朱昊,王佳峰,周安仁,岑梁,牛傳臣,黃琪萍,劉新斌
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司長(zhǎng)興縣供電公司,浙江 湖州 313100;2.浙江省長(zhǎng)興縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,浙江 湖州 313100)
在2030碳達(dá)峰、2060碳中和目標(biāo)要求下,國(guó)家已經(jīng)明確要建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),新能源裝機(jī)的快速提升,以及電力系統(tǒng)正在發(fā)生的變化,使得儲(chǔ)能剛需屬性愈發(fā)增強(qiáng)。儲(chǔ)能是解決新能源消納問(wèn)題的最佳方案。新能源裝機(jī)的增長(zhǎng),加大了電網(wǎng)消納壓力,配置儲(chǔ)能是主要解決方式,政策已明確配置比例要求和優(yōu)先消納[1-2]。近年來(lái),在技術(shù)進(jìn)步、需求增長(zhǎng)、政策支持等多重因素共同影響下,我國(guó)電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展且已初具規(guī)模。
在電網(wǎng)側(cè),為應(yīng)對(duì)新能源大發(fā)展和特高壓電網(wǎng)建設(shè),須提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)靈活性及穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量高、安裝靈活、充/放電速度快等特點(diǎn),可以在不改變現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上平抑新能源功率波動(dòng)、緩解常規(guī)機(jī)組調(diào)峰壓力、提高新能源消納水平,同時(shí)儲(chǔ)能在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用,能夠緩解電網(wǎng)阻塞、延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容升級(jí)、輔助發(fā)電側(cè)進(jìn)行調(diào)峰,還能參與電力輔助市場(chǎng)服務(wù),包括系統(tǒng)調(diào)頻和備用容量[3]。
儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)削峰填谷方面的優(yōu)化已有廣泛研究。文獻(xiàn)[4]提出規(guī)模化分布式光伏并網(wǎng)條件下含儲(chǔ)能電站的優(yōu)化調(diào)度方案,兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度的情況下,利用儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)了削峰填谷。文獻(xiàn)[5]提出一種基于移動(dòng)式儲(chǔ)能削峰填谷的雙層優(yōu)化調(diào)度模型,以改進(jìn)增強(qiáng)煙花算法進(jìn)行求解,最終實(shí)現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的移動(dòng)式儲(chǔ)能最優(yōu)調(diào)度策略。文獻(xiàn)[6-7]采用改進(jìn)魚(yú)群算法、模擬退火等智能算法求解含儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)削峰填谷最優(yōu)策略問(wèn)題。但是,現(xiàn)有文獻(xiàn)所提出的控制策略很難在考慮多種約束條件下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷優(yōu)化,且在不同負(fù)荷場(chǎng)景下的應(yīng)用缺乏對(duì)比,使得控制策略選擇缺乏理論依據(jù)。
本文以存在新能源消納問(wèn)題的某縣域東南部電網(wǎng)為例,開(kāi)展計(jì)及新能源消納的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能削峰填谷優(yōu)化策略研究,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向功率特性和靈活調(diào)節(jié)能力,建立“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型,在不同負(fù)荷場(chǎng)景下進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明該模型能夠有效緩解新能源反調(diào)峰帶來(lái)的壓力,進(jìn)一步提升縣域電網(wǎng)風(fēng)電、光伏等新能源的可控性和滲透率。
儲(chǔ)能可以日常參與電網(wǎng)調(diào)峰,滿足地區(qū)“早高峰+晚高峰”電力供應(yīng)需求,有效降低峰谷差,優(yōu)化負(fù)荷特性;同時(shí)儲(chǔ)能具備毫秒級(jí)響應(yīng)調(diào)度指令能力,能夠參與電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)壓;緊急狀況下,能夠提供快速功率支撐,提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性;納入源網(wǎng)荷儲(chǔ)統(tǒng)一管理,與精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)配合,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站源荷快速轉(zhuǎn)換,增加電網(wǎng)安全穩(wěn)定裕度。
目前,某縣供電公司儲(chǔ)能電站在日常工作中執(zhí)行“一充兩放”運(yùn)行策略,在特殊情況下,根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需求,適時(shí)調(diào)整其充放電策略,例如,在主網(wǎng)四線斷面須有效控制期間、春節(jié)無(wú)功管控期間等。2021年7月儲(chǔ)能電站日常充放電曲線,如圖1所示。

