“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下,我國每年風(fēng)光新能源的新增裝機(jī)容量將達(dá)到75 GW,電力系統(tǒng)正經(jīng)歷綠色低碳轉(zhuǎn)型和能源結(jié)構(gòu)變革。新能源滲透率的升高使電網(wǎng)面臨日益嚴(yán)峻的電力電量不平衡問題,新能源隨機(jī)性、波動性和間歇性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的沖擊日益加劇。傳統(tǒng)火電等靈活性資源發(fā)展受限,電化學(xué)儲能作為前景廣闊的靈活資源將在新型電力系統(tǒng)中充當(dāng)重要角色。因此,面向系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等需求合理配置電化學(xué)儲能是緩解新能源電網(wǎng)電力電量不平衡矛盾的重要措施。
當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者立足調(diào)峰、調(diào)頻、抑制超低頻振蕩、消納新能源等儲能應(yīng)用場景,開展了電化學(xué)儲能電站容量配置相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]提出一種儲能輔助電網(wǎng)調(diào)峰的雙層配置方案,并對儲能系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[7]以頻率變化率和頻率偏差為限制條件,提出了一種高風(fēng)電滲透率下考慮電網(wǎng)頻率支撐需求的儲能系統(tǒng)配置方法;文獻(xiàn)[8]提出了電網(wǎng)側(cè)儲能電站參與超低頻振蕩抑制應(yīng)用的容量分配方法;文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了基于分類概率機(jī)會約束信息間隙決策理論的配網(wǎng)儲能魯棒優(yōu)化配置模型。綜上,儲能電站容量配置相關(guān)研究多基于單一應(yīng)用場景,如調(diào)峰、調(diào)頻、消納新能源、平抑波動、提高供電可靠性等,然而僅考慮單一應(yīng)用場景配置儲能,忽略電網(wǎng)側(cè)儲能電站其他輔助服務(wù)價值,會低估儲能帶來的效益,造成規(guī)劃建設(shè)階段儲能配置容量與系統(tǒng)實際儲能需求容量不匹配,難以充分挖掘儲能調(diào)峰-調(diào)頻等多應(yīng)用場景協(xié)調(diào)運(yùn)行的潛力。
考慮到電化學(xué)儲能仍具有較高成本,挖掘儲能多場景協(xié)調(diào)應(yīng)用,實現(xiàn)其參與電網(wǎng)多重輔助服務(wù),可提高儲能經(jīng)濟(jì)效益以及電網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性。有學(xué)者提出將儲能頻率調(diào)節(jié)、削峰填谷、消納新能源等多應(yīng)用場景結(jié)合起來。文獻(xiàn)[3]采用動態(tài)規(guī)劃框架整合頻率控制和調(diào)頻目標(biāo),實現(xiàn)儲能雙重輔助服務(wù)聯(lián)合優(yōu)化;文獻(xiàn)[14]利用頻率響應(yīng)備用容量約束將儲能一次調(diào)頻和儲能調(diào)峰統(tǒng)一到同一時間尺度下,實現(xiàn)百兆瓦級儲能參與電網(wǎng)雙重輔助服務(wù);文獻(xiàn)[15]從電/熱儲能互補(bǔ)的角度提出了儲能在消納新能源棄電和削減電負(fù)荷高峰兩個場景下的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略;文獻(xiàn)[16]考慮電池壽命衰減、運(yùn)行約束以及負(fù)荷和調(diào)節(jié)信號的不確定性,提出了儲能調(diào)峰和調(diào)頻聯(lián)合優(yōu)化框架;文獻(xiàn)[17]提出基于荷電狀態(tài)的儲能調(diào)峰-調(diào)頻工作區(qū)域劃分方法和協(xié)同控制策略,提高了儲能利用率。