高比例新能源系统经济运行及储能配置分析_田福银.pdf

东北电力技术 年第 卷第 期高比例新能源系统经济运行及储能配置分析田福银，李欣然，甘友春，张高瑞（.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌；.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明）摘要：高比例新能源接入电力系统将造成系统功率实时平衡困难等问题，通过对高比例新能源系统经济运行及储能配置进行分析，能够为系统经济、稳定运行提供有效的保障。首先，构建考虑弃风成本、失负荷成本以及碳捕集成本的高比例新能源系统经济运行模型。其次，对高比例新能源系统进行储能容量优化配置，降低新能源功率强随机波动性对系统运行的影响。最后，通过仿真分析不同比例新能源接入对系统运行的影响以及储能容量配置的最优值。仿真结果表明，随着新能源接入比例的提高，系统运行稳定性降低，单位供电成本呈先减后增趋势，合理配置新能源接入比例以及储能容量可以提升系统运行的经济性、稳定性。关键词：高比例新能源；储能配置；碳捕集；经济运行中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，；，）：，“”：；大力发展新能源是实现“双碳”战略目标的有效途径。然而，由于新能源的输出功率具有强随机性，高比例新能源接入电力系统势必会影响系统的经济、稳定运行。目前，众多学者对高比例新能源系统的运行进行了研究。文献基于等灵敏度准则提出一种新能源出力分配方法，该方法在确保系统稳定运行的基础上实现了对新能源的充分消纳。文献引入能源耦合设备，将新能源出力转换为其他形式能源进行利用、储存，有效地降低了系统弃风、失负荷问题。文献提出一种热电需求响应联合优化调度方法，该方法有效地提升了高比例新能源系统的运行效益。文献利用含储电站的时移特性，实现了可再生能源在峰时电价时段为系统旋转备用负荷供电。文献提出一种新能源可提供备用容量评估方法，该方法能够为系统运行制定合理的弃风计划，提升系统运行的经济性、灵活性。文献提出一种高比例新能源系统日内功率平衡策略，该策略考虑了机组爬坡特性，使系统中弹性资源的备用量具有可量测性，降低了系统切负荷 年第 卷第 期田福银，等：高比例新能源系统经济运行及储能配置分析 概率。然而上述研究中并未深入分析新能源接入比例对系统经济、稳定运行的影响，新能源接入比例对系统运行的影响状况仍有待发掘。为此，本文在计及弃风成本、失负荷成本以及碳捕集成本的基础上，分析不同比例新能源接入电力系统对系统弃风、失负荷以及单位供电成本的影响。并通过优化配置储能容量来提升高比例新能源系统运行的经济性和稳定性，以此为高比例新能源系统的规划提供理论参考依据。高比例新能源系统结构本文所研究的高比例新能源系统结构如图 所示。图 高比例新能源系统结构由图 可知，系统由火电机组、风电机组、储能装置以及负荷构成。在分析不同新能源接入比例下系统经济运行及储能配置情况的过程中，通过改变火电机组投入状况以及风电机组装机容量来改变新能源的接入比例，从而实现对系统运行的定量分析。高比例新能源系统运行模型实现系统经济、稳定运行是高比例新能源系统优化运行的首要目标。为此，以系统单位供电成本最低为目标函数对系统进行优化。其目标函数为 （）式中：为火电成本；为风电成本；为弃风成本；为失负荷成本；为储能成本；为 时段的负荷功率；为系统运行时段；系统运行的总时段数，取值为。.各运行成本模型，（），()()()，()，（）式中：，为火电运行成本；，为火电机组碳捕集成本；为电煤价格；为系统在 个时段 内的运行时间，取值为.；（，），分别为火电机组、机组 和机组；、分别为煤耗量系数；为火电机组 在 时段的出力功率；单位碳捕集成本；为火电机组 的碳排放量系数；，、，分别为火电机组出力的最小值、最大值。（）式中：为风电机组单位电量运维成本；为 时段风电出力。（）式中：为单位弃风电量损失；为 时段的弃风功率。（）式中：为单位失负荷损失；为 时段的失负荷功率。