情況下， 場景一Pw1及其概率pw1為

（2）場景二

場景二為風電高出力時的調峰場景， 即系統(tǒng)中電負荷出現(xiàn)峰值且風電處于高出力， 需要E-HMESS 協(xié)調運行儲電。

①給出可信基準 α2， 選取風電曲線 Pw（K2），定義超過 α1的風電出力 Pwb-L的最大基準為Pwb-L（K2），Pw（K2）組成的集合為 PwΩ2，風電日均出力最大曲線為Pm2。

②考慮在場景二情況下E-HMESS 的儲電可信度，E-HMESS 須具有一定電量存儲裕度。 從PwΩ2中選出滿足E-HMESS 容量能夠存儲最大的風電曲線 PwΩ2′， 則 PwΩ2′中最小風電出力曲線為Pn2。

③確定可信基準為α2的情況下，Pw2及其概率pw2為

在風電與E-HMESS 協(xié)同調峰運行中， 考慮兩個場景進行優(yōu)化， 通過電池與電儲熱的協(xié)調運行來保證系統(tǒng)運行可靠性， 也可反映出系統(tǒng)的調峰需求。

2.2 E-HMESS多場景魯棒運行模式

基于對風電與E-HMESS 協(xié)調運行的調峰多場景劃分，圖2 給出調峰多場景下E-HMESS的魯棒運行模式和魯棒儲放優(yōu)化軌跡， 保證E-HMESS 在Δt 時段內實現(xiàn)多場景間的儲放電過渡。

Δt 時段E-HMESS 儲電放電范圍為

圖2 E-HMESS 魯棒運行軌跡Fig 2 The robust trajectory of E-HMESS

式中：pin-u，pin-d，pout-u，pout-d分別為 E-HMESS 在 Δt時段可提供電能儲、放裕度；pin，pout分別為E-HMESS 電能儲、 放功率；pinmax，pinmin，poutmax，poutmin分別為 E-HMESS 儲、電放電出力的上、下限；Δpin，s，Δpout，s分別為 E-HMESS 儲、放的最大速率。

由圖2 可知， 魯棒運行點可根據風電波動及電網調節(jié)需求，在不同場景下切換運行方式，與風電協(xié)調運行， 靈活調峰。 此模式可在大規(guī)模棄風時，通過電池和電鍋爐的協(xié)調來消納風電，在電負荷峰值時供電，緩解調峰壓力，實現(xiàn)風電利用最大化。 E-HMESS 比傳統(tǒng)調峰機組的靈活性更高。

3 電-熱多源協(xié)調儲能魯棒優(yōu)化模型

3.1 目標函數(shù)

針對本文提出的調峰多場景及魯棒運行模式，建立風電利用最大化下的E-HMESS 調峰運行成本最低的魯棒優(yōu)化模型。 該模型主要考慮E-HMESS 運行成本，以棄風電量最小為目標。

（1）E-HMESS 運行成本最小目標

運行成本最小目標：

式中：Ce，Ceb，Chs分別為電池、電鍋爐、儲熱的運行成本。

式中：Ce，r，Ceb，r分別為電池儲能、 電鍋爐的運行成本系數(shù)；Chs，r為儲熱裝置的維護成本系數(shù)；Pe（t），Phs（t）分別為電池和儲熱裝置在t 時刻的電、熱儲放功率，正為儲，負為放；Peb（t）為電鍋爐在 t 時刻的耗電功率；NT為E-HMESS 的運行總時段。

（2）棄風最小目標

棄風電量為風電預測與并網功率之差：

式中：Pab（t）為 t 時段的棄風功率值；PWT，y（t）為 t 時段風電預測值；PWT，s（t）為 t 時段風電實發(fā)功率值。

3.2 多場景魯棒約束

本文建立多場景下風電與E-HMESS 協(xié)調調峰的魯棒可行域 Ω（α，μ，υ，S），除了對傳統(tǒng)的等式與不等式加以約束， 還考慮在多場景下公式（12），（13）中 E-HMESS 的儲放范圍。Ω（α，μ，υ，S）為