上述文獻(xiàn)雖然結(jié)合了儲能多重應(yīng)用場景,但并未將多重應(yīng)用場景下儲能的規(guī)劃配置與運(yùn)行調(diào)度有機(jī)融合,即在儲能配置時并未對儲能與常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰-調(diào)頻多時間尺度運(yùn)行進(jìn)行刻畫。此外,面向新型電力系統(tǒng)的儲能優(yōu)化配置技術(shù)亦不能忽視碳約束的影響。
綜上研究與問題,本文提出考慮新能源電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求的儲能優(yōu)化配置方法。首先,建立典型日運(yùn)行模擬模型,考慮到調(diào)峰和調(diào)頻的時間尺度不同將典型日運(yùn)行模擬分為日前調(diào)峰與日內(nèi)調(diào)頻兩個階段,調(diào)峰階段以電源發(fā)電成本和棄風(fēng)棄光成本最小為目標(biāo),計及網(wǎng)絡(luò)潮流約束、碳約束、儲能運(yùn)行約束等,調(diào)頻階段以機(jī)組調(diào)頻容量費(fèi)用、電量費(fèi)用和聯(lián)絡(luò)線功率交換偏差懲罰最小為目標(biāo),計及功率平衡約束、AGC可征用容量約束等。然后,建立儲能雙層優(yōu)化配置模型,上層為配置問題,下層為運(yùn)行模擬問題,通過差分進(jìn)化算法+Gurobi求解器的混合算法進(jìn)行求解。
1 儲能與常規(guī)機(jī)組聯(lián)合調(diào)峰-調(diào)頻運(yùn)行
1.1 典型日下調(diào)峰-調(diào)頻運(yùn)行模擬
以滿足系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求為導(dǎo)向的儲能配置研究需對其雙重輔助服務(wù)效果進(jìn)行量化。本工作采用典型日兩階段運(yùn)行模擬的方法量化儲能對系統(tǒng)調(diào)峰-調(diào)頻的貢獻(xiàn)。具體思路是通過對規(guī)劃年的負(fù)荷、風(fēng)電、光伏時序曲線進(jìn)行聚類得到典型日曲線;再基于典型日曲線進(jìn)行兩階段運(yùn)行模擬得到系統(tǒng)運(yùn)行成本;將儲能配置前后運(yùn)行成本求差即可得到儲能的貢獻(xiàn)。兩階段運(yùn)行模擬亦使儲能配置優(yōu)化問題包含了調(diào)峰-調(diào)頻雙重應(yīng)用場景的運(yùn)行約束。
前述對時序曲線進(jìn)行聚類是因為若以全年時序負(fù)荷、風(fēng)電、光伏功率進(jìn)行優(yōu)化會存在求解規(guī)模過大的問題,考慮到負(fù)荷、風(fēng)電、光伏功率有明顯的季節(jié)性,可采用K-means聚類方法得到典型日功率曲線來表征全年的功率曲線。聚類步驟:首先,隨機(jī)選擇D個初始聚類質(zhì)心(規(guī)劃典型日);其次,對年時序功率曲線以日為單位劃分的365個聚類單元進(jìn)行聚類;最終,得出D種規(guī)劃典型日以及各典型日的對應(yīng)天數(shù)。利用典型日的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化可大幅降低求解規(guī)模,縮短求解時間。
基于全年時序數(shù)據(jù)聚類處理的典型日調(diào)峰-調(diào)頻運(yùn)行模擬借鑒“here-and-now & wait-and-see”的思想,劃分為日前調(diào)峰階段和日內(nèi)調(diào)頻階段,如圖1所示。兩個階段時間尺度不同,日前調(diào)峰為1 h時間尺度的優(yōu)化,日內(nèi)調(diào)頻為5 min時間尺度的優(yōu)化。日前調(diào)峰階段模擬儲能、機(jī)組等靈活資源的開關(guān)機(jī)狀態(tài)、計劃出力和備用容量等,將第一階段基準(zhǔn)功率和可調(diào)容量傳遞給第二階段日內(nèi)調(diào)頻模擬靈活資源的功率調(diào)整量,日前調(diào)峰與日內(nèi)調(diào)頻有機(jī)整合則得到典型日的運(yùn)行模擬結(jié)果。
