陳盛燃

(東莞供電局，廣東 東莞 523000)

現(xiàn)如今，多個國家將可再生能源的利用作為實現(xiàn)環(huán)境保護、提升能源利用率的主要途徑，以此避免能源短期問題對社會的影響[1-2]。隨著全球氣候變暖情況的加劇，傳統(tǒng)煤炭、石油等非可再生能源的減少，需要進一步推進可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，風能、光能等已經(jīng)接入電力系統(tǒng)，我國仍在不斷提升風電、光伏發(fā)電的規(guī)模，提高其在傳統(tǒng)能源發(fā)電中的占比。在提高可再生能源滲透率的同時，逐漸緩解了碳排放量的污染問題。隨著能源種類的增加，單一的配電網(wǎng)儲能結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。在現(xiàn)今碳排放約束下，如何有效規(guī)劃電網(wǎng)中的可再生能源儲能單元，成為了考察配電網(wǎng)運行效果的主要因素[3-5]。

可再生能源接入電網(wǎng)在一定程度上可緩解能源短缺，但其對配電網(wǎng)的儲能單元運行能力以及規(guī)劃能力相對較高，當前的儲能方法無法滿足多種可再生能源同期運行的要求。在以往的研究中，國外的專家學者已經(jīng)對其進行了大量的分析，此部分研究成果均可對電網(wǎng)儲能單元進行合理規(guī)劃，但規(guī)劃后儲能單元及電網(wǎng)的運行成本相對較高，無法達到電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求[6-7]。為此，將應用西方學者的研究成果，結(jié)合我國的低碳環(huán)保要求，構(gòu)建可再生能源接入電網(wǎng)儲能多階段規(guī)劃模型，力求使用此模型獲取到可行性與科學性更高的規(guī)劃方案。

1 多階段規(guī)劃模型設計

此次研究將碳排放約束條件作為研究背景，在此環(huán)境下優(yōu)化電網(wǎng)儲能多階段規(guī)劃模型?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)的實際場景如圖1所示。

圖1 可再生能源接入電網(wǎng)的應用場景Fig.1 Application scenarios of renewable energy access to the power grid

為保證此次研究過程具有可控性，設計過程見表1。

表1 電網(wǎng)儲能多階段規(guī)劃模型設計過程Tab.1 Design process of multi-stage planning model for power grid energy storage

根據(jù)表1內(nèi)容，完成電網(wǎng)儲能多階段規(guī)劃模型設計過程，此模型中含有大量的計算內(nèi)容，此次研究將主要對計算部分進行分析。

1.1 儲能系統(tǒng)充放電性能分析

當可再生能源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)儲能系統(tǒng)需要劃分為多個微小單元，在進行儲能規(guī)劃的過程中需要對儲能單元的功率以及荷電狀態(tài)進行分析，具體過程如下：

(1)儲能單元功率

Ab(t)=ui(t)Adis(t)+uj(t)Aj(t)

(1)

式中，ui(t)、uj(t)分別為儲能單元的充電與放電標志。當儲能單元進行充電或放電時，ui(t)、uj(t)的取值分別為(1，0)以及(0，1)。Adis(t)為儲能單元的充電功率；Aj(t)為儲能單元的放電功率。

(2)儲能單元荷電狀態(tài)

將儲能單元的荷電狀態(tài)設定為SOC，使用其表示儲能單元剩余電量與儲能單元完全充電狀態(tài)時容量的比率[8-11]，則t時刻儲能單元的荷電狀態(tài)可表示為：

(2)

使用上述公式，對電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充放電能力進行分析，并作為后續(xù)規(guī)劃方案選擇的參考條件。

1.2 可再生能源儲能系統(tǒng)功率分配

電網(wǎng)儲能單元在規(guī)劃過程中，需要對不同階段的可再生能源功率的高低頻展開計算。按照相關的計算原則[12]，構(gòu)建高通濾波器對不同能源的儲能功率進行分配，具體計算過程如下：

(3)

式中，TU為高通濾波器[13-15]使用過程中的時間常數(shù)。不同能源儲能單元之間的占比可轉(zhuǎn)化為不同儲能頻率補償范圍。對QHESS進行頻譜分析，在確定儲能單元分界頻率后，明確各類型能源的補償范圍。本次研究中選用傅立葉算法[16-17]對上述公式進行求解，確定補償頻段的幅值，為簡化計算過程，將補償段外的幅值設定為0，得到各能源的儲能單元應輸出的功率序列：

