管馨，陳濤，高賜威

（東南大學電氣工程學院，南京 210096）

0 引言

環(huán)境污染和化石燃料帶來的壓力隨著社會發(fā)展越來越明顯，導致可再生能源的快速開發(fā)迫在眉睫。在眾多發(fā)展的能源中，風能已經(jīng)成為具有未來潛力的清潔能源［1］。風力發(fā)電，因其具有優(yōu)點的同時存在一些劣勢，所以需要順應(yīng)社會需求而被不斷改進。可再生能源特有的不穩(wěn)定性將導致低安全、低穩(wěn)定的并網(wǎng)情況，給系統(tǒng)運行增添更加嚴峻的考驗［2-3］。風儲聯(lián)合系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和柔性電能充放的特點，能有效降低風電的不穩(wěn)定性和電源故障概率，提高電網(wǎng)性能［4］。我國有多種類型的風力渦輪機組，所以當選擇不同時間建造的風電機組時，要斟酌補償無功和經(jīng)濟狀況等問題［5］。中國的風機在2015年1年間增加容量32.97 GW，且其并網(wǎng)設(shè)施的裝機容量增長達到129 GW。當前，有2 種風儲配置經(jīng)常被人們使用。其中一種配置是調(diào)度中心操控存儲系統(tǒng)，可以火電、風電機組并行；另一種配置是風儲一體化，即存儲系統(tǒng)只允許風電機組運行，由風電站操控具體的運行、管理計劃［6-7］。最新的研究報告顯示：在未來5年，全球能源生產(chǎn)將在實現(xiàn)連續(xù)10 年的快速增長后仍能繼續(xù)增長。表明中國風能行業(yè)的大規(guī)模穩(wěn)步前行以及歐洲風能行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展對全球風能的快速發(fā)展產(chǎn)生重大影響［8-9］。在考慮經(jīng)濟方面時，不僅要提高經(jīng)濟效益，更重要的是確保系統(tǒng)安全高效地運行，這是風力發(fā)電的基本條件。綜上所述，人們所需的儲能配置需滿足清潔能源少污染的前提條件，也要滿足供電穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的實際應(yīng)用要求。當風力強勁時，風儲系統(tǒng)可將過剩風能儲存，在風力衰減供需不平衡時將其釋放，極大程度上減少能源的損耗，確保供電的穩(wěn)定性。同時，可迎合電力市場的價格來調(diào)控充放電，具有一定的靈活性。在電價波動時，通過控制儲能系統(tǒng)的充放實現(xiàn)收益可控，在盈虧方面滿足市場需求。風儲聯(lián)合系統(tǒng)既符合未來綠色發(fā)展的要求，同時在穩(wěn)定性和經(jīng)濟性方面有不可替代的優(yōu)勢，在新能源儲能聯(lián)合規(guī)劃配置的實際應(yīng)用方面有一定的參考意義。因此，風電參與電力市場策略及儲能運行優(yōu)化的研究是必要的。

1 風儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

1.1 風儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

風儲聯(lián)合系統(tǒng)其組成部分可以概括為2 種單元：風電單元和儲能單元［10］。風電出力通過風電單元轉(zhuǎn)化為所需電能，電能輸出中波動的功率由儲能單元穩(wěn)定。儲能單元主要是通過轉(zhuǎn)變以前發(fā)電用電一同進行的方式，讓系統(tǒng)分開充放電，以實現(xiàn)穩(wěn)定功率起伏的目標。本文采用鉛酸電池作為儲能系統(tǒng)的儲能元件。Pw為風電出力，為儲能系統(tǒng)的充電功率，為儲能系統(tǒng)的放電功率。當風電出力不足時，需要電池儲能系統(tǒng)供電。當風電出力過剩時，可以利用儲能系統(tǒng)將過剩電量儲存下來。當時表示儲能電池處于放電狀態(tài)，當時表示儲能電池處于充電狀態(tài)。風儲聯(lián)合系統(tǒng)的組成及原理概括如圖1所示。

圖1 風儲聯(lián)合系統(tǒng)的組成及原理Fig.1 Composition and principle of the hybrid wind-storage system

1.2 風儲聯(lián)合系統(tǒng)運行的研究現(xiàn)狀

在大型風電場中采用儲能裝置和風電聯(lián)合運行，可極大緩解供需不平衡，同時可提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性［11］。當前，對儲能方面的研究主要集中在對儲能系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)方面，并且已取得很大進展和成果。

