储能型风电场一次调频容量优化与风电功率协调分配_冀肖彤.pdf

第 43 卷 第 7 期2023 年 7 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.7Jul.2023储能型风电场一次调频容量优化与风电功率协调分配冀肖彤1，2，柳丹3，江克证3，康逸群3，陈思源2，董天翔2（1.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉 430077；2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）摘要：考虑到风电场与储能多方面的成本，提出了一种基于分层架构的风电与储能协同参与一次调频的容量优化方法及相应的风电功率协调分配方法。在系统规划层，基于多时间尺度模型，分析了全年风电场的运行特性和一次调频备用需求，通过机会约束规划配置储能容量，并通过对单个预测时段调频成本的优化，确定风电备用的最优减载率与储能调频最优出力；在风电场控制层，通过分布式控制将风电场减载需求按比例分配至不同风速的机组，无需集中控制器便实现了功率的协调分配。算例仿真结果表明所提方法能够在提高储能型风电场调频经济性的同时，使全风速工况的风机参与备用功率的协调分配。关键词：风电场；储能；多时间尺度；一次调频；功率备用；机会约束规划；一致性算法中图分类号：TM614；TM73 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2022100150 引言随着风电装机规模的不断增大，风电渗透率逐年上升，风电场具备一次调频能力已成为大势所趋。最新国家标准指出，风电并网技术需要从“被动适应”向“主动支撑和自主运行”转变，风电场应具有根据系统频率偏差快速调整自身有功功率的能力1。风电场实现一次调频的方案主要有预留备用、增设储能装置2种。传统预留备用方案的弃风量大、成本高，而增设储能装置是使风电场具备一次调频能力更为经济、有效的解决方案2。对于储能参与系统调频的应用价值，目前已进行了广泛的研究。美国一项报告表明：储能的调频效果平均比水电机组提升了70%，比燃气机组提升了150%，比燃煤机组提升了 1 000%以上3。文献 4 和文献 5 分别建立了可量化指标的储能调频运行效益评估模型、考虑机组降损的电池储能调频收益模型。随着调频市场对储能的逐步放开，储能的调频服务价值日益凸显。风电机组通过变桨控制、超速控制等限制风电场自身出力的方式可以提供一定的调频备用，但其长期降额运行会降低经济效益6。将风电机组功率备用控制与储能控制相结合，可以提高场站的调频能力并减小弃风成本，从而改善新能源电厂的经济效益。在满足风电场调频需求的前提下，关键问题在于如何减小运行成本、降低储能配置容量，从而提高系统调频经济性。文献 7 研究了在风电场中配置大规模储能装置的可行性与经济效益，并提出了基于风储联合系统的电网频率主动支撑控制方法，验证了在一定程度上扩大储能容量可能会带来更多的收益。基于此，文献 8 建立了风储联合调频系统的基本模型，并通过风速分段的方法安排风机与储能的调频出力，但仅提升了控制层面的效益，未考虑储能的配置成本。文献 9 对风储备用容量的配置策略与调频功率的分配策略进行改进，验证了通过动态改变风机减载系数可以有效降低调频成本。文献 10 提出了一种风储调频功率协调分配策略，采用遗传算法优化储能配置成本，但仅考虑了较短时间尺度的动态调频过程，未考虑长远经济性下的容量成本优化。文献 11 提出了基于机会约束规划的储能容量优化方法，建立了以风储系统运行成本最小为目标的优化模型，采用智能算法求解储能容量，但没有考虑储能循环利用对其寿命损耗的影响。对于全风速工况下风电场的调频功率协调分配策略，大多研究仅论证了全风速工况下风机的控制方法及其优缺点1213，然而如何安排风电场内部大量风机的协调控制与合理出力是主要难题。文献14 根据不断变化的风速优化调频下垂系数进行功率自动分配，但以风速直接作为输入控制信号会导致控制不稳定。文献 15 采用模糊逻辑控制制定考虑风速分区的风储调频控制策略，但会导致系统调频功率分配精度降低。文献 16 定义了与风速成正比的调频权重系数，使风速更高的风机提供更多的调频功率，但集中控制方法需要同时传输大量的风速信息，加重了系统的通信负担。目前，在利用储能灵活、迅速的功率响应特性时，并未充分考虑储能型风电场中风电与储能调频容量的分配方法，如何协调优化风电场自身的减载容量与储能辅助调频容量以降低调频成本有待研收稿日期：20220624；修回日期：20220902在线出版日期：20221021基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（4000202122070A0000）Project supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China（4000202122070A0000）58第 7 期冀肖彤，等：储能型风电场一次调频容量优化与风电功率协调分配究。另外，已有研究对风电出力随机性的综合考虑较少，且对于场站内不同风速下出力各异的机组而言，其减载模式、减载系数的设置较为单一，难以充分利用不同风速下机组的出力特性。为此，本文建立了考虑全年风电场出力和储能寿命折损的风电与储能协同备用调频的多时间尺度优化模型。在保证一次调频可靠性与经济性的前提下，充分考虑储能型风电场中风电与储能参与一次调频的容量分配方法，优化储能配置容量与风电调频备用容量，同时合理利用不同风速下风机的出力特性优化出力配比，从而减小储能配置与风电减载成本。首先，基于长时间尺度模型，参考全年风电场的平均出力信息，优化系统储能配置容量；然后，基于短时间尺度模型，对短期风电出力与负荷变化进行预测，以最小化单个预测时段的调频成本为目标，优化风电减载率与储能调频出力；最后，采用分布式控制方法将风电减载功率按比例分配至不同风速的机组，从而使风速较高的机组承担更多的调频功率。