摘要
含高比例可再生能源接入的新型電力系統(tǒng)中，可再生能源發(fā)電量存在季節(jié)分布不均衡的問題，給系統(tǒng)電力供應(yīng)穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。作為一種新興的靈活調(diào)節(jié)資源，季節(jié)性儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、大規(guī)模的能量轉(zhuǎn)移，具有電量季節(jié)性波動(dòng)平抑作用。在規(guī)劃階段合理配置季節(jié)性儲(chǔ)能可以保證月間電量均衡，減輕系統(tǒng)保供壓力。提出了一種季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算方法，首先，基于月均氣象統(tǒng)計(jì)信息，建立可再生能源季節(jié)性發(fā)電量的季節(jié)分布特性模型；其次，以系統(tǒng)年均綜合成本最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮各類型電源運(yùn)行約束、儲(chǔ)能規(guī)劃/運(yùn)行約束以及年/月電量平衡約束，建立季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算模型，實(shí)現(xiàn)了季節(jié)性儲(chǔ)能容量需求測(cè)算；最后，采用中國南方某省區(qū)2050年規(guī)劃方案作為算例，驗(yàn)證了所提方法的有效性。
1 可再生能源季節(jié)不均衡特性建模
由于季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算以月為時(shí)間粒度，在模型中對(duì)可再生能源發(fā)電量的估算過程中可以借鑒規(guī)劃地區(qū)各月的氣象統(tǒng)計(jì)信息。基于月均氣象統(tǒng)計(jì)信息，包括日照強(qiáng)度、日照時(shí)長、平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)，可以分析得到待規(guī)劃區(qū)域的可再生能源季節(jié)性發(fā)電量的季節(jié)分布特性。而后基于可再生能源發(fā)電模型，計(jì)算各月額定發(fā)電量。
1.1 光伏季節(jié)特性模型
基于月平均日照強(qiáng)度、日照時(shí)長等歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，估計(jì)光伏各月發(fā)電量為
式中：Pm,pV 為月份 m 中光伏額定發(fā)電量； SpV 為區(qū)域內(nèi)光伏裝機(jī)容量； Rm,pV 、 Hm,pV 分別為月份 m 中平均日照強(qiáng)度系數(shù)和日照時(shí)長； Am 、 A0 分別為月份 m 中平均日照強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度。
1.2 風(fēng)電季節(jié)特性模型
基于月平均風(fēng)速等歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，估計(jì)風(fēng)電各月發(fā)電量為
式中：Pm,WT 為月份 m 中風(fēng)電額定發(fā)電量； SWT 為區(qū)域內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量； tm 為月份 m 的小時(shí)數(shù)； Rm,WT 為風(fēng)電的發(fā)電量系數(shù)； vm 為月份 m 中平均風(fēng)速； vmin 、 vmax 分別為常規(guī)風(fēng)電的最小、最大切出風(fēng)速。
上述模型通過歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，考慮了可再生能源月間出力的不均衡性，為季節(jié)性儲(chǔ)能容量需求測(cè)算提供了模型基礎(chǔ)。
2 季節(jié)性儲(chǔ)能容量需求測(cè)算方法
