唐蕾，郝思鵬，張前

(南京工程學(xué)院，南京 211100)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)為了改善傳統(tǒng)的發(fā)電方式，減少溫室氣體的排放，光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電飛速發(fā)展，新能源并網(wǎng)設(shè)備的裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，在節(jié)能減排的同時(shí)，發(fā)電并網(wǎng)大幅度增加了電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差，由于新能源發(fā)電本身具有的不確定性，增加了火電廠的調(diào)峰難度。由于傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、爬坡速率慢的特點(diǎn)，新能源并網(wǎng)也加深了電網(wǎng)調(diào)頻壓力。電力系統(tǒng)的調(diào)峰主要依靠調(diào)峰電源完成，現(xiàn)階段我國(guó)火電機(jī)組裝機(jī)容量占比高，承擔(dān)著主要的調(diào)峰任務(wù)，當(dāng)火電機(jī)組可調(diào)節(jié)的電源容量遠(yuǎn)不能滿足調(diào)峰需求時(shí)，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象以及火電機(jī)組頻繁啟?，F(xiàn)象普遍發(fā)生。為緩解火電廠調(diào)峰調(diào)頻的壓力，研發(fā)出儲(chǔ)能等各類補(bǔ)救措施。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)昂貴，如何給火電廠配置儲(chǔ)能以達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益是亟待解決的新問(wèn)題。對(duì)于儲(chǔ)能電場(chǎng)參與火電廠調(diào)頻問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]根據(jù)發(fā)電廠儲(chǔ)能系統(tǒng)的特征對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電廠中的應(yīng)用進(jìn)行分析和研究。針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與火電廠自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)儲(chǔ)能系統(tǒng)問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]表明儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的調(diào)頻性能明顯優(yōu)于機(jī)組單獨(dú)調(diào)頻，且調(diào)頻深度顯著提高，聯(lián)合運(yùn)行的補(bǔ)償收益明顯增加。文獻(xiàn)[3]根據(jù)華北電網(wǎng)《兩個(gè)細(xì)則》中自動(dòng)發(fā)電控制補(bǔ)償費(fèi)用的計(jì)算方法，提出調(diào)節(jié)深度、調(diào)節(jié)性能Kp對(duì)AGC服務(wù)貢獻(xiàn)補(bǔ)償費(fèi)用的影響。

針對(duì)儲(chǔ)能參與火電廠調(diào)峰問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]對(duì)儲(chǔ)能參與火電廠調(diào)峰的效應(yīng)以及容量配置做出綜述。文獻(xiàn)[5]提出一種儲(chǔ)能與正常調(diào)峰、深度調(diào)峰、投油調(diào)峰、啟停調(diào)峰相結(jié)合的優(yōu)化調(diào)峰方法，構(gòu)建組合調(diào)峰方案技術(shù)指標(biāo)曲面和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)曲面，兩曲面交線為最優(yōu)組合調(diào)峰方案。

儲(chǔ)能的容量配置以及儲(chǔ)能設(shè)備容量最小或者以成本最低的單一配置方法。文獻(xiàn)[6]通過(guò)雙層優(yōu)化配置含有風(fēng)電的火電廠儲(chǔ)能容量，使得在經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的情況下火電廠調(diào)峰達(dá)到最優(yōu)。文獻(xiàn)[7]以解決新能源并網(wǎng)的功率波動(dòng)問(wèn)題，提出了風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電容量最優(yōu)配比方法。文獻(xiàn)[8]以功率容量最小為目標(biāo)，提出了以時(shí)序電力平衡為基礎(chǔ)的新能源電源規(guī)劃方法和提高電力系統(tǒng)靈活性的儲(chǔ)能配置方法來(lái)緩解調(diào)峰壓力。建立多目標(biāo)的優(yōu)化模型可以兼顧儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和效應(yīng)，能讓儲(chǔ)能系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，調(diào)峰效果更顯著。文獻(xiàn)[9]考慮梯次利用電池的雙層儲(chǔ)能容量配置模型，通過(guò)上層使儲(chǔ)能投資和發(fā)電成本最低的模型結(jié)合下層考慮運(yùn)行約束和電池模型約束，合理分配發(fā)電方式的出力，求解出的系統(tǒng)發(fā)電成本，并利用遺傳算法迭代更新，得到火電廠調(diào)峰儲(chǔ)能最優(yōu)容量配置方案。文獻(xiàn)[10]依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后的功能和效果，提出了一種平抑風(fēng)力發(fā)電功率波動(dòng)的儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置方法，使經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

