考虑辅助服务收益的储能与火...机组灵活性改造协调规划方法_杨修宇.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1350-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法杨修宇1，刘雪媛1，郭琪1，孙勇2，严干贵1，李海燕2（1 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)，吉林省 吉林市 132012；2国网吉林省电力有限公司，吉林省 长春市 130022）Coordinated Planning of Energy Storage and Flexible Retrofit of Thermal Power Units Considering Ancillary Service Income YANG Xiuyu1,LIU Xueyuan1,GUO Qi1,SUN Yong2,YAN Gangui1,LI Haiyan2(1.Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control&Renewable Energy Technology(Northeast Electric Power University),Jilin 132012,Jilin Province,China;2.State Grid Jilin Electric Power Supply Company,Changchun 130022,Jilin Province,China)1ABSTRACT:The rapid development of renewable energy has put forward higher requirements for the power system flexibility.The income of the ancillary services is conducive to the flexible resource allocation and improving their enthusiasm to the peak shaving.Based on the analyses of stepped compensation for the deep peak shaving of the thermal power units and the peak valley arbitrage of the time-of-use electricity price for the energy storage,this paper puts forward a method of coordinated planning for energy storage considering the auxiliary service income and the flexible transformation of the thermal power units.Firstly,the mechanism of flexible resource peak shaving is analyzed.Secondly,the system benefit index and cost index of the flexible resource peak shaving are constructed.Then,a multi-objective source-storage planning model considering the comprehensive benefits and the wind curtailment rate is established,and the solution idea and the procedure are given.Finally,through the simulation of an actual engineering system in northeast China,a source-storage planning scheme considering both the system economy and the wind power acceptance capacity is obtained.At the same time,the influence of the dynamic time-of-use electricity price mechanism on the utilization of energy storage and flexibility transformation of the thermal power units is discussed to improve the peak shaving capacity of the system.基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFB0902200)；国网吉林省电力有限公司科技项目(SGJLJY00GPJS2100061)；东北电力大学博士科研启动资金(BSJXM-2021206)。Project Supported by National Key Research&Development Program of China(2017YFB0902200);Science and Technology Project of State Grid Jilin Electric Power Co.,Ltd.(SGJLJY00GPJS2100061)and Northeastern Electric Power University Doctoral Research Start-up Fund(BSJXM-2021206).KEY WORDS:energy storage;thermal power unit transformation;peak shaving compensation;wind power consumption;dynamic electricity price 摘要：可再生能源飞速发展对电力系统灵活性提出了较高要求。