圖1 2021年7月儲(chǔ)能充放電曲線
針對(duì)儲(chǔ)能充放電功率數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)自儲(chǔ)能電站正式投運(yùn)以來(lái)近10個(gè)月,在每日0:00—24:00時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)能電站充放電功率累加求和,進(jìn)一步深度觀測(cè)其充放電功率的時(shí)間段概率分布,如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能充放電功率累加曲線
由圖2可知,儲(chǔ)能充電模式主要集中在每日的0:00—6:00;放電模式主要集中在每日的9:00—11:00、16:00—17:00以及18:00—21:00,其中以9:00—11:00、16:00—17:00兩個(gè)放電模式時(shí)間區(qū)間出現(xiàn)概率較高。在目前儲(chǔ)能充放電策略的基礎(chǔ)上,本文考慮新能源消納問(wèn)題,進(jìn)一步開(kāi)展儲(chǔ)能充放電優(yōu)化策略研究。
在考慮新能源消納問(wèn)題的情況下,通過(guò)儲(chǔ)能充放電優(yōu)化策略對(duì)某縣域東南部電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷進(jìn)行平抑優(yōu)化調(diào)度,來(lái)進(jìn)一步緩解常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰壓力。本文基于MATLAB仿真平臺(tái),根據(jù)縣域東南部電網(wǎng)負(fù)荷特性,以及新能源負(fù)荷、儲(chǔ)能運(yùn)行數(shù)據(jù),建立儲(chǔ)能參與電網(wǎng)削峰填谷的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及其相關(guān)約束,并提出削峰填谷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,搭建“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型,并進(jìn)行仿真分析及驗(yàn)證。
對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷的主要目的是減小高峰時(shí)的負(fù)荷,增大低谷時(shí)的負(fù)荷,保證負(fù)荷的平穩(wěn),減小常規(guī)機(jī)組的啟停,同時(shí)也可延緩系統(tǒng)裝機(jī)容量的投入,也有利于減少變壓器和線路上的電能損耗,達(dá)到節(jié)能降損的目的[8-9]。而降低負(fù)荷的高峰,抬高負(fù)荷的低谷,保證負(fù)荷的平穩(wěn),則可通過(guò)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行衡量,標(biāo)準(zhǔn)差越小,負(fù)荷越平穩(wěn)。
以負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征負(fù)荷削峰填谷的效果能夠更直觀地反映負(fù)荷的平穩(wěn)程度,同時(shí)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差越小,峰谷之間的差距也越小,從而達(dá)到削峰填谷的目的。本文考慮將儲(chǔ)能電站并入電網(wǎng)后負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差最小為目標(biāo),構(gòu)建儲(chǔ)能參與電網(wǎng)削峰填谷優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中:Pl,t為第t時(shí)刻的實(shí)際縣域東南部電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷;Pb為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化對(duì)象變量的向量形式,即儲(chǔ)能電站優(yōu)化周期內(nèi)對(duì)外充放電功率構(gòu)成的向量;Pb,t為第t時(shí)刻儲(chǔ)能電站的充放電功率,T為負(fù)荷采樣周期,指采樣的個(gè)數(shù),并不是時(shí)間長(zhǎng)度;Pa為儲(chǔ)能放電或充電后的負(fù)荷平均值。
在優(yōu)化調(diào)度模型中,由于不考慮電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),只須要考慮儲(chǔ)能參與電網(wǎng)削峰填谷相關(guān)物理約束產(chǎn)生的約束條件即可。
2.2.1 儲(chǔ)能充放電功率約束
儲(chǔ)能電站充電時(shí):Pch,max≤Pb,t≤0。
儲(chǔ)能電站放電時(shí):0≤Pb,t≤Pdis,max。
式中:Pch,max為儲(chǔ)能電站最大充電功率;Pdis,max為儲(chǔ)能電站最大放電功率。
2.2.2 儲(chǔ)能剩余電量約束
儲(chǔ)能儲(chǔ)存電能的能力有限,因此儲(chǔ)能充放電時(shí)還須要考慮其容量大小。儲(chǔ)能的容量計(jì)算公式如下:

