風(fēng)光水火儲(chǔ)系統(tǒng)的多能容量優(yōu)化配置分析

肖 建

（湖南郴電國際發(fā)展股份有限公司）

0 引言

近些年國家針對(duì)能源發(fā)展提出了全新的戰(zhàn)略，加快了風(fēng)能、太陽能、水能等新能源的建設(shè)規(guī)模，使其和火電等形成有效互補(bǔ)，最終形成風(fēng)能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等多種能源的綜合性系統(tǒng)，最大程度發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢(shì)，在提升火電機(jī)組調(diào)峰性能的同時(shí)獲取良好經(jīng)濟(jì)效益，形成更加完善的市場機(jī)制，形成風(fēng)光水火儲(chǔ)系統(tǒng)工程。從目前情況來看，風(fēng)光水火儲(chǔ)多能系統(tǒng)能夠最大程度激發(fā)不同能源的優(yōu)勢(shì)，能夠形成相互之間的互補(bǔ)，對(duì)于有效解決傳統(tǒng)棄風(fēng)棄光棄水問題、增強(qiáng)新能源比重、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有重要作用，但是多能互補(bǔ)工程在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還會(huì)受到某些問題的影響，對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用造成一定限制，要不斷增強(qiáng)多能容量優(yōu)化配置，從而進(jìn)一步推動(dòng)多能系統(tǒng)的發(fā)展。

1 風(fēng)光水火儲(chǔ)系統(tǒng)的多能互補(bǔ)方面存在的問題分析

雖然多能互補(bǔ)系統(tǒng)經(jīng)過了一定時(shí)間的發(fā)展，但是從目前來看還處于初級(jí)階段，很難在短期內(nèi)展現(xiàn)出更大的價(jià)值。正是因?yàn)樵撓到y(tǒng)處在初期發(fā)展時(shí)期，所以系統(tǒng)工程在很多方面存在不足，包括：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、盈利模式等，不利于其有效應(yīng)用。除此之外，不同能源之間采取何種占比還缺少足夠成熟的案例，不可避免地要在探索中發(fā)展，一定程度上限制了其發(fā)展速度。風(fēng)光水火儲(chǔ)系統(tǒng)的多能互補(bǔ)方面存在如下幾方面問題：

第一，近些年來各種新能源受到當(dāng)?shù)叵{能力的影響，就算是通過多能互補(bǔ)方式也很難短期內(nèi)解決此問題，從而影響其進(jìn)一步推廣。

第二，不同系統(tǒng)所發(fā)出的電價(jià)缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，每一家運(yùn)營機(jī)構(gòu)都是采取自身制定的電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相互之間進(jìn)行惡性競爭，對(duì)于各自的收益都造成影響，很難形成較好的示范效果。

第三，風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)在技術(shù)方面還不成熟。多能互補(bǔ)系統(tǒng)在某些技術(shù)方面（例如儲(chǔ)能、發(fā)電、調(diào)峰等）還存在明顯缺陷，在具體應(yīng)用方面還缺少有效的驗(yàn)證方式，無法確保可靠性。

第四，各系統(tǒng)所發(fā)電量很難進(jìn)行有效并網(wǎng)。各新能源之間所發(fā)電力輸出功率、穩(wěn)定性等方面都存在較大差異，目前電網(wǎng)模式很難滿足其進(jìn)一步發(fā)展［2］。除此之外，新能源在進(jìn)行發(fā)電過程中還存在間歇性、不穩(wěn)定性等問題，目前電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)其并不歡迎。

第五，不同能源部門之間存在利益方面的矛盾。電網(wǎng)總體電量需求相對(duì)固定，所以若是火電等發(fā)電量大必然會(huì)限制新能源的發(fā)電量，反之也是如此，這就一定程度上影響到多能互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)展。

2 風(fēng)光水火儲(chǔ)系統(tǒng)的多能容量優(yōu)化配置

近些年各種可再生能源發(fā)電技術(shù)受到了各方關(guān)注，技術(shù)水平快速發(fā)展，但是可再生能源并網(wǎng)并不順利，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置就顯得非常關(guān)鍵，是提升電力系統(tǒng)調(diào)峰性能、增強(qiáng)可再生能源消納性能的基本條件［3］。由于現(xiàn)階段我國電力系統(tǒng)還是以火電為主，所以本文在風(fēng)光水電儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)中要以火電機(jī)組深度調(diào)峰性能為基礎(chǔ)，充分利用儲(chǔ)能裝置削峰填谷性能來增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)靈活性，從而促使可再生能源的消納。

