基于節(jié)能減排效益的風(fēng)／儲(chǔ)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置

陳 雪 曾紫光

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州510000）

0 引言

在化石資源短缺與環(huán)境污染的雙重約束下，采取合理的措施降低電力系統(tǒng)綜合能耗已成為重要的全球性課題。在這一背景下，國家相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)以風(fēng)電為代表的清潔能源的發(fā)展政策。相關(guān)學(xué)者考慮局部地區(qū)效益均衡，建立了風(fēng)電社會(huì)效益數(shù)學(xué)模型，保守估算了風(fēng)電的社會(huì)效益［1－3］。但在風(fēng)電、光伏等清潔能源迅猛發(fā)展的同時(shí)，其出力間歇性、反調(diào)峰特性等將影響到系統(tǒng)潮流指標(biāo)，制約其在節(jié)能減排中作用的發(fā)揮，這就降低了風(fēng)力發(fā)電的社會(huì)效益［4］。

為解決風(fēng)電發(fā)展的瓶頸問題，發(fā)揮其在節(jié)能減排中的積極作用，儲(chǔ)能技術(shù)因其良好的電功率“吞”、“吐”特性，成為解決風(fēng)電出力間歇性、反調(diào)峰特性等瓶頸問題最為直觀的一種方案，相應(yīng)技術(shù)手段已取得一定成果：利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提供快速無功支撐和平滑風(fēng)電出力，從根本上改善系統(tǒng)功率平衡度。研究儲(chǔ)能系統(tǒng)能間接提高風(fēng)電短期功率預(yù)報(bào)精度，優(yōu)化系統(tǒng)潮流，改善風(fēng)電并網(wǎng)帶來的電壓偏差、電壓閃變等電能質(zhì)量問題，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)熱備用容量的需求，優(yōu)化風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。

但在一系列研究成果中，并未出現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)量化提高風(fēng)電節(jié)能減排社會(huì)效益層面的相關(guān)研究。因此，本文將在已有研究的基礎(chǔ)上，提出儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電社會(huì)效益的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立風(fēng)／儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行社會(huì)效益評(píng)價(jià)模型，通過優(yōu)化計(jì)算得到風(fēng)／儲(chǔ)系統(tǒng)容量配置。

1 降低風(fēng)電場社會(huì)效益的因素

風(fēng)電出力的波動(dòng)性以及電力系統(tǒng)要求功率實(shí)時(shí)平衡的特點(diǎn)，決定了風(fēng)電難以獨(dú)立向用戶供電，只能依托大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電最大限度的利用。而現(xiàn)存電網(wǎng)的規(guī)模及堅(jiān)韌度無法滿足間歇性風(fēng)電的消納，是制約風(fēng)電規(guī)模發(fā)展的根本因素，降低了風(fēng)電在節(jié)能減排中所發(fā)揮的積極作用。具體可總結(jié)如下：（1）大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的風(fēng)電功率波動(dòng)常常與負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)相反，即在負(fù)荷高峰時(shí)段無風(fēng)可發(fā)，而在負(fù)荷低谷時(shí)段來大風(fēng)需要滿發(fā)，這就加大了電網(wǎng)等效峰谷差，惡化了系統(tǒng)負(fù)荷特性，對(duì)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量提出了很高的要求。（2）風(fēng)力發(fā)電的不可預(yù)測(cè)性決定了需增加系統(tǒng)備用電源，這類電廠需隨時(shí)保持運(yùn)轉(zhuǎn)但并不發(fā)電，在產(chǎn)生碳排放的同時(shí)，也造成了資源浪費(fèi)。（3）造成系統(tǒng)頻率突變和聯(lián)絡(luò)線功率偏差較大，使系統(tǒng)頻率特性惡化，對(duì)系統(tǒng)的快速調(diào)頻提出了很高的要求。（4）風(fēng)電場作為電源接入電網(wǎng)，將改變系統(tǒng)原有潮流，可能惡化潮流指標(biāo)，增大系統(tǒng)網(wǎng)損。

風(fēng)電并網(wǎng)引起的潮流問題及對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的需求都將不同程度地增大系統(tǒng)能耗與碳排放，降低風(fēng)力發(fā)電在節(jié)能減排中的積極作用。而在節(jié)能減排相關(guān)措施中，儲(chǔ)能技術(shù)因其實(shí)現(xiàn)同樣的減排效果成本最低，成為目前最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段之一。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電場社會(huì)效益的量化評(píng)價(jià)