（，）（，）（）式中：为储能单位电量运维成本；，、，分别为储能在 时段的充、放电功率；、分别为储能单位能量成本、单位功率成本；、，分别为储能的额定容量、额定功率。.储能容量配置模型约束条件储能的额定容量与额定充放电功率之间成正比关系，具体约束为，（）式中：为储能设备的能量倍率。同时，储能需要满足自身充放电功率约束以及容量约束，其约束条件如下所示。东北电力技术 年第 卷第 期（，），（）式中：为 时段储能电量状态；、分别为储能充、放电效率；、分别为储能最大、最小荷电比；、分别为 时段储能充电、放电的标志位。.系统功率平衡约束为保证系统的安全稳定运行，系统运行过程中需满足如下约束条件。，（）算例分析为了充分分析高比例新能源系统中新能源接入比例对系统经济运行的影响，本文以某区域系统为研究对象，在 平台上调用 求解器进行仿真分析。该区域内日负荷预测功率以及不同容量风电机组的出力预测功率如图 所示，火电机组参数如表 所示，电煤价格为 元，风电机组单位电量运维成本为.元，弃风成本为.元，失负荷成本为 元，储能全寿命周期为 年，储能的单位功率、能量、电量运维成本分别为 元、元、.元。图 负荷及风机出力预测曲线本文设置 种方案进行对比分析，具体方案如下所述。方案：无风电、储能接入，火电机组、投入运行；方案：在方案 的基础上，以 风电机组替代火电机组 投入运行；方案：在方案 的基础上，以 风电机组替代表 火电机组参数参数机组 机组 机组，（）.（）.（）.（）.火电机组 投入运行；方案：在方案 的基础上，以 风电机组替代火电机组、投入运行；方案：在方案 的基础上，优化配置储能装置投入运行，即本文所提模型。.风电接入容量对系统的影响分析为了分析风电替代容量对系统产生的影响，对方案 至方案 进行仿真，其结果如表 所示。表 不同方案下系统运行结果方案风电占比 风电装机容量 弃风量 失负荷量 供电成本（元）方案.方案.方案.方案.由表 可知，在风电容量占比为 时，弃风量为，失负荷量为；风电容量占比为 时，弃风量为.，失负荷量为；风电容量占比为 时，弃风量为.，失负荷量为.；风电容量占比为 时，弃风量为.，失负荷量为.。从数据中可以发现，随着风电接入容量的增加，弃风量与失负荷量也随之增加。弃风量和失负荷量的增加进一步表明系统运行的稳定性随着风电接入比例的增加而不断降低，不利于系统的安全稳定运行。同时可以发现，随着风电替代容量的增加，系统单位供电成本呈现先减后增的趋势。其中，风电占比为 时的单位供电成本远高于无风电接入时的单位供电成本。造成上述问题的主要原因是随着风电容量的提升，系统中可控机组容量占比降低，系统运行的调节能力变弱，从而导致弃风量、失负荷量大幅度增加，系统稳定性降低。同时，弃风、失负荷量的增加导致相应的成本骤升，使系统单位供电成本增加。综上分析可以发现，新能源接入电力系统在一 年第 卷第 期田福银，等：高比例新能源系统经济运行及储能配置分析 定程度上能够降低系统运行成本，但随着接入量的不断增加，系统的调节能力减弱，会对系统的经济、稳定运行起到反作用。.储能配置分析采用方案 进行仿真运行后，求得储能配置方案如表 所示。表 储能配置方案储能充放电功率 储能容量.为了验证高比例新能源系统配置储能后的效果，将方案 与方案 进行对比，对比结果如表 所示，配置储能后的系统功率平衡图如图 所示。表 方案 与方案 对比结果指标方案 方案 弃风量.弃风成本 万元.失负荷量.失负荷成本 万元.供电成本（元）.由表 分析可知，在高比例新能源系统中合理配置 储 能 后，系 统 运 行 过 程 中 弃 风 量 减 少 了.，弃风成本降低了.万元，并且消除了系统的失负荷问题，可见储能装置对高比例新能源系统的优化运行具有显著的优势，能够大幅度减少弃风量，降低弃风成本。同时，配置储能后的高比例新能源系统的单位供电成本得到了有效降低，比无储能系统降低了.元。图 方案 系统功率平衡图如图 所示，在：和：等时段内，火电机组以最小技术出力运行，但是由于该时段内风电机组功率过大，供电功率远超负荷需求，为了减少弃风损失，储能设备参与功率调节，通过储能设备充电消耗多余的风电。