式中:Et為t時(shí)刻儲(chǔ)能電站所儲(chǔ)存的能量;η為充電系數(shù)。
對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)削峰填谷的不同控制策略進(jìn)行評(píng)價(jià),構(gòu)造削峰填谷效果評(píng)價(jià)指標(biāo),以絕對(duì)峰谷差、峰谷系數(shù)、峰谷差率作為負(fù)荷極值相關(guān)運(yùn)算的評(píng)價(jià)依據(jù)。
2.3.1 絕對(duì)峰谷差

式中:Pmax為負(fù)荷最大值;Pmin為負(fù)荷最小值。負(fù)荷絕對(duì)峰谷差ΔPl指標(biāo)表征在一定時(shí)間尺度下,負(fù)荷最大絕對(duì)偏差,負(fù)荷絕對(duì)峰谷差越小則負(fù)荷最大,絕對(duì)偏差越小。
2.3.2 峰谷系數(shù)

式中:負(fù)荷峰谷系數(shù)a表征在一定時(shí)間尺度下負(fù)荷曲線平坦程度,負(fù)荷峰谷系數(shù)越大,負(fù)荷曲線越平坦。
2.3.3 峰谷差率

式中:負(fù)荷峰谷差率β表征在一定時(shí)間尺度下負(fù)荷波動(dòng)程度,負(fù)荷峰谷差率越小,負(fù)荷波動(dòng)范圍越小。
本文基于二規(guī)劃算法構(gòu)建“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型。二次規(guī)劃問(wèn)題是最簡(jiǎn)單而又最基本的約束非線性規(guī)劃問(wèn)題,其目標(biāo)函數(shù)是二次函數(shù),約束都是線性等式或不等式[10-12]。標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃數(shù)學(xué)模型如下:

式中:A,Aeq分別為不等式約束與等式約束矩陣;b、Beq、Ib、Ub、g、x均為向量;H為二次型矩陣。
某縣域東南部屬風(fēng)、光等新能源富足地區(qū),擁有35 kV風(fēng)電電站1座,總裝機(jī)容量22 MVA;35 kV光伏電站2座,總裝機(jī)容量50 MVA;10 kV光伏電站11座,總裝機(jī)容量28.26 MVA,同時(shí)包含一定數(shù)量的用戶側(cè)低壓光伏電站。某縣域電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的參數(shù)數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 儲(chǔ)能電站參數(shù)數(shù)據(jù)
基于MATLAB仿真平臺(tái),運(yùn)用二次規(guī)劃算法構(gòu)建“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型,開(kāi)展計(jì)及新能源消納的儲(chǔ)能電站充放電策略仿真分析研究。隨機(jī)選取四個(gè)季度中的一天作為典型負(fù)荷日,在不同負(fù)荷場(chǎng)景下,驗(yàn)證本文所提出的優(yōu)化模型的正確性及可推廣。
場(chǎng)景1:第一季度選取典型負(fù)荷日。
場(chǎng)景2:第二季度選取典型負(fù)荷日。
場(chǎng)景3:第三季度選取典型負(fù)荷日。
場(chǎng)景4:第四季度選取典型負(fù)荷日。
選取不同負(fù)荷場(chǎng)景下某縣域東南部地區(qū)負(fù)荷及新能源出力作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3 不同場(chǎng)景下地區(qū)負(fù)荷及新能源出力
選取四個(gè)季度的典型負(fù)荷日,利用儲(chǔ)能對(duì)區(qū)域電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線進(jìn)行削峰填谷優(yōu)化控制,基于MATLAB仿真平臺(tái)的“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型仿真結(jié)果,如圖4、圖5所示。