Ggc=F(Egc) ={Egc,1,Egc,2,Egc,3,…,Egc,n}

(4)

式中，F(xiàn)(·)為傅立葉變換函數(shù)。

使用此公式可得到儲能單元的功率輸出曲線，具體圖像如圖2所示。

圖2 儲能單元功率輸出曲線Fig.2 Power output curve of energy storage unit

對上述圖像進行分析可以看出，儲能單元的功率輸出狀態(tài)大致可分為3個階段，此次研究將以功率輸出曲線作為藍本，完成規(guī)劃過程。

1.3 電網(wǎng)儲能階段規(guī)劃

根據(jù)上文中設計內(nèi)容以及碳排放要求，構(gòu)建電網(wǎng)儲能階段規(guī)劃模型。在此次研究中將儲能單元運行總成本最小值設定為目標函數(shù)，使用資本回收系數(shù)[18-19]作為多階段規(guī)劃中的成本折算公式，則多階段規(guī)劃目標函數(shù)可表示為：

(5)

其中，L為儲能單元設備壽命；δ為通貨膨脹率；χ為可再生能源儲能的資本回收系數(shù)[20]；h為設備已經(jīng)歷的使用年限。在此公式的基礎上，可得到多階段規(guī)劃模型：

(6)

其中，Δt為電網(wǎng)儲能單元的運行時間；Ωc為電網(wǎng)所處階段；Ωk為電網(wǎng)運行年份；Ωe為電網(wǎng)所處季度。

使用當前規(guī)劃模型的求解方法對上述公式進行求解，以此完成可再生能源接入電網(wǎng)后的儲能多階段規(guī)劃工作。對上文中設計內(nèi)容進行整理，至此，碳排放約束下可再生能源接入電網(wǎng)儲能多階段規(guī)劃模型構(gòu)建完成。

2 算例論證分析

2.1 算例數(shù)據(jù)設定

本次實驗中將修正后的39節(jié)點測試系統(tǒng)作為研究對象，驗證此次研究中提出模型的可行性。

此測試系統(tǒng)中包含5臺不同類型的發(fā)動機，火電機組的參數(shù)與各節(jié)點的設備配置情況見表2。

除表2中數(shù)據(jù)外，此系統(tǒng)的其他參數(shù)設定如下：最大負荷 1 200 MW；新能源的總裝機 650 MW，其

圖3 算例研究的測試系統(tǒng)Fig.3 Test system for example study

表2 火電機組參數(shù)以及節(jié)點設備對應關系Tab.2 Corresponding relationship between thermal power unit parameters and node equipment

中風電500 MW，光伏150 MW。3臺風機分別安裝在節(jié)點12、節(jié)點19以及節(jié)點30，額定容量分別為300、150、200 MW；節(jié)點15處安裝光伏發(fā)電器，額定容量為120 MW。將測試周期設定為1 d，以1 h為采樣點，取冬季與夏季2個典型日作為測試案例，在實驗進行前，繪制冬季與夏季典型日電力系統(tǒng)運行曲線如圖4所示。

圖4 負荷及功率示意Fig.4 Schematic diagram of load and power

本次實驗中的儲能電池允許安裝到節(jié)點1—20。以常規(guī)儲能系統(tǒng)為例，假設系統(tǒng)中儲能單元的儲能功率為95%左右，充放電深度為25%～75%，旋轉(zhuǎn)備用上下限設定為系統(tǒng)負荷的5%和可再生能源的15%，其他參數(shù)及需求彈性系數(shù)見表3。

表3 儲能單元參數(shù)設定Tab.3 Parameter setting of energy storage unit

在碳排放約束環(huán)境下，需要考慮到儲能運行過程中的環(huán)境成本。參考表3中的數(shù)據(jù)，為降低計算難度，將儲能系統(tǒng)中污染物減少而產(chǎn)生的環(huán)境效益設定為0.1元/kW·h。將上述內(nèi)容作為本次測試過程中的數(shù)據(jù)樣本，實現(xiàn)對本文模型使用效果的分析。