文獻［12］在充分參考某風電場3個月內(nèi)輸出功率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將儲能系統(tǒng)與多種情況下不同容量的風電場相接，對比輸出功率的波動性。在此數(shù)據(jù)上分析出儲能裝置的容量優(yōu)化決策。

文獻［13］提出系統(tǒng)懲罰成本的概念，統(tǒng)計了算例全天288個時段的功率輸出情況。通過對算例結(jié)果分析出風儲聯(lián)合系統(tǒng)若想平穩(wěn)運行，必須使系統(tǒng)的懲罰成本與儲能投入相持平。在此基礎(chǔ)上，提出了風儲聯(lián)合系統(tǒng)的的容量優(yōu)化策略。

文獻［14］同時考慮了風電功率波動和需求側(cè)負荷不匹配的情況，在此基礎(chǔ)上建立了風儲系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度模型。通過分析結(jié)果得出各機組間功率的最優(yōu)分配策略，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟性最優(yōu)。

文獻［15］綜合考慮了風力發(fā)電及儲能系統(tǒng)各自獨立運行時的優(yōu)勢及劣勢，在此基礎(chǔ)上建立了風儲系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度模型，使其收益達到最大。再對該模型進行敏感性分析，最后提出收益最大化時的系統(tǒng)配置方案。此外，多種分布式電源和儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行的情況同樣適用該文中提到的經(jīng)濟調(diào)度模型和敏感性分析這2種分析方案。

2 風電參與電力市場交易

2.1 風電參與電力市場交易模式

相比較我國而言，西歐國家的電力市場制度誕生較早，所以我們可以從西歐發(fā)達國家在電力能源市場的進程中總結(jié)出以下經(jīng)驗來學習。已知能源產(chǎn)業(yè)的市場在未來的發(fā)展主要有2 種方式：解放打開電力能源市場；鼓勵大力發(fā)展和使用新能源，特別提出加大對風能的使用［16-17］。市場對于電力系統(tǒng)資源的配置有著及其重要的作用。

許多西方國家開放其電力市場交易是為了削減電力領(lǐng)域內(nèi)的交易壟斷，有效地調(diào)整各資源在電力市場中的配置［18］。此外，開放市場還有利于各發(fā)電商在行業(yè)內(nèi)進行公平競爭，促進消費者能夠通過較便宜的價格購電。而風電在電力市場所存在的消納問題，正需要這樣靈活的市場制度解決。風電不僅參與日前市場，而且也參與日內(nèi)市場。但是風電商的盈虧收入問題主要是由日內(nèi)現(xiàn)貨市場的價格來決定的?，F(xiàn)貨市場可以反映貨物的市場價值，可以實時補充商品數(shù)量，有利于對市場經(jīng)濟的管理［19］。

由于北歐市場屬于典型實例，我們對北歐現(xiàn)貨市場做具體分析。它的現(xiàn)貨市場包含日前市場、日內(nèi)市場和實時平衡市場。當風電商想要參與市場交易時，需要在日前市場預測自己的風電出力情況。正常情況下，其預測出力與實際結(jié)果之間存在一定誤差。與此同時，該預測誤差會導致不平衡量的產(chǎn)生。如果該不平衡量過大，即超過了市場規(guī)定的具體范圍，風電商將會被不平衡費用懲罰。雖然短期預測中存在誤差無可避免，但是為了避免偏差對電力市場的影響，日內(nèi)平衡市場可以粗略地調(diào)整該誤差，確保在存在誤差的前提下風電電壓、頻率依然能夠正常，有利于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 風電參與電力市場交易的風險因素

由于風電出力時刻波動，所以存在對風電出力預測的困難性，從而導致風電參與電力市場存在無法規(guī)避的風險性。該風險主要由風電出力的波動性和市場電價的波動性組成。通常情況下，風電商必須在日前市場對第2天的風電出力進行預判。但在當前的技術(shù)水平下，這種預判的準確性遠達不到完全準確。

在一般情況下，持續(xù)預測法經(jīng)常被用作預測方法的基準。但是這種方法只對短期內(nèi)的預測有效，當預測時間不斷拉長，對風電出力預測的準確性會迅速下降，遠低于預期［20］。然而，無法精準地預測風電的出力，會大大增加風電商繳納考核費用的概率，從而增大無法盈利的風險。所以對于風電商而言，類似風電這種隨機出力，具有極大波動性的能源，在交易過程中產(chǎn)生不平衡費用是一種非常大的賠本風險。

