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伍俊, 魯宗相, 喬穎, 等. 考慮儲能動態(tài)充放電效率特性的風(fēng)儲電站運(yùn)行優(yōu)化 [J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2018, 42(11): 41-47. DOI: 10.7500/ AEPS20180326002.
WU Jun, LU Zongxiang, QIAO Ying, et al. Optimal Operation of Wind Farm with Hybrid Storage Devices Considering Efficiency Characteristics of Dynamic Charging and Discharging [J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(11): 41-47. DOI: 10.7500/ AEPS20180326002.
考慮儲能動態(tài)充放電效率特性的風(fēng)儲電站運(yùn)行優(yōu)化
DOI: 10.7500/AEPS20180326002
伍俊，魯宗相，喬穎，楊海晶
1、研究背景
近年來，中國新能源迅猛發(fā)展，但同時棄風(fēng)棄光矛盾凸顯，風(fēng)電場與儲能聯(lián)合是提升風(fēng)電場消納的有效途徑。儲能效率直接影響風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的消納效果，但目前的常數(shù)效率模型對儲能的效率特性刻畫不夠精細(xì)。本文以等效風(fēng)電消納量最大為目標(biāo)，建立了考慮儲能動態(tài)效率的風(fēng)電儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型。該模型考慮了儲能在充放電運(yùn)行功率不同時的效率變化，將動態(tài)效率以分段函數(shù)形式納入混合整數(shù)線性優(yōu)化模型?；趯?shí)際風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，證明了動態(tài)效率特性對最大化消納具有顯著影響，是風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化值得納入考慮的因素。
2、儲能的動態(tài)效率特性
不同的儲能設(shè)備，其運(yùn)行功率范圍、效率大小、動態(tài)效率變化的快慢程度不同，難以直接比較分析，為統(tǒng)一考慮其動態(tài)充放電特性，采用功率-效率曲線來描述。某先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能發(fā)電設(shè)備透平機(jī)的效率隨功率的變化為一條“上升”曲線，發(fā)電環(huán)節(jié)效率可認(rèn)為透平發(fā)電設(shè)備的效率和包括儲熱設(shè)備在內(nèi)的其他環(huán)節(jié)效率的乘積，得到整個發(fā)電環(huán)節(jié)的效率變化如圖1，是一種“上升型”的特征。
圖1 主儲能發(fā)電部分的分段功率-效率曲線
圖2 鋰電池放電功率-效率曲線
電化學(xué)儲能的效率特性與壓縮空氣儲能完全不同。以放電環(huán)節(jié)為例，鉛酸電池和鋰電池儲能在合理放電深度范圍（典型值SOC在20%~95%區(qū)間），電壓基本不變，效率隨著放電電流的增大有不同程度的降低。依據(jù)鋰電池放電深度與電壓的關(guān)系、放電效率與電流的關(guān)系得到鋰電池放電效率變化特性，有著“下降型”特征，且近似線性。
3、風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型
風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為最大化風(fēng)電的等效消納量，包括三個部分：一段時間內(nèi)直接上網(wǎng)電量、儲能系統(tǒng)中的未上網(wǎng)電量變化額、運(yùn)行過程中的耗能（如冷啟動消耗、熱備用狀態(tài)的消耗，包括輔機(jī)、儲熱裝置消耗等）。
考慮到效率隨功率變化而變化，電量為功率的積分函數(shù)，呈現(xiàn)為非線性形式，與電量相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件均會非線性化，為了綜合考慮模型求解的復(fù)雜度和最優(yōu)解的可靠性，用分段函數(shù)來擬合動態(tài)效率曲線，儲能功率由一組連續(xù)變量和0-1變量表示，從而使得包括儲能的功率約束、電量上下限約束、啟停約束等在內(nèi)的約束條件線性化，目標(biāo)函數(shù)也表示為變量的線性函數(shù)，該優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為線性混合整數(shù)規(guī)劃，易于求解。
4、算例分析
主儲能放電的功率范圍取30%-100%，功率均勻劃分三段，即n=3，效率取值不均勻以保留曲線的非線性變化特征，三段效率取值為0.5、0.68、0.8，充電環(huán)節(jié)類似。
4.1 只接入主儲能時的不同效率模型消納效果分析
1）放電時段