辅助服务收益有利于灵活性资源配置以及提高其参与调峰积极性。从火电机组深度调峰阶梯式补偿与储能峰谷套利两方面分析入手，提出了考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法。首先，分析了灵活性资源调峰机理，其次构建了灵活性资源调峰的系统收益指标和成本指标；然后，建立兼顾系统综合收益和弃风率的多目标源储规划模型，并给出了模型的求解思路和求解步骤，最后，通过中国东北某风电基地外送输电工程系统的仿真，得到了兼顾系统经济性和风电接纳能力的源储规划方案；同时在此基础上探究了动态分时电价机制对利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力的影响。关键词：储能；火电机组改造；调峰补偿；风电消纳；动态电价 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1306 0 引言 大力发展新能源是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要举措。以风电为例，截至 2021 年底，我国 2021 年风电新增装机 4757 万 kW，累计装机容量已达到 3.28 亿 kW。然而，由于风力发电具有不确定性和反调峰特性，规模化风电并网加大了净负荷的峰谷差，给电网的安全稳定运行带来了挑战1-2。在我国电源结构中，火电装机占主导地位，通过火电机组改造以提高灵活性的方式来实现可再生能源的消纳仍是电网当前的主要选择3。然而，随着可再生能源并网比例逐渐升高，火电机组出力第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1351 空间逐渐被挤占，致使火电发电商利益受损，参与调峰积极性低，出台火电机组调峰辅助服务机制有利于提供其参与深度调峰的积极性。此外，储能作为一种优质灵活性资源，具有响应速度较快、安装位置灵活的特点，但其存在成本高、收益核算机制不健全的问题4。因此，在高比例风电并网的条件下，充分考虑火电机组调峰深度阶梯式补偿与储能利用分时电价峰谷套利对储能配置与火电机组灵活性改造协调规划的影响，对推动“双碳”目标实现具有重要意义。目前，火电机组深度改造来缓解电力系统调峰压力的相关研究已取得一定的成果。文献5针对火电机组总量富余而灵活性不足的问题，在保证经济性和环保性的基础上，建立了考虑火电机组灵活性改造的混合整数非线性规划模型。文献6提出了一种基于区间优化的火电机组改造模型，改善了发电成本波动性和潮流不确定性。由于火电机组的灵活性有效响应范围与输电网有关，文献7提出了一种将火电机组的灵活性改造作为输电网规划的决策变量，统筹优化火电机组灵活性和输电网架传输能力的研究思路。然而，上述研究工作主要集中于火电机组深度改造提升系统灵活性的经济性研究，而新能源的渗透率逐渐升高，火电机组的调峰能力已经接近极限。因此，单纯的依靠火电机组进行灵活性改造在高渗透率电网中很难缓解系统的调峰压力。配置储能来提高系统对风电的接纳能力已有部分学者进行了相关的研究。文献8论证了在高比例可再生能源系统中，配置储能是提升新能源消纳的关键措施，文献9通过配置储能来缓解局部区域新能源外送受阻导致弃电现象，文献10针对受端电网灵活性不足导致风电消纳不足的问题，提出了一种基于瓶颈识别的新型受端电网系统储能需求评估方法。然而，由于储能价格昂贵，随着可再生能源渗透率的逐渐升高，大规模配置储能会严重影响系统的经济运行。利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力作为缓解电力系统调峰压力的有效措施，其相关研究已取得一定成果。由于含风-火-储系统电源结构的复杂性，文献11-12在储能辅助火电机组调峰模型中引入调峰主动性约束，提高了多源系统的整体调峰利益与调峰交易的积极性；由于利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力的模型中，涉及约束条件较多，文献13-14在降低系统负荷峰谷差和提高风电消纳的基础上，建立了一种储能辅助火电机组深度调峰的分层优化模型。文献15-16考虑了各类型储能资源的调节特性，对多类型储能装置参与辅助调峰的经济性进行了分析。然而，在含风-火-储的多源联合系统中，电源结构的复杂导致了模型求解难度高、计算量较大的问题。电价响应能够主动引导用户优化负荷曲线，直接关乎储能峰谷套利收益，是辅助电网调峰的一种有效手段。文献17统筹了电价响应、储能和电力市场架构的调峰效果，建立了考虑储能辅助火电机组调峰容量的二次分配的分层优化模型。文献18将需求侧响应引入储能辅助火电机组调峰服务中，提高了火储深度调峰的积极性。文献19考虑了尖峰电价对系统风电消纳能力的影响。然而，由于我国电源结构和电能消费方式的变化，原有的分时电价机制已难以适应新形势，建立动态的电价调整机制和科学的划分峰谷时段是必要的。综上所述，虽然火电机组深度改造和储能优化配置都能够缓解调峰压力，但在可再生能源渗透率较高时，仅依赖火电机组改造或储能优化配置难以平衡系统经济性与调峰性能之间的关系。为此，本文提出了一种考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法。该方法利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力，综合考虑了系统运行的收益指标和系统成本指标，建立兼顾综合收益和弃风率的多目标源储规划模型，得到了兼顾系统经济性和风电接纳能力的源储规划方案；此外，探究了动态分时电价机制对储能与火电机组灵活性改造联合规划的影响。1 灵活性资源调峰机理分析 1.1 储能系统削峰填谷原理分析 储能作为一种具有较快响应速度的灵活性资源，能够在负荷低谷时期进行充电，在负荷高峰时期通过放电来满足系统的电量平衡，减小系统净负荷的峰谷差，提高了系统对风电的接纳能力，平滑了风电并网的波动性，其示意图如图 1 所示。净负荷曲线5101520时间/h300400500600净负荷/MW240未加储能时峰谷差加入储能时