利用大规模储能系统松弛风电集中外送输电瓶颈的优化配置方法

摘要

本发明针对因输电瓶颈造成风电集中外送能力受限问题，建立了应用于输电线路上的储能系统综合效益评估体系，提出了一种利用大规模储能系统松弛风电集中外送输电瓶颈的优化配置方法，其特点是，包括分析输送通道受阻原因及弃风量计算、基于全寿命周期理论的储能系统及输电线路数学模型、储能系统收益、输电工程收益和储能系统综合效益最大的储能系统功率计容量优化配置等内容。该方法综合考虑风电波动性、输电线路容量、电网用电负荷、输电工程成本、储能系统成本、输电收益及储能系统收益等因素，以储能系统综合效益最大化为目标,为松弛风电集中外送输电瓶颈提供有效手段。

主权项

一种利用大规模储能系统松弛风电集中外送输电瓶颈的优化配置方法，其特征是,它包括以下步骤：1)输送通道受阻原因及弃风量计算风电输送通道是指用于输送风电场输出的风电功率到用电负荷较大较集中的地区进行消纳的输电线路，影响风电输送通道的因素有风电的波动性，输电线路容量以及电网用电负荷变化,风电实际功率大于输电通道容量或者电网允许接纳风电功率时，出现弃风量，P_wind＞P_accept＞P_line，或P_accept＞P_wind＞P_line时，弃风功率为风电输出功率与输电通道容量之差，P_line＞P_wind＞P_accept，或P_wind＞P_line＞P_accept时，弃风功率为风电输出功率与电网允许接纳风电功率之差，其中，P_wind为风电实际功率，P_line为输电通道容量，P_accept为电网允许接纳风电功率，Q_E为储能系统提高的风电外送电量，其计算方法为：$Q_E=\underset{t=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_c\left(t\right)\times \eta \times \mathrm{\Delta t}---\left(1\right)$$\left\{\begin{array}{c}{P}_c\left(t\right)<\min [C_e,P_{\mathrm{wind}}\left(t\right)-P_{\mathrm{line}}\left(t\right)],P_{\mathrm{wind}}\left(t\right)>P_{\mathrm{accept}}\left(t\right)>P_{\mathrm{line}}\left(t\right)\\ P_c\left(t\right)<\min [C_e,P_{\mathrm{wind}}\left(t\right)-P_{\mathrm{line}}\left(t\right)],P_{\mathrm{accept}}\left(t\right)>P_{\mathrm{wind}}\left(t\right)>P_{\mathrm{line}}\left(t\right)\\ P_c\left(t\right)<\min [C_e,P_{\mathrm{wind}}\left(t\right)-P_{\mathrm{accept}}\left(t\right)],P_{\mathrm{line}}\left(t\right)>P_{\mathrm{wind}}\left(t\right)>P_{\mathrm{accept}}\left(t\right)\\ 0\le \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}[P_c\left(t\right)\times \eta -P_d\left(t\right)]\le B_e\\ 0\le \left|\mathrm{sign}\right[P_c\left(t\right)\left]\right|+\left|\mathrm{sign}\right[P_d\left(t\right)\left]\right|\le 1\end{array}\right.---\left(2\right)$式中，n为储能寿命周期；P_d为储能放电功率，MW；P_c为储能充电功率，MW；η为储能能量转换功率；sign为符号函数；B_e为储能系统功率，MW；C_e为储能系统容量，MWh；2)基于全寿命周期理论建立储能系统及输电线路数学模型LCC成本总体上包括投资费用和运行维持费用两大类，投资费用主要指设备购置的投资成本IC；运行维持费用可细分为：运行成本OC、检修维护成本MC、故障成本FC和退役处置成本DC，由各阶段成本即可构成LCC成本：LCC＝IC+OC+MC+FC+DC     (3)采用LCC净年值(NAV)来计算电网建设项目全寿命周期成本，为方便计算，只对储能系统成本按照LCC来计算，输电线路成本按照静态回收考虑来计算器成本，净年值是通过资金等值换算将项目净现值分摊到寿命期内各年，从第1年到第n年的等额年值，其计算公式为:NAV＝LCC×i(1+i)ⁿ÷[(1+i)ⁿ‑1]    (4)按照LCC成本，给出储能系统各部分分解成本计算公式：IC发生在设备购置当年，即计算周期的起始年为基准年，主要有设备购置费和安装调试费用构成，故有：IC＝IC_p+IC_i  (5)IC_p＝c_p×B_e+c_c×C_e    (6)安装调试费用IC_i与储能购置费用IC_p相比，费用较少，为方便计算，可忽略不计，式中：IC_p为储能购置费用；IC_i为安装调试费用；c_p为储能功率价格，元/MW；B_e为储能系统功率，MW；c_c为储能系统容量价格，元/MWh；C_e为储能系统容量，MWh，运行成本OC储能系统的运行成本由设备能耗费用和巡视人工费用，为方便计算，用设备能耗费用近似代替OCOC＝(P_c‑P_d)×8760×α    (7)式中，P_d为储能放电功率，MW；P_c为储能充电功率，MW；α为风电成本电价检修维护成本MC储能系统的检修维护可分为周期性的解体检修，即大修和检修维护，即小修两大类，其成本主要由检修维护周期和单次的检修维护费用决定，第n年的检修维护成本可用下面公式进行计算：MC_n＝n₀×MC_n0+n_r×MC_nr   (8)式中：MC_n0为单次大修费用；MC_nr为单次小修费用，其中，n₀和n_r分别表示第n年是否对储能系统进行大小修或者小修，其取值由各自的检修维护周期T₀和T_r决定，为0或1，具体为：n能整除T₀时，n₀取1，否则取0；n_r的取值与n₀类似，故障成本FC储能系统的故障成本包括故障检修费用和故障损失费用，为计算方便，以故障损失费用近似代替故障成本FC，故障损失费主要由停电损失费用决定，故第n年的故障成本可用下面公式计算：FC_n＝λ×P_F×t_F×α     (9)式中：λ为储能系统故障率；P_F为故障时储能系统损失功率：t_F为储能系统平均停止工作时间；α为风电成本电价，退役处置成本DC储能系统的退役处置成本主要包括设备的退役或报废处理费和退役残值，其中设备退役残值以负数计入，退役处理费可将投资成本中的安装调试费安清理费率，取32％折算得到；设备退役残值可将投资成本中的设备处置费按一定比例，取5％折算得到，则储能系统的退役处置成本DC为：DC＝32％×IC_i+5％×IC_p  (10)按静态回收考虑的输电线路成本C_s计算C_s＝(K_sP_lineL)/T_s    (11)式中，L为输电距离，K_s为单位容量、单位长度下的输电工程造价；T_s为输电工程投资静态回收期；储能系统收益储能系统收益B，B_e,C_e正比于寿命周期期限内提高的风能接纳量，其计算公式为B＝K_EQ_E     (12)式中，K_E为输电企业外送单位风电电量的价格，Q_E为储能系统提高的风电外送电量，输电工程收益R＝K_rG_w    (13)式中，K_r为输电企业外送单位风电电量的价格；G_w为不加储能系统时每年输电工程外送的风电电量；G_w的计算公式为$G_w=\underset{d=1}{\overset{365}{\Sigma }}{\int }_{d1}^{d2}{f}_p\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(14\right)$$f_p=\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{wind}},P_{\mathrm{accept}}>P_{\mathrm{line}}>P_{\mathrm{wind}}\\ P_{\mathrm{wind}},P_{\mathrm{line}}>P_{\mathrm{accept}}>P_{\mathrm{wind}}\\ P_{\mathrm{line}},P_{\mathrm{accept}}>P_{\mathrm{wind}}>P_{\mathrm{line}}\\ P_{\mathrm{accept}},P_{\mathrm{line}}>P_{\mathrm{wind}}>P_{\mathrm{accept}}\end{array}\right.---\left(15\right)$式中，d1为一天0点时刻d2为一天最后时刻，f_p为可送出风电功率曲线，替代火电出力效益B_replace＝k_fbQ_E   (16)式中，k_f为单位质量燃煤价格，b为火电厂标准煤耗率，Q_E为储能系统提高的风电外送电量节能减排效益$B_j=(P_{{\mathrm{co}}_2}\times e_{{\mathrm{co}}_2}+P_{{\mathrm{so}}_2}\times e_{{\mathrm{so}}_2}+P_{\mathrm{no}}\times e_{\mathrm{no}})\times Q_E\times \eta ---\left(17\right)$式中：B_j为储能系统节能减排效益，元；P_co2、P_so2、P_no分别为电网处理向外界排放的co₂、so₂、氮氧化物产生的投资，元/kg；e_co2、e_so2、e_no分别为火电机组生产单位电能的co₂、so₂、氮氧化物排放量，kg/MWh；输电线路储能系统最优配置基于全寿命周期理论，综合考虑储能系统及输电线路的经济效益，投资成本，以储能系统寿命周期n年内综合效益最大化为目标，构建了一种风电外送储能最优配置，其目标函数如下式所示：f＝max{B+R+B_replace+B_j‑C_s‑NAV}    (18)式中，f为储能系统综合效益，元，目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置。