本章提出了季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算模型。值得注意的是，本文是在現(xiàn)有電源規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮跨季節(jié)儲(chǔ)能擴(kuò)展規(guī)劃問題，因而存在如下假設(shè)。電源規(guī)劃方案中已配置有短時(shí)儲(chǔ)能，使得月/季電力、電量短缺程度一致，可用于跨季節(jié)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。本文提出的季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算架構(gòu)如圖1所示。
2.1 季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算模型
以季節(jié)儲(chǔ)能年平均投資成本、系統(tǒng)年運(yùn)行成本、季節(jié)不均衡導(dǎo)致的月缺電量最小為目標(biāo)函數(shù)，即
式中：CES,p 、 CES,s 分別為單位儲(chǔ)能裝機(jī)和單位儲(chǔ)能容量的年均折算投資成本； d 為折現(xiàn)率； y 為儲(chǔ)能使用年限； CES,p0 、 CES,s0 分別為單位儲(chǔ)能裝機(jī)和單位儲(chǔ)能容量的年均投資成本； PES 為儲(chǔ)能配置裝機(jī)功率； SES 為儲(chǔ)能配置容量； κ 為電源類型數(shù)量； Xi 為電源 i 運(yùn)行成本； Qm,i 為電源 i 在月份 m 的發(fā)電量； Cm 為缺/棄電懲罰成本； Qm,es 為月份 m 季節(jié)儲(chǔ)能充放電量； α1 、 α2 、 α3 、 α4 為權(quán)重系數(shù)。
煤電運(yùn)行約束為
式中： αm,coal 為煤電在月份 m 的最小出力系數(shù)，根據(jù)電力系統(tǒng)規(guī)劃相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)處于供暖期時(shí)該系數(shù)取值一般為0.4，非供暖期一般取0.3； Scoal 為煤電裝機(jī)容量； Qm,coal 為煤電在月份 m 的發(fā)電量； tm,coal 為煤電在月份 m 的利用小時(shí)數(shù)； Tcoal 為煤電年利用小時(shí)數(shù)；H、N分別為供暖期和非供暖期月份集合。
水電運(yùn)行約束為
式中： βm,dry 、 γm,dry 分別為水電在枯水期月份 m 的最小、最大出力系數(shù)； βm,wet 、 γm,wet 分別為水電在豐水期月份 m 的最小、最大出力系數(shù)； Shydro 為水電裝機(jī)容量； Qm,hydro 為水電在月份 m 的發(fā)電量； tm,hydro 為水電在月份 m 的利用小時(shí)數(shù)； Thydro 為水電年利用小時(shí)數(shù)；D為枯水期月份集合；W為豐水期月份集合。
氣電運(yùn)行約束為
式中： Sgas 為氣電裝機(jī)容量； Qm,gas 為氣電在月份 m 的發(fā)電量； tm,gas 為氣電在月份 m 的利用小時(shí)數(shù)； Tgas 為氣電年利用小時(shí)數(shù)。
可再生能源運(yùn)行約束為
式中： Qm,PV 、 Qm,WT 分別為月份 m 中光伏和風(fēng)電的發(fā)電量。
其他電源如生物質(zhì)發(fā)電的運(yùn)行約束可以參考?xì)怆娺\(yùn)行約束?？紤]在各類電源工作位置中，核電一般帶基荷，其各月發(fā)電量可處理為一定值。
季節(jié)儲(chǔ)能規(guī)劃、運(yùn)行約束為
式中：Em,es 、 Em?1,es 分別為月份 m 和月份 m?1 的季節(jié)儲(chǔ)能蓄電量； Qm,es,loss 為儲(chǔ)能損耗； σ 為損耗系數(shù)； Eend,es 、 E0,es 分別為結(jié)束月和初始月的儲(chǔ)能蓄電量； TES 為季節(jié)儲(chǔ)能規(guī)劃時(shí)長； Qm,pur 為月份 m 的不均衡電量。
電量平衡約束為
式中： Lm 為月份 m 的負(fù)荷電量； K 為電源集合； Qm,k 為月份 m 內(nèi)電源k的發(fā)電量。式（28）表示月電量平衡約束，式（29）表示年電量平衡約束。
2.2 季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算方法實(shí)現(xiàn)
本文提出了一種季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算模型，其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。