1.2 調(diào)峰階段運(yùn)行
1.2.1 目標(biāo)函數(shù)
1.2.2 約束條件調(diào)峰運(yùn)行模擬約束條件考慮電網(wǎng)功率平衡以及各發(fā)電主體實際物理限制。本工作特別考慮了電網(wǎng)運(yùn)行的碳足跡約束,進(jìn)一步促進(jìn)新能源的消納。式(5)~(9)表示網(wǎng)絡(luò)潮流約束,式(10)~(14)表示機(jī)組運(yùn)行約束,式(15)~(20)表示儲能運(yùn)行約束,式(21)表示機(jī)組備用約束,式(22)表示儲能備用約束,式(23)表示系統(tǒng)分區(qū)備用約束,式(24)~(25)表示碳足跡約束。
1.3 調(diào)頻階段運(yùn)行
1.3.1 目標(biāo)函數(shù)電力系統(tǒng)由多個控制區(qū)互聯(lián)組成,各互聯(lián)系統(tǒng)的靜態(tài)頻率保持一致,在調(diào)度管理上各區(qū)域的源荷功率平衡應(yīng)由本區(qū)域自己解決,也就是說當(dāng)某一區(qū)域發(fā)生功率不平衡時,在保證系統(tǒng)頻率在正常范圍的前提下,聯(lián)絡(luò)線交互功率穩(wěn)態(tài)值應(yīng)與計劃值一致。對此,調(diào)頻階段目標(biāo)函數(shù)包含聯(lián)絡(luò)線交互功率偏差懲罰函數(shù),以保證區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線有功交換符合系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)運(yùn)行要求。目標(biāo)函數(shù)見式(26),具體包含機(jī)組二次調(diào)頻電量。
2 儲能電站容量配置雙層優(yōu)化
2.1 配置問題框架
建立儲能規(guī)劃-運(yùn)行雙層優(yōu)化模型,如圖2所示。上層為儲能配置問題,以規(guī)劃年儲能投資成本和系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo);下層為典型日運(yùn)行模擬問題,分為調(diào)峰-調(diào)頻兩個階段即第1節(jié)所述模型。雙層優(yōu)化問題的上層模型生成儲能配置結(jié)果并傳遞給下層,下層模型基于不同典型日生成運(yùn)行模擬結(jié)果并回傳給上層,隨后上層計算規(guī)劃年總成本并更新儲能配置結(jié)果,通過不斷交互迭代實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的最優(yōu)配置。圖2考慮綜合成本的儲能配置框架
2.2 儲能配置模型
2.2.1 目標(biāo)函數(shù)上層配置問題的目標(biāo)函數(shù)式(35)包含儲能等值年投資成本、儲能年運(yùn)維成本以及系統(tǒng)規(guī)劃年運(yùn)行成本,其中系統(tǒng)規(guī)劃年運(yùn)行成本由下層各典型日運(yùn)行模擬結(jié)果加權(quán)算得,權(quán)重系數(shù)為各典型日表征的天數(shù)。
3.2.1 經(jīng)濟(jì)性分析為分析考慮雙重應(yīng)用場景配置儲能的合理性,設(shè)計3個規(guī)劃方案進(jìn)行對比。方案1考慮系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求配置儲能;相較于雙重應(yīng)用場景,現(xiàn)有文獻(xiàn)[22-23]多考慮儲能系統(tǒng)參與單一調(diào)峰場景的配置優(yōu)化,因此設(shè)定方案2,僅考慮系統(tǒng)調(diào)峰需求配置儲能,作為本工作規(guī)劃方案的對比;方案3無儲能,僅有火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻。