圖4 不同場(chǎng)景下統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線

圖5 不同場(chǎng)景下儲(chǔ)能充放電曲線
綜合上述各負(fù)荷場(chǎng)景,本文所提出的優(yōu)化調(diào)度模型在各季度典型負(fù)荷日下仿真結(jié)果理想,就目前儲(chǔ)能運(yùn)行數(shù)據(jù)而言,相比于恒功率的儲(chǔ)能充放電策略,在考慮新能源消納的前提下,優(yōu)化后的儲(chǔ)能柔性充放電策略對(duì)某縣域東南部地區(qū)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線削峰填谷效果明顯,同時(shí)對(duì)蓄電池等設(shè)備具有更好地保護(hù)作用,可以進(jìn)一步發(fā)揮儲(chǔ)能電站綜合效益,緩解儲(chǔ)能電站性能的惡化,有效延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)壽命,能夠更大程度地保證儲(chǔ)能電站安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行[13-15]。
場(chǎng)景1:一季度負(fù)荷基數(shù)較低,風(fēng)光等新能源出力一定程度上起到對(duì)調(diào)負(fù)荷曲線調(diào)峰的作用。在此基礎(chǔ)上,利用儲(chǔ)能對(duì)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線進(jìn)行削峰填谷優(yōu)化控制,進(jìn)一步平抑優(yōu)化統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線,緩解常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰壓力。
場(chǎng)景2:二季度典型日負(fù)荷基數(shù)較低,風(fēng)光等新能源出力波動(dòng)較大,造成統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線波動(dòng)加大,從而也加大了儲(chǔ)能電站平抑優(yōu)化負(fù)荷曲線的難度,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)能電站充放電策略,一定程度上能夠平抑優(yōu)化統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線。
場(chǎng)景3:三季度典型日負(fù)荷基數(shù)較大,在風(fēng)光出力較為穩(wěn)定的情況下,新能源并網(wǎng)發(fā)電能夠起到一定的調(diào)峰作用[16],在此基礎(chǔ)上,利用電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能對(duì)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線進(jìn)行削峰填谷優(yōu)化控制,進(jìn)一步平抑優(yōu)化統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線。
場(chǎng)景4:四季度典型日負(fù)荷基數(shù)較小,在風(fēng)光等新能源出力較為穩(wěn)定的情況下,新能源并網(wǎng)發(fā)電會(huì)出現(xiàn)反調(diào)峰現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上,利用電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能對(duì)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線進(jìn)行削峰填谷優(yōu)化控制,進(jìn)一步平抑優(yōu)化統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線,緩解常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰壓力。
根據(jù)本文所建立的儲(chǔ)能削峰填谷評(píng)價(jià)指標(biāo),在四個(gè)季度典型負(fù)荷日下,儲(chǔ)能優(yōu)化前后指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比,如表2所示。
由表2對(duì)比結(jié)果,表明儲(chǔ)能充放電策略優(yōu)化后,各季度典型日統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線削峰填谷效果明顯,可有效減小負(fù)荷高峰值,增加負(fù)荷低谷值,一定程度上緩解了常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰壓力。

表2 各場(chǎng)景下儲(chǔ)能優(yōu)化指標(biāo)對(duì)比 MW
本文采用《浙江省電網(wǎng)銷售電價(jià)表》中大工業(yè)用電、一般工商業(yè)及其他用電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電六時(shí)段分時(shí)電價(jià)(電價(jià)時(shí)段劃分:尖峰時(shí)段19:00—21:00;高峰時(shí)段8:00—11:00、13:00—19:00、21:00—22:00;低谷時(shí)段11:00—13:00、22:00—次日8:00),作為儲(chǔ)能充放電優(yōu)化策略經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的電價(jià)依據(jù),如圖6所示。