以上研究成果在一定程度上為火電廠儲(chǔ)能的配置起到了指導(dǎo)作用，但是儲(chǔ)能電池的優(yōu)化配置只考慮了電廠側(cè)的負(fù)荷功率波動(dòng)情況，導(dǎo)致從整個(gè)電網(wǎng)的儲(chǔ)能配置來(lái)看，經(jīng)濟(jì)性達(dá)不到最高[11-13]。文中將儲(chǔ)能配置從電廠側(cè)單一控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)側(cè)直接控制，使電廠側(cè)儲(chǔ)能不局限于輔助機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰，且能更大化增加儲(chǔ)能運(yùn)行的收益。

1 區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型

1.1 區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

文章僅考慮區(qū)域電網(wǎng)中只有火電廠的情形。發(fā)電側(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of regional power grid

儲(chǔ)能系統(tǒng)往往接在火電廠高廠變的低壓側(cè)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能輔助調(diào)頻整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of energy storage assisted FM network

1.2 區(qū)域電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

1.2.1 火電機(jī)組模型

對(duì)于傳統(tǒng)的火電機(jī)組，運(yùn)行成本主要包含啟停成本和煤耗成本，所以火電廠的運(yùn)行成本表示為：

(1)

式中N為火電廠機(jī)組數(shù)量；T為一個(gè)計(jì)算周期，以一天24 h帶入；ai、bi、ci分別為機(jī)組i的發(fā)電成本系數(shù)；pi,t為機(jī)組i在t時(shí)刻的發(fā)電功率；ui,t為機(jī)組i在t時(shí)段的啟停狀態(tài)，0表示停運(yùn)，1表示啟動(dòng)；si,t為機(jī)組i在t時(shí)段的啟動(dòng)成本。

火電廠機(jī)組運(yùn)行約束條件如下：

(1)機(jī)組出力上下限約束：

ui,tpi,min≤pi,t≤ui,tpi,max

(2)

式中pi,min、pi,max分別為機(jī)組i允許的最小有功出力、最大有功出力。

(2)機(jī)組爬坡約束：

(3)

式中Ri,up、Ri,down分別為機(jī)組i輸出功率最大的向上調(diào)節(jié)速率、向下調(diào)節(jié)速率。

(3)機(jī)組啟停約束：

(4)

(4)機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用約束：

(5)

1.2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)是電網(wǎng)的電能緩沖設(shè)備，它的接入可以緩解電網(wǎng)中供電失衡的狀況。儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本主要為儲(chǔ)能電池的使用壽命，使用壽命主要包括充放電次數(shù)和放電深度[14-15]。

所以其運(yùn)行成本表示為：

(6)

式中Cs為儲(chǔ)能電池充放電一次的成本；n1為儲(chǔ)能裝置全生命周期的循環(huán)次數(shù)，n2為半生命周期的循環(huán)次數(shù)；εi為過(guò)充過(guò)放的懲罰系數(shù)，電池過(guò)充過(guò)放時(shí)為1.5，正常工作時(shí)為1；Nc為儲(chǔ)能電池生命周期內(nèi)的等效完全循環(huán)次數(shù)；Ncy(Di)為當(dāng)儲(chǔ)能電池的放電深度為Di時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)約束條件如下：

(1)儲(chǔ)能的充放電功率約束：

(7)

(8)

(9)

(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率調(diào)控范圍約束。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于其允許的最大充電值或放點(diǎn)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將失去下調(diào)或上調(diào)的調(diào)控能力。

(10)

(11)

(3)儲(chǔ)能的儲(chǔ)存能量約束：

(12)