3.2.2 調(diào)峰效果和新能源消納程度分析為分析儲能系統(tǒng)配置后對系統(tǒng)調(diào)峰效果的影響,引入3個方案下凈負(fù)荷曲線,如圖7所示,以各典型日無儲能方案作為對比,可看出在18:00~24:00時段,方案1和方案2的系統(tǒng)凈負(fù)荷更低,且方案1系統(tǒng)凈負(fù)荷低于方案2系統(tǒng)凈負(fù)荷,說明考慮調(diào)峰調(diào)頻運(yùn)行的儲能配置相較于方案2、3更有利于削減系統(tǒng)尖峰負(fù)荷。典型日3的4:00~10:00時段,方案1和方案2的系統(tǒng)凈負(fù)荷高于方案3的系統(tǒng)凈負(fù)荷,說明配置的儲能填補(bǔ)了系統(tǒng)負(fù)荷缺額,此時儲能系統(tǒng)作為負(fù)荷吸收電網(wǎng)電能進(jìn)行充電。典型日2的7:00~17:00時段,方案1系統(tǒng)凈負(fù)荷低于方案2、3的系統(tǒng)凈負(fù)荷,這是因為典型日2的風(fēng)光出力大幅高于典型日1、3出力,系統(tǒng)凈負(fù)荷低體現(xiàn)了儲能在系統(tǒng)中發(fā)揮了調(diào)峰的作用。
典型日2的機(jī)組開機(jī)狀態(tài)如圖8所示,方案1相較方案2、3,其7:00~18:00時段火電機(jī)組G1、G2的關(guān)機(jī)時間更長,說明配置儲能后,區(qū)域Ⅰ的負(fù)荷大部分由新能源機(jī)組承擔(dān)。方案2、3則發(fā)生了新能源的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象,可見配置儲能有利于消納新能源,并減少火電機(jī)組運(yùn)行。將典型日數(shù)據(jù)輸入模型模擬運(yùn)行,得到年8760個小時各方案的新能源出力分布函數(shù)曲線如圖9所示,方案1中儲能雖然參與了系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)峰場景,系統(tǒng)仍不能將新能源出力完全消納,這是因為運(yùn)行模型是以總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù),若完全消納則不能達(dá)到全局最優(yōu),但是與方案2、3相比,方案1已實現(xiàn)了大幅消納新能源出力的效果。
典型日2的機(jī)組開機(jī)狀態(tài)如圖8所示,方案1相較方案2、3,其7:00~18:00時段火電機(jī)組G1、G2的關(guān)機(jī)時間更長,說明配置儲能后,區(qū)域Ⅰ的負(fù)荷大部分由新能源機(jī)組承擔(dān)。方案2、3則發(fā)生了新能源的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象,可見配置儲能有利于消納新能源,并減少火電機(jī)組運(yùn)行。將典型日數(shù)據(jù)輸入模型模擬運(yùn)行,得到年8760個小時各方案的新能源出力分布函數(shù)曲線如圖9所示,方案1中儲能雖然參與了系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)峰場景,系統(tǒng)仍不能將新能源出力完全消納,這是因為運(yùn)行模型是以總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù),若完全消納則不能達(dá)到全局最優(yōu),但是與方案2、3相比,方案1已實現(xiàn)了大幅消納新能源出力的效果。
表1儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)參數(shù)
表2各能源類型CO2當(dāng)量值
3.2.1 經(jīng)濟(jì)性分析為分析考慮雙重應(yīng)用場景配置儲能的合理性,設(shè)計3個規(guī)劃方案進(jìn)行對比。方案1考慮系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求配置儲能;相較于雙重應(yīng)用場景,現(xiàn)有文獻(xiàn)[22-23]多考慮儲能系統(tǒng)參與單一調(diào)峰場景的配置優(yōu)化,因此設(shè)定方案2,僅考慮系統(tǒng)調(diào)峰需求配置儲能,作為本工作規(guī)劃方案的對比;方案3無儲能,僅有火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻。