圖6 六時(shí)段分時(shí)電價(jià)曲線
選取各季度典型負(fù)荷日儲(chǔ)能電站充放電數(shù)據(jù),計(jì)算典型負(fù)荷日儲(chǔ)能充放電優(yōu)化策略下的購(gòu)電成本和售電收益,如圖7所示。

圖7 典型負(fù)荷日經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)
由圖7可知,在大多數(shù)情況下儲(chǔ)能電站能夠?qū)崿F(xiàn)盈利,而在三季度典型負(fù)荷日下,出現(xiàn)購(gòu)電成本大于售電收益的情況。原因是三季度典型負(fù)荷日下,儲(chǔ)能為了平抑優(yōu)化統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線,其充電時(shí)間多集中在高峰電價(jià)時(shí)段(8:00—11:00、13:00—15:00兩個(gè)時(shí)段),而在低谷電價(jià)部分時(shí)段,儲(chǔ)能電站處于放電模式。說(shuō)明本文提出的“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型僅僅著重于考慮新能源消納的儲(chǔ)能電站優(yōu)化調(diào)度,一定程度上不具有經(jīng)濟(jì)性[17-18]。后續(xù)考慮將儲(chǔ)能充放電經(jīng)濟(jì)性因素加入到優(yōu)化調(diào)度模型當(dāng)中,進(jìn)一步優(yōu)化模型的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
在區(qū)域電網(wǎng)新能源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高的前提下,可以通過(guò)本文提出的“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型,對(duì)東南部電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線進(jìn)行平抑優(yōu)化調(diào)度,緩解新能源反調(diào)峰帶來(lái)的壓力,提升區(qū)域電網(wǎng)新能源發(fā)電的可控性和滲透率。“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型應(yīng)用的具體流程,如圖8所示。

圖8 模型實(shí)際應(yīng)用流程
由圖8所示,“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型應(yīng)用流程為:通過(guò)前一日對(duì)某縣域東南部地區(qū)新能源負(fù)荷及地區(qū)負(fù)荷進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè),進(jìn)而求解出東南部地區(qū)的統(tǒng)調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。將預(yù)測(cè)結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)代入本文提出的“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型,導(dǎo)出儲(chǔ)能電站次日充放電數(shù)據(jù),再由調(diào)度值班長(zhǎng)進(jìn)行校核驗(yàn)證,確認(rèn)后編制次日儲(chǔ)能電站充放電曲線,并告知儲(chǔ)能電站運(yùn)維人員,次日按照編制的儲(chǔ)能充放電曲線進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
綜合考慮電網(wǎng)調(diào)峰、系統(tǒng)備用容量充裕性和新能源利用率等因素[19],本文根據(jù)縣級(jí)電網(wǎng)東南部負(fù)荷特性以及儲(chǔ)能運(yùn)行數(shù)據(jù),積極開(kāi)展計(jì)及新能源消納的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能削峰填谷優(yōu)化策略研究,并提出儲(chǔ)能參與電網(wǎng)削峰填谷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,所構(gòu)建的“新能源+儲(chǔ)能”優(yōu)化調(diào)度模型能夠有效平抑優(yōu)化統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線,削減電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差,緩解常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰壓力,進(jìn)一步提升電網(wǎng)風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電的可控性和滲透率。
本文研究成果表明,如果新能源并網(wǎng)消納目標(biāo)過(guò)高,單純通過(guò)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能來(lái)滿足新能源消納的要求,一定程度上不具有經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)該考慮采取多種靈活性措施進(jìn)一步提升電網(wǎng)新能源消納水平。
目前,本文研究成果已取得了初步成效,為進(jìn)一步發(fā)揮儲(chǔ)能電站的綜合效益,提升儲(chǔ)能電站的綜合運(yùn)行指標(biāo),以及下階段優(yōu)化儲(chǔ)能調(diào)控規(guī)范化管理夯實(shí)了基礎(chǔ),也為全國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站調(diào)控運(yùn)行提供了一定的經(jīng)驗(yàn)參考。