國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 王建高

1 大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能研究背景

1.1 研究背景

隨著社會的發(fā)展，石油等不可再生資源的儲備量逐漸減少，且這些傳統(tǒng)能源使用過程中不可避免會對環(huán)境造成一定程度的污染，因此，綠色清潔環(huán)保的新能源在能源市場的占比也越來越大。在數(shù)目琳瑯滿目的新能源市場中，風能、太陽能作為一種取材方便、經(jīng)濟實惠的清潔資源，一直受到來自電力單位的關(guān)注，風光儲發(fā)電技術(shù)也逐漸壯大起來。

大規(guī)模新能源接入配電網(wǎng)會嚴重影響供電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行，如在炎熱的夏季，太陽光輻射強因而光伏的發(fā)電出力較高，但風力強度較弱因而風電機組的出力小[1]。相反，在嚴寒的冬季，太陽輻射弱因而光伏的發(fā)電出力較小，風力強度較大因而風電機組的發(fā)電出力大。單從每日來看，白天日照強、風力較小，故光伏發(fā)電比風機的發(fā)電出力多；而在夜間沒有日照、風力較大，所以夜間更適宜風力發(fā)電或供電調(diào)節(jié)。引入儲能系統(tǒng)后，可以盡可能地降低風光綜合發(fā)電的波動性和隨機性，適應(yīng)供電系統(tǒng)對靈活性的要求，能夠有效緩解環(huán)境污染等歷史難題，減少風能和太陽能發(fā)電單獨輸出并入電網(wǎng)而造成的不穩(wěn)定性，促進系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[2]。

1.2 儲能技術(shù)分類

1.2.1 電解水制氫（H）儲能技術(shù)

氫能不僅能量高，且對環(huán)境友好，使用維護成本也不高，因此，經(jīng)常被當作2次能源進行存放，在推動未來能源發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。氫能取材方便，能夠隨時隨地進行取材。比如電解水制氫，就是把最常見的水作為原材料，利用外接通電回路借助外力將水分解獲得氫氣，其生產(chǎn)過程中對環(huán)境無污染、零傷害。

1.2.2 熱儲能儲能技術(shù)

熱儲能儲能技術(shù)即借助加熱抑或通過冷卻存儲系統(tǒng)來將能量以熱能形式進行存儲的技術(shù)，與別的技術(shù)相比，該儲能系統(tǒng)易于維護、花費資金較小。其中常見的有顯熱儲熱、相變儲能等。前者操作簡單，是目前市場上較為推廣并大力支持的儲熱方式之一，其采用固態(tài)相變材料、液態(tài)顯熱材料當作儲熱媒介，借助改變介質(zhì)溫度來促成儲熱。擁有傳熱性能高、傳熱比熱容大等特點，廣泛用于光伏發(fā)電、冬季供暖、余熱回收等領(lǐng)域。后者相變儲能裝置儲能密度比較大，體積緊湊，溫度與能量便于精確控制等優(yōu)點，能夠通過它進行儲能實現(xiàn)電力資源的有效調(diào)配，也可用于可再生能源，建筑行業(yè)節(jié)能，廢熱回收等領(lǐng)域。

1.2.3 電化學(xué)儲能技術(shù)

電化學(xué)儲能是當前大力推廣且應(yīng)用最多、發(fā)展遠景最佳的電池，與其他儲能技術(shù)比較，該技術(shù)工作時不受外界自然環(huán)境的影響、安裝也不受地理因素限制、儲能方便靈活、吸收和釋放能量效率高、能量密度強等優(yōu)勢。然而當充放電次數(shù)加大時，其使用壽命會慢慢降低，這也在一定程度上影響了電化學(xué)儲能電池的長期使用。但隨著技術(shù)發(fā)展，電化學(xué)儲能成本投入的逐漸減小，已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于新型電力網(wǎng)絡(luò)。

2 大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能配置模型

本文搭建了雙層規(guī)劃儲能系統(tǒng)配置模型[3]，外層優(yōu)化模型的關(guān)鍵變量為儲能所需配置的功率及容量限制，目標函數(shù)為minCA，關(guān)注儲能的投資成本及風光出力聯(lián)絡(luò)線的波動；內(nèi)層優(yōu)化模型的關(guān)鍵變量為儲能設(shè)備在運行中的充電與放電的動態(tài)功率、SOC 約束等，目標函數(shù)為minf，關(guān)注系統(tǒng)風光出力動態(tài)功率聯(lián)絡(luò)線波動最低值。雙層優(yōu)化模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙層優(yōu)化模型架構(gòu)

3 大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能配置流程

因為采用雙層優(yōu)化模型計算獲得全局最優(yōu)解難度較高，所以，選擇數(shù)值計算方法，將設(shè)定次數(shù)的步驟進行反復(fù)迭代，當符合既定的數(shù)值收斂條件時，便可認定為最優(yōu)解。儲能配置流程算法如圖2所示[4]，其中，指各個季節(jié)風光儲能系統(tǒng)的容量配置、指各個季節(jié)風光儲能系統(tǒng)的功率配置。

圖2 雙層控制的儲能配置流程

4 案例分析

4.1 案例數(shù)據(jù)

某發(fā)電系統(tǒng)原配置火力發(fā)電機組十臺、輸電線路三十八條，機組的安裝點位和參數(shù)設(shè)置詳見表1，在安裝節(jié)點1、2、7、16、21、23位置各接入700MW光伏電站及700MW 風電場，令新能源裝機容量占總裝機容量的50%，達到高占比大規(guī)模的狀態(tài)。

表1 機組各項參數(shù)

由于用電高峰的存在，該區(qū)域電費也不一致，

具體情況詳見表2。

表2 分時段電費明細

儲能設(shè)置參數(shù)詳見表3。

表3 儲能系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

以某天典型的風光發(fā)電出力及用電負荷需求為例進行說明，如圖3、圖4所示。

圖3 某天典型風光出力

圖4 某天系統(tǒng)典型各時刻負荷需求

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

設(shè)安裝儲能的節(jié)點數(shù)量為五個，分別位于節(jié)點3、5、10、16、17處，配置方案詳見表4，儲能系統(tǒng)年效益較大，為108000萬元，且總投資成本較小，換算到每年為89901萬元。其中，儲能的最初投入為500000萬元，運營中使用維護投入為10000萬元，配套設(shè)施的換新投入為174000萬元[5]。在設(shè)備使用壽命十五年內(nèi)，儲能系統(tǒng)通過發(fā)揮自身設(shè)備價值、提供能量儲存服務(wù)獲取利潤為927001萬元，通過提供其他輔助性電力服務(wù)獲取707000萬元，儲能 系統(tǒng)可獲取的總收益約為1630000萬元。

5 結(jié)語

風光儲發(fā)電技術(shù)作為新能源市場上的新秀，因其靈活利用風能、太陽能進行發(fā)電、對環(huán)境無污染等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，解決大規(guī)模新能源并入配電網(wǎng)時電力系統(tǒng)儲能配置問題、提升系統(tǒng)整體運行質(zhì)量是當前電力行業(yè)面臨的關(guān)鍵問題之一。本文在簡要介紹了大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能研究背景的前提下，探討了大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能配置模型及配置流程，最后對新能源裝機容量占比50%的高比例新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能案例進行了分析，最大程度地保證了電力系統(tǒng)的運行質(zhì)量，實現(xiàn)了工作效率與經(jīng)濟效益的雙贏。為以后大規(guī)模新能源接入下的電力系統(tǒng)儲能研究提供了理論指導(dǎo)和實踐參考。