式中eess,t為t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量值；ηch為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率；ηd為儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電效率；

(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量調(diào)控范圍約束。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量為最大值、最小值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)同樣會(huì)失去調(diào)控能力，因此要預(yù)留部分存儲(chǔ)空間。

(13)

(14)

式中emax、emin為儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量允許的最大值、最小值。

(5)功率平衡約束。

配置儲(chǔ)能后，火電機(jī)組、儲(chǔ)能發(fā)電有功功率和負(fù)荷的有功功率在任何t時(shí)刻都達(dá)到平衡。

pi+pess,t-pl,t=0

(15)

1.2.3 儲(chǔ)能參與火電廠AGC性能收益

為激勵(lì)儲(chǔ)能裝置參與調(diào)頻市場(chǎng)，提高調(diào)頻服務(wù)質(zhì)量，因此基于調(diào)節(jié)深度指標(biāo)，對(duì)具備不同響應(yīng)能力的調(diào)頻資源給予不同程度的補(bǔ)償。

(1)調(diào)節(jié)深度為每日調(diào)節(jié)量的總和，即：

(16)

式中D為機(jī)組當(dāng)天AGC的調(diào)節(jié)深度；n為日調(diào)節(jié)次數(shù)；Dj為機(jī)組第j次的調(diào)節(jié)深度。

(2)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)Kp，即：

(17)

調(diào)節(jié)性能日指標(biāo)為第i臺(tái)機(jī)組一天內(nèi)n次調(diào)節(jié)過(guò)程性能指標(biāo)：

(18)

(3)日補(bǔ)償費(fèi)用：

f3=D×ln(Kp)×YAGC

(19)

式中YAGC為AGC補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，取7.5 元/MW。

2 區(qū)域電網(wǎng)模型的求解方法

2.1 模型求解算法原理

區(qū)域電網(wǎng)下的火電廠儲(chǔ)能優(yōu)化配置問(wèn)題，是在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)接入多個(gè)火電廠，在滿足約束條件的情況下，就是建立一個(gè)以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)的函數(shù)，以火電廠運(yùn)行條件、儲(chǔ)能充放電功率限額等為約束條件的數(shù)學(xué)模型。

通過(guò)Fmincon函數(shù)對(duì)其進(jìn)行求解，其數(shù)學(xué)模型及常用格式如下：

x=Fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,Ib,ub)

(20)

式中fun為目標(biāo)函數(shù)；x0為初始點(diǎn)；Fmincon為非線性約束函數(shù)；Ib、ub為變量x的上界約束、下界約束，使得Ib≤x≤ub；A，b為不等式約束Ax≤b；Aeq、beq為等式約束Aeqx=beq；若不需要此約束時(shí)，變量用“[]”代替。

2.2 模型求解算法流程

利用MATLAB下的Fmincon函數(shù)對(duì)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能進(jìn)行規(guī)劃，流程圖如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能容量與配置流程Fig.3 Energy storage capacity and configuration process

具體步驟如下：

步驟1：輸入原始數(shù)據(jù)及相應(yīng)參數(shù)，包括負(fù)荷，火電機(jī)組參數(shù)以及儲(chǔ)能裝置參數(shù)；

步驟2：進(jìn)行初始潮流計(jì)算，得到配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)初始電壓和功率；

步驟3:利用Fmincon函數(shù)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝的節(jié)點(diǎn)；

步驟4：確定儲(chǔ)能安裝的容量；

步驟5：計(jì)算儲(chǔ)能安裝后的最終收益。

3 算例分析

3.1 算例簡(jiǎn)述

以某地區(qū)實(shí)測(cè)日負(fù)荷數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，擬合出24 h的負(fù)荷曲線，以IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為例進(jìn)行驗(yàn)證。

系統(tǒng)接入5個(gè)火力發(fā)電機(jī)機(jī)組。分別接入7節(jié)點(diǎn)、14節(jié)點(diǎn)、 24節(jié)點(diǎn)、 30節(jié)點(diǎn)和32節(jié)點(diǎn)。最大出力為200 MW。配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Distribution network structure diagram