首先，設(shè)定規(guī)劃年，并預(yù)測(cè)規(guī)劃年2類數(shù)據(jù)。1）系統(tǒng)運(yùn)行邊界，包括區(qū)域內(nèi)規(guī)劃年電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)及容量、規(guī)劃年各月負(fù)荷水平；2）系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，包括季節(jié)性儲(chǔ)能單位裝機(jī)投資成本和單位容量投資成本、各類電源運(yùn)行費(fèi)用。
然后，通過月均氣象統(tǒng)計(jì)信息，包括日照強(qiáng)度、日照時(shí)長、平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)，分析得到待規(guī)劃區(qū)域的可再生能源季節(jié)性發(fā)電量的分布特性，并計(jì)算可再生能源各月額定發(fā)電量。此外，還須統(tǒng)計(jì)供暖期/非供暖期、豐水期/枯水期等影響電源出力的季節(jié)性數(shù)據(jù)。
最后，以季節(jié)儲(chǔ)能年平均投資成本、系統(tǒng)年運(yùn)行成本、季節(jié)不均衡導(dǎo)致的月缺電量最小為目標(biāo)函數(shù)，以各電源運(yùn)行約束，儲(chǔ)能規(guī)劃、運(yùn)行約束、電量平衡約束作為約束條件，建立季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算模型并通過CPLEX等商用求解器求解，得到規(guī)劃年季節(jié)性儲(chǔ)能所需裝機(jī)規(guī)模及容量。
3 算例分析
為驗(yàn)證本文提出季節(jié)性儲(chǔ)能規(guī)劃模型與方法的正確性與有效性，在Matlab環(huán)境下通過YALMIP編程，采用CPLEX算法包進(jìn)行求解。
3.1 算例邊界條件
考慮2050年為規(guī)劃年，本節(jié)以中國南方某省區(qū)為例，預(yù)計(jì)2050年該地最大負(fù)荷為6 250萬kW，全社會(huì)年用電量為4 146.8億kW·h，月負(fù)荷系數(shù)如表1所示。
預(yù)計(jì)2050年該省區(qū)各類電源裝機(jī)規(guī)模如下。煤電3 500萬kW、水電2 700萬kW、氣電100萬kW、生物質(zhì)發(fā)電50萬kW、光伏4 000萬kW、風(fēng)電3 700萬kW?；跉v史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)規(guī)劃年各常規(guī)電源年利用小時(shí)數(shù)如下。煤電3 500 h、水電4 000 h、氣電4 000 h、生物質(zhì)發(fā)電4 000 h。該省區(qū)豐水期為5~8月，水電豐水期出力系數(shù) βm,wet 和 γm,wet 分別為0.3、0.9；枯水期出力系數(shù) βm,dry 和 γm,dry 分別為0.1、0.8。月平均日照時(shí)長和日照強(qiáng)度系數(shù)如圖3~4所示，月平均風(fēng)速如圖5所示。
跨季節(jié)儲(chǔ)能使用年限為30年，折現(xiàn)率為0.08，單位儲(chǔ)能裝機(jī)和單位儲(chǔ)能容量的年均折算投資成本分別為1 000元/kW和50元/(kW·h)。各電源運(yùn)行成本分別為：煤電0.3元/(kW·h)、水電0.2元/(kW·h)、氣電0.4元/(kW·h)、生物質(zhì)發(fā)電0.4元/(kW·h)、儲(chǔ)能0.13元/(kW·h)、缺電/棄電懲罰0.5元/(kW·h)。
3.2 計(jì)算結(jié)果及分析
為驗(yàn)證本文提出的考慮新能源季節(jié)性電量分布不均的省區(qū)級(jí)季節(jié)性儲(chǔ)能規(guī)劃方法的有效性，采用以下2種方案進(jìn)行對(duì)比。方案1：不采用優(yōu)化規(guī)劃方法；方案2：采用本文所述的方法進(jìn)行季節(jié)性儲(chǔ)能規(guī)劃，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能及各電源月發(fā)電量進(jìn)行優(yōu)化。
