新能源發(fā)電工程儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率優(yōu)化配置

孫培鋒 馮云崗 盧海勇 龔 晨 殷仁豪

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 前言

近年來，隨著我國風(fēng)電、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，同時(shí)也出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的新能源“棄風(fēng)、棄光”現(xiàn)象，制約了新能源風(fēng)電、光伏的進(jìn)一步規(guī)?；_發(fā)利用。降低新能源棄風(fēng)棄光率，提高新能源利用效率，讓我國豐富的風(fēng)、光等自然資源得以最大化利用，對新能源的可持續(xù)發(fā)展極為重要。在新能源風(fēng)電、光伏工程中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，能顯著提高新能源風(fēng)電、光伏發(fā)電量的消納水平，降低新能源發(fā)電的棄電率。

在新能源發(fā)電工程中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率的合理配置是必須解決的基礎(chǔ)性問題，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率的大小將直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)影響其推廣和商業(yè)應(yīng)用。因此，國內(nèi)外的研究人員開展了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率優(yōu)化配置方面的研究。

湯杰[1]提出了面向電網(wǎng)側(cè)的二次調(diào)頻成本-效益計(jì)算模型為基礎(chǔ)，以凈效益最大為目標(biāo)的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。韓杏寧[2]提出了電網(wǎng)側(cè)大區(qū)電力系統(tǒng)中長期時(shí)序生產(chǎn)模擬的快速計(jì)算模型。該模型儲(chǔ)能裝置配置的優(yōu)化目標(biāo)是最小化儲(chǔ)能裝置功率容量需求。Radih、趙書強(qiáng)和邱婷等人[3-5]在時(shí)序功率平衡研究中，將儲(chǔ)能裝置考慮為經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中的一類發(fā)電元件，對儲(chǔ)能裝置在各個(gè)運(yùn)行小時(shí)上的充放電狀態(tài)機(jī)的能量容量變化進(jìn)行決策，并根據(jù)新能源接納需要決策儲(chǔ)能裝置的最大功率和能量容值。但是該方法未能從儲(chǔ)能電站投資者的經(jīng)濟(jì)收益角度考慮。修曉青等人[6]綜合考慮儲(chǔ)能電池的健康狀態(tài)，以源儲(chǔ)荷凈收益最大為目標(biāo)建立了儲(chǔ)能裝置優(yōu)化配置模型，可計(jì)算出適宜的光儲(chǔ)荷配比。孫充勃等人[7]利用粒子群算法求解受端電網(wǎng)中儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)模型，分析了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和儲(chǔ)能裝置成本變化對儲(chǔ)能優(yōu)化配置的影響。程鑫等人[8]提出了基于新能源出力保證率軌跡靈敏度分析的儲(chǔ)能配置方法，鄭樂等人[9]提出將長時(shí)間尺度規(guī)劃問題和短時(shí)間尺度運(yùn)行問題分別放在外層優(yōu)化和內(nèi)層優(yōu)化的雙決策模型來優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)配置。李建林等[10]提出了基于雙層決策模型，同時(shí)考慮聯(lián)絡(luò)線波動(dòng)懲罰、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及儲(chǔ)能功率和容量約束。肖冰[11]等人通過改進(jìn)型例子群優(yōu)化算法求解得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化安裝地點(diǎn)和配置容量。

上述的儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置研究大多是科研導(dǎo)向，研究的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量往往偏小，且不以實(shí)際工程中儲(chǔ)能系統(tǒng)投資方的經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)先考慮對象。另外，針對實(shí)際新能源發(fā)電工程電源側(cè)的儲(chǔ)能容量/功率優(yōu)化配置的研究較少。

1 基于儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的容量/功率優(yōu)化配置方法

本文提出一種面向新能源風(fēng)電、光伏發(fā)電工程，立足儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率優(yōu)化配置方法。該方法綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)投資、運(yùn)維成本、購電價(jià)、售電價(jià)、充放電效率、荷電狀態(tài)、電池壽命和棄電率等因素，通過選擇合適的儲(chǔ)能容量，分析配置儲(chǔ)能系統(tǒng)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)全年8 760 h內(nèi)逐時(shí)充放電量，棄電量，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)購電價(jià)和售電價(jià)，得到全年8 760 h內(nèi)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的儲(chǔ)能容量/功率優(yōu)化配置方法。

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量（QSV1()t）優(yōu)化配置的具體分析計(jì)算方法如下:

1)首先設(shè)定自增步數(shù)n，不同的自增步數(shù)n對應(yīng)不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，計(jì)算不同儲(chǔ)能系統(tǒng)容量下的風(fēng)、光、儲(chǔ)系統(tǒng)棄電率和收益，并篩選出滿足棄電率要求下的凈現(xiàn)值最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量、額定功率定義如式（1）和式（2）：

其中：

Erate——暫定的儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量

Prate——暫定的儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率

Erate.0——儲(chǔ)能系統(tǒng)容量初值

Prate.0——儲(chǔ)能系統(tǒng)功率初值

L1——儲(chǔ)能系統(tǒng)容量步長

L2——儲(chǔ)能系統(tǒng)功率步長

n——自增步數(shù)