式中：qin（s），qout（s）分別為 pin，pout的自適應變量，根據場景 s 的切換而變；Γ（α，μ，υ，S）為場景 s 下解的存在條件。

式（17）表示至少存在一組解{pin，pout，qin（s），qout（s）}滿足 Γ（α，μ，υ，S）。Γ（α，μ，υ，S）由如下魯棒約束條件給出。

多源調峰系統(tǒng)功率平衡魯棒約束：

式中：Le（t）為 t 時刻電負荷需求。

E-HMESS 魯棒約束：

考慮多場景風電與E-HMESS 調峰時間尺度魯棒約束，qin（s），qout（s）須滿足 E-HMESS 在 Δt 時間尺度下的調節(jié)范圍。

3.3 求解

針對本文的多目標優(yōu)化模型， 采用多目標進化算法求解，實現(xiàn)風電與E-HMESS 調峰多場景魯棒優(yōu)化[12]。 多目標進化算法求解過程如圖3 所示。

圖3 求解流程Fig.3 The flow chart of solution

4 仿真驗證

利用某地區(qū)配網總用功負荷及風電實際數(shù)據，建立電-熱多源協(xié)調儲能魯棒優(yōu)化仿真模型?？紤]在風電波動下的E-HMESS 多場景調峰優(yōu)化運行模式， 與采用純電池儲能調峰進行經濟性與棄風電量對比。

配網實際總負荷為1 500 MW，風電裝機容量為800 MW，配有100 MW 的電池儲能系統(tǒng)。 利用本文提出的電-熱多源協(xié)調儲能魯棒優(yōu)化模型，考慮大規(guī)模消納棄風與經濟運行成本最低， 配置50 MM 的電池儲能與100 MW 電鍋爐和150 MW的儲熱裝置。風電與負荷曲線及場景劃分見圖4。

圖4 風電與負荷曲線Fig.4 The wind power and load curve

針對如圖4 所示的日風電與負荷曲線， 考慮多場景劃分及電網調峰需求， 得出如圖5 所示的E-HMESS 魯棒優(yōu)化運行曲線。

圖5 E-HMESS 魯棒優(yōu)化運行曲線Fig.5 The robust optimization operation curve of E-HMESS

由圖5 可見， 針對大規(guī)模風電波動下的電網調峰需求，E-HMESS 在其多場景劃分的基礎上，可以靈活切換運行方式，實現(xiàn)風電的全利用。在場景一的工況下， 電池、 電鍋爐及儲熱裝置協(xié)調運行，消納風電，減少風電棄電量。 在場景二的工況下，電池儲能為電網調峰供電，滿足電網峰值時的部分需求，儲熱協(xié)調運行進行熱能儲放。 對比E-HMESS 的魯棒優(yōu)化運行與純電池儲能的調峰方式，其運行成本與棄風量如表1 所示。

表1 優(yōu)化對比Table 1 Optimization contrast

由表1 可知，與傳統(tǒng)的風儲聯(lián)合調峰相比，本文提出的E-HMESS 魯棒優(yōu)化模型在多場景靈活運行的同時， 考慮了電鍋爐與儲熱裝置的協(xié)調運行，有效地降低運行成本。 在大規(guī)模風電波動下，E-HMESS 的棄風電率下降，其調節(jié)能力優(yōu)于純電池儲能。

針對本文多目標魯棒優(yōu)化求解，得到Pareto解集圖（圖 6）。 由圖 6 可知，風電與 E-HMESS在聯(lián)合運行調峰過程中， 棄風電率與運行成本相互制約，若要減少棄風，勢必導致運行成本的上升。 因此， 須考慮 E-HMESS 的魯棒運行模式， 根據實際不同運行場景合理地選擇最優(yōu)調峰方式。

圖6 E-HMESS 優(yōu)化模型Pareto 解集Fig.6 Pareto solution set of E-HMESS optimization model

5 結論

針對火電調峰機組在應對大規(guī)模風電波動時調節(jié)靈活性低和電池儲能系統(tǒng)成本高等問題，提出了考慮電池與電鍋爐及儲熱裝置協(xié)調的電熱多源儲能系統(tǒng)， 根據風電波動性及負荷需求劃分調峰場景。在此基礎上，建立電熱多源協(xié)調儲能的魯棒優(yōu)化模型， 并通過仿真算例與電池儲能進行對比。

優(yōu)化結果表明，本文考慮風電工況的調峰多場景劃分及E-HMESS 的魯棒運行方式， 可實現(xiàn)風電利用最大化并滿足電網調峰需求。 EHMESS 魯棒運行模式，可實現(xiàn)多場景下的靈活切換，實現(xiàn)容量配置多時空尺度最優(yōu)。

與電池儲能調峰相比，本文提出的E-HMESS魯棒優(yōu)化運行模型，具有更優(yōu)的運行成本，有效地減少棄風電量。