1 考虑长期调频综合成本的储能容量配置由于风电出力具有年周期性，可以分析风电场某年8 760 h的出力规律，将其作为未来运行年限内风电出力的分布特性，即将1 h的风电采样功率作为参考值。以此为研究对象，以全年一次调频综合成本最小为目标、调频总需求为约束建立优化模型；同时根据储能放电深度（depth of discharge，DOD）的变化，考虑储能寿命折损，修正储能的实际运行寿命，从而获取储能的功率、容量配置方案。1.1目标函数以全年储能投资与调频综合成本Clong最小为目标，综合成本Clong包括储能等年值投资成本Flonglife、储能年购电成本Flongbuy、储能年充放电损耗成本Flongloss、风电场年减载备用成本FlongW、风电场年调频成本FlongWf、系统调频不足惩罚成本Flongpe，则目标函数可表示为：min Clong=Flonglife+Flongbuy+Flongloss+FlongW+FlongWf+Flongpe（1）1）储能等年值投资成本。储能等年值投资成本Flonglife主要分为等年值建设成本Flong1与年运行维护成本Flong2两部分，即：Flonglife=Flong1+Flong2（2）Flong1=r(1+r)Nset(1+r)Nset-1(PPBat+EEBat)（3）Flong2=fPPBat+fEEBat（4）式中：r为储能折旧率；Nset为储能建设时设定的使用寿命；P、E分别为储能的功率、容量单价；fP、fE分别为储能单位功率、容量的年运维成本；PBat、EBat分别为储能的额定功率、容量。2）储能年购电成本。当储能向下调频时，从系统吸收功率；当储能向上调频时，向系统释放功率。一般而言，在调频过程结束后储能需保持荷电状态（state of charge，SOC）稳定，在与电网充放电交易过程中，储能年购电成本Flongbuy可表示为：Flongbuy=Tfi=1K()buyPB，up(i)-sellPB，down(i)（5）式中：buy、sell分别为购、售电单价；K为调频次数；PB，up(i)、PB，down(i)分别为第i次调频时储能的向上、向下调频功率；Tf为一次调频持续时间。3）储能年充放电损耗成本。在日常工作过程中，因为自身运行效率以及放电深度的问题，储能会产生能量损耗，储能年充放电损耗成本Flongloss可表示为：Flongloss=Tfi=1K|buyPB，up(i)(1-c)+sellPB，down(i)()1d-1（6）式中：c、d分别为储能的充、放电效率。4）风电场年减载备用成本。风电场提供一次调频造成的年减载备用成本FlongW可表示为：FlongW=WTs1j=1N()Pwind(j)-Pde，opt(j)（7）Pde，opt(j)=(1-dopt(j)Pwind(j)（8）式中：Ts1为风速采样周期；N为全年风速采样次数；W为风电上网单价；Pwind(j)为第 j 次采样时风电场的理论最优出力；Pde，opt(j)为第 j 次采样时最优减载率dopt(j)下风电场的有功出力。5）风电场年调频成本。当参与向上调频时，风电场将其减载备用功率用于调频功率输出，若其第i次调频时的向上调频功率为PW，up(i)，则调频成本包含在风电场减载备用成本FlongW中；当参与向下调频时，风电场直接减载运行，若其向下调频功率为PW，down(i)，则调频成本FlongWf如式（9）所示。FlongWf=WTfi=1KPW，down(i)（9）6）系统调频不足惩罚成本。根据国家标准，电力系统的一次调频死区一般为 （0.030.1）Hz，当风电场出力大于额定出力的20%时，风电场应参与系统频率调节。风电场的调频功率Pp(j)应满足：Pp(j)=Pwind(j)|f/()RtfB（10）式中：f为系统频率偏差，一般在-0.20.2 Hz范围内；fB为系统的额定频率；Rt为调差系数，一般取值为2%5%。由式（10）可得，风电场的减载水平为8%20%。取最坏的情况，当风电场出力大于等于额定出力的20%时，需保证风电场至少拥有当前出59电 力 自 动 化 设 备第 43 卷力20%的备用功率，即：|Pp(i)20%Pwind(i)Pwind(i)20%PwindBPp(i)0 Pwind(i)20%PwindB（11）式中：PwindB为风电场的额定出力；Pwind(i)、Pp(i)分别为第i次调频时风电场的出力及其调频功率。对于第i次调频而言，记风储系统提供的总调频功率Pcom(i)为：Pcom(i)=PW，up(i)+PW，down(i)+PB，up(i)+PB，down(i)（12）当风储系统的总调频功率无法满足系统整体的一次调频需求时，电力系统运营商需对其进行调频不足惩罚，惩罚成本Flongpe可表示为：Flongpe=|peTfi=1K(Pp(i)-Pcom(i)/8 760 Pcom(i)Pp(i)1（14）式中：Pr为事件发生的概率。对于第i次调频，设置0-1变量m(i)：m(i)=|1 Pcom(i)Pp(i)0 Pcom(i)Pp(i)=1Ki=1Km(i)1（16）2）储能充放电功率约束。储能的充放电功率不能超过其额定功率，即：0PB，up(i)uup(i)PBat0PB，down(i)udown(i)PBat（17）式中：uup(i)、udown(i)分别为系统第i次向上、向下调频的0-1变量，若向上调频，则uup(i)=1、udown(i)=0，若向下调频，则uup(i)=0、udown(i)=1。3）储能充放电状态约束。储能不允许同时充电和放电，即：uup(i)+udown(i)1 uup(i)，udown(i)0，1（18）4）储能SOC约束。储能SOC需保持在一定的安全范围内，即：S(i)=S0+cPB，up(i)EBatTf-PB，down(i)dEBatTf（19）SminS(i)Smax（20）式中：S0为储能 SOC 初始值；Smax、Smin分别为储能SOC上、下