2.2 多階段規(guī)劃實驗設定

為驗證文中模型的合理性，在此次實驗中設定4個場景對文中模型的使用效果進行對比。①場景1：無儲能；②場景2：單能源配置儲能；③場景3：2類能源配置儲能；④場景4：3類能源配置儲能。

表4 需求彈性系數(shù)Tab.4 Coefficient of demand elasticity

在此次研究中，將無儲能環(huán)境中模型應用結(jié)果作為實驗中測試對照組，具體結(jié)果見表5。

表5 無儲能環(huán)境下電網(wǎng)運行指標結(jié)果Tab.5 Grid operation index results without energy storage environment

由表5中數(shù)據(jù)可知，在無儲能單元運作的環(huán)境下，電網(wǎng)運行損失較大且電網(wǎng)機組啟停成本相對較高。將上述數(shù)據(jù)作為后續(xù)多環(huán)境實驗中的數(shù)據(jù)對照組，對本文構(gòu)建模型進行分析。

2.3 儲能多階段規(guī)劃實驗分析

在使用本文模型完成儲能規(guī)劃后，場景2、場景3、場景4的階段儲能規(guī)劃結(jié)果見表6。

表6 不同實驗環(huán)境下電網(wǎng)儲能Tab.6 Grid energy storage under different experimental environments

對表6中數(shù)據(jù)進行分析可以看出，使用此模型后電網(wǎng)在不同的場景綜合效益均為正數(shù)，表明儲能單元作為獨立的設備進行運行中，通過可再生能源接入電網(wǎng)后在提升電網(wǎng)經(jīng)濟性的同時，也帶來了較高的社會效益。其中場景3的綜合收益最高，對于提升電網(wǎng)的經(jīng)濟性效果最為顯著。此時，電網(wǎng)中的儲能階段個數(shù)可劃分為3個階段與1個階段。與此同時，對此表格中的數(shù)據(jù)進行分析可以看出，隨著可再生能源數(shù)量的不斷提升，儲能總配置呈現(xiàn)出先增加后降低的走向，且在不同的實驗環(huán)境中，不同的儲能規(guī)劃結(jié)果均能控制碳排放量。為了更好地對本文模型進行分析，對使用后電網(wǎng)運行成本與使用此模型前的運行成本進行對比分析，確定此模型的經(jīng)濟性，具體實驗結(jié)果如圖5所示。

對圖5中的內(nèi)容進行分析可以看出，使用本文模型進行規(guī)劃后，電網(wǎng)的收益得到顯著的提升。隨著新能源儲能配置的不斷完善，電網(wǎng)損失收益逐漸增加，但呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當接入的新能源過多時，電網(wǎng)運行成本受制于儲能單元的投資成本，且電網(wǎng)的運行成本不足以抵消儲能單元的投資成本，使得電網(wǎng)運行經(jīng)濟性下降。

圖5 電網(wǎng)儲能單元運行成本Fig.5 Operation cost of grid energy storage unit

2.4 實驗討論分析

本次實驗中主要對文中提出的規(guī)劃模型使用后的經(jīng)濟性進行分析，為此，在實驗準備中設定了多種實驗環(huán)境，對模型使用后儲能單元以及運行成本進行了細致分析。在多次實驗中，本文模型均可在實現(xiàn)儲能單元規(guī)劃的基礎上，提升儲能單元與電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性，同時降低碳排放的污染量，實現(xiàn)模型的設計目標。

在后續(xù)的研究中，應對此模型的其他使用性能進行分析，以此實驗為基礎，為可再生能源的應用與電網(wǎng)的發(fā)展提供更加有效的儲能規(guī)劃方案。儲能單元作為獨立運行的設備，在提升其自身經(jīng)濟性的同時，還應注重社會效益，降低電網(wǎng)系統(tǒng)耗損，減少環(huán)境污染。

3 結(jié)語

針對電網(wǎng)儲能多階段規(guī)劃模型使用后，電網(wǎng)運行成本不斷提升的問題，在此次研究中構(gòu)建新型模型對其展開優(yōu)化。經(jīng)實驗結(jié)果證實，新型模型在使用中可有效提升電力系統(tǒng)以及儲能單元的經(jīng)濟性。在未來的研究中，將進一步考慮風電、光伏等不確定性因素的變化速率，以期進一步推動可再生能源應用技術的發(fā)展。