提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法

摘要

本发明针对因电网调峰困难造成风电接入受限问题，建立了应用于风电场侧储能系统效益评估体系，提出了一种提高风电场风能利用水平的储能系统配置方法，其特点是，包括风电场弃风电量的计算、利用储能系统减小风电场弃风电量的作用机理、储能系统效益计算和储能系统总收益最大的储能容量优化配置等内容。该方法综合考虑风电出力波动特性、电网对风电的接入能力、储能系统投资成本和经济效益等因素，以储能系统综合效益最大化为目标，为提高电网对风电场出力的接纳能力提供了有效的手段。

主权项

一种提高风能利用水平的风电场储能系统配置方法，其特征在于,它包括以下步骤：1)风电场弃风电量的计算风电功率取决于自然风速，将未经限制的风机功率定义为风电机组可发功率，根据风电机组测风数据和风速‑最优功率特性曲线，求得风电机组可发功率；现普及于风电场的双馈异步风电机组输出功率与风速的关系用分段函数表示：$P_{w.i}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\le v_i\left(t\right)<v_{\mathrm{in}.i}\\ a+b{v}_i{\left(t\right)}^3& v_{\mathrm{in}.i}\le v_i\left(t\right)<v_{r.i}\\ P_{r.i}& v_{r.i}\le v_i\left(t\right)\le v_{o.i}\\ 0& v_i\left(t\right)>v_{o.i}\end{array}\right.---\left(1\right)$式中：P_w.i(t)分别为风机i在t时刻的可发功率，MW，P_r.i为风电机组i的额定功率，MW；v_i(t)为t时刻流经该风力机叶面风速，m/s；v_in.i、v_r.i、v_o.i分别为风机i的切入风速、额定风速、切出风速,m/s；a＝P_r.iv_in.i³/(v_i(t)³‑v_r.i³)；b＝P_r.i/(v_r.i³‑v_i(t)³)；风电场可发功率为风电场所有风电机组可发功率之和：$P_w\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_{w.i}\left(t\right)---\left(2\right)$式中，n为风电场中风电机组的台数；将风电场弃风功率定义为风电场可发功率与风电场实际并网功率之差，风电场弃风功率对时间积分即为风电场弃风电量；2)利用储能系统减小风电场弃风电量的作用机理在电网接纳风电功率的能力不足时，利用储能系统存储弃风电量，在电网接纳风电功率的能力充裕时释放存储电量；假定储能系统的额定功率为P_er，额定容量为C_er，寿命期限内提高的风电接纳电量如下式所示：$E(P_{\mathrm{er}},C_{\mathrm{er}})=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_c\left(t\right)\times \eta \times \mathrm{\Delta t}$$s.t\left\{\begin{array}{c}{P}_c\left(t\right)<\min [P_{\mathrm{er}},P_w\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}\left(t\right)],P_w\left(t\right)>P_{\mathrm{ref}}\left(t\right)\\ P_d\left(t\right)<\min [P_{\mathrm{er}},P_{\mathrm{ref}}\left(t\right)-P_w\left(t\right)],P_{\mathrm{ref}}\left(t\right)>P_w\left(t\right)\\ 0\le \underset{t=1}{\overset{i}{\Sigma }}[P_c\left(t\right)\times \eta -P_d\left(t\right)/\eta ]\times \mathrm{\Delta t}\le C_{\mathrm{er}},1\le i\le N\\ 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(3\right)$式中：E为储能系统寿命期限内提高的风电接纳电量，MWh；P_c为储能系统充电功率，MW；P_d为储能系统放电功率，MW；η为储能系统能量转换效率；△t为风电功率的采样时间间隔；N为储能系统运行寿命内最大采样点数，其值等于储能系统运行寿命除以采样时间间隔；P_ref(t)为风电场并网功率上限，MW；sign为符号函数；3)储能系统效益计算将储能系统的效益分为电量效益、环境效益及调峰效益；电量效益将利用储能系统使电网多接纳风电电量所获得的收益定义为储能系统的电量效益；其计算方法如下式所示：$B_q(P_{\mathrm{er}},C_{\mathrm{er}})=\left\{\begin{array}{cc}E(P_{\mathrm{er}},C_{\mathrm{er}})\times \eta \times P_q& \mathrm{or}\\ \underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_d\left(t\right)\times \mathrm{\Delta t}\times P_q& \end{array}\right.---\left(4\right)$式中：B_q储能系统电量效益，元；P_q风电上网电价，元/MWh；环境效益将储能系统通过使电网多接纳风电进而减少火电机组为生产等值电量产生的污染物排放量，主要为CO₂、SO₂及氮氧化物所带来的“节能减排”效益，定义为储能系统的环境效益，其计算方法如下式所示：$\begin{array}{c}{B}_e(P_{\mathrm{er}},C_{\mathrm{er}})=\\ (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 E(P_{\mathrm{er}},C_{\mathrm{er}})\times \eta \end{array}---\left(5\right)$式中：B_e为储能系统环境效益，元；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_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；调峰效益将储能系统在电网调峰困难时段存储受限风电，避免电网消纳此风电而造成火电机组进入深度调峰或启停调峰时，从电网所获得补偿定义为储能系统调峰效益，其计算方法如下式所示：B_p(P_er,C_er)＝E(P_er,C_er)×η×P_p   (6)式中：B_p储能系统调峰效益，元；P_p电网对提供非常规调峰服务机组的调峰电量补偿，元/MWh；4)储能系统总收益最大的储能容量优化配置综合考虑储能系统的经济效益、投资成本，以储能系统寿命期限内效益最大化为目标，构建了一种风电场储能系统最优配置方法，其目标函数如下式所示：f(P_er,C_er)＝max{B_q+B_e+B_p‑c_p×P_er‑c_c×C_er}   (7)式中：f为储能系统综合效益，元；c_p为储能系统功率价格，元/MW；c_c为储能系统容量价格，元/MWh；(7)式目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置。