未配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)整個(gè)新能源風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)全年8 760 h棄電量定義如式（3）-式（5）：

其中：

WPV(t)—單位kW，光伏全年8 760 h出力

WWD(t)—單位kW，風(fēng)機(jī)全年8 760 h出力

PPV—光伏額定出力

PWD—風(fēng)電額定出力

PPV(t)—全年8 760 h光伏出力

PWD(t)—全年8 760 h風(fēng)電出力

Pgz(t)—全年8 760 h電網(wǎng)調(diào)度功率

2)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)后，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量QSV1(t)≥0時(shí)，即新能源風(fēng)電、光伏所發(fā)電量大于電網(wǎng)的調(diào)度電量，儲(chǔ)能電池開始充電。充電功率為新能源風(fēng)光發(fā)電量較電網(wǎng)調(diào)度功率多出的電能（即QSV1(t)）再乘以充電效率得到的功率值和儲(chǔ)能額定充電功率兩者的小值，用Estore(t)表示t時(shí)刻儲(chǔ)能的蓄電量，公式如式（6）：

當(dāng)QSV1(t)＜0時(shí)，即新能源風(fēng)電、光伏所發(fā)電量小于電網(wǎng)的調(diào)度電量，儲(chǔ)能電池開始放電，放電功率取缺少的電能（即QSV1(t)）乘放電效率和儲(chǔ)能放電額定功率的小值（絕對值的小值），公式如式（7）：

因儲(chǔ)能電池局限于物理效果，每次放電只能將儲(chǔ)能電池額定電量的一部分電量釋放出來，而無法將電池的額定電量一次全部釋放出來。將儲(chǔ)能電池放電后，電池內(nèi)剩余的蓄電量最小比例值設(shè)置為SOCmin，則t時(shí)刻儲(chǔ)能蓄電量的范圍如式（8）

3)已知全年8 760 h儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電量后，可求出全年8 760 h的儲(chǔ)能電池充放電功率Pstore()t（正放，負(fù)充），如式（9）：

其中：

Estore(t-1)—t-1時(shí)刻儲(chǔ)能電池蓄電量

Estore(t)—t時(shí)刻儲(chǔ)能電池蓄電量

Pstore(t)—t時(shí)刻儲(chǔ)能電池充放電功率（正放負(fù)充）

鑒于目前儲(chǔ)能電池的技術(shù)發(fā)展水平和較高的生產(chǎn)及運(yùn)維成本，新能源發(fā)電工程中通常只配置一定比例的儲(chǔ)能電池，將新能源棄電量降低到可接受的程度，而無需將儲(chǔ)能電池容量配置到將所有新能源棄電量全部消納完畢。因此配置儲(chǔ)能電池后，新能源發(fā)電工程中仍可能會(huì)發(fā)生棄電現(xiàn)象。

當(dāng)QSV1(t)≥0時(shí)，用QSV2(t)判斷此時(shí)是否有新能源電量的棄電現(xiàn)象（正棄，負(fù)不棄）：

當(dāng)QSV2(t)＞0時(shí)，新能源發(fā)電工程中出現(xiàn)棄電現(xiàn)象，分析全年8 760 h逐時(shí)棄電量，求和計(jì)算出新能源發(fā)電工程中全年8 760 h總棄電量QSV(t)。將計(jì)算得到的新能源發(fā)電工程中的總棄電量除以總發(fā)電量，即可得到新能源發(fā)電工程配置儲(chǔ)能系統(tǒng)后全年棄電率φ：

4)結(jié)合工程中要求的新能源發(fā)電的棄電率值φ0，篩選出滿足棄電率條件的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率（EratePrate）組合。計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)全年8 760 h的放電量PSF(t)和年總放電量E。

當(dāng)Pstore(t)＞0時(shí)，儲(chǔ)能放電量等于Pstore(t)乘以放電效率：

則儲(chǔ)能系統(tǒng)的年總放電量為：

5)在獲得上述相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的購電支出、售電收入，年運(yùn)維費(fèi)，儲(chǔ)能投資折算年值、貸款利率，可通過式（14）計(jì)算出配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)后項(xiàng)目的凈現(xiàn)值J。

其中：

A—儲(chǔ)能年售電收入（折現(xiàn)），萬元

B—儲(chǔ)能年購電支出（折現(xiàn)），萬元

C—儲(chǔ)能初投資，萬元

D—儲(chǔ)能年運(yùn)維成本（折現(xiàn)），萬元

i—貸款利率，%

然后求出使凈現(xiàn)值J最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率組合（EratePrate），即為最優(yōu)的儲(chǔ)能容量/功率配置。

2 儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置方法應(yīng)用

本文以青海省某地裝機(jī)容量為1 030 MW光伏和250 MW風(fēng)電的新能源風(fēng)、光電站為對象，應(yīng)用本文提出的儲(chǔ)能容量/功率優(yōu)化配置方法進(jìn)行計(jì)算，得到該新能源發(fā)電站的最優(yōu)儲(chǔ)能容量配置。