依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)權(quán)重系數(shù) α1～α4 取值為1、0.1、0.4、0.4。
經(jīng)計(jì)算，方案2季節(jié)性儲(chǔ)能的容量配置結(jié)果為14萬kW、1 080 h。圖6為方案2儲(chǔ)能充放電量和蓄電量變化情況，其中圖6 a)為跨季節(jié)儲(chǔ)能月充放電量及其損耗，圖6 b)為跨季節(jié)儲(chǔ)能蓄能量變化情況。各類電源發(fā)電量如圖7所示。
由圖3~7可以看出，新能源出力存在明顯的季節(jié)性不均衡問題，以光伏為例，光伏7、8月份發(fā)電量超過67億kW·h，而1月發(fā)電量僅為6.2億kW·h，規(guī)模相差約10倍。且7、8月份處于豐水期，水電強(qiáng)迫出力較大。此外，從負(fù)荷角度看，7、8月份負(fù)荷系數(shù)約為0.7，小于1月負(fù)荷系數(shù)0.88，進(jìn)一步加劇了季節(jié)間電量不均衡性，造成夏季月份新能源棄電、冬季電量短缺等問題。通過配置季節(jié)性儲(chǔ)能，可以有效緩解季節(jié)性電量不均衡問題，2種方案的效益分析如表2所示。
由表2可知，通過配置季節(jié)性儲(chǔ)能，可以有效緩解由季節(jié)性電量不均衡帶來的缺電和新能源棄電問題?？紤]煤電綜合度電成本為0.318元/(kW·h)，則年煤電節(jié)省成本為2.54億元，除去配置儲(chǔ)能帶來的年投資成本2.24億元，配置儲(chǔ)能后系統(tǒng)年均收益增加0.3億元。此外，考慮到綠色降碳等社會(huì)效益，配置季節(jié)性儲(chǔ)能的綜合效益顯著。
綜合上述分析，本文提出的考慮新能源季節(jié)性電量分布不均的省區(qū)級(jí)季節(jié)性儲(chǔ)能規(guī)劃方法可以有效實(shí)現(xiàn)季節(jié)性儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置，緩解季節(jié)性電量不均衡問題，同時(shí)帶來綜合效益。
4 結(jié)論
為應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電量存在季節(jié)分布不均衡問題，本文提出了一種季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算方法。首先基于月均氣象統(tǒng)計(jì)信息，包括日照強(qiáng)度、日照時(shí)長、平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)，建立可再生能源的季節(jié)不均衡特性模型。而后以季節(jié)儲(chǔ)能年平均投資成本、系統(tǒng)年運(yùn)行成本、季節(jié)不均衡導(dǎo)致的月電量不平衡懲罰最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮各電源運(yùn)行約束、儲(chǔ)能規(guī)劃/運(yùn)行約束以及年/月電量平衡約束，建立季節(jié)性儲(chǔ)能需求測(cè)算模型。最后通過求解得到季節(jié)性儲(chǔ)能容量和時(shí)長，實(shí)現(xiàn)了季節(jié)性儲(chǔ)能容量需求的初步測(cè)算。算例分析部分以中國南方某省2050年電源規(guī)劃方案為例，對(duì)當(dāng)年季節(jié)性儲(chǔ)能需求進(jìn)行了測(cè)算，證明了所述方法的有效性，并進(jìn)行方案對(duì)比分析證明了季節(jié)性儲(chǔ)能的良好應(yīng)用前景。
在本文工作的基礎(chǔ)上，未來還可以在以下2方面進(jìn)行拓展研究：1）考慮季節(jié)性儲(chǔ)能與其他不同時(shí)長的儲(chǔ)能系統(tǒng)的耦合關(guān)系，如何進(jìn)行混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃；2）面向未來儲(chǔ)能電價(jià)市場(chǎng)，考慮共享儲(chǔ)能等商業(yè)模式、儲(chǔ)能規(guī)劃方案如何制定。隨著儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模和應(yīng)用模式的擴(kuò)展，上述兩方面問題或?qū)⒊蔀閮?chǔ)能領(lǐng)域研究重點(diǎn)。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請(qǐng)查看原文。