2.1 優(yōu)化模型的建立

第一，凈負(fù)荷波動(dòng)最小。整個(gè)系統(tǒng)中將風(fēng)光水儲(chǔ)聯(lián)合出力減掉之后火電機(jī)組具體承載的負(fù)荷稱之為凈負(fù)荷，為了最大程度應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)來補(bǔ)償風(fēng)光等能源出力波動(dòng)性，要盡可能減小火電機(jī)組所承載的凈負(fù)荷波動(dòng)性，防止火電機(jī)組多次頻繁調(diào)整出力。凈負(fù)荷波動(dòng)最小目標(biāo)函數(shù)表示為：

式中，Pglt為t時(shí)間的凈負(fù)荷值；Pglt，av為一個(gè)調(diào)度周期范圍內(nèi)凈負(fù)荷平均值。

第二，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行收益以及成本模型。

1）儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行收益模型。儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的電量、環(huán)境收益是最為關(guān)鍵的因素，也是對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響最大的因素。可以將此方面的收益建立如下模型：

式中，Pp為電網(wǎng)電價(jià)；ηc、ηd分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率；分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電效率；M為上級(jí)電網(wǎng)產(chǎn)生污染物類型總數(shù)；Pp，k為污染物單位排放費(fèi)用；R為上級(jí)電網(wǎng)生產(chǎn)單位電能排放的污染物密度。

2）儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本模型。按照下式建立儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本模型：

式中，Csc為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率成本系數(shù)；、分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電功率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行收益最大目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

第三，火電機(jī)組運(yùn)行成本模型。火電機(jī)組運(yùn)行成本可以分成“煤耗成本和啟停成本”、“深度調(diào)峰機(jī)組損耗成本”、“深度調(diào)峰機(jī)組穩(wěn)燃投油成本”。

1）火電機(jī)組煤耗以及啟停成本：

式中，f2為火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰運(yùn)行成本；fmh、fqt分別為火電機(jī)組煤耗成本以及啟停成本；ai、bi、ci分別為火電機(jī)組耗量系數(shù)；Pi，t表示火電機(jī)組出力情況。

2）深度調(diào)峰機(jī)組損耗成本。一旦機(jī)組處于深度調(diào)峰狀態(tài)，其運(yùn)行時(shí)就會(huì)和設(shè)計(jì)參數(shù)具有較大的偏離，發(fā)電效率會(huì)有較大降低，這樣就會(huì)形成機(jī)組損耗成本。此成本可以按照如下公式計(jì)算：

式中，β為火電機(jī)組運(yùn)行影響系數(shù)；Su，i為第i臺(tái)火電機(jī)組購置成本；Nf（P）為轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次。

第四，風(fēng)光水等可再生能源消納性能。此方面的能力主要包括調(diào)度時(shí)間范圍內(nèi)的棄風(fēng)電量、棄水電量、棄光電量等部分，這些量越大表明可再生能源消納性能越弱。