但受到充电功率的限制，在：这一时段内仍有部分余电未能消纳，从而造成弃风损失。在：这一时段内，负荷由风电机组、火电机组以及储能设备共同供应，由于储能设备的参与，火电机组可以灵活调整输出功率来降低运行成本，实现系统的经济运行。在：和：等时段，火电机组以最大技术出力运行，但仍无法满足负荷需求，此时储能设备的参与使系统避免了失负荷，进一步提升了供电可靠性。综上分析可以发现，高比例新能源系统配置储能后，储能在风电出力功率过剩时进行充电，从而减少弃风量，降低弃风成本；储能在系统功率不足时放电，弥补功率不足的问题，从而减少系统失负荷量，降低失负荷成本。风电以储能设备为载体实现了时间上的转移，从而使弃风总量显著减少，同时消除了失负荷现象，有效促进了系统供需平衡关系，提升了系统运行的可靠性、经济性。结语新能源接入电力系统在一定程度上能够降低系统单位供电成本，提升系统运行经济效益。但是，随着新能源接入比例的不断增加，系统的调节能力降低，会造成系统弃风、失负荷量急剧增加，导致系统无法安全可靠运行以及运行成本升高，逐步失去新能源电能价格低廉的优势。针对高比例新能源接入问题，根据系统运行实际情况合理优化配置储能，能够将系统的弃风与失负荷现象进行中和，进而提升系统运行可靠性与经济性。参考文献：李相俊，马会萌，姜倩.新能源侧储能配置技术研究综述 中国电力，（）：卓振宇，张宁，谢小荣，等 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战 电力系统自动化，（）：葛晓琳，郝广东，夏澍，等 高比例风电系统的优化调度方法 电网技术，（）：陈晓爽，林今，刘锋，等 新能源发电的伊藤随机过程模型 中国电机工程学报，（）：，罗剑波，陈永华，刘强 大规模间歇性新能源并网控制技术综述 电力系统保护与控制，（）：任冲，柯贤波，王吉利，等 高比例新能源电网新能源功率优化分配方法 电力工程技术，（）：（下转第 页）东北电力技术 年第 卷第 期，杨跃伞，苑志华，张净瑞，等 燃煤电厂脱硫废水零排放技术研究进展 水处理技术，（）：白 璐，陈武，王凯亮，等 燃煤电厂脱硫废水零排放处理技术研究进展 工业水处理，（）：韦 飞，刘景龙，王特，等 燃煤电厂脱硫废水零排放技术探究 水处理技术，（）：庞 冬，贾尔恒阿哈提，何秉宇，等 某火电厂湿法脱硫废水水质分析及处理工艺优化 水处理技术，（）：杨 冬，杜 欣，王冰.燃煤电厂脱硫废水零排放技术对比研究 东北电力大学学报，（）：包 伟，黄 勇，张宁博.基于“零排放”工艺的某火力发电厂高盐废水处理方案探究 水处理技术，（）：贾西部.脱硫废水零排放技术路线遴选原则解析 水处理技术，（）：，谢国峰.燃煤电厂脱硫废水深度处理技术研究 能源化工，（）：李飞.燃煤电厂脱硫废水零排放技术应用与研究进展 水处理技术，（）：陈 彪，陈慧，孙青，等 燃煤电厂脱硫废水零排放技术研 究 进 展 当 代 化 工，（）：，魏俊岭，王剑栋.基于旁路烟道蒸发的脱硫废水零排放系统设计与应用 电力科技与环保，（）：张净瑞，刘其彬，李飞，等 燃煤电厂脱硫废水烟气余热蒸发零排放工程的设计与应用 电力科技与环保，（）：刘艇安，许勇毅，郭磊，等 火电厂湿法脱硫废水零排技术研究进展 应用化工，（）：邵国华，方 棣.电厂脱硫废水正渗透膜浓缩零排放技术的应用 工业水处理，（）：马双忱，陈嘉宁，刘 宁，等 低温烟气余热浓缩脱硫废水实验研究与探讨 动力工程学报，（）：周 正，曹 扬，丁卫华，等 浓缩蒸发工艺在 机组脱硫废水零排放中的应用 水处理技术，（）：，刘 俊.脱硫废水零排放软化浓缩工艺应用实例 工业用水与废水，（）：郭士义.正渗透处理电厂脱硫废水中试研究 电站辅机，（）：，王仁雷，衡世权，王丰吉，等 百万机组脱硫废水零排放系统性能试验研究 给水排水，（）：陈 程，陈鑫，徐凤，等 燃煤机组脱硫废水零排放物料能水耦合机制及优化 化工学报，（）：侯致福，魏晓仪，邢树涛，等 机组低温余热闪蒸脱硫废水零排放技术应用研究 华电技术，（）：张 旭.蒸发结晶工艺在煤化工高盐废水零排放中的应用