风储联合调频中储能的容量优化配置.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:石基辰男硕士研究生在读研究方向为电力系统运行与控制通信作者:周云海男教授硕士生导师主要从事电力系统运行与控制的教学和研究工作风储联合调频中储能的容量优化配置石基辰周云海崔黎丽燕良坤高怡欣(三峡大学电气与新能源学院湖北 宜昌)摘要:从风电场自身的一次调频能力出发将储能控制与风电机组变桨距控制相结合采用机会约束规划处理可信度和运行成本间的关系考虑储能全寿命周期成本以风储联合调频运行成本最小为优化目标建立机会约束规划模型利用蚁狮算法进行求解得出风电场储能功率和容量的最优配置方案通过算例验证模型可降低系统一次调频总成本和所需配置储能容量关键词:一次调频风储协调机会约束规划容量优化中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:随着风电渗透率逐渐提高电力系统安全运行受到大规模风电并网造成的不利影响愈加凸显 风电系统要求具备调频能力受到日益关注故对于风电参与电力系统调频服务研究具有重要价值储能系统具有响应迅速、改善风电出力波动等优点使其参与风电场调频成为一种可行方案 当前风储联合系统在频率调节方面多关注在控制策略上 未对储能的容量配置问题进行研究而储能容量配置对风储联合系统的经济性运行颇为重要为解决风电并网电力系统中的储能系统容量配置问题文献 的研究成果并非通过优化配置储能系统的容量来辅助风力发电参与电力系统一次调频而是更多集中在如何改善风电出力的波动性 目前关于如何配置储能 容量用以辅助风电参与系统一次调频避免弃风和储能资源浪费以提高经济性的研究较少综上本文从风电场自身的一次调频能力出发将变桨距控制和储能控制相结合提出基于机会约束规划的储能容量优化方法考虑储能全寿命周期成本建立以满足系统一次调频需求为约束条件以风储联合石基辰等:风储联合调频中储能的容量优化配置 年 月系统运行成本最小为目标函数的优化模型通过置信度处理风储联合调频系统在经济性和可行性之间的关系 通过算例验证了所提模型降低了系统一次调频总成本和所需配置储能容量 风电场的一次调频需求电网发电功率和负荷的不平衡会导致系统频率变化当频率偏差超过调频死区 发电系统会根据系统的频率偏差调整传统发电机组的有功出力使其恢复至正常频率范围内传统发电机组的一次调频特性由调差系数 来体现:/()式中:为调差系数 为发电机组的有功变化为电力系统额定频率 为系统频率偏差为发电机组发电功率根据式()风电场若要具备类似于火力发电机组的一次频率调节能力需要向电网提供的功率和电量分别为()()()()()()式中:()和()为风速为 时的参与一次调频所需功率和容量()为风速为 时风电所发功率为一次调频持续时间 风电机组一次调频备用容量本文将变桨距控制作为风电自身的一次调频控制策略变桨距角控制调节能力和范围较大可实现全风况下的功率控制 风速为 时其发电功率()与运行于 下的最优功率()分别为()()()()()()式中:为空气密度为风能利用系数 为风机浆距角 为风机的叶尖速比 为风机的叶片半径 为风速则风速 下风电备用功率和容量为()()()()()()()式中:()和()分别为风速为 时的一次调频备用功率与备用容量 基于机会约束的储能容量优化模型考虑到风电出力受风速的随机性与不确定性的影响较大导致个别情况下其备用容量不能时刻满足调频需求 若按极端情况来配置储能容量虽能满足调频需求但无疑大大增加了系统运行成本 故选择机会约束规划解决储能的容量优化问题通过置信水平确定满足风电场一次调频需求的储能容量在储能容量配置问题的目标函数最优与约束条件之间取得折中.风储联合调频的置信度基于全年风电场的实际风速和调频需求可以得到风储联合调频的置信水平:()式中:是风电场全年风速采样数 为风储联合系统置信水平若第 个风速采样时风储联合调频满足系统调频需求则 取值为 反之取值为 其计算公式如下:)()模型求解本文采用蚁狮优化算法求解优化模型 相较于基本的粒子群算法需要设置粒子数、迭代次数和伽马参数遗传算法需要设置种群规模、交叉概率、变异概率和进化次数等 算法只需选取适当的蚁狮数量和迭代次数即可进行优化求解避免了因参数设置不当对优化结果产生的影响 其基本步骤如下:)初始化输入蚁狮和蚂蚁的种群规模、算法的迭代次数、变量维度、变量上下限等算法基本参数)采用随机方法生成一组初始配置方案作为蚂蚁和蚁狮的初始位置)仿真运算种群中的每个位置)判断其是否满足机会约束条件若满足则执行下一步否则更新蚂蚁和蚁狮的位置并重新构筑陷阱生成新一代种群执行上一步)选取满足机会约束条件的蚁狮其所对应的位置即目标函数值)对种群中的蚁狮进行精英选择操作)对种群中的蚂蚁和蚁狮的位置进行更新并重新构筑陷阱生成新一代蚂蚁和蚁狮种群)以上完成一次迭代若达到设定最大迭代次数则终止算法否则重复步骤)步骤)在算法求解过程中将最好的蚁狮位置作为最佳储能容量配置方案 算例分析.