3.2.2 調(diào)峰效果和新能源消納程度分析為分析儲能系統(tǒng)配置后對系統(tǒng)調(diào)峰效果的影響,引入3個方案下凈負(fù)荷曲線,如圖7所示,以各典型日無儲能方案作為對比,可看出在18:00~24:00時段,方案1和方案2的系統(tǒng)凈負(fù)荷更低,且方案1系統(tǒng)凈負(fù)荷低于方案2系統(tǒng)凈負(fù)荷,說明考慮調(diào)峰調(diào)頻運(yùn)行的儲能配置相較于方案2、3更有利于削減系統(tǒng)尖峰負(fù)荷。典型日3的4:00~10:00時段,方案1和方案2的系統(tǒng)凈負(fù)荷高于方案3的系統(tǒng)凈負(fù)荷,說明配置的儲能填補(bǔ)了系統(tǒng)負(fù)荷缺額,此時儲能系統(tǒng)作為負(fù)荷吸收電網(wǎng)電能進(jìn)行充電。典型日2的7:00~17:00時段,方案1系統(tǒng)凈負(fù)荷低于方案2、3的系統(tǒng)凈負(fù)荷,這是因為典型日2的風(fēng)光出力大幅高于典型日1、3出力,系統(tǒng)凈負(fù)荷低體現(xiàn)了儲能在系統(tǒng)中發(fā)揮了調(diào)峰的作用。
圖5負(fù)荷、光伏、風(fēng)電全年功率曲線
圖6典型日負(fù)荷、光伏、風(fēng)電曲線
3.2.1 經(jīng)濟(jì)性分析
為分析考慮雙重應(yīng)用場景配置儲能的合理性,設(shè)計3個規(guī)劃方案進(jìn)行對比。方案1考慮系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求配置儲能;相較于雙重應(yīng)用場景,現(xiàn)有文獻(xiàn)[22-23]多考慮儲能系統(tǒng)參與單一調(diào)峰場景的配置優(yōu)化,因此設(shè)定方案2,僅考慮系統(tǒng)調(diào)峰需求配置儲能,作為本工作規(guī)劃方案的對比;方案3無儲能,僅有火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻。
3.2.2 調(diào)峰效果和新能源消納程度分析
為分析儲能系統(tǒng)配置后對系統(tǒng)調(diào)峰效果的影響,引入3個方案下凈負(fù)荷曲線,如圖7所示,以各典型日無儲能方案作為對比,可看出在18:00~24:00時段,方案1和方案2的系統(tǒng)凈負(fù)荷更低,且方案1系統(tǒng)凈負(fù)荷低于方案2系統(tǒng)凈負(fù)荷,說明考慮調(diào)峰調(diào)頻運(yùn)行的儲能配置相較于方案2、3更有利于削減系統(tǒng)尖峰負(fù)荷。典型日3的4:00~10:00時段,方案1和方案2的系統(tǒng)凈負(fù)荷高于方案3的系統(tǒng)凈負(fù)荷,說明配置的儲能填補(bǔ)了系統(tǒng)負(fù)荷缺額,此時儲能系統(tǒng)作為負(fù)荷吸收電網(wǎng)電能進(jìn)行充電。典型日2的7:00~17:00時段,方案1系統(tǒng)凈負(fù)荷低于方案2、3的系統(tǒng)凈負(fù)荷,這是因為典型日2的風(fēng)光出力大幅高于典型日1、3出力,系統(tǒng)凈負(fù)荷低體現(xiàn)了儲能在系統(tǒng)中發(fā)揮了調(diào)峰的作用。
圖7 3種方案的凈負(fù)荷曲線對比