與發(fā)電系統(tǒng)不同，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮的社會(huì)效益所帶來的經(jīng)濟(jì)效益很難以一種標(biāo)準(zhǔn)來量化評(píng)價(jià)，應(yīng)根據(jù)其發(fā)揮的作用來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合，發(fā)揮的風(fēng)電節(jié)能減排積極作用可用如下指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)：（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電出力，減少相同調(diào)頻效果下熱電系統(tǒng)容量的節(jié)能減排量化計(jì)算。（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)改善風(fēng)電反調(diào)峰特性，減少相同調(diào)峰效果下熱電系統(tǒng)容量的節(jié)能減排量化計(jì)算。（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)改善風(fēng)電并網(wǎng)潮流指標(biāo)，減少網(wǎng)損的節(jié)能減排量化計(jì)算。

因此，根據(jù)具體風(fēng)電與區(qū)域電網(wǎng)匹配特性，選擇上述一種或幾種指標(biāo)量化計(jì)算，可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電結(jié)合所發(fā)揮的社會(huì)效益作量化評(píng)價(jià)。

3 風(fēng)／儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行社會(huì)效益評(píng)價(jià)模型

3.1 風(fēng)／儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)節(jié)能減排效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立風(fēng)／儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型。節(jié)能減排效益可由系統(tǒng)總煤耗量和污染物排放量表征，通過煤炭價(jià)格、污染物排放成本折算至同一度量單位，則目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中，Ctotal為系統(tǒng)減少的能耗與污染物排放總成本；C1.total、C2.total分別為熱電系統(tǒng)出力的能耗與污染物排放及系統(tǒng)因網(wǎng)損所帶來的能耗成本和污染物排放成本；Ccoal、Ceniv分別為能耗總成本及污染物排放總成本；f（p）、m（p）分別為系統(tǒng)機(jī)組p出力時(shí)的發(fā)電能耗及發(fā)電污染物排放量；Vcoal、Veniv分別為單位能耗成本和單位污染物環(huán)境成本。

本文中標(biāo)準(zhǔn)煤單價(jià)取0.4元／kg，污染物排放環(huán)境成本取6元／kg。f（p）、m（p）可通過煤耗率系數(shù)、污染物排放系數(shù)量化，如式（2）所示：

3.2 風(fēng)／儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行約束條件

3.2.1 技術(shù)約束

在不考慮經(jīng)濟(jì)約束的條件下，考慮系統(tǒng)功率平衡約束、出力上下限約束以及節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束，具體如式（3）所示：

式中，PGi、PC、PDi、P損分別為火電機(jī)組／儲(chǔ)能系統(tǒng)出力與負(fù)荷功率、有功網(wǎng)損；Vi為節(jié)點(diǎn)電壓值。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)約束

經(jīng)濟(jì)約束指儲(chǔ)能系統(tǒng)的固定費(fèi)用與運(yùn)行維護(hù)各項(xiàng)費(fèi)用應(yīng)小于等于儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電節(jié)能減排社會(huì)效益所帶來的經(jīng)濟(jì)效益量化計(jì)算值。滿足經(jīng)濟(jì)約束時(shí)，系統(tǒng)的建設(shè)才有實(shí)際意義，如式（4）所示：

式中，ΔCtotal為儲(chǔ)能系統(tǒng)提高的風(fēng)力發(fā)電節(jié)能減排社會(huì)效益量化的經(jīng)濟(jì)效益值；m1、m2分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的固定成本與可變成本；、、、分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)加入前后系統(tǒng)總能耗成本與污染物排放成本。

3.2.3 計(jì)算流程

本文采用的遺傳算法較一般優(yōu)化算法容易獲得全局最優(yōu)解，能很好地解決非線性、規(guī)模大的優(yōu)化模型問題，其一般步驟如下：（1）輸入系統(tǒng)火電機(jī)組年基礎(chǔ)調(diào)度規(guī)劃信息；（2）設(shè)定種群規(guī)模和最大進(jìn)化代數(shù)，以儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為優(yōu)化控制變量，產(chǎn)生初始種群；（3）根據(jù)不同個(gè)體代表的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，產(chǎn)生相應(yīng)的代替火電機(jī)組規(guī)劃方案，依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度；（4）判斷是否滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，若滿足則輸出結(jié)果，若不滿足則進(jìn)行下一步；（5）經(jīng)個(gè)體適應(yīng)度比較排序，選擇再生個(gè)體；（6）按照自適應(yīng)交叉率執(zhí)行交叉運(yùn)算，產(chǎn)生種群轉(zhuǎn)步驟（3）。