此外，市場上的電價也是處處波動的。例如本文研究的風儲聯(lián)合系統(tǒng)，對該系統(tǒng)而言，電價的不斷波動不僅直接影響風力發(fā)電的收益情況，而且會影響儲能系統(tǒng)具體的充放電決策問題。如果此時市場的日內(nèi)價格偏低，則儲能系統(tǒng)更傾向于充電，以確保更高的收益；相反，當市場的日內(nèi)價格偏高時，則儲能系統(tǒng)更傾向于放電。因此，為了保護風電企業(yè)的利益，需要每一時刻對市場電價進行滾動分析，以確定合適的競價機制，使得企業(yè)收益最大。如果所做的決策欠妥，企業(yè)可能會有虧損的風險。綜上所述，波動的電價也是一大風險。

3 風儲聯(lián)合系統(tǒng)的運行優(yōu)化

3.1 目標函數(shù)

對于風儲聯(lián)合系統(tǒng)，經(jīng)濟性是衡量系統(tǒng)運行的重要標準。在滿足電網(wǎng)調(diào)度的情況下，從儲能系統(tǒng)的受益方面考慮，考慮使其收益達到最大目標函數(shù)。其目標函數(shù)的決策變量是系統(tǒng)的充放電功率，目標函數(shù)如下

式中：f1表示風電售出的獲利，元；f2表示因風電預測出力與實際出力之間存在偏差而額外懲罰的不平衡費用，元：f3表示電池損耗累計總成本，元。

（1）風電售出的價格。由于風電實際出力和預測出力存在差異且電力市場分日前、日內(nèi)價格，所以具體分為2 種情況討論：當風電預測出力大于等于實際出力時，將實際出力與日前價格相乘，再加上經(jīng)過電池儲能系統(tǒng)充放電調(diào)控后的風電出力偏差量與日內(nèi)價格的乘積；當風電預測出力小于實際出力時，將預測出力與日前價格相乘，再加上經(jīng)過電池儲能系統(tǒng)充放電調(diào)控后的風電出力偏差量與日內(nèi)價格的乘積，具體流程如圖2所示，公式如下

圖2 風電結(jié)算流程Fig.2 Wind power settlement process

式中：Qs(t)，QB(t)分別為風電實際出力和風電預測出力，kW；分別為儲能系統(tǒng)電池的放電、充電功率，kW；PD-1(t)，PD(t)分別為時刻變化的電力市場日前價格、日內(nèi)價格，元∕（kW·h）。

（2）不平衡費用。由于所考慮的是以山西風電為背景，所以此處的不平衡費用考慮為符合山西政策的超額獲利回收費用，后文皆以超額獲利回收費用表示。此費用的目的是為了將新能源超出允許偏差外的價差收益納入市場運營費用，公式如下

式中：λ1，λ2分別為風電允許的日前與實際預測的偏差比例上、下限。

（3）儲能系統(tǒng)的電池成本。每一次充放電都會引起電池壽命的消耗。同時，為了防止電池頻繁充放電，故以電池成本來表示。通過單價、充放電量、充放電效率和放電深度共同表示，公式如下

式中：PE表示電池充放電需要的單價，元∕（kW·h）；Uch(t)，Udis(t)表示充放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，Uch(t)，Udis(t)在［0，1）中取整。確保在t時刻只存在充或放唯一一種狀態(tài)，排除了同一時刻同時充放的情況；Δt表示一個時間區(qū)間，本文指1 h；ηch，ηdis分別表示充、放電效率；表示電池額定容量，kW·h。

3.2 優(yōu)化約束條件確定

以儲能系統(tǒng)的容量、充放電功率、充放電狀態(tài)為主，建立相應(yīng)優(yōu)化約束條件［21-24］。

首先需要表示出每一時刻電池容量的動態(tài)值，并且將其容量約束在上、下限范圍內(nèi)。

Ebattery(t)，Ebattery(t+1)表示電池容量在t和t+1時刻的容量實時值，表示下一時刻的容量實時值是上一時刻容量實時值與這一時段內(nèi)充放電量之和；Δt表示一個時間區(qū)間內(nèi)，同上取1 h，具體如下

與此同時需要考慮每一時刻電池只可在充電和放電這兩種狀態(tài)中切換，不可在同一時刻同時充電又放電，如下

其中，當Uch(t)、Udis(t)的值為0 時，表示儲能系統(tǒng)既不充電也不放電，當值為1 時表示儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)或者放電狀態(tài)中的一種狀態(tài)。