電價(jià)為：峰時(shí)0.55 元/kW·h，平時(shí)0.488 元/(kW·h)，谷時(shí)0.33 元/(kW·h)。

3.2 仿真分析

該區(qū)域的日負(fù)荷曲線如圖5所示。根據(jù)區(qū)域配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到一組各節(jié)點(diǎn)的功率和電壓數(shù)據(jù)。對(duì)一天之內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到24組節(jié)點(diǎn)功率、電壓數(shù)據(jù)。

圖5 區(qū)域日負(fù)荷曲線Fig.5 Regional daily load curve

為說(shuō)明模型的有效性，設(shè)計(jì)兩個(gè)配置模式進(jìn)行對(duì)比。模式1為根據(jù)各火電廠機(jī)組出力分別配儲(chǔ)能。模式2為考慮配電網(wǎng)大環(huán)境下的儲(chǔ)能配置。

(1)模式1的決策結(jié)果。

在模式1下，根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，5臺(tái)機(jī)組的啟停情況如表1所示，機(jī)組的調(diào)節(jié)性能及收益如表2所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率如圖6所示。

表1 模式1對(duì)應(yīng)的機(jī)組啟停計(jì)劃Tab.1 Unit start and stop plan corresponding to mode 1

表2 模式1對(duì)應(yīng)的機(jī)組AGC性能及收益Tab.2 AGC performance and benefits of units in mode 1

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)一天的充放電功率Fig.6 Charge and discharge power of energy storage system for one day

(2)模式2的決策結(jié)果。

在模式2下，火電機(jī)組的啟停和收益如表3、表4所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率如圖7所示。

表3 模式2對(duì)應(yīng)的機(jī)組啟停計(jì)劃Tab.3 Unit start and stop plan corresponding to mode 2

表4 模式2對(duì)應(yīng)的機(jī)組AGC性能及收益Tab.4 AGC performance and benefits of units in mode 2

圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)一天的充放電功率Fig.7 Charge and discharge power of energy storage system for one day

對(duì)比表1、表3可知，5臺(tái)火電機(jī)組一天內(nèi)共涉及20次啟停，按照此策略配置儲(chǔ)能后，機(jī)組啟停次數(shù)減少為13次；對(duì)比表2、表4可知，按照此策略配置儲(chǔ)能后，各火電機(jī)組調(diào)節(jié)深度均增加，儲(chǔ)能參與的機(jī)組AGC調(diào)頻補(bǔ)償費(fèi)用提高；對(duì)比圖6、圖7知，按照此策略配置后，儲(chǔ)能電池的充放電功率上下波動(dòng)區(qū)間減小，可以有效減少儲(chǔ)能配置的容量從而降低配置所需的成本。

采用在配電網(wǎng)中配置多個(gè)火電廠儲(chǔ)能的配置策略可以有效減少火電機(jī)組啟停次數(shù)，機(jī)組的調(diào)節(jié)深度擴(kuò)大，配置儲(chǔ)能的容量減少，儲(chǔ)能參與的AGC調(diào)頻補(bǔ)償收益增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章建立了在配電網(wǎng)場(chǎng)景下的火電廠儲(chǔ)能容量配置模型。模型仿真結(jié)果表明：此方法比單一側(cè)火電廠儲(chǔ)能配置能更有效減少火電機(jī)組的啟停，平抑系統(tǒng)功率峰谷差，使系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。

此方法的不足是沒(méi)有考慮配電網(wǎng)中接入的光伏、風(fēng)力發(fā)電，后續(xù)將進(jìn)一步引入新能源發(fā)電，并利用儲(chǔ)能的削峰填谷的特征來(lái)更有效配置發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能，讓系統(tǒng)運(yùn)行和提高新能源消納能力，但沒(méi)有考慮火電機(jī)組出力的季節(jié)性變化問(wèn)題。后續(xù)將研究大電網(wǎng)中多個(gè)火電廠的主次分類，主力火電廠為發(fā)電，次要火電廠為調(diào)峰調(diào)頻，并對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)能容量配置，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。