在動態(tài)效率模型下，其特性是放電功率小對應(yīng)效率低，放電功率大對應(yīng)效率高，因此，不同放電功率下的等效消納電量不同，放電功率越低則消納電量越小，放電過程中損失的能量越大。圖3給出了主儲能放電時段的A、B兩種極限情況，B以最大功率即對應(yīng)最高效率放電，可釋放能量的等效消納電量最大；而A的放電功率及對應(yīng)效率最低，更多的能量被損耗，等效消納電量最小，B工況即為考慮動態(tài)效率模型下的最優(yōu)結(jié)果。常數(shù)、動態(tài)模型的消納效果最大差異值即為A、B工況的差值，相對差值為34.74%，一般常數(shù)效率取效率曲線的平均值，其消納差異會小一些。
圖3 兩種極限工況下的儲能功率曲線
2）充電時段
在充電時段，風(fēng)電功率一部分直接上網(wǎng)發(fā)電，一部分用于儲能設(shè)備充電（對應(yīng)產(chǎn)生部分損耗）。常數(shù)效率模型下，由于不同功率對應(yīng)的充電效率一樣，則風(fēng)電場以限值功率上網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)電最大出力與上網(wǎng)限值的差即為充電功率，這種差值方式消納效果最佳。而在動態(tài)效率模型下，上網(wǎng)發(fā)電功率和充電功率之間則存在一個優(yōu)化問題。圖4給出了動態(tài)效率下充放電全時段優(yōu)化后的主儲能出力曲線，比B工況增加12.88MW·h，相對提升6.0%，原因在于，常數(shù)效率模型下主儲能的功率對效率不敏感，會出現(xiàn)一些時段在低效率狀態(tài)運(yùn)行，而動態(tài)效率模型下將會盡量避免這種低效率情況。
圖4 兩種效率模型下主儲能功率曲線
4.2 混合儲能對消納效果的影響
混合儲能模式下，動態(tài)效率模型優(yōu)化消納結(jié)果為245.52MW·h，對比B工況消納結(jié)果差值為31.1MW·h，這部分的提升來自于兩部分。第一部分是輔助儲能在局部充放電吸收棄風(fēng)，增加消納量為15.26MW·h，增加7.12%，這部分輔助儲能帶來的收益對于常數(shù)效率模型下混合儲能也同樣存在；第二部分，采用動態(tài)效率模型帶來的綜合效率提升增加消納，具體增加量為15.84MW·h，提升7.39%，這部分因素在常數(shù)效率模型中不存在?？梢?，小容量輔助儲能的加入，在主儲能低功率運(yùn)行時輔助充放電，混合儲能的低功率區(qū)段綜合效率得以提升。
圖5 動態(tài)效率模型下主儲能和輔助儲能功率曲線
4.3 消納效果影響的因素分析
1）主儲能容量影響分析
假設(shè)主儲能的容量在170MW·h~400MW·h之間變化，得到單一儲能模式下消納提升效果與儲能容量的關(guān)系曲線如圖6所示（放電時段均為最大效率）?？梢园l(fā)現(xiàn)，消納提升效果的百分比總趨勢隨容量增加而增加；當(dāng)容量增加到一定水平后，改善效果趨于飽和，不再增加。通過這組曲線，也可以為風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的儲能優(yōu)化配置提供借鑒。
圖6 消納提升效果與儲能容量的關(guān)系
2）混合儲能模式下配比影響分析
圖7表示了充電環(huán)節(jié)提升效果受輔助儲能容量的影響，其縱坐標(biāo)表示混合儲能通過提高效率帶來的消納提升，這部分提升在常數(shù)效率模型中無法獲得。3條曲線對應(yīng)不同放電時長的輔助儲能，即最大存儲電量容量不同?？梢钥吹捷o助儲能加入后，對動態(tài)效率的提升存在一個飽和值，這是因?yàn)楫?dāng)混合儲能聯(lián)合運(yùn)行將儲能都優(yōu)化到高效率點(diǎn)以后，來自于動態(tài)效率模型的消納提升則飽和。
圖
7 消納提升效果與輔助儲能容量的關(guān)系
3）預(yù)測誤差影響分析
以預(yù)測曲線計(jì)算出動態(tài)效率模型和常數(shù)模型下的出力，在預(yù)測曲線上添加隨機(jī)誤差（本次分析重復(fù)50次），分析兩種模型下的日前優(yōu)化出力在添加誤差后的實(shí)際效果，其中基準(zhǔn)值為添加誤差后新曲線的最優(yōu)理想消納效果。由圖8可以看到，動態(tài)模型給出的出力計(jì)劃與理想最優(yōu)效果差距平均為8.49%，而以B工況的出力效果與理想最優(yōu)的差距平均為20.70%，在預(yù)測誤差的干擾下，動態(tài)模型消納效果受到的影響相對較小，這是動態(tài)模型下的儲能出力在較高的效率區(qū)域的緣故。
圖8 預(yù)測誤差對兩種模型出力效果的影響
5、結(jié)論
本文以壓縮空氣儲能和電化學(xué)儲能為例，建立了儲能的動態(tài)效率特性模型，在此基礎(chǔ)上建立了混合儲能-風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的混合整數(shù)優(yōu)化模型，用于分析實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)電消納的優(yōu)化運(yùn)行方式。結(jié)合理論與算例分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)中，不論充電時段還是放電時段，努力使儲能工作在滿足約束條件下的最大功率模式，可有效提升風(fēng)電消納效果，采用動態(tài)效率模型能夠更精確刻畫其儲能效率。主儲能容量和混合儲能配比影響消納效果，隨著主儲能容量增加，動態(tài)效率模型的消納提升效果越顯著，但這種增效存在飽和特性；在此基礎(chǔ)上，輔助儲能能帶來額外提升，但同樣存在飽和現(xiàn)象。
與常數(shù)模型優(yōu)化運(yùn)行相比，動態(tài)效率模型受誤差隨機(jī)性的影響有所減少，但仍然存在。本文對效率模型受誤差影響的研究尚有局限，預(yù)測誤差對動態(tài)效率影響的量化及依此進(jìn)行儲能出力的修正將是進(jìn)一步的研究方向。