2.1 儲(chǔ)能配置優(yōu)化計(jì)算輸入數(shù)據(jù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該1 030 MW光伏和250 MW風(fēng)電新能源電站2019年總上網(wǎng)電量和總棄電量分別為 21 822．98萬 kWh和 4 010萬 kWh，總棄電率約15．5%。該新能源電站全年8 760 h的風(fēng)電、光伏出力曲線見圖1和圖2。風(fēng)電聯(lián)合出力8 760 h延時(shí)曲線見圖3，四季典型月平均風(fēng)、光聯(lián)合出力見圖4。

結(jié)合新能源發(fā)電量、限電量及當(dāng)?shù)仡愃菩履茉措娬镜倪\(yùn)行情況，將該工程的發(fā)電量與棄電量的差值作為該工程的電網(wǎng)調(diào)度功率，該工程全年365天的逐日調(diào)度電量見圖5。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到月平均的實(shí)際調(diào)度功率見圖6。

在儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置計(jì)算過程中，其它相關(guān)的輸入?yún)?shù)如下：

儲(chǔ)能電站單位造價(jià)：約180萬元/MWh

儲(chǔ)能電站年運(yùn)維成本：約150元/MWh

購電成本：0．015萬元/MWh

售電成本：0．1萬元/MWh

貸款年利率：0．049

設(shè)備使用年限：15年

儲(chǔ)能電池充放電效率：85．5%

圖1 250 MW風(fēng)電年8 760 h出力曲線

圖2 1 030 MW光伏年8 760 h出力曲線

圖3 1 030 MW光伏+250 MW風(fēng)電聯(lián)合出力8 760 h延時(shí)曲線

圖4 四季典型月平均風(fēng)、光聯(lián)合出力

圖5 全年逐日調(diào)度電量

2.2 儲(chǔ)能配置優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算，得到了不同儲(chǔ)能容量時(shí)對應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的凈現(xiàn)值，整個(gè)儲(chǔ)能工程凈現(xiàn)值在棄電率降低到4．6%附近時(shí)達(dá)到最大，約2 040萬元，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為500 MWh。計(jì)算在4．6%棄電率附近幾個(gè)不同棄電率下的儲(chǔ)能系統(tǒng)的凈現(xiàn)值見表1。

圖6 逐月電網(wǎng)調(diào)度功率

表1 將棄電率降低到4．0%～7．0%時(shí)的儲(chǔ)能容量及對應(yīng)的凈現(xiàn)值

在選定儲(chǔ)能容量500 MWh的前提下，由于儲(chǔ)能電池不同充放電倍率對應(yīng)不同的充放電功率，從而使儲(chǔ)能系統(tǒng)每小時(shí)內(nèi)儲(chǔ)存和釋放的電量不同，導(dǎo)致相同容量不同功率的儲(chǔ)能系統(tǒng)整體成本和收益以及棄電率略有差異。

在給定儲(chǔ)能電池容量條件下，為更準(zhǔn)確地測算儲(chǔ)能電池安裝功率大小，通過差額收益率方法比較了相同儲(chǔ)能系統(tǒng)容量不同功率方案間的經(jīng)濟(jì)性（與未配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行對比），對應(yīng)的分析結(jié)果見表2。

由表2可見，根據(jù)不同儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率配置方案與未配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的差額收益率可見：配置125 MW/500 MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率時(shí)，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方案會(huì)獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

本工程建議選擇的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量/功率配置為125 MW/500 MWh。配置125 MW/500 MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)后，該1 030 MW光伏陣列和250 MW風(fēng)電場的新能源發(fā)電工程的棄電率將從15．5%降低到5．14%。

表2 不同儲(chǔ)能功率配置下棄電率、初投資、年總收益及不同功率配置下的差額收益率

以儲(chǔ)能電池充放電效率95%，充放電深度90%計(jì)算，該125 MW/500 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)年售電量為137 032．56萬kWh，消納新能源棄風(fēng)棄光的儲(chǔ)能系統(tǒng)年運(yùn)行天數(shù)約318天。

3 結(jié)論

本文提出以儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)，綜合考慮儲(chǔ)能電站投資、運(yùn)維成本、充放電效率、售電價(jià)、購電價(jià)、荷電狀態(tài)、儲(chǔ)能電池壽命、棄電率等因素的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量/功率優(yōu)化配置方法。該方法在全年8 760 h內(nèi)通過逐時(shí)分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)及棄電情況，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的購電價(jià)和售電價(jià)，從而確定全年8 760 h內(nèi)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置方法。

以青海省某地1 030 MW光伏陣列和250 MW風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用該方法計(jì)算了該新能源發(fā)電工程的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的儲(chǔ)能容量/功率配置，該新能源電站中配置125 MW/500 MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，將整個(gè)電站的棄電率從15．5%降低到5．1%時(shí)，可獲得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。