2.2 聯(lián)合系統(tǒng)分層調(diào)度措施和求解方法

多能源進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度是非常復(fù)雜的內(nèi)容，屬于非常復(fù)雜的非線性規(guī)劃問題，所以為了對(duì)其進(jìn)行簡化，要最大程度通過儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷性能以及火電機(jī)組深度調(diào)峰性能來進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要建立在分解協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，利用上下層問題協(xié)調(diào)以及下層問題交替迭代進(jìn)行求解，以此為基礎(chǔ)設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率以及優(yōu)化調(diào)峰策略［4］。其中上層調(diào)度模型通過儲(chǔ)能性能隨著風(fēng)、光以及相應(yīng)負(fù)荷進(jìn)行變動(dòng)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行最大收益、最小凈負(fù)荷波動(dòng)作為基本目標(biāo)來對(duì)風(fēng)光水儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化，從而降低火電機(jī)組對(duì)所剩負(fù)荷削峰填谷壓力，也就是說利用對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)風(fēng)光水儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)出力跟蹤負(fù)荷曲線的效果最優(yōu)。而下層模型主要是建立在上層模型所傳等效負(fù)荷曲線的基礎(chǔ)上，將最小的火電機(jī)組運(yùn)行成本、最小的能源棄量作為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)參考能源棄量處罰成本以及調(diào)峰成本、相應(yīng)火電單元運(yùn)行情況來最終明確最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性調(diào)度模式，之后通過交替迭代的求解方式對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的主動(dòng)性進(jìn)行校驗(yàn)，符合調(diào)峰主動(dòng)性約束之后完成迭代，從而明確最終參與到深度調(diào)峰的火電機(jī)組，進(jìn)而得到最終的調(diào)度策略。

3 算例分析

（1）基本的數(shù)據(jù)以及參數(shù)

某儲(chǔ)能系統(tǒng)共包括火電機(jī)組（5臺(tái)）、水電機(jī)組（100MW）、風(fēng)電場（300MW）、光伏電站（50MW）等部分，系統(tǒng)采取的是模塊化組裝模式的磷酸鐵鋰電池，具體參數(shù)如表1所示。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

（2）系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

為了能夠確定上述模型的有效性，本文分別針對(duì)不同調(diào)度場景實(shí)施分析判定，具體場景分別為：①風(fēng)、光、水聯(lián)合運(yùn)行，火電機(jī)組進(jìn)行常規(guī)性調(diào)峰，不考慮儲(chǔ)能情況；②風(fēng)、光、水、儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行，火電機(jī)組進(jìn)行常規(guī)性調(diào)峰；③風(fēng)、光、水、儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行，火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰；④風(fēng)、光、水聯(lián)合運(yùn)行，火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，不考慮儲(chǔ)能情況。

不同場景下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的情況如表2所示。

表2 不同調(diào)度模式情況下系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

第一，從上表中能夠得知，在充分考量儲(chǔ)能系統(tǒng)接入以及火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行的情況下，火電機(jī)組在實(shí)施深度調(diào)峰過程中，雖然一定程度上增大了機(jī)組損耗，但是因?yàn)轱L(fēng)電具有非常好的節(jié)能成果，總體上系統(tǒng)成本相對(duì)場景①也有所降低（約26萬元，下降6.5%）。同時(shí)在系統(tǒng)成本下降的基礎(chǔ)上棄風(fēng)率也有所下降（降低84.2%），所以通過深度調(diào)峰能夠有效推動(dòng)風(fēng)電發(fā)展。另外，站在調(diào)峰效果角度來看，儲(chǔ)能系統(tǒng)的介入不但可以優(yōu)化負(fù)荷峰谷差，同時(shí)也能夠降低系統(tǒng)棄風(fēng)量，可以獲得更好的綜合效益［5］。

第二，從上表中能夠得知，對(duì)火電機(jī)組實(shí)施深度調(diào)峰之后，相對(duì)于場景①，該系統(tǒng)的總體運(yùn)營成本下降了5.7%（約23萬元）。另外，站在系統(tǒng)調(diào)峰效果的角度來看，通過深度調(diào)峰能夠進(jìn)一步提升整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，在確保系統(tǒng)運(yùn)營成本最低的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步減少系統(tǒng)啟停成本，經(jīng)分析可知相對(duì)場景①棄風(fēng)率降低約6%左右。

4 結(jié)束語

隨著近些年我國各種新能源技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)也有了較大發(fā)展，其可以充分發(fā)揮各能源優(yōu)勢(shì)來和傳統(tǒng)火電進(jìn)行互補(bǔ)，能夠提升綜合性效益。但是由于不同能源之間存在一定差異，其多能容量之間存在一定問題。本文針對(duì)此問題進(jìn)行了詳盡分析，在此基礎(chǔ)上提出了風(fēng)光水火儲(chǔ)系統(tǒng)的多能容量優(yōu)化配置方式，能夠確保各新能源系統(tǒng)的進(jìn)一步深入融合發(fā)展，對(duì)有效推動(dòng)現(xiàn)代能源發(fā)展具有重要意義。