還需考慮每一時刻電池的充放電功率不得超過儲能系統(tǒng)電池的充放電功率上、下限，如下

圖3 儲能運行優(yōu)化的總流程Fig.3 Overall optimized operation process for energy storage

3.3 算例驗證

3.3.1 參數(shù)確立

儲能系統(tǒng)的充放電功率不僅影響風電的售出總價，同時充放電功率過大或過小都會影響到超額獲利回收費用，從而影響最終收益。所以，風儲聯(lián)合系統(tǒng)的儲能運行優(yōu)化實質(zhì)上體現(xiàn)在對于電池充放電功率的具體決策上。本文以實際工程為背景，儲能系統(tǒng)電池額定容量取50 MV·A，最大充、放電功率取10 MW，其充、放電效率取90%。Δt表示一個時間區(qū)間，為了簡化模型，具體將1 天劃分為24個時間區(qū)間，以1 h 為時間尺度參考。電池充放1 kW·h 電需要的成本PE取4.5 元∕（kW·h）（假設(shè)電池初始為滿電狀態(tài)）。

3.3.2 算例數(shù)據(jù)及分析

以山西電力市場為研究對象，以2015年某天山西某風電場數(shù)據(jù)作為風電出力曲線。如圖4—5 所示，風電的預測出力與實際出力之間存在偏差，風力發(fā)電在不同區(qū)域和時段會呈現(xiàn)出與需求側(cè)負荷不相匹配的特征。

圖4 山西某風電場預測風電出力曲線Fig.4 Forecasted wind power output curve of a wind farm in Shanxi

圖5 山西某風電場實際風電出力曲線Fig.5 Actual wind power output curve of a wind farm in Shanxi

日前、日內(nèi)的波動電價以某天電力市場交易平臺的數(shù)據(jù)為準，如圖6—7 所示，電力市場日前與日內(nèi)價格的實時波動存在偏差。

圖6 日前價格波動曲線Fig.6 Day-ahead price fluctuation curve

綜合以上算例，引入儲能系統(tǒng)可有效緩解風電供需兩側(cè)的不平衡問題，可為風能的供給增加緩沖。此外，電力市場的價格偏差會影響儲能系統(tǒng)實時的充放決策，對發(fā)電商的盈虧產(chǎn)生影響。因此，需要討論風儲聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

圖7 日內(nèi)價格波動曲線Fig.7 Intraday price fluctuation curve

3.3.3 結(jié)果分析

在MATLAB 環(huán)境下編程，以風儲聯(lián)合系統(tǒng)總收益最大為目標，對儲能系統(tǒng)各時刻充放電功率值進行求解，如圖8—9所示。儲能系統(tǒng)只有在風力不足或風力過剩的情況下才會優(yōu)先運行，可通過電池的充放來緩解風電供需不平衡。由于受經(jīng)濟性影響，儲能系統(tǒng)沒有滿充滿放，在某些時刻電池可休眠。極大延長了電池壽命，可減少頻換電池的成本。

圖8 各時刻充電放電決策Fig.8 Charge and discharge decision

綜上所述，風儲聯(lián)合系統(tǒng)的運行不僅可以有效緩解風電獨立運行時因其隨機性、間歇性而產(chǎn)生的供需不衡等情況，而且可以解決儲能系統(tǒng)獨立運行時電池成本過高等問題。因此，風儲聯(lián)合運行比風電和儲能完全獨立分開運行更加優(yōu)良。

此外，由于電池的充放電決策優(yōu)化實質(zhì)上是滾動優(yōu)化，所以其決策是實時滾動更新的，其過程如圖10所示。

圖9 各時刻電池的剩余電量Fig.9 SOC of battery

圖10 充放決策滾動優(yōu)化流程Fig.10 Rolling optimization process for charging and discharging decision-making

4 結(jié)束語

風力發(fā)電在減少環(huán)境污染和提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時，存在著運行隨機性和間歇性的問題。風儲聯(lián)合系統(tǒng)可以有效地改善其所存在的劣勢，為了滿足風電并網(wǎng)的要求，本文對風電參與電力市場策略及風儲聯(lián)合系統(tǒng)的運行優(yōu)化問題進行了深刻研究。本文以風儲聯(lián)合系統(tǒng)收益最大為目標進行數(shù)學建模，與此同時為了防止儲能系統(tǒng)存在過充過放的問題，既添加了容量和功率的約束，也增添了對每一時刻充放電唯一性的約束。然后再以實際風電的波動數(shù)據(jù)及市場電價的波動數(shù)據(jù)作為具體算例進行研究。由于引入儲能可緩解風能的間歇性、隨機性等特點帶來的問題，這極大程度上緩解了能源的浪費。因此，風儲系統(tǒng)聯(lián)合運行的經(jīng)濟性更優(yōu)于風電與儲能的單獨運行。在如今新能源高滲透的情況下，具有現(xiàn)實意義。