4 算例仿真

在僅考慮該地區(qū)風(fēng)力資源條件約束的情況下，系統(tǒng)內(nèi)最大裝機(jī)容量為500 MW，風(fēng)電場風(fēng)速一般服從威布爾分布，但當(dāng)研究時(shí)段較短時(shí)，風(fēng)電場風(fēng)速可認(rèn)為服從正態(tài)分布。本文選取單位兆瓦風(fēng)電裝機(jī)的典型日，根據(jù)較短時(shí)間內(nèi)服從正態(tài)分布進(jìn)行隨機(jī)模擬，其出力曲線如圖1所示。

圖1 單位容量風(fēng)電機(jī)組典型日出力曲線

按照風(fēng)電場輸出波動(dòng)的限值，系統(tǒng)熱電因參與風(fēng)電調(diào)峰調(diào)頻而產(chǎn)生的能耗與污染物排放總成本如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)能耗與污染物排放總成本曲線

系統(tǒng)能耗與污染物排放總成本隨著風(fēng)電場容量增加而增大，風(fēng)電場容量達(dá)到250 MW時(shí)，系統(tǒng)能耗成本上升趨勢(shì)逐漸減緩，最終進(jìn)入平臺(tái)期，這是因?yàn)殡S著風(fēng)電容量逼近系統(tǒng)的最大接納能力，會(huì)導(dǎo)致一部分風(fēng)電脫網(wǎng)。系統(tǒng)因總有功網(wǎng)損而產(chǎn)生的能耗成本如圖3所示。

圖3 網(wǎng)損折算的能耗成本曲線

風(fēng)電在一定范圍內(nèi)隨著容量的增長對(duì)系統(tǒng)有功網(wǎng)損有一定貢獻(xiàn)，增長到300 MW時(shí)，網(wǎng)損增大，其能耗成本隨之增加。

系統(tǒng)接納風(fēng)電能力受系統(tǒng)調(diào)峰容量的制約，儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入一方面可替代常規(guī)熱電機(jī)組參與調(diào)頻調(diào)峰，另一方面由于減少了熱電系統(tǒng)的出力以及優(yōu)化系統(tǒng)潮流減少有功網(wǎng)損從而減少了系統(tǒng)能耗，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排效益?，F(xiàn)對(duì)風(fēng)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的匹配容量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

4.1 不考慮經(jīng)濟(jì)約束時(shí)

由圖4分析可得，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量定為［30 MW，40 MW］時(shí)，系統(tǒng)接納風(fēng)電能力幅度增加，原因在于上述區(qū)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)常規(guī)機(jī)組發(fā)生了替代效應(yīng)。相應(yīng)的總能耗與污染物排放成本曲線如圖5所示。

圖4 非經(jīng)濟(jì)約束下的風(fēng)電匹配容量優(yōu)化

總成本在儲(chǔ)能容量為［30 MW，40 MW］時(shí)顯著降低，表明因儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，常規(guī)機(jī)組逐漸向最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行；隨之是一定的平臺(tái)期，表明常規(guī)機(jī)組保持在最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行；當(dāng)儲(chǔ)能容量為［70 MW、80 MW］時(shí)，一部分機(jī)組偏離最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)，系統(tǒng)成本又大幅度上升。

圖5 總能耗與排放成本優(yōu)化

4.2 考慮經(jīng)濟(jì)約束時(shí)

在考慮經(jīng)濟(jì)約束時(shí)，如圖6所示，系統(tǒng)接納風(fēng)電能力曲線沒有變化，而匹配容量優(yōu)化只有在［30 MW，40 MW］、［70 MW，80 MW］時(shí)有解；在其他區(qū)間，儲(chǔ)能系統(tǒng)一方面替代效應(yīng)不明顯，另一方面風(fēng)電接納能力提高也不明顯，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益為負(fù)，因此無解。

圖6 經(jīng)濟(jì)約束下的風(fēng)電匹配容量優(yōu)化

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)在考慮經(jīng)濟(jì)約束和不考慮經(jīng)濟(jì)約束時(shí)的優(yōu)化結(jié)果一致，即風(fēng)電?。?70 MW，300 MW］和［310 MW，330 MW］之間的值，而儲(chǔ)能系統(tǒng)取值則在［30 MW，40 MW］和［70 MW，80 MW］之間為最佳。

5 結(jié)語

本文以儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象：（1）提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)提高社會(huì)效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)；（2）建立了以節(jié)能減排社會(huì)效益為目標(biāo)函數(shù)的風(fēng)／儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化模型；（3）采用嵌套式遺傳算法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高的風(fēng)電社會(huì)效益作了量化計(jì)算。

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