大規模新能源接入下的電力系統儲能優化配置研究

國網上海市電力公司青浦供電公司 王建高

1 大規模新能源接入下的電力系統儲能研究背景

1.1 研究背景

隨著社會的發展，石油等不可再生資源的儲備量逐漸減少，且這些傳統能源使用過程中不可避免會對環境造成一定程度的污染，因此，綠色清潔環保的新能源在能源市場的占比也越來越大。在數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、經濟實惠的清潔資源，一直受到來自電力單位的關注，風光儲發電技術也逐漸壯大起來。

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

1.2 儲能技術分類

1.2.1 電解水制氫（H）儲能技術

氫能不僅能量高，且對環境友好，使用維護成本也不高，因此，經常被當作2次能源進行存放，在推動未來能源發展中起著關鍵作用。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，其生產過程中對環境無污染、零傷害。

1.2.2 熱儲能儲能技術

熱儲能儲能技術即借助加熱抑或通過冷卻存儲系統來將能量以熱能形式進行存儲的技術，與別的技術相比，該儲能系統易于維護、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，其采用固態相變材料、液態顯熱材料當作儲熱媒介，借助改變介質溫度來促成儲熱。擁有傳熱性能高、傳熱比熱容大等特點，廣泛用于光伏發電、冬季供暖、余熱回收等領域。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點，能夠通過它進行儲能實現電力資源的有效調配，也可用于可再生能源，建筑行業節能，廢熱回收等領域。

1.2.3 電化學儲能技術

電化學儲能是當前大力推廣且應用最多、發展遠景最佳的電池，與其他儲能技術比較，該技術工作時不受外界自然環境的影響、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、能量密度強等優勢。然而當充放電次數加大時，其使用壽命會慢慢降低，這也在一定程度上影響了電化學儲能電池的長期使用。但隨著技術發展，電化學儲能成本投入的逐漸減小，已經大規模應用于新型電力網絡。

2 大規模新能源接入下的電力系統儲能配置模型

本文搭建了雙層規劃儲能系統配置模型[3]，外層優化模型的關鍵變量為儲能所需配置的功率及容量限制，目標函數為minCA，關注儲能的投資成本及風光出力聯絡線的波動；內層優化模型的關鍵變量為儲能設備在運行中的充電與放電的動態功率、SOC 約束等，目標函數為minf，關注系統風光出力動態功率聯絡線波動最低值。雙層優化模型架構如圖1所示。

圖1 雙層優化模型架構

3 大規模新能源接入下的電力系統儲能配置流程

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

圖2 雙層控制的儲能配置流程

4 案例分析

4.1 案例數據

某發電系統原配置火力發電機組十臺、輸電線路三十八條，機組的安裝點位和參數設置詳見表1，在安裝節點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%，達到高占比大規模的狀態。

表1 機組各項參數

由于用電高峰的存在，該區域電費也不一致，

具體情況詳見表2。

表2 分時段電費明細

儲能設置參數詳見表3。

表3 儲能系統的參數設置

以某天典型的風光發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 某天系統典型各時刻負荷需求

4.2 優化結果分析

設安裝儲能的節點數量為五個，分別位于節點3、5、10、16、17處，配置方案詳見表4，儲能系統年效益較大，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，配套設施的換新投入為174000萬元[5]。在設備使用壽命十五年內，儲能系統通過發揮自身設備價值、提供能量儲存服務獲取利潤為927001萬元，通過提供其他輔助性電力服務獲取707000萬元，儲能 系統可獲取的總收益約為1630000萬元。

5 結語

風光儲發電技術作為新能源市場上的新秀，因其靈活利用風能、太陽能進行發電、對環境無污染等優點廣泛應用于電力行業，解決大規模新能源并入配電網時電力系統儲能配置問題、提升系統整體運行質量是當前電力行業面臨的關鍵問題之一。本文在簡要介紹了大規模新能源接入下的電力系統儲能研究背景的前提下，探討了大規模新能源接入下的電力系統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儲能案例進行了分析，最大程度地保證了電力系統的運行質量，實現了工作效率與經濟效益的雙贏。為以后大規模新能源接入下的電力系統儲能研究提供了理論指導和實踐參考。