典型日2的機(jī)組開機(jī)狀態(tài)如圖8所示,方案1相較方案2、3,其7:00~18:00時段火電機(jī)組G1、G2的關(guān)機(jī)時間更長,說明配置儲能后,區(qū)域Ⅰ的負(fù)荷大部分由新能源機(jī)組承擔(dān)。方案2、3則發(fā)生了新能源的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象,可見配置儲能有利于消納新能源,并減少火電機(jī)組運(yùn)行。將典型日數(shù)據(jù)輸入模型模擬運(yùn)行,得到年8760個小時各方案的新能源出力分布函數(shù)曲線如圖9所示,方案1中儲能雖然參與了系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)峰場景,系統(tǒng)仍不能將新能源出力完全消納,這是因為運(yùn)行模型是以總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù),若完全消納則不能達(dá)到全局最優(yōu),但是與方案2、3相比,方案1已實現(xiàn)了大幅消納新能源出力的效果。
圖8 典型日2下3種方案的機(jī)組開機(jī)狀態(tài)
圖9 新能源出力的概率分布曲線
3.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行碳足跡分析
典型日2下3種方案的碳足跡如圖10所示,由式(24)可知,系統(tǒng)總碳足跡由火電、光伏和風(fēng)電出力共同決定,且火電碳足跡當(dāng)量值大幅高于光伏和風(fēng)電,可見火電機(jī)組出力對碳足跡有決定性的影響,圖7典型日2的凈負(fù)荷曲線與圖10曲線大致擬合,是因為配置儲能系統(tǒng)后,方案1的光伏、風(fēng)電出力占比提升,使總體碳足跡更低,間接說明了系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的碳排放更少。
圖10 典型日2下三種方案的碳足跡
3.2.4 儲能運(yùn)行及AGC調(diào)頻分析
方案1和方案2下儲能系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻出力及SOC變化曲線如圖12所示,圖中方案1和方案2的儲能日前運(yùn)行并不相同,可知考慮儲能頻率響應(yīng)會影響儲能日前調(diào)峰運(yùn)行。典型日2下AGC征用的火電機(jī)組總?cè)萘咳鐖D11所示,方案1、方案2和方案3均能使系統(tǒng)頻率和區(qū)域聯(lián)絡(luò)線傳輸功率保持在正常區(qū)間內(nèi),方案2的AGC征用容量與方案3基本相同,說明儲能若不參與調(diào)頻,則系統(tǒng)的頻率調(diào)整均由常規(guī)機(jī)組完成;方案1的AGC征用容量遠(yuǎn)小于方案2,說明儲能響應(yīng)ACE信號可以減少常規(guī)機(jī)組的功率調(diào)整。結(jié)合表3,因為儲能系統(tǒng)調(diào)頻比火電機(jī)組調(diào)頻的成本更低,因此方案1系統(tǒng)調(diào)頻成本更低,綜上,在規(guī)劃階段考慮儲能調(diào)峰調(diào)頻運(yùn)行可以更好匹配系統(tǒng)的實際儲能需求。
圖11 典型日2下AGC征用的火電機(jī)組總?cè)萘?/p>
圖12 儲能調(diào)峰、調(diào)頻出力及SOC變化曲線
4 結(jié)論
針對新能源電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻需求,本工作提出儲能參與雙重應(yīng)用場景的最優(yōu)配置方法。首先模擬典型日調(diào)峰-調(diào)頻兩階段運(yùn)行,然后基于不同典型日下運(yùn)行模擬提出儲能規(guī)劃-運(yùn)行雙層優(yōu)化方法。算例結(jié)果表明:(1)與僅計及調(diào)峰需求配置儲能相比,考慮調(diào)峰-調(diào)頻需求配置儲能的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)、系統(tǒng)靈活性更高;(2)考慮調(diào)峰需求配置儲能可平整系統(tǒng)的凈負(fù)荷曲線,提升新能源并網(wǎng)消納,實現(xiàn)火電機(jī)組發(fā)電占比下降并減少系統(tǒng)運(yùn)行碳排放;(3)考慮調(diào)頻需求配置儲能可降低火電機(jī)組AGC征用總?cè)萘浚瑑δ芟到y(tǒng)以其快速充放電能力以及成本較低的優(yōu)勢響應(yīng)了系統(tǒng)的調(diào)頻需求。