不同置信度下的储能容量配置本文研究对象选取国内某风电场 年的风速数据(见图)来进行储能容量优化配置因考虑到风速具有年周期性故取其作为该风电场的风速分布特性该风电场额定装机容量为 以 作为风速采样周期总共 份风速数据 电厂储能容量优化模型成本参数见表 石基辰等:风储联合调频中储能的容量优化配置 年 月图 某风电场一年内风速表 储能容量优化模型成本参数成本参数数值储能单位功率成本/(万元)储能单位容量成本/(万元)储能单位功率年运行维护成本/(万元()储能单位容量年运行维护成本/(万元()风电并网价格/(万元).调频服务价格/(万元()调频不足惩罚成本/(万元()系统参数折现率.下垂系数.频率偏差/.持续时间/由图 可知风储联合调频参与调频所需的容量配置需求仅为风电场额定装机容量的 相较于单独的储能系统完全参与一次调频其容量的配置需求要显著减少 将一定容量的储能配置于风电场中参与调频可弥补概率较大的中低风速工况下发电功率较低时的调频需求也避免了风机长期运行于次优功率运行点导致的弃风问题而对概率较小的高风速由于储能设备配置成本高故为避免配置过量储能提高储能利用率同时降低一次调频总成本此工况下通过风电机组减载控制来实现一次调频需求由图 和表 可知风储联合调频系统的运行成本对比风电调频运行成本和储能调频运行成本分别节图 不同置信度下的储能配置功率对比图 调频系统运行总成本在不同置信度下的对比表 风储联合系统在不同置信度下的节约成本置信度/节约成本/风电调频.储能调频.约 和 表明风储联合调频具有较强的经济性.储能成本对优化结果的影响图 和图 为置信水平取 时储能成本对储能容量优化和风储一次调频成本的影响 当下市场上的储能成本较高由图 可知随着储能成本的降低储能参与风电一次调频的容量配置在不断上升同时风储联合调频系统的运行成本也在下降 由此可知当储能成本下降时可将储能装置作为调频的主力增加储能的容量配置同时适当降低风电备用容量 其成本随着储能市场和技术的不断成熟发展而下降提高了风电场配备储能参与一次调频的积极性水 电 与 新 能 源 年第 期图 储能成本对储能容量配置的变化趋势图 储能成本对调频成本的变化趋势 结 语针对目前风储联合系统中储能容量优化配置的研究更多的集中在如何改善风电出力的波动性并非辅助风力发电参与电力系统调频的问题建立储能参与风电一次调频的容量优化配置模型采用置信水平处理系统运行经济性与可行性之间的关系通过蚁狮算法求解模型得出以下结论:)该模型配置中一次调频系统运行的总成本对比风电单独调频和储能完全参与风电一次调频大幅减少)将储能成本对储能容量优化和风储一次调频总成本的影响进行了分析随着未来储能成本的降低有利于储能参与风电一次调频和风电的消纳参考文献:.:杨锡运 刘雅欣 邢国通 等.基于风电概率预测的风电场调频容量估计方法.太阳能学报 ():高凯旻.提高频率稳定性的风储联合系统控制策略研究.沈阳:沈阳工业大学 董天翔 翟保豫 李星 等.风储联合系统参与频率响应的优化控制策略.电网技术 ():李军徽 高卓 李翠萍 等.基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制策略.电力系统自动化 ():./.():吴玮坪 胡泽春 宋永华.结合随机规划和序贯蒙特卡洛模拟的风电场储能优化配置方法.电网技术():叶瑞丽 郭志忠 刘瑞叶 等.基于风电功率预测误差分析的风电场储能容量优化方法.电力系统自动化():吴杰 丁明 张晶晶.基于云模型和 聚类的风电场储能容量优化配置方法.电力系统自动化():韩涛 卢继平 乔梁 等.大型并网风电场储能容量优化方案.电网技术 ():孔飞飞 晁勤 袁铁江 等.用于短期电网调度的风电场储能容量估算法.电力自动化设备():.():刘颖明 王瑛玮 王晓东 等.基于蚁狮算法的风电集群储能容量配置优化方法.太阳能学报 ():.():王静 刘文霞 李守强 等.计及机组降损收益的电源侧电池储能调频/调峰经济效益评价方法.电网技术():.: